摘要：雙定子籠型感應(yīng)電動機具有較好的調(diào)速及起動性能，非常適合于許多特定負載條件下的應(yīng)用。文中概述了雙定子籠型電機的基本原理和理論分析方法，闡述了其主要特點及應(yīng)用，介紹了其發(fā)展狀況。
　　關(guān)鍵詞：雙定子感應(yīng)電動機；無級調(diào)速；綜述；
　　中圖分類號：TM346 文獻標識碼：A
　　
　　1 引言
　　
　　感應(yīng)電動機調(diào)速一直以來都是電動機及其控制領(lǐng)域的一項重要課題。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，但也存在著各自的缺點�；\型感應(yīng)電動機由于其簡單、可靠、低電阻、低損耗，得到廣泛應(yīng)用。普通籠型感應(yīng)電動機存在著起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩小和重載起動時間長等缺點，特別是對于帶重負荷全壓起動，其起動轉(zhuǎn)矩不高，加速緩慢，起動時間長，籠條可能出現(xiàn)開焊和斷裂[1]。
　　起動性能和調(diào)速性能是感應(yīng)電動機的兩個重要特性。雙定子籠型感應(yīng)電動機不僅具有良好的調(diào)速性能，而且也有良好的起動性能，能夠較好地克服普通籠型感應(yīng)電動機存在的問題。
　　本文概述了雙定子籠型電動機的基本原理和理論分析方法，闡述了其主要特點及其應(yīng)用，介紹了其發(fā)展狀況。
　　
　　2 基本結(jié)構(gòu)
　　
　　雙定子電機最早是由澳大利亞的B. H. Smith [2] 在1966年以感應(yīng)電動機的形式提出來的。它具有許多不同于普通電動機的特點，不論是在基本理論還是在電機結(jié)構(gòu)方面都有重大發(fā)展。典型的雙定子調(diào)速電動機結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
　　　
　　該電動機通常由兩個獨立的定子和一個公共的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在機座內(nèi)膛沿軸向放置著兩個結(jié)構(gòu)相同嵌有繞組的定子鐵心，單個定子的結(jié)構(gòu)與普通籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機相同，其中一個固定在機座上，稱為靜定子，另一個則可沿圓周方向在180°電角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，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)電動機相同，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)條具有兩個定子的全部長度。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
　　運行時根據(jù)調(diào)速的要求，將可移定子轉(zhuǎn)動到恰當?shù)奈恢�，然后加以固定，即可在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。設(shè)兩套定子繞組對應(yīng)相繞組軸線的夾角為α角，如圖2所示，當調(diào)節(jié)可移定子的位置時，α角是變化的，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的合成電勢隨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，即可達到平滑調(diào)速的目的[3]。
　　
　　3.2主要理論分析方法
　　對于雙定子籠型感應(yīng)電機的理論與計算分析，國內(nèi)外眾多學者做了多種方法的嘗試。
　�。�1）根據(jù)電機的具體電路連接的方式，直接列方程組進行分析[3][4]；
　�。�2）通過對電機的電路進行各種等效和折算，得出與分析感應(yīng)電機類似的T型電路和Γ型電路[5]，還有П型電路[6]，進行分析；
　�。�3）通過電機的狀態(tài)方程和動態(tài)模型，用matlab軟件進行計算機仿真分析[1][7][8][9]。
　　
　　4 主要特點
　　
　　雙定子電機具有以下特點[10]：
　�。�1）在額定電壓和工頻條件下可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速；
　�。�2）調(diào)速范圍寬，可在30%~98%之內(nèi)穩(wěn)定控制；
　�。�3）電機調(diào)速時，可以恒轉(zhuǎn)矩運行，且沖擊電流��；
　　（4）電機調(diào)速運行時具有與普通籠型感應(yīng)電機相同的特點，能做到重量輕，體積小，控制設(shè)備較便宜，且具有互換性；
　�。�5）電機的起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，運行安全穩(wěn)定，可靠性高；
　�。�6）可根據(jù)不同類型的負載特點進行設(shè)計，設(shè)計靈活，適用范圍廣。
　　
　　5 主要應(yīng)用
　　
　　5.1用于風機水泵調(diào)速控制
　　雙定子電機具有良好的調(diào)速性能，將其用于風機水泵調(diào)速控制，具有重要的節(jié)能意義。電廠風機水泵在運行過程中，往往需要根據(jù)負荷的要求調(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行調(diào)節(jié)，此時風機、水泵均工作在額定狀態(tài)，效率低下，大量的能量消耗在風機內(nèi)部，有的還采用放空的方法，不僅白白浪費了電能，而且增加了環(huán)境噪音。
　　由于風機水泵耗能與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此，采用直接對驅(qū)動風機水泵的感應(yīng)電動機進行調(diào)速，通過改變風機水泵的風壓來調(diào)節(jié)流量，可以起到非常明顯的節(jié)能效果。
