團隊介紹

任泰安，工學博士，合肥工業(yè)大學講師，研究方向為新型特種電機、電磁場計算。曾主持和參與包含國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、省自然科學基金等在內(nèi)的縱橫向科技項目8項，在IET、中國電機工程學報、電工技術學報等國內(nèi)外學術刊物發(fā)表學術論文10余篇，授權國家發(fā)明專利2項。

闞超豪，工學博士，合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為新型特種電機研制、電機電磁場計算、電機電器故障診斷等。作為負責人或主研參與20余項科研項目的研究，包括國家自然科學基金面上項目、省自然科學基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃項目子課題、國家重大儀器專項子課題，以及多項來自中科院合肥物質(zhì)研究院的科研項目。在IEEE Transaction、IET、中國電機工程學報、電工技術學報等國內(nèi)外學術刊物發(fā)表學術論文50余篇。

導語

本文對繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機定子上確定極對數(shù)分別為p1、p2的兩套繞組，其極對數(shù)組合形式(選取p1 (p2)為功率繞組，p2 ( p1)為控制繞組)的選取提供了一種的理論依據(jù)。

以繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的等效電路為基礎，研究空載和負載狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流和功率繞組側(cè)輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系，以及負載狀態(tài)下系統(tǒng)輸出功率與控制繞組勵磁電流之間的關系。所提出的方法對其它結(jié)構轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機極對數(shù)組合形式的選取具有一定的參考價值。

研究背景

近年來，隨著世界對綠色能源的日益提倡，風力發(fā)電已成為優(yōu)先發(fā)展的新能源之一。交流勵磁雙饋發(fā)電機作為風力發(fā)電的主流發(fā)電機，結(jié)構上存在電刷、滑環(huán)等，發(fā)電系統(tǒng)的可靠性較低。無刷雙饋電機在保留交流勵磁雙饋發(fā)電機優(yōu)點的同時，取消了滑環(huán)裝置，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了變頻器所需的容量，降低了系統(tǒng)的成本。

而無刷雙饋電機定子上有兩套極對數(shù)不同的繞組，其極對數(shù)組合形式的不同對電機性能的影響較大。因此，有必要利用無刷雙饋電機的等效電路推導出極對數(shù)組合形式選取的理論依據(jù)，該理論也為提高電機系統(tǒng)的性能提供了一種新思路。

論文方法及創(chuàng)新點

下圖給出了無刷雙饋電機的每相等效電路，為保證研究的可信度，采用控制變量法保持控制繞組的勵磁電流和功率繞組側(cè)的負載不變，這里僅研究其發(fā)電機性能。

無刷雙饋電機的單相等效電路圖

基于圖1所述的等效電路，通過推導和化簡可分別得出空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子電流和功率繞組側(cè)輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系為式(1)、(2)；負載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子電流和功率繞組側(cè)輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系為式(3)、(4)，系統(tǒng)輸出功率與控制繞組勵磁電流之間的關系為式(5)。

公式（1）-（5）

本文采用有限元法進行仿真研究，樣機以 YZR315電機為參照，電機極對數(shù)為2/4，轉(zhuǎn)子繞組采用5聯(lián)等匝結(jié)構，定義極對數(shù)組合形式pp=2、pc=4為方案一，pp=4、pc=2為方案二。通過仿真與計算可得出空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為600r/min時，兩種方案轉(zhuǎn)子電流、功率繞組相電壓與勵磁電流之間的關系曲線如圖1、2所示。

圖1

圖2

從圖1中可以看出隨著勵磁電流的增大，兩種方案的轉(zhuǎn)子電流均增大，與勵磁電流基本成正比關系，且兩種方案的計算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本相同。

由圖2中可知，當勵磁電流較小時，兩種方案在同一勵磁電流下的相電壓仿真值均與計算值吻合較好；當隨著勵磁電流增大到一定程度時，由于電機空載特性的非線性，使得功率繞組側(cè)輸出電壓增加較為緩慢，與計算值偏差會有所增加，對比兩種方案可知，方案一的電機非線性程度較低，性能較好。

