2 MW无刷双馈发电机运行特性有限元仿真分析

龚海龙，张巧龙，彭 晓

（湖南工程学院 电气与信息工程学院，湘潭411104）

0 引言

无刷双馈发电机（Brushless Doubly-fed Generators，BDFG）具有转子结构简单、可靠性高，且可实现异步以及同步运行的特点，由控制绕组就可实现变速恒压恒频发电而被广泛应用于风力发电中［1-3］.

目前已有许多专家学者针对无刷双馈电机有限元仿真分析做了大量研究工作，文献［4］首先利用有限元仿真软件求出无刷双馈电机气隙磁密平均值，再通过解析法求出电磁力，然后将电磁力有限元仿真结果与解析计算值进行比较，解析计算公式的正确性得到充分验证.文献［5］分别对基于虚拟槽理论轴对称绕组分布的无刷双馈发电机和普通无刷双馈发电机进行有限元对比分析，得出此新结构有着更为出色的性能.文献［6］对不同笼型转子BDFM 进行有限元对比分析，最终确定分段式笼型转子最优结构参数.文献［7］在场路耦合基础上，使用有限元分析磁障、转子结构参数对运行性能所产生的影响进行了分析.文献［8］运用二维时步有限元实现功率绕组三相短路故障对BDFM 性能所产生影响进行了精确计算.文献［9］利用有限元仿真来对控制绕组电压初相角进行改变，调节BDFM运行状态以及输出功率，得到电机的总电磁转矩、两定子绕组功率、电流与控制绕组电压初相角之间的特性曲线.

上述文献针对不同结构的BDFM 进行了有限元仿真分析，而本文将针对2 MW 径向叠片磁阻转子无刷双馈电机，提出一种采用有限元仿真来分析其运行特性的方法，在有限元仿真软件Ansoft 中搭建电机2D 模型以及外电路，通过改变定子侧控制绕组、功率绕组的激励，得到电机空载和负载运行时的电磁场分布云图以及磁链、气隙磁密、感应电动势、电磁转矩、损耗、效率等特性曲线，并对仿真所得的电磁场分布云图以及特性曲线进行了分析，并验证了2 MW 无刷双馈发电机设计的合理性.

1 BDFM结构及工作原理

BDFM 定子绕组由两套有着不同极对数的三相对称绕组组成，其中功率绕组与电网连接，而控制绕组经由变阻器或变频器与电网连接，如图1 所示.因为两套绕组间不存在耦合磁场，所以不能实现能量的直接交换，要使两套绕组实现耦合必须通过转子磁路的调制，进而完成机电能量转换［10］.转子结构形式为磁阻式，是由特殊形状的径向硅钢片叠压制成.

图1 无刷双馈电机原理图

由BDFM 磁动势以及公式推导可知，当电机稳态运行时，转速受极对数以及两套绕组电源频率控制，其转速表达式为

式（1）中，fp为功率绕组频率，fc为控制绕组频率，pp为功率绕组极对数，pc为控制绕组极对数.

当式（1）中为“+”时,代表控制绕组与功率绕组电流相序一致，这时电机超同步运行；而为“-”时,则代表控制绕组与功率绕组电流相序相反，此时电机亚同步运行.当控制绕组为直流励磁时（fc=0），电机将自然同步运行［11］.

表1 2 MW无刷双馈发电机主要参数

图2 2D有限元仿真模型

2 有限元仿真模型

有限元分析是求解BDFM 电磁场和特性的最有效方法.而在众多有限元分析软件中，最具代表性的当属Ansoft.此软件由Maxwell 2D、3D 两个模块组成，且电磁场仿真能力已超越其他软件，尤其是在电机研究中被充分显示出来［12］.

本文所研究的BDFM 主要参数如表1 所示.根据电机主要参数在Ansoft/Maxwell 16.0 中搭建2D有限元仿真模型，如图2 所示.控制绕组与功率绕组被嵌在同一槽内，控制绕组位于槽口，功率绕组位于槽底，仿真模型剖分如图3 所示.

