无刷双馈电机等效电路参数的实验测量

李 睿，王淑红，黄振民，刘兰冰

(1.太原理工大学，太原030024； 2.山西省电力公司检修分公司，太原030000； 3.山西电机制造有限公司，太原 030012)

0 引 言

目前，变速恒频发电机组的主流机型有两种：有刷双馈电机和永磁同步发电机。有刷双馈电机的优点是所需变频器容量小，功率因数可调，但电机本身有电刷和滑环结构，可靠性低，维护成本高。永磁同步电机优点是功率密度大，效率高，但所需变频器容量大，系统成本高。无刷双馈电机(以下简称BDFM)所需变频器容量小，功率因数可调，没有电刷和滑环，可靠性高，相比普通感应电机维护成本更低，可长时间在无人值守、环境恶劣的条件下运行。由于这些优点，BDFM在风力发电领域有广泛的应用前景[1]。

利用电机的等效电路可以较好地分析电机的性能，所以对电机等效电路中参数的确定尤为重要。国内外高校和学者对BDFM的参数求取进行了很多研究，取得了一定的进展。文献[2]根据电磁感应原理，提出了在控制绕组侧基于“∏”型等效电路，通过实验测定绕线转子电机参数的方法，但计算过程中需要利用路算的结果进行参数分离。文献[3]提出用改进的粒子群算法进行参数测量，需要进行大量实验，且收敛速度和精度有限。文献[4]根据等效电路建立数学模型，将实验测得的数据代入回路电压方程中，利用蒙特卡洛法对方程组进行求解，得到方程组的近似解，计算过程非常复杂。文献[5]从电机的基本电磁关系入手，推导出磁阻和笼型转子BDFM的统一等效电路模型和转矩公式。文献[6]提出实验和遗传算法相结合的无刷双馈电机的参数估算方法，但是由于遗传算法本身具有早熟的特点，容易收敛到局部最优解。华中科技大学在基波等效电路的基础上依据电磁关系建立了存在谐波的链型等效电路模型[7]。重庆大学根据电磁原理推导出电机在自然同步和异步运行状态下的等效电路[8]，编写VB程序计算等效电路中的参数[8]，但是需要计算电机未经频率折算和绕组折算的电感参数值。文献[9]提出改进的能量摄动法计算参数，结合二维有限元进行计算，减少了非线性有限元分析次数，但有限元法计算周期较长。到目前为止，还没有对笼型转子BDFM功率绕组侧等效电路中的参数进行明确计算和实验测量的文献，不利于后续利用等效电路对电机性能的研究。因此，对BDFM的参数研究具有重要意义。

本文采用实验方法，根据电机在同步和异步运行时的不同等效电路，忽略定子绕组的漏抗，分别列写回路电压方程。通过对不同运行状态下功率绕组的电压和电流测量，代入回路电压方程中，确定等效电路参数。这种实验方法过程简单，将实验测量值代入回路电压方程，解方程组即可得到样机的参数，求解过程无需借助有限元或磁路法计算的结果。通过对比解析计算结果与样机实验测量和仿真结果，来验证实验法测参数的正确性。

1 BDFM工作原理与等效电路

1.1 BDFM工作原理

功率绕组(PW,pp=2)和控制绕组(CW,pc=4)为BDFM定子两套极对数不同的绕组。通过两套绕组不同接线，可以实现多种运行方式，如自起动、异步、双馈、同步和发电运行。

BDFM由于其特殊的定转子结构，大多数时候运行在发电状态。BDFM转子的转速:

(1)

式中:fp表示功率绕组电流频率;fc表示控制绕组电流频率。

BDFM发电运行时，控制绕组作为励磁绕组，只承担转差功率，通过变频器接工频电源，功率绕组作为发电绕组。当转速改变时，根据式(1)调节变频器输出频率fc(控制绕组电流频率)，可以保证功率绕组输出电流频率fp不变，实现变速恒频发电。BDFM的这种运行特性，非常适合做低速风力发电机，因此在风力发电领域有广阔的应用前景。

