双馈异步发电机的工作原理及电磁设计.docx

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双馈异步发电机的工作原理及电磁设计

双馈异步发电机的工作原理及电磁设计

‰测如咖

理论与设计

双馈异步发电机的工作原理及电磁设计

高亚州１

史荫生２

白惠珍１

１河北工业大学（３００１３０）

２天津赛瑞机器设备有限公司（３００３０１）

ＴｈｅＰｒｉｎｅｉｎｐｌｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＤｅｓｉｇｎｏｆＤｏｕｂｌｙ－ｆｅｄＩｎｄｕｅｔｉｏｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ

ＧａｏＹａｚｈｏｕ

ＳｈｉＨｎｓｈｅｎｇ

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Ｈｕｉｚｈｅｎ

ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＴｉａｎｊｉｎＳＥＲＩＭａｃｈｉｎｅｒｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ

摘

要：

双馈异步发电机是结合了异步发电机和同

进行分析，并对其电磁设计进行探讨。

步发电机优点的一种发电机。

它在风力、水力等发电领域有广泛的应用前景。

该文分析了双馈异步电机基本工作１

原理，给出了其电磁设计的特点，包括确定电机的计算功基本工作原理

率及主要尺寸＇电机的电磁负荷及转子励磁电压等。

关键词：

双馈异步发电机电磁设计

１．１电气特点

Ａｂｓｔｒａｅｔｔ

Ｄｏｕｂｌｙ．ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ、ｉｓ

ＤＦＩＧ也称异步同步化机，其定子与普通同ａ

ｋｉｎｄｏｆｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｏｒｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆ

步电机没有区别，但其转子具有两相或两相以上ｂｏｔｈｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｓａｎｄｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ．Ｉｔ

可控励磁绕组，ＤＦＩＧ电气结构如图ｌ。

ｈａｓ

ａ

ｗｉｄｅ

ｒａｎｇｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ

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ａｎｄ

ｍａｉｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆａｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｃｈｏｏｓｅｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ’ｓ

图１双馈异步发电机的电气结构图

ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｌｏａｄａｎｄｄｅｆｉｎｅｔｈｅｒｏｔｏｒ’Ｓｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ

ｖｏｌｔａｇｅ．

由图ｌ可知，ＤＦＩＧ的定子与电网直接相连，Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

Ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｉｎ（ｈｌｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ）而转子通过变频电源与电网相连。

通过变频电源Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｓｉｇｎ

可对转子励磁进行调节，调节励磁电流幅值、改变励磁频率和改变相位。

通过改变励磁频率，可双馈异步发电机（ＤＦＩＧ）具有良好的调速性改变电机的转速；改变转子励磁电流的相位，导能、有功和无功功率独立可调、可提高系统的稳致发电机电势与电网电压相对位置改变（相当于定性、所需励磁容量相对较小等优点【２ｌ。

目前，它改变了电机的功率角）。

已广泛应用于风力发电，由于具有优于同步发电１．２工作原理

机的性能，它的大量应用对提高电力系统的安全根据旋转电机能量转换原理，电机稳态运行与稳定有重大意义。

的条件是：

转子角速度为任意值时，由定子电流和本文利用电机学理论，对ＤＦＩＧ的工作原理

转子电流产生的旋转磁势之间没有相对位移【３１。

‘电抚技术）２００９年第６期・１・

万　

方数据

理论与设计

ＣＯｌ＝０９，±∞２

（１）

式中：

０９１—－ｊ电子磁通量对定子的角速度；

０９，一转子的电角速度；

∞２一转子磁通量对转子的角速度。

取“．”号时，电机处于亚同步状态；取“＋”时，电机处于超同步状态；当∞ｌ＝∞，时，电机处于同步状态。

由刀：

型

（２）

Ｐ

ｏ＝２兀ｆ

（３）

式（１）可写为：

＾２罱＋ｆ２

（４）

式中：

Ａ—啶子电流频率；

甩一电机转速；ｐ一电机极对数；正一转子电流频率。

当电机转速ｎ变化时，需调节如，可使＾保持恒定，实现电机的变速恒频控制【４１。

当发电机处亚同步状态时，变频电源向转子励磁，定子向电网提供电能；当电机处于超同步状态时，定、转子同时向电网提供电能；当电机处于同步状态时，变频电源向转子提供直流励磁，定子向电网提供电能。

１．３等效电路与定、转子电流

如上所述，ＤＦＩＧ的特点是转子中除有感应电流外，还有从电网馈入低频电流，即转子侧也是有源的，因而可得出ＤＦＩＧ的等效电路（如图

２）。

ｒＩ

工１＾

ｘ＇＾ｒ＇２／ｓ

图２双馈异步发电机的等效电路

根据图２列出电机的电压和磁动势方程：

ＵＩ＝ＥＩ－（ｒｌ＋ＪＸｌａ）１１

等也＋（字％加，：

（５）

１１

ｆｌ。

寸１１ＥＩ＝Ｅ’２－－－－－ｊＸｒａ／ｍ

・２・２００９年第６期《电机技术》

万　

方数据黝ａｎｄ么咖

式中：

，’ｍ、，’２一分别为激磁电流和转子电流的

，．７２、Ｘ’２０一分别为转子电阻和漏抗的归算

值；

‰一激磁电抗。

由式（５）得出定、转子电流：

五：

＾＝—————＿———————————＿

扔（纫旦ｒｔ）．丝

，２２磊丽蕊∽’

