[雙定子籠型感應(yīng)電機(jī)綜述] 籠式電機(jī)定子繞組

　　摘要：雙定子籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有較好的調(diào)速及起動(dòng)性能，非常適合于許多特定負(fù)載條件下的應(yīng)用。文中概述了雙定子籠型電機(jī)的基本原理和理論分析方法，闡述了其主要特點(diǎn)及應(yīng)用，介紹了其發(fā)展?fàn)顩r。
　　關(guān)鍵詞：雙定子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；無級(jí)調(diào)速；綜述；
　　中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　1 引言
　　
　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速一直以來都是電動(dòng)機(jī)及其控制領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。目前比較常用的調(diào)速方法有變極調(diào)速、變頻調(diào)速、交流調(diào)壓調(diào)速及帶液力耦合器調(diào)速等方法。這些方法雖然各有優(yōu)點(diǎn)，但也存在著各自的缺點(diǎn)。籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于其簡(jiǎn)單、可靠、低電阻、低損耗，得到廣泛應(yīng)用。普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在著起動(dòng)電流大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小和重載起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，特別是對(duì)于帶重負(fù)荷全壓起動(dòng)，其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，加速緩慢，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，籠條可能出現(xiàn)開焊和斷裂[1]。
　　起動(dòng)性能和調(diào)速性能是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)重要特性。雙定子籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不僅具有良好的調(diào)速性能，而且也有良好的起動(dòng)性能，能夠較好地克服普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在的問題。
　　本文概述了雙定子籠型電動(dòng)機(jī)的基本原理和理論分析方法，闡述了其主要特點(diǎn)及其應(yīng)用，介紹了其發(fā)展?fàn)顩r。
　　
　　2 基本結(jié)構(gòu)
　　
　　雙定子電機(jī)最早是由澳大利亞的B. H. Smith [2] 在1966年以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的形式提出來的。它具有許多不同于普通電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，不論是在基本理論還是在電機(jī)結(jié)構(gòu)方面都有重大發(fā)展。典型的雙定子調(diào)速電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
　　　
　　該電動(dòng)機(jī)通常由兩個(gè)獨(dú)立的定子和一個(gè)公共的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在機(jī)座內(nèi)膛沿軸向放置著兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同嵌有繞組的定子鐵心，單個(gè)定子的結(jié)構(gòu)與普通籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，其中一個(gè)固定在機(jī)座上，稱為靜定子，另一個(gè)則可沿圓周方向在180°電角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為調(diào)速定子。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也基本上與普通籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，在轉(zhuǎn)子兩端也以常規(guī)的端環(huán)短路，只是轉(zhuǎn)子的每根導(dǎo)條具有兩個(gè)定子的全部長(zhǎng)度。在某些情況下，轉(zhuǎn)子中央有高電阻的中間端環(huán)與導(dǎo)條連接。
　　
　　3 基本工作原理及主要理論分析方法
　　
　　3.1基本工作原理
　　運(yùn)行時(shí)根據(jù)調(diào)速的要求，將可移定子轉(zhuǎn)動(dòng)到恰當(dāng)?shù)奈恢茫�然后加以固定，即可在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)兩套定子繞組對(duì)應(yīng)相繞組軸線的夾角為α角，如圖2所示，當(dāng)調(diào)節(jié)可移定子的位置時(shí)，α角是變化的，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的合成電勢(shì)隨α而變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之改變，因此調(diào)節(jié)可移定子的位置，即可達(dá)到平滑調(diào)速的目的[3]。
　　
　　3.2主要理論分析方法
　　對(duì)于雙定子籠型感應(yīng)電機(jī)的理論與計(jì)算分析，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做了多種方法的嘗試。
　　（1）根據(jù)電機(jī)的具體電路連接的方式，直接列方程組進(jìn)行分析[3][4]；
　　（2）通過對(duì)電機(jī)的電路進(jìn)行各種等效和折算，得出與分析感應(yīng)電機(jī)類似的T型電路和Γ型電路[5]，還有П型電路[6]，進(jìn)行分析；
　�。�3）通過電機(jī)的狀態(tài)方程和動(dòng)態(tài)模型，用matlab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析[1][7][8][9]。
　　
　　4 主要特點(diǎn)
　　
　　雙定子電機(jī)具有以下特點(diǎn)[10]：
　�。�1）在額定電壓和工頻條件下可實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速；
　�。�2）調(diào)速范圍寬，可在30%~98%之內(nèi)穩(wěn)定控制；
　�。�3）電機(jī)調(diào)速時(shí)，可以恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且沖擊電流��；
