龔海龍，張巧龍，彭 曉

（湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104）

0 引言

無刷雙饋發(fā)電機(jī)（Brushless Doubly-fed Generators，BDFG）具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，且可實(shí)現(xiàn)異步以及同步運(yùn)行的特點(diǎn)，由控制繞組就可實(shí)現(xiàn)變速恒壓恒頻發(fā)電而被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中［1-3］.

目前已有許多專家學(xué)者針對無刷雙饋電機(jī)有限元仿真分析做了大量研究工作，文獻(xiàn)［4］首先利用有限元仿真軟件求出無刷雙饋電機(jī)氣隙磁密平均值，再通過解析法求出電磁力，然后將電磁力有限元仿真結(jié)果與解析計算值進(jìn)行比較，解析計算公式的正確性得到充分驗(yàn)證.文獻(xiàn)［5］分別對基于虛擬槽理論軸對稱繞組分布的無刷雙饋發(fā)電機(jī)和普通無刷雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元對比分析，得出此新結(jié)構(gòu)有著更為出色的性能.文獻(xiàn)［6］對不同籠型轉(zhuǎn)子BDFM 進(jìn)行有限元對比分析，最終確定分段式籠型轉(zhuǎn)子最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù).文獻(xiàn)［7］在場路耦合基礎(chǔ)上，使用有限元分析磁障、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對運(yùn)行性能所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)［8］運(yùn)用二維時步有限元實(shí)現(xiàn)功率繞組三相短路故障對BDFM 性能所產(chǎn)生影響進(jìn)行了精確計算.文獻(xiàn)［9］利用有限元仿真來對控制繞組電壓初相角進(jìn)行改變，調(diào)節(jié)BDFM運(yùn)行狀態(tài)以及輸出功率，得到電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩、兩定子繞組功率、電流與控制繞組電壓初相角之間的特性曲線.

上述文獻(xiàn)針對不同結(jié)構(gòu)的BDFM 進(jìn)行了有限元仿真分析，而本文將針對2 MW 徑向疊片磁阻轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(jī)，提出一種采用有限元仿真來分析其運(yùn)行特性的方法，在有限元仿真軟件Ansoft 中搭建電機(jī)2D 模型以及外電路，通過改變定子側(cè)控制繞組、功率繞組的激勵，得到電機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行時的電磁場分布云圖以及磁鏈、氣隙磁密、感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、損耗、效率等特性曲線，并對仿真所得的電磁場分布云圖以及特性曲線進(jìn)行了分析，并驗(yàn)證了2 MW 無刷雙饋發(fā)電機(jī)設(shè)計的合理性.

1 BDFM結(jié)構(gòu)及工作原理

BDFM 定子繞組由兩套有著不同極對數(shù)的三相對稱繞組組成，其中功率繞組與電網(wǎng)連接，而控制繞組經(jīng)由變阻器或變頻器與電網(wǎng)連接，如圖1 所示.因?yàn)閮商桌@組間不存在耦合磁場，所以不能實(shí)現(xiàn)能量的直接交換，要使兩套繞組實(shí)現(xiàn)耦合必須通過轉(zhuǎn)子磁路的調(diào)制，進(jìn)而完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換［10］.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式為磁阻式，是由特殊形狀的徑向硅鋼片疊壓制成.

圖1 無刷雙饋電機(jī)原理圖

由BDFM 磁動勢以及公式推導(dǎo)可知，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速受極對數(shù)以及兩套繞組電源頻率控制，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

式（1）中，fp為功率繞組頻率，fc為控制繞組頻率，pp為功率繞組極對數(shù)，pc為控制繞組極對數(shù).

當(dāng)式（1）中為“+”時,代表控制繞組與功率繞組電流相序一致，這時電機(jī)超同步運(yùn)行；而為“-”時,則代表控制繞組與功率繞組電流相序相反，此時電機(jī)亞同步運(yùn)行.當(dāng)控制繞組為直流勵磁時（fc=0），電機(jī)將自然同步運(yùn)行［11］.

表1 2 MW無刷雙饋發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

圖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 電磁場和特性的最有效方法.而在眾多有限元分析軟件中，最具代表性的當(dāng)屬Ansoft.此軟件由Maxwell 2D、3D 兩個模塊組成，且電磁場仿真能力已超越其他軟件，尤其是在電機(jī)研究中被充分顯示出來［12］.

本文所研究的BDFM 主要參數(shù)如表1 所示.根據(jù)電機(jī)主要參數(shù)在Ansoft/Maxwell 16.0 中搭建2D有限元仿真模型，如圖2 所示.控制繞組與功率繞組被嵌在同一槽內(nèi)，控制繞組位于槽口，功率繞組位于槽底，仿真模型剖分如圖3 所示.

圖3 仿真模型剖分圖

電機(jī)空載以及負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下功率繞組外電路如圖4 所示.