1.2 BDFM等效电路

BDFM定子绕组间通过转子调制作用进行能量传递，没有直接的电磁耦合。将BDFM参数折算到功率绕组侧的等效电路如图1所示。

图1 功率绕组侧等效电路

忽略铁耗、机械损耗等，列写功率方程:

电机的输出转矩:

图2为BDFM在Ansoft/Maxwell下建立的2D模型。

图2 BDFM 2D仿真模型

2 等效电路参数的实验测量

电机的等效电路可以较好地预测电机的运行特性和性能，而等效电路中参数的求取依赖于绕组的实际参数，因此需要对绕组的参数进行计算和测量，方便以后对电机进行性能分析。

图1的等效电路中，相对于激磁电感来说，定子的漏感很小，对等效电路的影响并不是很大，因此忽略定子漏感。电机不同运行状态下，由图1得到相应等效电路，根据基尔霍夫电压定律，即可得到等效电路的参数值。

实验1：功率绕组接工频电源(f=50 Hz)，控制绕组断开，用原动机将BDFM转子拖至功率绕组的同步速(1 500 r/min)，此时转子转速与功率绕组电流产生旋转磁场的转速相同，电机运行在功率绕组的同步速，在转子侧没有感应电动势产生，则图1的等效电路变为图3所示。

图3 控制绕组开路，电机同步速运行时的等效电路

根据图3的等效电路，列写回路电压方程:

(4)

由式(4)可得输入阻抗:

(5)

图4 控制绕组开路，电机在自然同步速时的等效电路

根据图4等效电路列写回路电压方程:

(6)

由式(6)可得功率绕组侧的输入阻抗:

(8)

将式(4)、式(6)代入式(5)、式(8)中，联立式(4)、式(8)，将实部与虚部分离，可得:

(9)

(11)

图5 控制绕组短接，电机在异步运行状态的等效电路

根据图5等效电路，列写回路电压方程:

(13)

由式(13)可得转子电流折算值:

(16)

将式(12)代入式(14)中可得:

由式(15)可得控制绕组电流折算值:

(19)

将式(19)代入式(18)中可得:

(21)

将式(21)化简，可得控制组侧激磁电抗折算值:

3 样机参数实验求取及验证

本文使用样机的额定数据如表1所示。

表1 样机的额定数据

样机的转子为类鼠笼型转子，转子由6个完全相同且相互独立的嵌套单元构成，每个嵌套单元由5个同心环组成，每个同心环由转子两个槽中的铜导条短接而成。样机的转子结构如图6所示。

图6 样机转子结构

通过上述实验法测得BDFM样机的实验数据和参数，如表2～表6所示。

为了验证实验求取参数的正确性，本文进行实验验证。具体实验过程如下：功率绕组接工频电网，控制绕组短接，通过测量电机异步发电运行状态稳定运行区(转速500～570r/min)以及电机异步电动运行状态的稳定运行区(转速470～499.7r/min)下，不同转速时电机的输出转矩，得到T-n曲线，与有限元仿真得到的结果进行对比，如图7所示。由对比结果可以看出，两条曲线的变化趋势相同，验证了参数测量方法的可行性。在自然同步速500r/min附近，电机损耗较小，计算结果与仿真结果重合度较好，而在大于自然同步速和小于自然同步速的稳定运行区内，转速与自然同步速偏差越大，电机损耗越大，计算结果与仿真结果的重合度越差。

表2 功率绕组侧同步实验的实验数据

表3 控制绕组侧同步实验的实验数据

表4 空载发电实验数据

表5 异步带载实验数据

表6 BDFM参数计算结果

图7 T-n曲线对比

本文的实验均在山西电机厂试验站进行，图8为实验现场图。

图8 实验现场图

4 结 语

本文通过实验方法，测量得到BDFM功率绕组侧一相等效电路中的参数值，并通过异步运行状态下T-n曲线验证了参数测量方法的可行性，为后续对电机进行性能分析奠定了基础。不足之处在于解析法计算及实验测参数未考虑定转子铁耗、机械损耗、附加损耗和杂散损耗以及实验测量误差、计算误差，造成测量结果与仿真结果有一定的偏差。