　　
　　5.2 用于需要重載起動的場合
　　對電廠輔機如磨煤機[1]等，當采用普通籠型電動機，帶負載全壓起動時，由于起動轉(zhuǎn)矩不高，加速很慢，因此起動時間長，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。
　　用作磨煤機的雙定子籠型感應(yīng)電機，轉(zhuǎn)子中央具有高電阻的中間端環(huán)與導(dǎo)條連接，兩個定子繞組串聯(lián)連接，通過接觸器可控制兩定子繞組外施電壓的相位。起動時，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，相當于增加轉(zhuǎn)子電阻，性能上與繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機帶電阻起動相似，起動轉(zhuǎn)矩大而起動電流小。當起動過程完成后，切換接觸器，此時該電機與傳統(tǒng)籠型感應(yīng)電動機一樣，電機的效率和功率因數(shù)較高。
　　
　　5.3 用于拖動鐵道車輛中的制動裝置、關(guān)門裝置及空氣彈簧等
　　鐵道車輛中制動裝置、關(guān)門裝置及空氣彈簧是利用壓縮空氣工作的，過去使用起動特性好的直流電機拖動空壓機，由于直流電機需經(jīng)常維護電刷，且大容量的靜止變頻器已實用化，使得應(yīng)用三相異步電動機拖動空壓機成為可能。由于異步電機無需電刷，它比直流電機價廉、結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，維修也容易。但是通用異步電機有起動特性差，起動電流大于6倍額定值，起動轉(zhuǎn)矩小等缺點。雙定子異步電動機改善了異步電機的起動特性，并己應(yīng)用于車載空壓機[11]。
　　
　　5.4 用于由光伏陣列提供恒定機械功率的場合[10]
　　
　　利用光伏陣列可以將太陽能轉(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)換為電機的機械能，來驅(qū)動空調(diào)熱泵和灌溉用的水泵等。但是由于太陽能隨天氣變化而變化，因此驅(qū)動系統(tǒng)不能產(chǎn)生恒定的機械功率。在該系統(tǒng)中利用雙定子電機代替兩個耦合的常規(guī)感應(yīng)電機，可以在充分利用太陽能的同時產(chǎn)生恒定的機械功率，且使系統(tǒng)的體積減小，易于實現(xiàn)。
　　
　　5.5 雙定子發(fā)電機
　　除了作為電動機，雙定子電機還可以為發(fā)電機用。雙定子發(fā)電機的各機電變量受轉(zhuǎn)角α的控制，在轉(zhuǎn)差較小的情況下，調(diào)相角相當于調(diào)節(jié)定子的電動勢，使得電磁轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動力矩相匹配，以維持電機轉(zhuǎn)速不變，從而使得頻率不變。電機在瞬變狀態(tài)下，諸如起動、突然短路、外部負載變動等情況下，電機頻率可能會隨著波動，此時調(diào)節(jié)α角，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使頻率復(fù)原。該電機不僅能夠在復(fù)雜的條件下運行，自動協(xié)調(diào)機電關(guān)系，保持頻率不變，而且能實現(xiàn)自我保護，不再需要起動限流、過速、過壓等保護裝置及整流器、調(diào)速器和變頻器等輔助設(shè)備。
　　
　　6 發(fā)展狀況
　　
　　近年來，對雙定子電機研究取得了很大的成績。一些先進國家已應(yīng)用到地鐵、農(nóng)業(yè)機械、工程機械等行業(yè)。日本在雙定子電機的理論研究和工業(yè)應(yīng)用上顯得較為活躍，英國、澳大利亞也圍繞雙定子電機做了大量的工作。他們?yōu)殡p定子電機申請了專利，甚至還專門成立了電機調(diào)速有限公司。1990年日本的幾位學者聯(lián)合推出了一種無噪聲的雙定子變速電機[12]，這種電機在主電機和調(diào)節(jié)電機之間連接了一波狀高阻，進一步改善了雙定子電機的起動性能和調(diào)速性能。
　　我國對雙定子電機的研究起步較晚，目前有華中科技大學、四川聯(lián)合大學等高校在做這方面的工作。東方電機股份有限公司和四川聯(lián)合大學聯(lián)合為四川白馬發(fā)電廠研制的1000kW高起動轉(zhuǎn)矩低起動電流新型雙定子異步電動機[13]，作為白馬電廠20萬kW汽輪發(fā)電機組鋼球磨煤機配套用的籠型異步電動機，自1994年投入商業(yè)運行以來，性能和效果良好。
　　影響雙定子電機普及的主要原因是：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�，F(xiàn)有這種電機在軋鋼、軋銅等行業(yè)，經(jīng)過了每分鐘6～8個往返的正反轉(zhuǎn)考驗，運轉(zhuǎn)情況良好，壽命大大超過了普通鼠籠三相異步電動機[14]。我國的雙定子電機正在進入產(chǎn)業(yè)化過程。
　　
　　7 結(jié)束語
　　
　　雙定子籠型感應(yīng)電動機，既具有籠型感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠等優(yōu)點，同時又具有普通感應(yīng)電動機無法比擬的優(yōu)良的無級調(diào)速性能和起動性能。在電動機的速度頻繁改變，轉(zhuǎn)矩需要控制等許多場合，該種電動機可代替繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機。由于其性能的優(yōu)越性，因此雙定子電動機必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
　　
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