级联式无刷双馈电机的一种改进励磁方式

李 滨，李 岚

(太原理工大学，太原 030024)

级联式无刷双馈电机的一种改进励磁方式

李 滨，李 岚

(太原理工大学，太原 030024)

在多种风力发电机中，无刷双馈电机以其高可靠性、良好的电气性能以及较高的低电压穿越能力，成为风力发电机中的佼佼者。级联式无刷双馈电机是电机实现无刷化的最简单方法，但此种电机励磁损耗较大，导致发电机效率不高的问题。分析了它的优势和不足，研究了无刷双馈风电机组的励磁系统，提出了功率绕组端并联电容补偿励磁的方法。此方法能够降低转子励磁电流，从而减少了电机的损耗，提高了风力机发电效率。

级联式无刷双馈电机；辅助励磁；电机损耗

0 引 言

级联式无刷双馈电机(简称CBDFM)是双馈电机实现无刷化的最简单方法，级联是指两台电机同轴连接,其转子绕组直接反相序相连的形式。与普通的双馈电机相比，由于其取消了易磨损、故障率高的电刷、集电环装置，提高了机组可靠性、降低了维护难度与整机成本。但是级联式无刷双馈电机也存在如下不足：(1) 由于其只有一个磁路，则两套定子绕组产生的磁场在此磁路上叠加,这就导致在计算磁场损耗时,与普通电机相比，各部分的磁密会较高,导致铁耗较大。(2) 由于普通的励磁方式为完全由控制绕组提供励磁，导致转子电流比较大。

针对级联式无刷双馈电机的不足，本文提出一种功率绕组侧并联电容辅助励磁的方法以减小机组损耗过大问题。在Simulink中搭建了CBDFM的仿真模型，通过给定不同的补偿电容大小，确定了在额定状态下的最佳辅助励磁电容，降低了电机损耗约1.33%，验证了此方法的正确性。

1 级联式无刷双馈电机理论

无刷双馈发电机(简称BDFG)有两套定子绕组,一套为功率绕组,另一套为控制绕组。两套定子绕组的极对数不同，用pp,pc分别表示功率绕组、控制绕组极对数。两个同轴反相序相连的转子绕组构成转子结构，电机转子的极对数为pr=pp+pc,则此时的BDFG相当于于一台(2pp+2pc)极的交流电机，其接线示意图如图1所示。

图1 级联式无刷双馈电机接线示意图

电机转速与两套定子绕组电压频率以及电机极对数的关系:

(1)

式中：fp，fc分别为功率绕组侧、控制绕组侧电压频率。

式(1)中正负号的选取与控制绕组和功率绕组电压相序有关，相序相同时运行在超同步状态，取正号；相序相反时运行在亚同步状态，取负号；当fc为零时，运行在同步状态。

1.1无刷双馈电机极对数的选取

无刷双馈感应电机由于通常设计有亚同步工作状态，在电网电压跌落时，工作在此区间的网侧变流器一般不能向电网提供无功支持，不利于电网的稳定运行。该机型只能在超同步运行状态时，才具有向电网提供一定无功的能力。因此通过选取适当的发电机(功率绕组侧为发电机)极对数和励磁机(控制绕组侧为励磁机)极对数，将该风电机组设计成全工作转速范围内都处于超同步发电状态。极对数设计原则如下：

(2)

设计要求电机转速范围是232～425 r/min，代入到式(2)求得pp=7；pc=6。

超同步运行时，转子转速

(3)

当定子功率绕组的磁场同步速与转子转速相等双馈电机处于临界状态，此时转子绕组中没有感应电势，因此无电流产生，没有电磁转矩。此时可以求出临界状态下励磁绕组频率：

(4)

式中：fc-criticality为临界状态下励磁绕组频率。

无刷双馈电机运行时速度只与励磁绕组频率fc有关，与电压、负载等因素没有关系。将pp=7，pc=6代入式(4)，求出临界频率fc-criticality=42.86 Hz，再将其代入式(3)求得临界转速ncriticality=428.6 r/min。

因为转速n的范围低于临界状态转速428.6 r/min，所以CBDFM不会出现临界的工作状态。因此此无刷双馈样机模型一直工作于超同步稳定运行状态，符合电机安全可靠的设计原则。最终确定的样机参数如表1所示。

表1 样机参数

1.2无刷双馈电机功率平衡关系与铜耗、铁耗计算

CBDFM工作于超同步发电状态，功率子系统的功率关系为(以发出电能为正方向)：

(5)

式中：pemp为功率绕组发出电功率；pδp为发电机侧转差功率；pemp为发电机侧吸收的机械功率；sp为发电机侧转差率。

控制子系统的功率关系：

(6)

式中：pδc为励磁机侧转差功率；pemc为控制绕组发出的电功率；pmecc为励磁机侧吸收的机械功率;sc为励磁机侧转差率。

由式(5)、式(6)可知无刷双馈电机控制绕组子系统吸收机械功率并将其转换为电功率，其中转差功率传递给功率绕组子系统转子电路，其余的电磁功率馈送给电网。其功率平衡关系如图2所示。

图2 超同步速发电运行状态的功率流向图

定转子铜耗计算模型：

(7)

总铜耗：

pCu=pCup+pCuc+pCur

(8)

将铁芯损耗分为磁滞损耗与涡流损耗的计算模型：

(9)

式中：pCup，pCuc，pCur，pCu分别为发电机定子、励磁机定子、转子铜耗和总损耗；Rp，Rc，rr分别为发电机定子、励磁机定子和转子电阻；Ip，Ipc，Ir分别为发电机定子、励磁机定子和转子电流；PFe，Pe，Ph分别为总铁耗、涡流损耗和磁滞损耗；f为基波频率；Bm为基波磁密的幅值；ke为涡流损耗系数；kh为磁滞损耗系数。

