級聯(lián)式無刷雙饋電機的一種改進勵磁方式

李 濱，李 嵐

(太原理工大學，太原 030024)

級聯(lián)式無刷雙饋電機的一種改進勵磁方式

李 濱，李 嵐

(太原理工大學，太原 030024)

在多種風力發(fā)電機中，無刷雙饋電機以其高可靠性、良好的電氣性能以及較高的低電壓穿越能力，成為風力發(fā)電機中的佼佼者。級聯(lián)式無刷雙饋電機是電機實現(xiàn)無刷化的最簡單方法，但此種電機勵磁損耗較大，導致發(fā)電機效率不高的問題。分析了它的優(yōu)勢和不足，研究了無刷雙饋風電機組的勵磁系統(tǒng)，提出了功率繞組端并聯(lián)電容補償勵磁的方法。此方法能夠降低轉(zhuǎn)子勵磁電流，從而減少了電機的損耗，提高了風力機發(fā)電效率。

級聯(lián)式無刷雙饋電機；輔助勵磁；電機損耗

0 引 言

級聯(lián)式無刷雙饋電機(簡稱CBDFM)是雙饋電機實現(xiàn)無刷化的最簡單方法，級聯(lián)是指兩臺電機同軸連接,其轉(zhuǎn)子繞組直接反相序相連的形式。與普通的雙饋電機相比，由于其取消了易磨損、故障率高的電刷、集電環(huán)裝置，提高了機組可靠性、降低了維護難度與整機成本。但是級聯(lián)式無刷雙饋電機也存在如下不足：(1) 由于其只有一個磁路，則兩套定子繞組產(chǎn)生的磁場在此磁路上疊加,這就導致在計算磁場損耗時,與普通電機相比，各部分的磁密會較高,導致鐵耗較大。(2) 由于普通的勵磁方式為完全由控制繞組提供勵磁，導致轉(zhuǎn)子電流比較大。

針對級聯(lián)式無刷雙饋電機的不足，本文提出一種功率繞組側(cè)并聯(lián)電容輔助勵磁的方法以減小機組損耗過大問題。在Simulink中搭建了CBDFM的仿真模型，通過給定不同的補償電容大小，確定了在額定狀態(tài)下的最佳輔助勵磁電容，降低了電機損耗約1.33%，驗證了此方法的正確性。

1 級聯(lián)式無刷雙饋電機理論

無刷雙饋發(fā)電機(簡稱BDFG)有兩套定子繞組,一套為功率繞組,另一套為控制繞組。兩套定子繞組的極對數(shù)不同，用pp,pc分別表示功率繞組、控制繞組極對數(shù)。兩個同軸反相序相連的轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)為pr=pp+pc,則此時的BDFG相當于于一臺(2pp+2pc)極的交流電機，其接線示意圖如圖1所示。

圖1 級聯(lián)式無刷雙饋電機接線示意圖

電機轉(zhuǎn)速與兩套定子繞組電壓頻率以及電機極對數(shù)的關(guān)系:

(1)

式中：fp，fc分別為功率繞組側(cè)、控制繞組側(cè)電壓頻率。

式(1)中正負號的選取與控制繞組和功率繞組電壓相序有關(guān)，相序相同時運行在超同步狀態(tài)，取正號；相序相反時運行在亞同步狀態(tài)，取負號；當fc為零時，運行在同步狀態(tài)。

1.1無刷雙饋電機極對數(shù)的選取

無刷雙饋感應電機由于通常設(shè)計有亞同步工作狀態(tài)，在電網(wǎng)電壓跌落時，工作在此區(qū)間的網(wǎng)側(cè)變流器一般不能向電網(wǎng)提供無功支持，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。該機型只能在超同步運行狀態(tài)時，才具有向電網(wǎng)提供一定無功的能力。因此通過選取適當?shù)陌l(fā)電機(功率繞組側(cè)為發(fā)電機)極對數(shù)和勵磁機(控制繞組側(cè)為勵磁機)極對數(shù)，將該風電機組設(shè)計成全工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都處于超同步發(fā)電狀態(tài)。極對數(shù)設(shè)計原則如下：

(2)

設(shè)計要求電機轉(zhuǎn)速范圍是232～425 r/min，代入到式(2)求得pp=7；pc=6。

超同步運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(3)