（Ｊｉ｝Ｆｌ撕ｌ字）呵（ｘｌ。

韶ｌ∥如－，ｌ三ＳＸ三－ｍ）

竺型：

三；

（６）

．

“孚慨了三）

式中：

豇１２三＝ｌ＋Ｘ‰ｌ＿ｚ，七２＿‰Ｘ２＝１４Ｘ‰＇２０

（８）

可以看出，定子和转子电流均由两部分组

成：

其中Ｊｌ（１）和五（１）分别为定子边加有电压矾、

转子短路时的定、转子电流；Ｊｌ（２）和Ｊ２（２）是转

子边加有电压眈、定子短路时的定、转子的电流

［５１。

其中：

ｆ．

ｕｌ（七２√子ｏ，ａ，ｍ）

ｒ尸忑万磊磊石

ｒ磊虿＃蕊ｒ

Ｉ．

孚

ｏ㈥

．

竿（埘兰）ｓ

。

。

‰

，２（２）。

忑虿ｒ２五磊，巧ｒ

２

通过以上分析可知：

ＤＦＩＧ的定子电流ｊｌ不仅与定子端电压Ｄｌ和转子转差率Ｓ有关，而且与转

黝一么，妒

子端电压巩也密切相关。

通过调节巩的幅值、相位和频率，就可改变定子电流，ｌ的大小，实现电机有功和无功功率的独立调节。

２

电磁设计

２．１主要尺寸的确定

ＤＦＩＧ的极对数可参照同容量异步电机的选择标准，常采用４极或６极，从减小励磁容量，降低电机制造成本和工艺难度方面而言，采用４极更合适。

电机主要尺寸的基本关系为：

］厂——

式中：

Ｄ一电机定子直径；

字＝ＣＡ－』ａ＇ｐＫＮｍＫａＣＩＢ８

（１０）‘１ｕ，

ｌ。

厂电机铁心的有效长度；

尸Ｌ一计算功率；

ＣＡ一电机常数；

ａ’。

一极弧系数；

ＫＮｍ一气隙磁场波形系数；＆。

一电枢的绕组系数；彳一线负荷；Ｂ６一气隙磁密。

对—定功率和转速范围的电机，ａ，ｐ、ＫＮｍ和ＫｄｐＤＦＩＧ的能量流程图与传统的电机有较大区Ｐ，：

坠

当ＤＦＩＧ转速小于同步转速时：

（１１）

ｃｏｓｃＮ

当ＤＦＩＧ转速大于或等于同步转速时：

Ｐ，：

型翌（１．ｓ）

（１２）

７７Ｎｃｏｓ９Ｎ

在初选电机尺寸时，可按式（１１）确定计算功万　

方数据理论与设计

２．３电磁负荷的选择

应从电机综合技术经济指标来选取合适的彳、曰６值。

由于ＤＦＩＧ应用在通风条件较好的情况下，可比同容量的异步电机或同步电机的电磁负荷值较大些。

２．４转子励磁电压的计算

ＤＦＩＧ的转子励磁电压可通过两种方法求得。

一种是通过电机的等效电路和基本方程得到，另一种是通过转子堵转的开路电压和转差率得到。

本文采用后一种方法，由式：

Ｕ’２＝（ｒ＇２＋ｊｓｘ’２０）Ｉ＇２＋ｓＥ’２

（１３）

考虑到转子侧电阻和漏抗值很小，可忽略其

电压降，则：

Ｕ７２＝ｓＥ’２

（１４）

Ｅ

ｒ２为转子堵转开路电压，是ＤＦＩＧ特有的一

个参数为：

Ｅ‘，２＝ＫＥＵ‘１拌

７吾：

≮产

（１５）

ｔｋｌｐｌＺ－，ｌ妒

其中：

ｋｐｌ、Ｋｄｐ２—－ｊ芒、转子基波绕组系数；

Ｚ扒Ｚ妒２—＿定、转子每相串联导体数。

代入式（１４），得转子励磁电压：

ｉＪ＇２＝ｓＫＥ扔歹Ｋｄ了ｐ２Ｚ妒２

（１６）

ｒＬｄｐｌＬｌ妒

在电机正常运行时，转子励磁电压Ｕ’２的取

值可根据定子电压仉来确定。

２．５转子励磁容量的计算

ＤＦＩＧ的转子侧的变频器容量的大小关系到整个发电系统的经济成本，在忽略电机铁耗情况下＇由电机的功率传递关系。

定子侧功率方程：

ｆ尸。

＝次。

（ｍｌＥｌｌｌ）－－Ｐｅａｌ十Ｐｌ

｛Ｐｃｕｌ＝ｍ１／１２ｒｌ

（１７）

【Ｐｌ＝Ｒｃ（ｍｌ阢ｌｌ’）＝ｍｌＵｌＩｌＣＯＳ９ｌ

转子侧功率方程：

ｆ尸２＝次。

（ｍ２Ｕ＇２１’２）＝０、２±Ｐｅａ２

｛Ｐｃｕ２＝ｍ２１７２２，．’２

（１８）

【Ｐｅ２＝Ｒ。

（ｍ２Ｅ’２Ｉ’２）咄。

（ｍｌＥｌｌｌ）

在忽略定、转子绕组铜耗情况下＇转子端输

（下转第８页）

‘电机技术）２０眇年第６期・３・

变化范围很小，可看成常数。

