磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行特性及實(shí)驗(yàn)研究

張?jiān)溃?王鳳翔

(1.遼寧科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，遼寧本溪 117004;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

0 引言

無刷雙饋電機(jī)(brushless doubly－fed machine，BDFM)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠、異同步通用的電機(jī)，這種電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于用作交流調(diào)速電機(jī)時(shí)，變頻器的功率小，可以降低電機(jī)系統(tǒng)的成本，適于大功率場(chǎng)合應(yīng)用。用于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，適于水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的場(chǎng)合，同時(shí)也可在無刷情況下實(shí)行雙饋運(yùn)行。因此它具有以下特點(diǎn):降低所需變頻器的容量，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功率因數(shù)，具有良好的自啟動(dòng)和多種運(yùn)行方式，并且轉(zhuǎn)子上沒有電刷滑環(huán)，可以提高交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的可靠性［1－2］。

無刷雙饋電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是基于轉(zhuǎn)子對(duì)定子上不同極數(shù)的功率繞組和控制繞組電流磁場(chǎng)的調(diào)制作用來實(shí)現(xiàn)的。因此，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高其磁場(chǎng)調(diào)制能力成為無刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子對(duì)定子繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)有兩種不同方式進(jìn)行調(diào)制，由此產(chǎn)生兩種類型的無刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu):籠型轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子?；\型轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的研究是以O(shè)regon州立大學(xué)的A.K.Wallace教授和R.Spee教授以及英國(guó)劍橋大學(xué)的Williamson教授為代表，其籠型轉(zhuǎn)子可采用單層同心式籠型短路繞組，也可采用特殊設(shè)計(jì)的雙層繞組，這類轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可采用與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)相似的制造工藝，缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)子繞組電流會(huì)產(chǎn)生損耗;磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的研究是以Wisconsin大學(xué)的T.A.Lipo教授和Ohio州立大學(xué)L.Xu教授以及Northumbria大學(xué)的R.E.Betz教授和M.G.Jovanovic教授為代表，其轉(zhuǎn)子一般有3種結(jié)構(gòu):普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子、磁障轉(zhuǎn)子以及ALA轉(zhuǎn)子。普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子雖然制造簡(jiǎn)單，但對(duì)定子繞組電流的磁場(chǎng)調(diào)制能力較差，磁障轉(zhuǎn)子含有磁隔離層，交軸磁阻增大，磁障調(diào)制作用優(yōu)于普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子，但制造工藝比較復(fù)雜，ALA轉(zhuǎn)子是目前磁場(chǎng)調(diào)制效果最好的，但難以制造。上述磁阻轉(zhuǎn)子的共同優(yōu)點(diǎn)就是轉(zhuǎn)子沒有繞組電流損耗［3］。

文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］分別對(duì)軸向和徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)與性能從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了詳細(xì)分析，但它們的磁障轉(zhuǎn)子制造工藝都比較復(fù)雜，文獻(xiàn)［3］詳細(xì)地分析了轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)與磁障數(shù)量及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)無刷雙饋電機(jī)性能的影響，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造而又性能較好的無刷雙饋磁障轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案，即通過在凸極磁阻轉(zhuǎn)子鐵心中適當(dāng)?shù)丶尤氪耪?，增加磁阻轉(zhuǎn)子對(duì)定子繞組電流磁場(chǎng)的調(diào)制能力，同時(shí)又保留普通磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。本文在此基礎(chǔ)上，研究了文獻(xiàn)［3］所提出的磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行特性，基于場(chǎng)路耦合有限元法，較詳細(xì)地分析了5 kW、6/2極、36槽磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行模式，并通過對(duì)樣機(jī)的變速恒頻運(yùn)行特性的開環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從理論和實(shí)驗(yàn)角度來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的合理性和可行性。

1 不同磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響

為了研究不同磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁轉(zhuǎn)矩的影響，在相同電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行條件下，利用場(chǎng)路耦合有限元法，對(duì)比分析了如圖1所示的3種不同磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)的性能。

圖13 種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋發(fā)電機(jī)有限元模型Fig.1 Three typical reluctance rotors

