磁障转子无刷双馈电机运行特性及实验研究

张岳， 王凤翔

(1.辽宁科技学院电气与信息工程学院，辽宁本溪 117004;2.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

无刷双馈电机(brushless doubly－fed machine，BDFM)是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机，这种电机的优势在于用作交流调速电机时，变频器的功率小，可以降低电机系统的成本，适于大功率场合应用。用于交流励磁发电机时，可以实现变速恒频发电，适于水力发电和风力发电的场合，同时也可在无刷情况下实行双馈运行。因此它具有以下特点:降低所需变频器的容量，可调节系统的功率因数，具有良好的自启动和多种运行方式，并且转子上没有电刷滑环，可以提高交流调速传动系统和变速恒频发电系统的可靠性［1－2］。

无刷双馈电机的机电能量转换是基于转子对定子上不同极数的功率绕组和控制绕组电流磁场的调制作用来实现的。因此，如何优化设计转子结构，提高其磁场调制能力成为无刷双馈电机设计的关键技术。无刷双馈电机的转子对定子绕组电流产生的磁场有两种不同方式进行调制，由此产生两种类型的无刷双馈电机转子结构:笼型转子和磁阻转子。笼型转子无刷双馈电机的研究是以Oregon州立大学的A.K.Wallace教授和R.Spee教授以及英国剑桥大学的Williamson教授为代表，其笼型转子可采用单层同心式笼型短路绕组，也可采用特殊设计的双层绕组，这类转子结构可采用与传统感应电机相似的制造工艺，缺点就是转子绕组电流会产生损耗;磁阻转子无刷双馈电机的研究是以Wisconsin大学的T.A.Lipo教授和Ohio州立大学L.Xu教授以及Northumbria大学的R.E.Betz教授和M.G.Jovanovic教授为代表，其转子一般有3种结构:普通凸极磁阻转子、磁障转子以及ALA转子。普通凸极磁阻转子虽然制造简单，但对定子绕组电流的磁场调制能力较差，磁障转子含有磁隔离层，交轴磁阻增大，磁障调制作用优于普通凸极磁阻转子，但制造工艺比较复杂，ALA转子是目前磁场调制效果最好的，但难以制造。上述磁阻转子的共同优点就是转子没有绕组电流损耗［3］。

文献［4］和文献［5］分别对轴向和径向叠片磁障式转子无刷双馈电机的设计与性能从理论和实验上进行了详细分析，但它们的磁障转子制造工艺都比较复杂，文献［3］详细地分析了转子极弧系数与磁障数量及结构参数对无刷双馈电机性能的影响，提出一种结构简单，便于加工制造而又性能较好的无刷双馈磁障转子设计方案，即通过在凸极磁阻转子铁心中适当地加入磁障，增加磁阻转子对定子绕组电流磁场的调制能力，同时又保留普通磁阻转子结构简单和成本低廉的优点。本文在此基础上，研究了文献［3］所提出的磁障转子结构的无刷双馈电机的运行特性，基于场路耦合有限元法，较详细地分析了5 kW、6/2极、36槽磁障转子无刷双馈电机的电动和发电运行模式，并通过对样机的变速恒频运行特性的开环实验测试，从理论和实验角度来验证所设计的磁障转子无刷双馈电机的合理性和可行性。

1 不同磁阻转子结构对电磁转矩的影响

为了研究不同磁阻转子结构对于电磁转矩的影响，在相同电机结构尺寸和运行条件下，利用场路耦合有限元法，对比分析了如图1所示的3种不同磁阻转子结构无刷双馈电机的性能。

图13 种转子结构无刷双馈发电机有限元模型Fig.1 Three typical reluctance rotors

表1为采用场路耦合有限元法计算的同一定子(6极功率绕组和2极控制绕组)、相同气隙和转子外径的3种不同磁阻转子无刷双馈电机在500 r/min运行时的电磁转矩对比，可以看出ALA转子的电磁转矩可高达凸极转子的4倍。图2为这3种不同磁阻转子无刷双馈电机在500 r/min运行时的磁力线分布。

表13 种转子结构无刷双馈电机电磁转矩对比Table 1 comparison of electromagnetic torque for BDFM with three different reluctance rotors

图23 种转子结构无刷双馈发电机的磁力线分布Fig.2 Comparison of flux line distribution for BDFM with three different reluctance rotor

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为凸极磁阻转子、磁障转子和ALA转子电机的磁力线分布，从图2(a)中可看出它不像8极磁场而更像4极磁场，这是因为凸极磁阻转子对定子的6极功率绕组和2极控制绕组电流磁场的调制能力不足。