所以电机的主要尺寸主要与计算功率Ｐ’和电磁负荷４、Ｂ６有关【６１。

２．２计算功率的确定

别，其能量输出途径不仅包括定子的电功率和转子的机械功率，还包括转子励磁的电功率。

因此计算功率应根据电机的转速来确定【７１。

率，其中电势系数ＫＥ初始值假设在１．０５～１．１５之间

【８】。

理论与设计

釉删幽泓

联绕组电势向量相位，如图４所示。

。

一一左５端点，该直线长度就是Ｕ相第１联绕组电势值，在末端画上箭头，代表第ｌ联绕组电势向量相位，如图４所示。

分别测量Ｗ、Ｖ、Ｕ三相向量长度相等，三相向量之间夹角均等于１２０。

，满足三相对称性要求。

验证方法之三（出厂试验阶段）：

整机试验法。

由原动机驱动发电机机并加速至额定转速，图４向量作图法验证三相绕组电压对称性

用交流电压表分别检测三相相电压应相等，再测三个线电压也应相等，符合三相电压对称性要画Ｖ相绕组电势向量图，同样从图ｌｂ先后复求。

若出现相电压不相等，说明三相槽的分配、制平移应６、岛、古８、－Ｅ１４，－Ｅ１５，并按匝数值５、６，分组、绕组匝数或绕组嵌接线有误；若相电压相５－６、５分别截取各对应绕组电势向量长度，连接等但线电压不相等，说明三相相位差不相等。

则。

一－端点，该直线长度就是Ｖ相第ｌ联绕组电势可能槽的分相、绕组嵌接线有误，应从槽星形向值，在末端画上箭头，代表第ｌ联绕组电势向量相量分相、槽分组、匝数分配及嵌接线逐一检查、位，如图４所示。

排除错误，直至三相对称为止。

整机试验法是产画Ｕ相绕组电势向量图，同样从图ｌｂ先后复

品出厂检验的必经程序，是三相对称性的最终判制平移它ｌｌ、Ｅ１２、古１３、也，垃５，并按匝数值５、６、

断依据。

５－６、５分别截取各对应绕组电势向量长度，连接

（收藕日期：

２００９．０６．１６）

Ｏ●０●０●０●０●０●０●０●０●０●０●０●０●０●０■０●０●０●０●０●０●０●０●０

（上接第３页）

入（或输出）的电功率为：

参考文黻

Ｐ２＝ｓＰＩ

（１９）

１夏卡粱著，徐绳均等译．异步化同步电机．中国电力出版社，１９９７．根据资料统计，ＤＦＩＧ的调速范围一般为额２戴政．可变速风力发电系统综述．电机技术．２００９．３汤蕴瑶，史乃．电机学．机械工业出版杜，２００１．

定转速的１０％～２０％，所以在稳态运行时，转子的４

ＶｉｃａｔｏｓＭ

Ｓ，ｅｔ

ａ１．Ｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆａ

ｄｏｕｂｌｙｆｅｄｉｎｄｕｅ－

励磁容量约为定子输出功率的１／５。

ｔｉｏｎ

ｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｄｅｒｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ

ＴｒａｎｓＯｎ

Ｅｎｅｒｇｙ

Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．１９８９。

４（３）：

４９５・５０１．

５许善椿，黄曦东．交流励磁双馈发电机的原理、能量关系和应甩

３

结论

哈尔滨电工学院学报。

１９９５．

６陈世坤．电机设计．机械工业出版社，２０００．

７廖勇，杨顺昌．交流励磁发电机的电磁设ｉ十．重庆大学学报。

本文就ＤＦＩＧ的工作原理，等效电路，定、转

１９９９。

２４（９）：

８７－９０．

子电流和电磁设计等进行了分析，为ＤＦＩＧ的最优８扬强，黄守道，高剑．兆瓦级交流双馈风力发电机的电磁设计研究．大电机技术，２００７．

化设计、具体应用及提高其性提供参考。

（收稿日期：

２００９－０６・１７．）

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