表1為采用場(chǎng)路耦合有限元法計(jì)算的同一定子(6極功率繞組和2極控制繞組)、相同氣隙和轉(zhuǎn)子外徑的3種不同磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)在500 r/min運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比，可以看出ALA轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩可高達(dá)凸極轉(zhuǎn)子的4倍。圖2為這3種不同磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)在500 r/min運(yùn)行時(shí)的磁力線分布。

表13 種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比Table 1 comparison of electromagnetic torque for BDFM with three different reluctance rotors

圖23 種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無刷雙饋發(fā)電機(jī)的磁力線分布Fig.2 Comparison of flux line distribution for BDFM with three different reluctance rotor

圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別為凸極磁阻轉(zhuǎn)子、磁障轉(zhuǎn)子和ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁力線分布，從圖2(a)中可看出它不像8極磁場(chǎng)而更像4極磁場(chǎng)，這是因?yàn)橥箻O磁阻轉(zhuǎn)子對(duì)定子的6極功率繞組和2極控制繞組電流磁場(chǎng)的調(diào)制能力不足。

由根據(jù)磁場(chǎng)調(diào)制無刷雙饋電機(jī)的工作原理可知，2p極功率繞組和2q極控制繞組的無刷雙饋電機(jī)的等效磁場(chǎng)極數(shù)為(2p+2q)極，為了提高磁阻轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制能力，結(jié)合ALA轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，設(shè)法使普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子鐵心中的磁力線從凸極的中間分開，強(qiáng)迫磁力線分別從每個(gè)凸極的兩側(cè)進(jìn)入相鄰?fù)箻O，由此產(chǎn)生一種在普通凸極磁阻轉(zhuǎn)子的凸極中間加入磁障限定轉(zhuǎn)子磁通路徑的磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使其增強(qiáng)對(duì)定子繞組磁場(chǎng)的調(diào)制作用，而又不失凸極磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制造的優(yōu)點(diǎn)［3］。

2 運(yùn)行原理及樣機(jī)結(jié)構(gòu)

無刷雙饋電機(jī)的定子上由2套各自獨(dú)立的三相對(duì)稱繞組，1套為2p極的功率繞組，另1套為2q極的控制繞組，這2套繞組間的耦合是通過特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，功率繞組一般由工頻交流電源直接供電。當(dāng)控制繞組短路時(shí)，電機(jī)將能夠異步起動(dòng)并工作在異步運(yùn)行方式;當(dāng)控制繞組直接由直流電源供電時(shí)，電機(jī)將工作在同步運(yùn)行方式，該種電機(jī)的同步速定義為60fp/(p+q);當(dāng)控制繞組由變頻電源供電時(shí)，電機(jī)將工作在雙饋調(diào)速運(yùn)行方式，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為

其中，fp和fq分別為功率繞組和控制繞組的電流頻率。如果功率繞組和控制繞組電流同相序，上式取正號(hào)，否則取負(fù)號(hào)。

當(dāng)無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，控制繞組一般用作直流或交流勵(lì)磁繞組，經(jīng)由變頻器提供交流電源供電，將功率繞組作為發(fā)電繞組。一般要求發(fā)電機(jī)的輸出電能頻率為恒定。若為變速恒頻發(fā)電，功率繞組的頻率fp、控制繞組的頻率fq以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速n之間關(guān)系為

其中:超同步時(shí)，式(2)取+號(hào);亞同步時(shí)，?。?hào)。由此，當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，通過控制fq可使fp保持恒定不變，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制［4－7］。

本文設(shè)計(jì)和研制的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋樣機(jī)具有(2+6)極的公共定子，槽數(shù)為36，轉(zhuǎn)子為帶磁障的磁阻轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子實(shí)物如圖3所示，磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:定子槽數(shù)為36;定子外徑為290 mm;定子內(nèi)徑為170 mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為70 mm;氣隙長(zhǎng)0.4 mm;鐵心長(zhǎng)為220 mm;磁障形狀為矩形;磁障數(shù)量為1條;磁障寬度為2.4 mm;磁障深度為44.6 mm。磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的有限元模型如圖4所示。該機(jī)同步速為750 r/min。本文將對(duì)轉(zhuǎn)子帶磁障的無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行特性及變速恒頻實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)研究。