由根据磁场调制无刷双馈电机的工作原理可知，2p极功率绕组和2q极控制绕组的无刷双馈电机的等效磁场极数为(2p+2q)极，为了提高磁阻转子的磁场调制能力，结合ALA转子的结构，设法使普通凸极磁阻转子铁心中的磁力线从凸极的中间分开，强迫磁力线分别从每个凸极的两侧进入相邻凸极，由此产生一种在普通凸极磁阻转子的凸极中间加入磁障限定转子磁通路径的磁障转子结构，使其增强对定子绕组磁场的调制作用，而又不失凸极磁阻转子结构简单便于制造的优点［3］。

2 运行原理及样机结构

无刷双馈电机的定子上由2套各自独立的三相对称绕组，1套为2p极的功率绕组，另1套为2q极的控制绕组，这2套绕组间的耦合是通过特殊设计的转子实现的。

当无刷双馈电机运行在电动状态时，功率绕组一般由工频交流电源直接供电。当控制绕组短路时，电机将能够异步起动并工作在异步运行方式;当控制绕组直接由直流电源供电时，电机将工作在同步运行方式，该种电机的同步速定义为60fp/(p+q);当控制绕组由变频电源供电时，电机将工作在双馈调速运行方式，此时电机的运行转速为

其中，fp和fq分别为功率绕组和控制绕组的电流频率。如果功率绕组和控制绕组电流同相序，上式取正号，否则取负号。

当无刷双馈电机运行在发电状态时，控制绕组一般用作直流或交流励磁绕组，经由变频器提供交流电源供电，将功率绕组作为发电绕组。一般要求发电机的输出电能频率为恒定。若为变速恒频发电，功率绕组的频率fp、控制绕组的频率fq以及电机的转速n之间关系为

其中:超同步时，式(2)取+号;亚同步时，取－号。由此，当转速n变化时，通过控制fq可使fp保持恒定不变，从而实现变速恒频控制［4－7］。

本文设计和研制的磁障转子无刷双馈样机具有(2+6)极的公共定子，槽数为36，转子为带磁障的磁阻转子，转子实物如图3所示，磁障转子无刷双馈电机的结构参数为:定子槽数为36;定子外径为290 mm;定子内径为170 mm;转子内径为70 mm;气隙长0.4 mm;铁心长为220 mm;磁障形状为矩形;磁障数量为1条;磁障宽度为2.4 mm;磁障深度为44.6 mm。磁障转子无刷双馈电机的有限元模型如图4所示。该机同步速为750 r/min。本文将对转子带磁障的无刷双馈电机的运行特性及变速恒频实验进行详细研究。

图3 样机转子Fig.3 Rotor picture of prototype of BDFM

图4 无刷双馈磁阻发电机有限元模型Fig.4 FEM model of BDFM with barrier rotor

3 运行特性仿真

3.1 异步运行仿真

当电机异步起动或变频器出现故障时，可以将控制绕组电源断开，将控制绕组短接，系统由功率绕组提供电源，从而进行异步运行。图5为功率绕组施加324 V，50 Hz的电源，控制绕组短路时，电机运行在异步工作状态，利用有限元得到的电机运行特性仿真曲线。从图中可知，电机稳态转速接近8极同步转速，其起动和运行过程与普通感应电机相似，异步运行时的仿真曲线符合式(1)的理论分析结果。

无刷双馈电机异步运行相当于1台极对数为p+q、电源频率f=50 Hz的同步电机，其同步转速为60f/(p+q)即750 r/min，轻载时的稳态转矩为5 N·m。

图5 异步运行特性波形Fig.5 Waveforms of asynchronous operation

3.2 双馈运行仿真

当功率绕组由工频电源供电，控制绕组由变频器馈电时，电机工作在双馈运行方式。通过改变变频器的输出频率，即可实现电机的转速调节［8－10］。

3.2.1 超同步运行方式

当控制绕组电流与功率绕组电流同相序时，电机运行于超同步电动状态。图6为功率绕组施加电压324 V、频率50 Hz的电源，控制绕组施加电压50 V、频率5 Hz的电源时运行波形。图6(a)为功率绕组和控制绕组的电流仿真波形;图6(b)为电机在超同步下的运行转速。从图中可见，电机在运行稳态时的转速为825 r/min，其转速值符合式(1)。这说明在超同步运行时可以通过改变变频器的输出频率来调节电机的转速，达到电机调速的目的。

图6 超同步运行特性波形Fig.6 Waveforms of super-synchronous operation

3.2 .2亚同步运行方式

当控制绕组电流与功率绕组电流反相序时，电机运行于亚同步电动状态。图7为功率绕组施加电压324 V、频率50 Hz，控制绕组施加电压50 V、频率5 Hz时的运行波形。其中图7(a)为功率绕组和控制绕组的电流波形，图7(b)为电机在亚同步下的运行转速波形。从图中可见，电机在稳态运行时的转速为675 r/min，其转速值符合式(1)。这说明在亚同步运行时也可以通过变频器的输出频率来调节电机的转速，达到电机调速的目的。由于控制绕组时吸收功率绕组的转差功率，因此，控制绕组的变频器容量可以较小。