图3 仿真模型剖分图

电机空载以及负载运行状态下功率绕组外电路如图4 所示.

图4 功率绕组外电路

3 仿真结果与分析

3.1 空载特性

当使用原电机拖动电机转速至一定值时，控制绕组作为励磁绕组经由变频器与电网进行连接，功率绕组开路，此时的电机将为空载发电状态.本节进行有限元仿真时，电机运行转速为600 r/min 额定转速，控制绕组通入100 A、额定频率10 Hz 交流电，功率绕组磁链如图5 所示.

图5 功率绕组磁链

图6、图7 为电机磁力线、磁密分布图.由图6 可知，电机磁力线沿磁阻限制的路径分布，基本无漏磁，磁力线呈6 极均匀分布.由图7 可知，由于转子导磁条宽度较窄，使得磁密略大.

图6 空载磁力线分布图

图7 空载磁密分布图

因为转子结构特殊，不论定子绕组是采用直流还是交流励磁，电机气隙磁密都将存在不对称性，如图8 所示.由图8 可知，电机气隙磁密为1.3 T，满足设计要求.

图8 气隙磁密波形图

空载运行时，如果电机定子绕组上仅有一套绕组加激励，转子旋转将会在另一套绕组上产生感应电动势，若把4 极绕组当作控制绕组并通入100 A、额定频率10 Hz 交流，电机转速设置为600 r/min 额定转速，由nr=60（fp+fc）/pr可知，功率绕组上将产生电压为800 V、频率为50 Hz 的三相交流感应电动势，如图9 所示.由图9 可看出，感应电动势的频率为50 Hz，但因为气隙磁通中含有谐波，导致感应电动势也含有谐波，波形不是规则正弦，满足设计要求.

图9 功率绕组感应电动势

3.2 负载特性

上文已经对电机空载状态进行瞬态分析，现在开始对负载情况下的电机进行瞬态分析，本节负载状态功率绕组接50 Hz 正弦交流电，控制绕组使用100 A、额定频率10 Hz 交流励磁，负载电流如图10所示.

图10 负载电流

当功率绕组和控制绕组都进行励磁后，对电机负载的磁力线和磁密进行研究，电机磁力线以及磁密分布图如图11 和图12 所示.

图11 负载磁力线分布图

图12 负载磁密分布图

由于电机的电磁转矩与通入绕组电流的频率以及转速无关，所以，对电机转矩进行求解时，电机转速和绕组电流频率可设置为某个特定值，本节电机转速被设为600 r/min 同步转速，控制绕组通入100 A、额定频率10 Hz 交流，功率绕组通入50 Hz工频交流电，电机电磁转矩如图13 所示.由图13 可知，电机最大电磁转矩为12848 N.

图13 电机电磁转矩

电机损耗包含铁耗和铜耗，对电机定子侧绕组铜耗（定子铁心磁损耗忽略不计）以及转子侧铁耗进行分析［13］.定子两套绕组的总铜耗如图14 所示，转子铁耗如图15 所示，电机效率曲线如图16 所示.由效率曲线可知，电机效率已经接近97%，可见效率很高.

图14 定子绕组铜耗

图15 转子铁耗

图16 电机效率曲线

4 结语

本文采用有限元仿真对2 MW 无刷双馈发电机空载和负载运行状态下的特性进行分析，得到了电机空载以及负载电磁场分布云图以及磁链、气隙磁密、感应电动势、电磁转矩、损耗、效率等特性曲线，并对电机电磁场以及特性曲线进行分析，最后得出结论：

（1）无刷双馈发电机空载和负载运行时的磁力线以及磁密呈6 极均匀分布，满足设计要求.

（2）无刷双馈发电机气隙磁密为1.3 T，满足设计要求.

（3）无刷双馈发电机空载运行时，功率绕组感应电动势为800 V，频率为50 Hz，满足设计要求.

（4）无刷双馈发电机负载运行时，最大电磁转矩为12848 N，且定子铜耗、转子铁耗较小，电机效率已经接近97%，满足设计要求.

（5）有限元仿真分析对评估无刷双馈发电机设计是否合理有着重要指导意义.