　　（4）電機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)具有與普通籠型感應(yīng)電機(jī)相同的特點(diǎn)，能做到重量輕，體積小，控制設(shè)備較便宜，且具有互換性；
　�。�5）電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，運(yùn)行安全穩(wěn)定，可靠性高；
　�。�6）可根據(jù)不同類型的負(fù)載特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)靈活，適用范圍廣。
　　
　　5 主要應(yīng)用
　　
　　5.1用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速控制
　　雙定子電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，將其用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速控制，具有重要的節(jié)能意義。電廠風(fēng)機(jī)水泵在運(yùn)行過程中，往往需要根據(jù)負(fù)荷的要求調(diào)節(jié)流量。目前常用的方法是通過調(diào)節(jié)閥門或擋板的開度，即改變阻力的方法來進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時(shí)風(fēng)機(jī)、水泵均工作在額定狀態(tài)，效率低下，大量的能量消耗在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，有的還采用放空的方法，不僅白白浪費(fèi)了電能，而且增加了環(huán)境噪音。
　　由于風(fēng)機(jī)水泵耗能與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此，采用直接對(duì)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，通過改變風(fēng)機(jī)水泵的風(fēng)壓來調(diào)節(jié)流量，可以起到非常明顯的節(jié)能效果。
　　
　　5.2 用于需要重載起動(dòng)的場(chǎng)合
　　對(duì)電廠輔機(jī)如磨煤機(jī)[1]等，當(dāng)采用普通籠型電動(dòng)機(jī)，帶負(fù)載全壓起動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，加速很慢，因此起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，容易造成轉(zhuǎn)子籠條受到電磁應(yīng)力和熱應(yīng)力等多重影響，致使籠條斷裂、開焊等故障發(fā)生。
　　用作磨煤機(jī)的雙定子籠型感應(yīng)電機(jī)，轉(zhuǎn)子中央具有高電阻的中間端環(huán)與導(dǎo)條連接，兩個(gè)定子繞組串聯(lián)連接，通過接觸器可控制兩定子繞組外施電壓的相位。起動(dòng)時(shí)，通過接觸器的切換使加在兩定子繞組的電壓有相位差，迫使電流從中間端環(huán)流過，相當(dāng)于增加轉(zhuǎn)子電阻，性能上與繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)帶電阻起動(dòng)相似，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大而起動(dòng)電流小。當(dāng)起動(dòng)過程完成后，切換接觸器，此時(shí)該電機(jī)與傳統(tǒng)籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，電機(jī)的效率和功率因數(shù)較高。
　　
　　5.3 用于拖動(dòng)鐵道車輛中的制動(dòng)裝置、關(guān)門裝置及空氣彈簧等
　　鐵道車輛中制動(dòng)裝置、關(guān)門裝置及空氣彈簧是利用壓縮空氣工作的，過去使用起動(dòng)特性好的直流電機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)，由于直流電機(jī)需經(jīng)常維護(hù)電刷，且大容量的靜止變頻器已實(shí)用化，使得應(yīng)用三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)成為可能。由于異步電機(jī)無需電刷，它比直流電機(jī)價(jià)廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，維修也容易。但是通用異步電機(jī)有起動(dòng)特性差，起動(dòng)電流大于6倍額定值，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。雙定子異步電動(dòng)機(jī)改善了異步電機(jī)的起動(dòng)特性，并己應(yīng)用于車載空壓機(jī)[11]。
　　
　　5.4 用于由光伏陣列提供恒定機(jī)械功率的場(chǎng)合[10]
　　
　　利用光伏陣列可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，如圖3所示，由光伏陣列產(chǎn)生的電能又可以轉(zhuǎn)換為電機(jī)的機(jī)械能，來驅(qū)動(dòng)空調(diào)熱泵和灌溉用的水泵等。但是由于太陽(yáng)能隨天氣變化而變化，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生恒定的機(jī)械功率。在該系統(tǒng)中利用雙定子電機(jī)代替兩個(gè)耦合的常規(guī)感應(yīng)電機(jī)，可以在充分利用太陽(yáng)能的同時(shí)產(chǎn)生恒定的機(jī)械功率，且使系統(tǒng)的體積減小，易于實(shí)現(xiàn)。
　　
　　5.5 雙定子發(fā)電機(jī)
　　除了作為電動(dòng)機(jī)，雙定子電機(jī)還可以為發(fā)電機(jī)用。雙定子發(fā)電機(jī)的各機(jī)電變量受轉(zhuǎn)角α的控制，在轉(zhuǎn)差較小的情況下，調(diào)相角相當(dāng)于調(diào)節(jié)定子的電動(dòng)勢(shì)，使得電磁轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)力矩相匹配，以維持電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，從而使得頻率不變。電機(jī)在瞬變狀態(tài)下，諸如起動(dòng)、突然短路、外部負(fù)載變動(dòng)等情況下，電機(jī)頻率可能會(huì)隨著波動(dòng)，此時(shí)調(diào)節(jié)α角，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使頻率復(fù)原。該電機(jī)不僅能夠在復(fù)雜的條件下運(yùn)行，自動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)電關(guān)系，保持頻率不變，而且能實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，不再需要起動(dòng)限流、過速、過壓等保護(hù)裝置及整流器、調(diào)速器和變頻器等輔助設(shè)備。