不同負載情況下，兩種方案轉(zhuǎn)子電流與勵磁電流的計算與仿真關系曲線如圖3所示。對比圖3(a)、(b)可知，方案二轉(zhuǎn)子電流普遍高于方案一，且在負載電阻較大時相差倍數(shù)較高，負載電阻較小時相差倍數(shù)較小，兩種方案的轉(zhuǎn)子電流計算值與仿真值吻合較好，驗證了理論推導的正確性。

圖3

圖4

圖5

從圖4中可以看出，兩種方案負載電阻越小所需勵磁電流越大，從方案二的功率繞組側(cè)相電壓與控制繞組側(cè)勵磁電流的關系曲線可以看出，負載電阻在100?到10?之間，功率繞組側(cè)相電壓與方案一相比相對較低，這是因為負載電阻較大時，電機可近似看成空載狀態(tài)。

而方案二的非線性較高，因此電壓相對較低，此時功率繞組側(cè)相電壓逐漸增加，當負載電阻在10?附近時，方案二的功率繞組側(cè)相電壓達到最大值，根據(jù)理論推導的結(jié)果可知，當負載電阻和勵磁電流保持不變時，功率繞組側(cè)相電壓隨著有效匝比的減小而增大，方案二的有效匝比為0.89，方案一的有效匝比為1.13，因此功率繞組側(cè)相電壓有一定增加。

然而由于方案二的轉(zhuǎn)子電流有效值為15A，方案一的轉(zhuǎn)子電流有效值僅為10.5A，方案二的磁場密度較大，因此功率繞組側(cè)相電壓與方案一相比較低，基本符合理論推導所述規(guī)律；而當負載電阻從10?到5?時，功率繞組側(cè)相電壓會逐漸減小，這是由于方案二的轉(zhuǎn)子電流與方案一相比較大，電機飽和程度較高，導致鐵心磁壓降增加，功率繞組側(cè)輸出電壓偏低。

兩種方案的系統(tǒng)輸入和輸出功率曲線如圖5所示，從圖中可以看出方案二的輸入功率高于方案一，而輸出功率低于方案一，這主要是由于方案二的轉(zhuǎn)子電流較大，導致系統(tǒng)銅耗和鐵耗較高，因此其效率偏低。圖中計算值與仿真值相差較小，但是由于計算值忽略了功率繞組側(cè)的漏阻抗，因此計算值會略高于仿真值。

結(jié)論

本文利用繞線式轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的等效電路，在給定兩套定子繞組極對數(shù)分別為p1、p2情況下，對兩種極對數(shù)組合形式(取p1對極為功率繞組、p2對極為控制繞組，或者p2對極為功率繞組、p1對極為控制繞組)電機的性能進行了研究，推導出空載和負載狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電流和功率繞組側(cè)輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系，以及負載狀態(tài)下系統(tǒng)輸出功率與控制繞組勵磁電流之間的關系，并利用有限元法對2/4對極無刷雙饋發(fā)電機在兩種極對數(shù)組合情況下進行了數(shù)值計算及對比分析。

結(jié)果表明選擇極對數(shù)較小的繞組作為功率繞組的電機具有轉(zhuǎn)子電流小、飽和程度低、運行范圍廣、功率繞組側(cè)輸出電壓高和系統(tǒng)輸出功率大等優(yōu)點。

引用本文

任泰安, 闞超豪, 胡楊, 程源, 李響. 極對數(shù)組合形式線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機性能的影響[J]. 電工技術學報, 2020, 35(3): 509-519. Ren Taian, Kan Chaohao, Hu Yang, Cheng Yuan, Li Xiang. Influence of Pole-Pairs Combination on the Performance of Wound-Rotor Brushless Double-Fed Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 509-519.