無刷雙饋電機等效電路參數(shù)的實驗測量

李 睿，王淑紅，黃振民，劉蘭冰

(1.太原理工大學(xué)，太原030024； 2.山西省電力公司檢修分公司，太原030000； 3.山西電機制造有限公司，太原 030012)

0 引 言

目前，變速恒頻發(fā)電機組的主流機型有兩種：有刷雙饋電機和永磁同步發(fā)電機。有刷雙饋電機的優(yōu)點是所需變頻器容量小，功率因數(shù)可調(diào)，但電機本身有電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，可靠性低，維護成本高。永磁同步電機優(yōu)點是功率密度大，效率高，但所需變頻器容量大，系統(tǒng)成本高。無刷雙饋電機(以下簡稱BDFM)所需變頻器容量小，功率因數(shù)可調(diào)，沒有電刷和滑環(huán)，可靠性高，相比普通感應(yīng)電機維護成本更低，可長時間在無人值守、環(huán)境惡劣的條件下運行。由于這些優(yōu)點，BDFM在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

利用電機的等效電路可以較好地分析電機的性能，所以對電機等效電路中參數(shù)的確定尤為重要。國內(nèi)外高校和學(xué)者對BDFM的參數(shù)求取進行了很多研究，取得了一定的進展。文獻[2]根據(jù)電磁感應(yīng)原理，提出了在控制繞組側(cè)基于“∏”型等效電路，通過實驗測定繞線轉(zhuǎn)子電機參數(shù)的方法，但計算過程中需要利用路算的結(jié)果進行參數(shù)分離。文獻[3]提出用改進的粒子群算法進行參數(shù)測量，需要進行大量實驗，且收斂速度和精度有限。文獻[4]根據(jù)等效電路建立數(shù)學(xué)模型，將實驗測得的數(shù)據(jù)代入回路電壓方程中，利用蒙特卡洛法對方程組進行求解，得到方程組的近似解，計算過程非常復(fù)雜。文獻[5]從電機的基本電磁關(guān)系入手，推導(dǎo)出磁阻和籠型轉(zhuǎn)子BDFM的統(tǒng)一等效電路模型和轉(zhuǎn)矩公式。文獻[6]提出實驗和遺傳算法相結(jié)合的無刷雙饋電機的參數(shù)估算方法，但是由于遺傳算法本身具有早熟的特點，容易收斂到局部最優(yōu)解。華中科技大學(xué)在基波等效電路的基礎(chǔ)上依據(jù)電磁關(guān)系建立了存在諧波的鏈型等效電路模型[7]。重慶大學(xué)根據(jù)電磁原理推導(dǎo)出電機在自然同步和異步運行狀態(tài)下的等效電路[8]，編寫VB程序計算等效電路中的參數(shù)[8]，但是需要計算電機未經(jīng)頻率折算和繞組折算的電感參數(shù)值。文獻[9]提出改進的能量攝動法計算參數(shù)，結(jié)合二維有限元進行計算，減少了非線性有限元分析次數(shù)，但有限元法計算周期較長。到目前為止，還沒有對籠型轉(zhuǎn)子BDFM功率繞組側(cè)等效電路中的參數(shù)進行明確計算和實驗測量的文獻，不利于后續(xù)利用等效電路對電機性能的研究。因此，對BDFM的參數(shù)研究具有重要意義。

本文采用實驗方法，根據(jù)電機在同步和異步運行時的不同等效電路，忽略定子繞組的漏抗，分別列寫回路電壓方程。通過對不同運行狀態(tài)下功率繞組的電壓和電流測量，代入回路電壓方程中，確定等效電路參數(shù)。這種實驗方法過程簡單，將實驗測量值代入回路電壓方程，解方程組即可得到樣機的參數(shù)，求解過程無需借助有限元或磁路法計算的結(jié)果。通過對比解析計算結(jié)果與樣機實驗測量和仿真結(jié)果，來驗證實驗法測參數(shù)的正確性。

1 BDFM工作原理與等效電路

1.1 BDFM工作原理

功率繞組(PW,pp=2)和控制繞組(CW,pc=4)為BDFM定子兩套極對數(shù)不同的繞組。通過兩套繞組不同接線，可以實現(xiàn)多種運行方式，如自起動、異步、雙饋、同步和發(fā)電運行。

BDFM由于其特殊的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，大多數(shù)時候運行在發(fā)電狀態(tài)。BDFM轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速:

(1)

式中:fp表示功率繞組電流頻率;fc表示控制繞組電流頻率。

BDFM發(fā)電運行時，控制繞組作為勵磁繞組，只承擔(dān)轉(zhuǎn)差功率，通過變頻器接工頻電源，功率繞組作為發(fā)電繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時，根據(jù)式(1)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率fc(控制繞組電流頻率)，可以保證功率繞組輸出電流頻率fp不變，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。BDFM的這種運行特性，非常適合做低速風(fēng)力發(fā)電機，因此在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 BDFM等效電路