2 级联式无刷双馈电机励磁方式改进方法

由于普通的励磁方式为完全由控制绕组提供励磁，导致损耗比较大，如果采用功率绕组侧并联电容器组的方式辅助励磁，可以降低转子侧励磁电流，减小转子中的铜耗，提高机组效率。电容器组容量选择过小起不到助磁作用，电容器组容量选择过大会产生自激，将会主导励磁频率。

带电容器辅助励磁的无刷双馈电机接线图，如图3所示。电容器组向功率绕组提供无功电流辅助励磁。

图3 电容器辅助励磁的无刷双馈电机接线图

功率定子绕组与外接电容器C构成闭合回路，如图4所示。那么功率绕组中将产生电流I0，近似考虑电流I0与磁通Φ0同相位，如图5所示。其中电流可分成只起励磁作用的电流Ir和铁耗电流Ia。称电流Ir为电流I0的无功分量；称对应于涡流损耗和磁滞损耗的铁耗电流Ia为电流I0的有功分量。由于Ir≫Ia，故可近似地Ir≈I0来分析电流I0的性质。因为发电机并联电容器C后的闭合电路阻抗Z为容性阻抗，所以有：

(10)

故电流I0超前电动势E0，如图5所示。

图4 等效电路图5 向量图

由向量图可知，电流I0产生的磁场起助磁作用，磁场增强，达到了辅助励磁的目的。转子形成旋转磁场，此磁场与定子绕组作用后产生感应电动势E0，此电动势加在电容器两端，使定子绕组上产生电容电流Ic，其相位超前超前E090°。电流Ic在定子绕组中产生磁通Φc，磁通Φc与电流Ic同相位。磁通Φc与Φ0同相位，说明电容电流产生的磁通方向正好与转子磁通方向相同，两者直接相加使空气隙中的磁通增加。

3 级联式无刷双馈电机仿真及损耗分析

无刷双馈发电机功率绕组定子侧并联电容器辅助励磁后，励磁电流减少了流过的绕组回路数，理论上选取合理的补偿电容后会提高机组效率。为验证此方法的可行性与经济性，根据文献[3]提供的电机数学模型，搭建了级联式无刷双馈电机在MATLAB/Simulink中的仿真模型，如图6所示，对电机额定转速满发运行状态时进行损耗分析与计算。

图6 级联式无刷双馈电机仿真模型

图7～图10分别为功率绕组、转子绕组、控制绕组、总绕组铜耗随补偿电流Ic(0～700 A)增大的变化曲线。由此可见，随着补偿电流Ic的增加，功率绕组铜耗会不断上升，转子绕组、控制绕组铜耗会不断下降，总铜耗先减小后增加，因此存在总损耗最低点即为补偿电容电流的最优点。由图可得在补偿电流 为600 A时总损耗达到最小值，因此得出结论在仅考虑铜耗的额定情况下补偿电容电流选取600 A为最优值。

图7 功率绕组铜耗图8 转子绕组铜耗

图9 控制绕组铜耗图10 总绕组铜耗

图11为总铁耗随补偿电容电流Ic的变化曲线，从中可以看出，随着补偿电流Ic的增加总铁耗随之增加，当补偿电流超过500 A时增加趋势骤然增大。

图12为总损耗随补偿电容电流Ic的变化曲线，从中可以看出，随着补偿电流Ic的增加总损耗的变化规律为先减小后增加，因此存在损耗最低点即为补偿电容电流的最优点。由图可得在补偿电流Ic为450 A时总损耗达到最小值，因此得出结论在考虑铜耗和铁耗两个主要因素的额定情况下补偿电容电流选取450 A为最优值。

图11 总铁耗图12 总损耗

辅助励磁电容容量的选取。机端电压为690 V，选取耐压为额定电压的1.5倍，故电容器耐压水平为1 035 V。辅助励磁电容采用△接法，其电容容量为Y形接法电容容量的1/3。

(11)

式中：C为电容容量；U为机端电压。

代入数据可求得，在样机额定转速满发运行状态下的最佳补偿电容容量为1 199 μF。

4 结 语

本文提出了一种在功率绕组侧并联电容的励磁补偿方法，综合分析功率绕组、转子绕组、控制绕组铜耗和铁耗可以找到一个的最佳补偿电容，使电机损耗降到最低，提高机组效率。根据这种理论分析，进行了样机计算与仿真，结果表明额定转速满发运行状态下最优电容补偿励磁时比无补偿电容器时机组效率提高约1.33%，验证了技术路线的正确性。为今后深入研究级联式无刷双馈发电机在各个运行状态下最佳电容补偿容量的选择打下了坚实的基础。

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AWayofImprovingExcitationintheCascadingBrushlessDoubly-FedMotor

LIBin，LILan

(Taiyuan University of Technoloy,Taiyuan 030024,China)

Because of its high reliability,good electrical properties and high low-voltage ride-through capability,the Brushless Doubly-Fed Motor becomes one of the best VSCF generators in a variety of wind turbines. The cascading brushless doubly-fed motor is the simplest way for realizing the brushless motor，but this kind of motor excitation loss is bigger, lead to the low efficiency of generator.This paper analyzes its advantages and disadvantages, research brushless doubly-fed wind turbine excitation system, proposed power excitation windings terminal shunt capacitance compensation method. This method can reduce the rotor excitation current,thus reducing losses in the motor,improving power generation efficiency of the wind turbine.

cascading brushless doubly-fed motor (CBDFM); auxiliary excitation; losses of generator

2014-12-02

TM315

：A

：1004-7018(2016)11-0040-03

李滨(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电。