圖3 樣機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.3 Rotor picture of prototype of BDFM

圖4 無刷雙饋磁阻發(fā)電機(jī)有限元模型Fig.4 FEM model of BDFM with barrier rotor

3 運(yùn)行特性仿真

3.1 異步運(yùn)行仿真

當(dāng)電機(jī)異步起動(dòng)或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可以將控制繞組電源斷開，將控制繞組短接，系統(tǒng)由功率繞組提供電源，從而進(jìn)行異步運(yùn)行。圖5為功率繞組施加324 V，50 Hz的電源，控制繞組短路時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在異步工作狀態(tài)，利用有限元得到的電機(jī)運(yùn)行特性仿真曲線。從圖中可知，電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速接近8極同步轉(zhuǎn)速，其起動(dòng)和運(yùn)行過程與普通感應(yīng)電機(jī)相似，異步運(yùn)行時(shí)的仿真曲線符合式(1)的理論分析結(jié)果。

無刷雙饋電機(jī)異步運(yùn)行相當(dāng)于1臺(tái)極對(duì)數(shù)為p+q、電源頻率f=50 Hz的同步電機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速為60f/(p+q)即750 r/min，輕載時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為5 N·m。

圖5 異步運(yùn)行特性波形Fig.5 Waveforms of asynchronous operation

3.2 雙饋運(yùn)行仿真

當(dāng)功率繞組由工頻電源供電，控制繞組由變頻器饋電時(shí)，電機(jī)工作在雙饋運(yùn)行方式。通過改變變頻器的輸出頻率，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)［8－10］。

3.2.1 超同步運(yùn)行方式

當(dāng)控制繞組電流與功率繞組電流同相序時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于超同步電動(dòng)狀態(tài)。圖6為功率繞組施加電壓324 V、頻率50 Hz的電源，控制繞組施加電壓50 V、頻率5 Hz的電源時(shí)運(yùn)行波形。圖6(a)為功率繞組和控制繞組的電流仿真波形;圖6(b)為電機(jī)在超同步下的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。從圖中可見，電機(jī)在運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速為825 r/min，其轉(zhuǎn)速值符合式(1)。這說明在超同步運(yùn)行時(shí)可以通過改變變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。

圖6 超同步運(yùn)行特性波形Fig.6 Waveforms of super-synchronous operation

3.2 .2亞同步運(yùn)行方式

當(dāng)控制繞組電流與功率繞組電流反相序時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于亞同步電動(dòng)狀態(tài)。圖7為功率繞組施加電壓324 V、頻率50 Hz，控制繞組施加電壓50 V、頻率5 Hz時(shí)的運(yùn)行波形。其中圖7(a)為功率繞組和控制繞組的電流波形，圖7(b)為電機(jī)在亞同步下的運(yùn)行轉(zhuǎn)速波形。從圖中可見，電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為675 r/min，其轉(zhuǎn)速值符合式(1)。這說明在亞同步運(yùn)行時(shí)也可以通過變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。由于控制繞組時(shí)吸收功率繞組的轉(zhuǎn)差功率，因此，控制繞組的變頻器容量可以較小。

圖7 亞同步運(yùn)行特性波形Fig.7 Waveforms of sub-synchronous operation

由上述電機(jī)的不同運(yùn)行模式的有限元仿真結(jié)果可知，無刷雙饋電機(jī)的異步運(yùn)行方式具有普通感應(yīng)電機(jī)的特性;而雙饋運(yùn)行方式，通過改變控制繞組電流的相序，可使電機(jī)運(yùn)行于亞同步狀態(tài)或超同步狀態(tài)，改變控制繞組電流的頻率即可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)在進(jìn)行雙饋調(diào)速時(shí)，可以用較小容量的變頻器對(duì)較大功率的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，特別適合于大功率的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的調(diào)速節(jié)能應(yīng)用。