BDFM定子繞組間通過轉(zhuǎn)子調(diào)制作用進行能量傳遞，沒有直接的電磁耦合。將BDFM參數(shù)折算到功率繞組側(cè)的等效電路如圖1所示。

圖1 功率繞組側(cè)等效電路

忽略鐵耗、機械損耗等，列寫功率方程:

電機的輸出轉(zhuǎn)矩:

圖2為BDFM在Ansoft/Maxwell下建立的2D模型。

圖2 BDFM 2D仿真模型

2 等效電路參數(shù)的實驗測量

電機的等效電路可以較好地預(yù)測電機的運行特性和性能，而等效電路中參數(shù)的求取依賴于繞組的實際參數(shù)，因此需要對繞組的參數(shù)進行計算和測量，方便以后對電機進行性能分析。

圖1的等效電路中，相對于激磁電感來說，定子的漏感很小，對等效電路的影響并不是很大，因此忽略定子漏感。電機不同運行狀態(tài)下，由圖1得到相應(yīng)等效電路，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，即可得到等效電路的參數(shù)值。

實驗1：功率繞組接工頻電源(f=50 Hz)，控制繞組斷開，用原動機將BDFM轉(zhuǎn)子拖至功率繞組的同步速(1 500 r/min)，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與功率繞組電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，電機運行在功率繞組的同步速，在轉(zhuǎn)子側(cè)沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，則圖1的等效電路變?yōu)閳D3所示。

圖3 控制繞組開路，電機同步速運行時的等效電路

根據(jù)圖3的等效電路，列寫回路電壓方程:

(4)

由式(4)可得輸入阻抗:

(5)

圖4 控制繞組開路，電機在自然同步速時的等效電路

根據(jù)圖4等效電路列寫回路電壓方程:

(6)

由式(6)可得功率繞組側(cè)的輸入阻抗:

(8)

將式(4)、式(6)代入式(5)、式(8)中，聯(lián)立式(4)、式(8)，將實部與虛部分離，可得:

(9)

(11)

圖5 控制繞組短接，電機在異步運行狀態(tài)的等效電路

根據(jù)圖5等效電路，列寫回路電壓方程:

(13)

由式(13)可得轉(zhuǎn)子電流折算值:

(16)

將式(12)代入式(14)中可得:

由式(15)可得控制繞組電流折算值:

(19)

將式(19)代入式(18)中可得:

(21)

將式(21)化簡，可得控制組側(cè)激磁電抗折算值:

3 樣機參數(shù)實驗求取及驗證

本文使用樣機的額定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 樣機的額定數(shù)據(jù)

樣機的轉(zhuǎn)子為類鼠籠型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由6個完全相同且相互獨立的嵌套單元構(gòu)成，每個嵌套單元由5個同心環(huán)組成，每個同心環(huán)由轉(zhuǎn)子兩個槽中的銅導(dǎo)條短接而成。樣機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 樣機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

通過上述實驗法測得BDFM樣機的實驗數(shù)據(jù)和參數(shù)，如表2～表6所示。

為了驗證實驗求取參數(shù)的正確性，本文進行實驗驗證。具體實驗過程如下：功率繞組接工頻電網(wǎng)，控制繞組短接，通過測量電機異步發(fā)電運行狀態(tài)穩(wěn)定運行區(qū)(轉(zhuǎn)速500～570r/min)以及電機異步電動運行狀態(tài)的穩(wěn)定運行區(qū)(轉(zhuǎn)速470～499.7r/min)下，不同轉(zhuǎn)速時電機的輸出轉(zhuǎn)矩，得到T-n曲線，與有限元仿真得到的結(jié)果進行對比，如圖7所示。由對比結(jié)果可以看出，兩條曲線的變化趨勢相同，驗證了參數(shù)測量方法的可行性。在自然同步速500r/min附近，電機損耗較小，計算結(jié)果與仿真結(jié)果重合度較好，而在大于自然同步速和小于自然同步速的穩(wěn)定運行區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)速與自然同步速偏差越大，電機損耗越大，計算結(jié)果與仿真結(jié)果的重合度越差。

表2 功率繞組側(cè)同步實驗的實驗數(shù)據(jù)

表3 控制繞組側(cè)同步實驗的實驗數(shù)據(jù)

表4 空載發(fā)電實驗數(shù)據(jù)

表5 異步帶載實驗數(shù)據(jù)

表6 BDFM參數(shù)計算結(jié)果

圖7 T-n曲線對比

本文的實驗均在山西電機廠試驗站進行，圖8為實驗現(xiàn)場圖。

圖8 實驗現(xiàn)場圖

4 結(jié) 語

本文通過實驗方法，測量得到BDFM功率繞組側(cè)一相等效電路中的參數(shù)值，并通過異步運行狀態(tài)下T-n曲線驗證了參數(shù)測量方法的可行性，為后續(xù)對電機進行性能分析奠定了基礎(chǔ)。不足之處在于解析法計算及實驗測參數(shù)未考慮定轉(zhuǎn)子鐵耗、機械損耗、附加損耗和雜散損耗以及實驗測量誤差、計算誤差，造成測量結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的偏差。