　　
　　6 發(fā)展?fàn)顩r
　　
　　近年來，對(duì)雙定子電機(jī)研究取得了很大的成績(jī)。一些先進(jìn)國(guó)家已應(yīng)用到地鐵、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等行業(yè)。日本在雙定子電機(jī)的理論研究和工業(yè)應(yīng)用上顯得較為活躍，英國(guó)、澳大利亞也圍繞雙定子電機(jī)做了大量的工作。他們?yōu)殡p定子電機(jī)申請(qǐng)了專利，甚至還專門成立了電機(jī)調(diào)速有限公司。1990年日本的幾位學(xué)者聯(lián)合推出了一種無噪聲的雙定子變速電機(jī)[12]，這種電機(jī)在主電機(jī)和調(diào)節(jié)電機(jī)之間連接了一波狀高阻，進(jìn)一步改善了雙定子電機(jī)的起動(dòng)性能和調(diào)速性能。
　　我國(guó)對(duì)雙定子電機(jī)的研究起步較晚，目前有華中科技大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等高校在做這方面的工作。東方電機(jī)股份有限公司和四川聯(lián)合大學(xué)聯(lián)合為四川白馬發(fā)電廠研制的1000kW高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低起動(dòng)電流新型雙定子異步電動(dòng)機(jī)[13]，作為白馬電廠20萬(wàn)kW汽輪發(fā)電機(jī)組鋼球磨煤機(jī)配套用的籠型異步電動(dòng)機(jī)，自1994年投入商業(yè)運(yùn)行以來，性能和效果良好。
　　影響雙定子電機(jī)普及的主要原因是：生產(chǎn)工藝、制造成本、附加電阻及散熱等問題，經(jīng)多方努力，已得到了較好的緩解。現(xiàn)有這種電機(jī)在軋鋼、軋銅等行業(yè)，經(jīng)過了每分鐘6～8個(gè)往返的正反轉(zhuǎn)考驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，壽命大大超過了普通鼠籠三相異步電動(dòng)機(jī)[14]。我國(guó)的雙定子電機(jī)正在進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化過程。
　　
　　7 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　雙定子籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，既具有籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無法比擬的優(yōu)良的無級(jí)調(diào)速性能和起動(dòng)性能。在電動(dòng)機(jī)的速度頻繁改變，轉(zhuǎn)矩需要控制等許多場(chǎng)合，該種電動(dòng)機(jī)可代替繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。由于其性能的優(yōu)越性，因此雙定子電動(dòng)機(jī)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]胡明正.雙定子籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及起動(dòng)過程仿真[J].電工技術(shù)學(xué)，1995，（4）: 16-19.
　　[2]Smith. B. H. Theory and Performance of a Twin Stator Induction Machine J IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems 1966,85（2）:123-131.
　　[3]張愛玲.雙定子式籠型無級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的分析研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1994， （1）: 11~15.
　　[4]郭曉紅等.雙定子式籠型無級(jí)調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的方程式和矢量圖[J].電力學(xué)報(bào)，1999， 14（3）:164-167.
　　[5]王雪帆.雙定子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等效電路分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999，19（5）: 39-43.
　　[6]程小華.雙定子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的Π形等效電路[J]. 大電機(jī)技術(shù)，2003， （1）: 15-17.
　　[7]Kaneo Takaku Computer-aided analysis of a twin stator induction motorC Conference Record of the 1989 IEEE Industry Application Society Annual Meeting Part l1989 1~5 San Diego Calif 1989: 289-294.
　　[8]王斌等.帶轉(zhuǎn)子中間環(huán)的雙定子電機(jī)動(dòng)態(tài)模型建立及仿真研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，32（6）: 85-88.
　　[9]嚴(yán)柏軍等.雙定子籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)分析及仿真[J].防爆電機(jī)，1999，（2）: 6-14.
　　[10]黃衛(wèi)星等.新型雙定子電機(jī)的原理及應(yīng)用綜述[J].電機(jī)電器技術(shù)，1999，（4）: 2-5.
　　[11]陳云生，倪文乞.車載雙定子異步電動(dòng)機(jī)式空壓機(jī)的實(shí)用技術(shù)[J].中小型電機(jī)，1995，22（1） : 57-59.
　　[12]E. Nakamae H. Yamashita Y. ohnogi K.Kagawa Noiseless Variable speed Squirrelcage Induction Motor IEEE Trans. on Energy Conversion 1990，15（2）: 380-385.
　　[13]余小波.1000kW高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低起動(dòng)電流新型雙定子異步電動(dòng)機(jī)[J].電工技術(shù)雜志，1996，（5）: 42.
　　[14]王晨.雙定子電機(jī)――談鼠籠式三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2001， 23（11）: 67-69.

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