3.2 .3變速恒頻運(yùn)行方式

當(dāng)無刷雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制繞組通常作為勵(lì)磁繞組，由變頻器向它提供轉(zhuǎn)差頻率，定子功率繞組作為發(fā)電繞組。由于勵(lì)磁繞組放置在定子上，其變速恒頻控制是在無刷情況下實(shí)現(xiàn)的，所以運(yùn)行可靠，特別適用于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不便維護(hù)的風(fēng)力發(fā)電和水利發(fā)電領(lǐng)域［11］。

圖8為電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min、控制繞組施加的幅值為120 V、頻率為10 Hz的電壓時(shí)變速恒頻運(yùn)行特性波形。圖8(a)為控制繞組繞組的電流波形，圖8(b)為功率繞組輸出電壓波形，從圖中可看到，功率繞組輸出電壓的頻率為50 Hz。

圖8 900r/min時(shí)變速恒頻運(yùn)行特性波形Fig.8 Waveforms of VSCF operation at the speed of 900 r/min

基于上述磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的有限元模型的參數(shù)，構(gòu)建了d－q坐標(biāo)系下其變速恒頻運(yùn)行的Matlab/SIMULINK仿真模型［12］。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)的控制繞組的勵(lì)磁電流、功率繞組的輸出電壓的仿真曲線如圖9所示。由圖可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，控制繞組施加幅值為120 V、頻率為10 Hz的勵(lì)磁電壓，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的功率繞組的電壓輸出頻率保持50 Hz，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制的目的。

由于SIMULINK仿真模型的前提是假設(shè)磁路線性，它無法考慮磁路飽和對(duì)電機(jī)參數(shù)帶來的影響。從圖9中可以看出電流和電壓曲線都比較光滑。

從上述磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)變速恒頻有限元仿真和Matlab/SIMULINK仿真結(jié)果可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)控制繞組電流的頻率即可使功率繞組輸出的電壓頻率保持恒定，實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的目的，這也符公式(2)。

圖9 900r/min時(shí)無刷雙饋發(fā)電機(jī)的SIMULINK仿真波形Fig.9 SIMULINK diagram of BDFG at the speed of 900 r/min

4 變速恒頻實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的可行性及對(duì)其運(yùn)行特性的有限元分析的合理性，本文對(duì)所研制的樣機(jī)進(jìn)行變速恒頻發(fā)電測(cè)試［13－14］，樣機(jī)參數(shù)采用上述磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由PWM變流器I供電的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，其控制繞組由PWM變流器II供電，功率繞組輸出接可調(diào)負(fù)載電阻。

圖10為電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為900 r/min，由控制繞組通過變頻器提供幅值為120 V、頻率為10 Hz的交流電源，功率繞組輸出的電阻負(fù)載電壓波形。

圖10 900r/min時(shí)功率繞組線電壓和控制繞組電流的實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms for voltage of power winding and current of control winding at the speed of 900 r/min

從圖中可以看出，在相同運(yùn)行條件下，功率繞組輸出感應(yīng)電壓波形的頻率為50 Hz，且與如圖8和圖9所示的仿真結(jié)果較好地吻合，同時(shí)實(shí)驗(yàn)波形的正弦性較好，表明所設(shè)計(jì)的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)是可行的，能滿足變速恒頻運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

基于以上對(duì)磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行特性以及實(shí)驗(yàn)的研究，可以得出如下結(jié)論:

1)基于場(chǎng)路耦合法分析了轉(zhuǎn)子帶磁障的無刷雙饋電機(jī)的幾種運(yùn)行模式，由仿真結(jié)果可知，符合無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，說明所設(shè)計(jì)的這種磁障轉(zhuǎn)子是合理的，驗(yàn)證了這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的無刷雙饋電機(jī)是可行的;

2)通過對(duì)所設(shè)計(jì)的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行特性的Matlab/SIMULINK仿真、有限元仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)的設(shè)計(jì)方法是有效的，樣機(jī)性能基本符合要求，說明本文設(shè)計(jì)的磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)能夠適用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，這對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)無刷雙饋發(fā)電機(jī)具有一定的指導(dǎo)意義。

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