图7 亚同步运行特性波形Fig.7 Waveforms of sub-synchronous operation

由上述电机的不同运行模式的有限元仿真结果可知，无刷双馈电机的异步运行方式具有普通感应电机的特性;而双馈运行方式，通过改变控制绕组电流的相序，可使电机运行于亚同步状态或超同步状态，改变控制绕组电流的频率即可准确调节电机的转速，同时，磁障转子无刷双馈电机在进行双馈调速时，可以用较小容量的变频器对较大功率的电机进行调速，特别适合于大功率的风机和泵类负载的调速节能应用。

3.2 .3变速恒频运行方式

当无刷双馈电机作为发电机运行时，控制绕组通常作为励磁绕组，由变频器向它提供转差频率，定子功率绕组作为发电绕组。由于励磁绕组放置在定子上，其变速恒频控制是在无刷情况下实现的，所以运行可靠，特别适用于长时间运行而不便维护的风力发电和水利发电领域［11］。

图8为电机转速为900 r/min、控制绕组施加的幅值为120 V、频率为10 Hz的电压时变速恒频运行特性波形。图8(a)为控制绕组绕组的电流波形，图8(b)为功率绕组输出电压波形，从图中可看到，功率绕组输出电压的频率为50 Hz。

图8 900r/min时变速恒频运行特性波形Fig.8 Waveforms of VSCF operation at the speed of 900 r/min

基于上述磁障转子无刷双馈电机的有限元模型的参数，构建了d－q坐标系下其变速恒频运行的Matlab/SIMULINK仿真模型［12］。当电机转速为900 r/min时，发电机的控制绕组的励磁电流、功率绕组的输出电压的仿真曲线如图9所示。由图可知，当发电机的转速为900 r/min时，控制绕组施加幅值为120 V、频率为10 Hz的励磁电压，无刷双馈发电机的功率绕组的电压输出频率保持50 Hz，从而实现变速恒频控制的目的。

由于SIMULINK仿真模型的前提是假设磁路线性，它无法考虑磁路饱和对电机参数带来的影响。从图9中可以看出电流和电压曲线都比较光滑。

从上述磁障转子无刷双馈电机变速恒频有限元仿真和Matlab/SIMULINK仿真结果可知，当电机转速发生变化时，通过调节控制绕组电流的频率即可使功率绕组输出的电压频率保持恒定，实现变速恒频发电的目的，这也符公式(2)。

图9 900r/min时无刷双馈发电机的SIMULINK仿真波形Fig.9 SIMULINK diagram of BDFG at the speed of 900 r/min

4 变速恒频实验研究

为了验证所设计的磁障转子无刷双馈电机的可行性及对其运行特性的有限元分析的合理性，本文对所研制的样机进行变速恒频发电测试［13－14］，样机参数采用上述磁障转子无刷双馈电机的结构参数，实验平台由PWM变流器I供电的感应电动机作为原动机，驱动磁障转子无刷双馈电机作为发电机运行，其控制绕组由PWM变流器II供电，功率绕组输出接可调负载电阻。

图10为电机运行转速为900 r/min，由控制绕组通过变频器提供幅值为120 V、频率为10 Hz的交流电源，功率绕组输出的电阻负载电压波形。

图10 900r/min时功率绕组线电压和控制绕组电流的实验波形Fig.10 Experimental waveforms for voltage of power winding and current of control winding at the speed of 900 r/min

从图中可以看出，在相同运行条件下，功率绕组输出感应电压波形的频率为50 Hz，且与如图8和图9所示的仿真结果较好地吻合，同时实验波形的正弦性较好，表明所设计的磁障转子无刷双馈电机是可行的，能满足变速恒频运行要求。

5 结论

基于以上对磁障转子无刷双馈电机运行特性以及实验的研究，可以得出如下结论:

1)基于场路耦合法分析了转子带磁障的无刷双馈电机的几种运行模式，由仿真结果可知，符合无刷双馈电机的运行机理，说明所设计的这种磁障转子是合理的，验证了这种转子结构的无刷双馈电机是可行的;

2)通过对所设计的磁障转子无刷双馈电机的变速恒频运行特性的Matlab/SIMULINK仿真、有限元仿真以及实验测试结果对比，验证了所设计的磁障转子无刷双馈电机的设计方法是有效的，样机性能基本符合要求，说明本文设计的磁障转子无刷双馈电机能够适用于变速恒频风力发电系统，这对优化设计无刷双馈发电机具有一定的指导意义。

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