圖4 功率繞組外電路

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 空載特性

當(dāng)使用原電機(jī)拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速至一定值時，控制繞組作為勵磁繞組經(jīng)由變頻器與電網(wǎng)進(jìn)行連接，功率繞組開路，此時的電機(jī)將為空載發(fā)電狀態(tài).本節(jié)進(jìn)行有限元仿真時，電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為600 r/min 額定轉(zhuǎn)速，控制繞組通入100 A、額定頻率10 Hz 交流電，功率繞組磁鏈如圖5 所示.

圖5 功率繞組磁鏈

圖6、圖7 為電機(jī)磁力線、磁密分布圖.由圖6 可知，電機(jī)磁力線沿磁阻限制的路徑分布，基本無漏磁，磁力線呈6 極均勻分布.由圖7 可知，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁條寬度較窄，使得磁密略大.

圖6 空載磁力線分布圖

圖7 空載磁密分布圖

因?yàn)檗D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特殊，不論定子繞組是采用直流還是交流勵磁，電機(jī)氣隙磁密都將存在不對稱性，如圖8 所示.由圖8 可知，電機(jī)氣隙磁密為1.3 T，滿足設(shè)計要求.

圖8 氣隙磁密波形圖

空載運(yùn)行時，如果電機(jī)定子繞組上僅有一套繞組加激勵，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)將會在另一套繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若把4 極繞組當(dāng)作控制繞組并通入100 A、額定頻率10 Hz 交流，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為600 r/min 額定轉(zhuǎn)速，由nr=60（fp+fc）/pr可知，功率繞組上將產(chǎn)生電壓為800 V、頻率為50 Hz 的三相交流感應(yīng)電動勢，如圖9 所示.由圖9 可看出，感應(yīng)電動勢的頻率為50 Hz，但因?yàn)闅庀洞磐ㄖ泻兄C波，導(dǎo)致感應(yīng)電動勢也含有諧波，波形不是規(guī)則正弦，滿足設(shè)計要求.

圖9 功率繞組感應(yīng)電動勢

3.2 負(fù)載特性

上文已經(jīng)對電機(jī)空載狀態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)分析，現(xiàn)在開始對負(fù)載情況下的電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)分析，本節(jié)負(fù)載狀態(tài)功率繞組接50 Hz 正弦交流電，控制繞組使用100 A、額定頻率10 Hz 交流勵磁，負(fù)載電流如圖10所示.

圖10 負(fù)載電流

當(dāng)功率繞組和控制繞組都進(jìn)行勵磁后，對電機(jī)負(fù)載的磁力線和磁密進(jìn)行研究，電機(jī)磁力線以及磁密分布圖如圖11 和圖12 所示.

圖11 負(fù)載磁力線分布圖

圖12 負(fù)載磁密分布圖

由于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與通入繞組電流的頻率以及轉(zhuǎn)速無關(guān)，所以，對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行求解時，電機(jī)轉(zhuǎn)速和繞組電流頻率可設(shè)置為某個特定值，本節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速被設(shè)為600 r/min 同步轉(zhuǎn)速，控制繞組通入100 A、額定頻率10 Hz 交流，功率繞組通入50 Hz工頻交流電，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩如圖13 所示.由圖13 可知，電機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩為12848 N.

圖13 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

電機(jī)損耗包含鐵耗和銅耗，對電機(jī)定子側(cè)繞組銅耗（定子鐵心磁損耗忽略不計）以及轉(zhuǎn)子側(cè)鐵耗進(jìn)行分析［13］.定子兩套繞組的總銅耗如圖14 所示，轉(zhuǎn)子鐵耗如圖15 所示，電機(jī)效率曲線如圖16 所示.由效率曲線可知，電機(jī)效率已經(jīng)接近97%，可見效率很高.

圖14 定子繞組銅耗

圖15 轉(zhuǎn)子鐵耗

圖16 電機(jī)效率曲線

4 結(jié)語

本文采用有限元仿真對2 MW 無刷雙饋發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下的特性進(jìn)行分析，得到了電機(jī)空載以及負(fù)載電磁場分布云圖以及磁鏈、氣隙磁密、感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩、損耗、效率等特性曲線，并對電機(jī)電磁場以及特性曲線進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論：

（1）無刷雙饋發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行時的磁力線以及磁密呈6 極均勻分布，滿足設(shè)計要求.

（2）無刷雙饋發(fā)電機(jī)氣隙磁密為1.3 T，滿足設(shè)計要求.

（3）無刷雙饋發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時，功率繞組感應(yīng)電動勢為800 V，頻率為50 Hz，滿足設(shè)計要求.

（4）無刷雙饋發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，最大電磁轉(zhuǎn)矩為12848 N，且定子銅耗、轉(zhuǎn)子鐵耗較小，電機(jī)效率已經(jīng)接近97%，滿足設(shè)計要求.

（5）有限元仿真分析對評估無刷雙饋發(fā)電機(jī)設(shè)計是否合理有著重要指導(dǎo)意義.