團(tuán)隊(duì)介紹

任泰安，工學(xué)博士，合肥工業(yè)大學(xué)講師，研究方向?yàn)樾滦吞胤N電機(jī)、電磁場(chǎng)計(jì)算。曾主持和參與包含國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金等在內(nèi)的縱橫向科技項(xiàng)目8項(xiàng)，在IET、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電工技術(shù)學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng)。

闞超豪，工學(xué)博士，合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾滦吞胤N電機(jī)研制、電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算、電機(jī)電器故障診斷等。作為負(fù)責(zé)人或主研參與20余項(xiàng)科研項(xiàng)目的研究，包括國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題、國(guó)家重大儀器專項(xiàng)子課題，以及多項(xiàng)來自中科院合肥物質(zhì)研究院的科研項(xiàng)目。在IEEE Transaction、IET、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)、電工技術(shù)學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

導(dǎo)語(yǔ)

本文對(duì)繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)定子上確定極對(duì)數(shù)分別為p1、p2的兩套繞組，其極對(duì)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(jī)的等效電路為基礎(chǔ)，研究空載和負(fù)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(lì)磁電流之間的關(guān)系，以及負(fù)載狀態(tài)下系統(tǒng)輸出功率與控制繞組勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。所提出的方法對(duì)其它結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)極對(duì)數(shù)組合形式的選取具有一定的參考價(jià)值。

研究背景

近年來，隨著世界對(duì)綠色能源的日益提倡，風(fēng)力發(fā)電已成為優(yōu)先發(fā)展的新能源之一。交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電的主流發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)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(jī)在保留交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，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(jī)定子上有兩套極對(duì)數(shù)不同的繞組，其極對(duì)數(shù)組合形式的不同對(duì)電機(jī)性能的影響較大。因此，有必要利用無刷雙饋電機(jī)的等效電路推導(dǎo)出極對(duì)數(shù)組合形式選取的理論依據(jù)，該理論也為提高電機(jī)系統(tǒng)的性能提供了一種新思路。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

下圖給出了無刷雙饋電機(jī)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(lì)磁電流和功率繞組側(cè)的負(fù)載不變，這里僅研究其發(fā)電機(jī)性能。

無刷雙饋電機(jī)的單相等效電路圖

基于圖1所述的等效電路，通過推導(dǎo)和化簡(jiǎn)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(lì)磁電流之間的關(guān)系為式(1)、(2)；負(fù)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(lì)磁電流之間的關(guān)系為式(3)、(4)，系統(tǒng)輸出功率與控制繞組勵(lì)磁電流之間的關(guān)系為式(5)。

公式（1）-（5）

本文采用有限元法進(jìn)行仿真研究，樣機(jī)以 YZR315電機(jī)為參照，電機(jī)極對(duì)數(shù)為2/4，轉(zhuǎn)子繞組采用5聯(lián)等匝結(jié)構(gòu)，定義極對(duì)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(jì)算可得出空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)，兩種方案轉(zhuǎn)子電流、功率繞組相電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線如圖1、2所示。

圖1

圖2

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

由圖2中可知，當(dāng)勵(lì)磁電流較小時(shí)，兩種方案在同一勵(lì)磁電流下的相電壓仿真值均與計(jì)算值吻合較好；當(dāng)隨著勵(lì)磁電流增大到一定程度時(shí)，由于電機(jī)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(jì)算值偏差會(huì)有所增加，對(duì)比兩種方案可知，方案一的電機(jī)非線性程度較低，性能較好。

不同負(fù)載情況下，兩種方案轉(zhuǎn)子電流與勵(lì)磁電流的計(jì)算與仿真關(guān)系曲線如圖3所示。對(duì)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(fù)載電阻較大時(shí)相差倍數(shù)較高，負(fù)載電阻較小時(shí)相差倍數(shù)較小，兩種方案的轉(zhuǎn)子電流計(jì)算值與仿真值吻合較好，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。

圖3

圖4

圖5

從圖4中可以看出，兩種方案負(fù)載電阻越小所需勵(lì)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(lì)磁電流的關(guān)系曲線可以看出，負(fù)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(duì)較低，這是因?yàn)樨?fù)載電阻較大時(shí)，電機(jī)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(duì)較低，此時(shí)功率繞組側(cè)相電壓逐漸增加，當(dāng)負(fù)載電阻在10?附近時(shí)，方案二的功率繞組側(cè)相電壓達(dá)到最大值，根據(jù)理論推導(dǎo)的結(jié)果可知，當(dāng)負(fù)載電阻和勵(lì)磁電流保持不變時(shí)，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(chǎng)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(dǎo)所述規(guī)律；而當(dāng)負(fù)載電阻從10?到5?時(shí)，功率繞組側(cè)相電壓會(huì)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(jī)飽和程度較高，導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)銅耗和鐵耗較高，因此其效率偏低。圖中計(jì)算值與仿真值相差較小，但是由于計(jì)算值忽略了功率繞組側(cè)的漏阻抗，因此計(jì)算值會(huì)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(jī)的等效電路，在給定兩套定子繞組極對(duì)數(shù)分別為p1、p2情況下，對(duì)兩種極對(duì)數(shù)組合形式(取p1對(duì)極為功率繞組、p2對(duì)極為控制繞組，或者p2對(duì)極為功率繞組、p1對(duì)極為控制繞組)電機(jī)的性能進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出空載和負(fù)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(lì)磁電流之間的關(guān)系，以及負(fù)載狀態(tài)下系統(tǒng)輸出功率與控制繞組勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，并利用有限元法對(duì)2/4對(duì)極無刷雙饋發(fā)電機(jī)在兩種極對(duì)數(shù)組合情況下進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及對(duì)比分析。

結(jié)果表明選擇極對(duì)數(shù)較小的繞組作為功率繞組的電機(jī)具有轉(zhuǎn)子電流小、飽和程度低、運(yùn)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(diǎn)。

引用本文

任泰安, 闞超豪, 胡楊, 程源, 李響. 極對(duì)數(shù)組合形式線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)性能的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.