團隊介紹

任泰安，工學博士，合肥工業大學講師，研究方向為新型特種電機、電磁場計算。曾主持和參與包含國家重點研發計劃、國家自然科學基金、省自然科學基金等在內的縱橫向科技項目8項，在IET、中國電機工程學報、電工技術學報等國內外學術刊物發表學術論文10余篇，授權國家發明專利2項。

闞超豪，工學博士，合肥工業大學電氣與自動化工程學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為新型特種電機研制、電機電磁場計算、電機電器故障診斷等。作為負責人或主研參與20余項科研項目的研究，包括國家自然科學基金面上項目、省自然科學基金面上項目、國家重點研發計劃項目子課題、國家重大儀器專項子課題，以及多項來自中科院合肥物質研究院的科研項目。在IEEE Transaction、IET、中國電機工程學報、電工技術學報等國內外學術刊物發表學術論文50余篇。

導語

本文對繞線轉子無刷雙饋電機定子上確定極對數分別為p1、p2的兩套繞組，其極對數組合形式(選取p1 (p2)為功率繞組，p2 ( p1)為控制繞組)的選取提供了一種的理論依據。

以繞線轉子無刷雙饋電機的等效電路為基礎，研究空載和負載狀態下轉子電流和功率繞組側輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系，以及負載狀態下系統輸出功率與控制繞組勵磁電流之間的關系。所提出的方法對其它結構轉子無刷雙饋電機極對數組合形式的選取具有一定的參考價值。

研究背景

近年來，隨著世界對綠色能源的日益提倡，風力發電已成為優先發展的新能源之一。交流勵磁雙饋發電機作為風力發電的主流發電機，結構上存在電刷、滑環等，發電系統的可靠性較低。無刷雙饋電機在保留交流勵磁雙饋發電機優點的同時，取消了滑環裝置，提高了系統的可靠性，減小了變頻器所需的容量，降低了系統的成本。

而無刷雙饋電機定子上有兩套極對數不同的繞組，其極對數組合形式的不同對電機性能的影響較大。因此，有必要利用無刷雙饋電機的等效電路推導出極對數組合形式選取的理論依據，該理論也為提高電機系統的性能提供了一種新思路。

論文方法及創新點

下圖給出了無刷雙饋電機的每相等效電路，為保證研究的可信度，采用控制變量法保持控制繞組的勵磁電流和功率繞組側的負載不變，這里僅研究其發電機性能。

無刷雙饋電機的單相等效電路圖

基于圖1所述的等效電路，通過推導和化簡可分別得出空載狀態下，轉子電流和功率繞組側輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系為式(1)、(2)；負載狀態下，轉子電流和功率繞組側輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系為式(3)、(4)，系統輸出功率與控制繞組勵磁電流之間的關系為式(5)。

公式（1）-（5）

本文采用有限元法進行仿真研究，樣機以 YZR315電機為參照，電機極對數為2/4，轉子繞組采用5聯等匝結構，定義極對數組合形式pp=2、pc=4為方案一，pp=4、pc=2為方案二。通過仿真與計算可得出空載狀態下，轉子轉速為600r/min時，兩種方案轉子電流、功率繞組相電壓與勵磁電流之間的關系曲線如圖1、2所示。

圖1

圖2

從圖1中可以看出隨著勵磁電流的增大，兩種方案的轉子電流均增大，與勵磁電流基本成正比關系，且兩種方案的計算結果與有限元仿真結果基本相同。

由圖2中可知，當勵磁電流較小時，兩種方案在同一勵磁電流下的相電壓仿真值均與計算值吻合較好；當隨著勵磁電流增大到一定程度時，由于電機空載特性的非線性，使得功率繞組側輸出電壓增加較為緩慢，與計算值偏差會有所增加，對比兩種方案可知，方案一的電機非線性程度較低，性能較好。

不同負載情況下，兩種方案轉子電流與勵磁電流的計算與仿真關系曲線如圖3所示。對比圖3(a)、(b)可知，方案二轉子電流普遍高于方案一，且在負載電阻較大時相差倍數較高，負載電阻較小時相差倍數較小，兩種方案的轉子電流計算值與仿真值吻合較好，驗證了理論推導的正確性。

圖3

圖4

圖5

從圖4中可以看出，兩種方案負載電阻越小所需勵磁電流越大，從方案二的功率繞組側相電壓與控制繞組側勵磁電流的關系曲線可以看出，負載電阻在100?到10?之間，功率繞組側相電壓與方案一相比相對較低，這是因為負載電阻較大時，電機可近似看成空載狀態。

而方案二的非線性較高，因此電壓相對較低，此時功率繞組側相電壓逐漸增加，當負載電阻在10?附近時，方案二的功率繞組側相電壓達到最大值，根據理論推導的結果可知，當負載電阻和勵磁電流保持不變時，功率繞組側相電壓隨著有效匝比的減小而增大，方案二的有效匝比為0.89，方案一的有效匝比為1.13，因此功率繞組側相電壓有一定增加。

然而由于方案二的轉子電流有效值為15A，方案一的轉子電流有效值僅為10.5A，方案二的磁場密度較大，因此功率繞組側相電壓與方案一相比較低，基本符合理論推導所述規律；而當負載電阻從10?到5?時，功率繞組側相電壓會逐漸減小，這是由于方案二的轉子電流與方案一相比較大，電機飽和程度較高，導致鐵心磁壓降增加，功率繞組側輸出電壓偏低。

兩種方案的系統輸入和輸出功率曲線如圖5所示，從圖中可以看出方案二的輸入功率高于方案一，而輸出功率低于方案一，這主要是由于方案二的轉子電流較大，導致系統銅耗和鐵耗較高，因此其效率偏低。圖中計算值與仿真值相差較小，但是由于計算值忽略了功率繞組側的漏阻抗，因此計算值會略高于仿真值。

結論

本文利用繞線式轉子無刷雙饋電機的等效電路，在給定兩套定子繞組極對數分別為p1、p2情況下，對兩種極對數組合形式(取p1對極為功率繞組、p2對極為控制繞組，或者p2對極為功率繞組、p1對極為控制繞組)電機的性能進行了研究，推導出空載和負載狀態下轉子電流和功率繞組側輸出相電壓與控制繞組勵磁電流之間的關系，以及負載狀態下系統輸出功率與控制繞組勵磁電流之間的關系，并利用有限元法對2/4對極無刷雙饋發電機在兩種極對數組合情況下進行了數值計算及對比分析。

結果表明選擇極對數較小的繞組作為功率繞組的電機具有轉子電流小、飽和程度低、運行范圍廣、功率繞組側輸出電壓高和系統輸出功率大等優點。

引用本文

任泰安, 闞超豪, 胡楊, 程源, 李響. 極對數組合形式線轉子無刷雙饋電機性能的影響[J]. 電工技術學報, 2020, 35(3): 509-519. Ren Taian, Kan Chaohao, Hu Yang, Cheng Yuan, Li Xiang. Influence of Pole-Pairs Combination on the Performance of Wound-Rotor Brushless Double-Fed Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 509-519.