當定子功率繞組的磁場同步速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等雙饋電機處于臨界狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子繞組中沒有感應電勢，因此無電流產(chǎn)生，沒有電磁轉(zhuǎn)矩。此時可以求出臨界狀態(tài)下勵磁繞組頻率：

(4)

式中：fc-criticality為臨界狀態(tài)下勵磁繞組頻率。

無刷雙饋電機運行時速度只與勵磁繞組頻率fc有關(guān)，與電壓、負載等因素沒有關(guān)系。將pp=7，pc=6代入式(4)，求出臨界頻率fc-criticality=42.86 Hz，再將其代入式(3)求得臨界轉(zhuǎn)速ncriticality=428.6 r/min。

因為轉(zhuǎn)速n的范圍低于臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)速428.6 r/min，所以CBDFM不會出現(xiàn)臨界的工作狀態(tài)。因此此無刷雙饋樣機模型一直工作于超同步穩(wěn)定運行狀態(tài)，符合電機安全可靠的設(shè)計原則。最終確定的樣機參數(shù)如表1所示。

表1 樣機參數(shù)

1.2無刷雙饋電機功率平衡關(guān)系與銅耗、鐵耗計算

CBDFM工作于超同步發(fā)電狀態(tài)，功率子系統(tǒng)的功率關(guān)系為(以發(fā)出電能為正方向)：

(5)

式中：pemp為功率繞組發(fā)出電功率；pδp為發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)差功率；pemp為發(fā)電機側(cè)吸收的機械功率；sp為發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)差率。

控制子系統(tǒng)的功率關(guān)系：

(6)

式中：pδc為勵磁機側(cè)轉(zhuǎn)差功率；pemc為控制繞組發(fā)出的電功率；pmecc為勵磁機側(cè)吸收的機械功率;sc為勵磁機側(cè)轉(zhuǎn)差率。

由式(5)、式(6)可知無刷雙饋電機控制繞組子系統(tǒng)吸收機械功率并將其轉(zhuǎn)換為電功率，其中轉(zhuǎn)差功率傳遞給功率繞組子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電路，其余的電磁功率饋送給電網(wǎng)。其功率平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2 超同步速發(fā)電運行狀態(tài)的功率流向圖

定轉(zhuǎn)子銅耗計算模型：

(7)

總銅耗：

pCu=pCup+pCuc+pCur

(8)

將鐵芯損耗分為磁滯損耗與渦流損耗的計算模型：

(9)

式中：pCup，pCuc，pCur，pCu分別為發(fā)電機定子、勵磁機定子、轉(zhuǎn)子銅耗和總損耗；Rp，Rc，rr分別為發(fā)電機定子、勵磁機定子和轉(zhuǎn)子電阻；Ip，Ipc，Ir分別為發(fā)電機定子、勵磁機定子和轉(zhuǎn)子電流；PFe，Pe，Ph分別為總鐵耗、渦流損耗和磁滯損耗；f為基波頻率；Bm為基波磁密的幅值；ke為渦流損耗系數(shù)；kh為磁滯損耗系數(shù)。

2 級聯(lián)式無刷雙饋電機勵磁方式改進方法

由于普通的勵磁方式為完全由控制繞組提供勵磁，導致?lián)p耗比較大，如果采用功率繞組側(cè)并聯(lián)電容器組的方式輔助勵磁，可以降低轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流，減小轉(zhuǎn)子中的銅耗，提高機組效率。電容器組容量選擇過小起不到助磁作用，電容器組容量選擇過大會產(chǎn)生自激，將會主導勵磁頻率。

帶電容器輔助勵磁的無刷雙饋電機接線圖，如圖3所示。電容器組向功率繞組提供無功電流輔助勵磁。

圖3 電容器輔助勵磁的無刷雙饋電機接線圖

功率定子繞組與外接電容器C構(gòu)成閉合回路，如圖4所示。那么功率繞組中將產(chǎn)生電流I0，近似考慮電流I0與磁通Φ0同相位，如圖5所示。其中電流可分成只起勵磁作用的電流Ir和鐵耗電流Ia。稱電流Ir為電流I0的無功分量；稱對應于渦流損耗和磁滯損耗的鐵耗電流Ia為電流I0的有功分量。由于Ir?Ia，故可近似地Ir≈I0來分析電流I0的性質(zhì)。因為發(fā)電機并聯(lián)電容器C后的閉合電路阻抗Z為容性阻抗，所以有：

(10)

故電流I0超前電動勢E0，如圖5所示。

圖4 等效電路圖5 向量圖

由向量圖可知，電流I0產(chǎn)生的磁場起助磁作用，磁場增強，達到了輔助勵磁的目的。轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場，此磁場與定子繞組作用后產(chǎn)生感應電動勢E0，此電動勢加在電容器兩端，使定子繞組上產(chǎn)生電容電流Ic，其相位超前超前E090°。電流Ic在定子繞組中產(chǎn)生磁通Φc，磁通Φc與電流Ic同相位。磁通Φc與Φ0同相位，說明電容電流產(chǎn)生的磁通方向正好與轉(zhuǎn)子磁通方向相同，兩者直接相加使空氣隙中的磁通增加。

3 級聯(lián)式無刷雙饋電機仿真及損耗分析

無刷雙饋發(fā)電機功率繞組定子側(cè)并聯(lián)電容器輔助勵磁后，勵磁電流減少了流過的繞組回路數(shù)，理論上選取合理的補償電容后會提高機組效率。為驗證此方法的可行性與經(jīng)濟性，根據(jù)文獻[3]提供的電機數(shù)學模型，搭建了級聯(lián)式無刷雙饋電機在MATLAB/Simulink中的仿真模型，如圖6所示，對電機額定轉(zhuǎn)速滿發(fā)運行狀態(tài)時進行損耗分析與計算。

圖6 級聯(lián)式無刷雙饋電機仿真模型

圖7～圖10分別為功率繞組、轉(zhuǎn)子繞組、控制繞組、總繞組銅耗隨補償電流Ic(0～700 A)增大的變化曲線。由此可見，隨著補償電流Ic的增加，功率繞組銅耗會不斷上升，轉(zhuǎn)子繞組、控制繞組銅耗會不斷下降，總銅耗先減小后增加，因此存在總損耗最低點即為補償電容電流的最優(yōu)點。由圖可得在補償電流 為600 A時總損耗達到最小值，因此得出結(jié)論在僅考慮銅耗的額定情況下補償電容電流選取600 A為最優(yōu)值。

圖7 功率繞組銅耗圖8 轉(zhuǎn)子繞組銅耗

圖9 控制繞組銅耗圖10 總繞組銅耗

圖11為總鐵耗隨補償電容電流Ic的變化曲線，從中可以看出，隨著補償電流Ic的增加總鐵耗隨之增加，當補償電流超過500 A時增加趨勢驟然增大。

圖12為總損耗隨補償電容電流Ic的變化曲線，從中可以看出，隨著補償電流Ic的增加總損耗的變化規(guī)律為先減小后增加，因此存在損耗最低點即為補償電容電流的最優(yōu)點。由圖可得在補償電流Ic為450 A時總損耗達到最小值，因此得出結(jié)論在考慮銅耗和鐵耗兩個主要因素的額定情況下補償電容電流選取450 A為最優(yōu)值。

圖11 總鐵耗圖12 總損耗

輔助勵磁電容容量的選取。機端電壓為690 V，選取耐壓為額定電壓的1.5倍，故電容器耐壓水平為1 035 V。輔助勵磁電容采用△接法，其電容容量為Y形接法電容容量的1/3。

(11)

式中：C為電容容量；U為機端電壓。

代入數(shù)據(jù)可求得，在樣機額定轉(zhuǎn)速滿發(fā)運行狀態(tài)下的最佳補償電容容量為1 199 μF。

4 結(jié) 語

本文提出了一種在功率繞組側(cè)并聯(lián)電容的勵磁補償方法，綜合分析功率繞組、轉(zhuǎn)子繞組、控制繞組銅耗和鐵耗可以找到一個的最佳補償電容，使電機損耗降到最低，提高機組效率。根據(jù)這種理論分析，進行了樣機計算與仿真，結(jié)果表明額定轉(zhuǎn)速滿發(fā)運行狀態(tài)下最優(yōu)電容補償勵磁時比無補償電容器時機組效率提高約1.33%，驗證了技術(shù)路線的正確性。為今后深入研究級聯(lián)式無刷雙饋發(fā)電機在各個運行狀態(tài)下最佳電容補償容量的選擇打下了堅實的基礎(chǔ)。

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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

李濱(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電。