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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

开关式无刷双馈磁阻电机的最佳转矩角

Optimal Torque Angle for a Switched Brushless Doubly Fed Reluctance Machine

作者
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 无刷双馈磁阻电机 转矩密度 优化设计 宽速运行 开关驱动架构
语言:

中文摘要

无刷双馈磁阻电机(BDFRM)相较于单端口电机具有诸多优势,因为它仅需部分额定功率的变流器,维护成本较低,且运行时无需使用永磁体。传统的BDFRM设计方法会考虑其两个绕组的电负荷相等,且转矩角为<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\textbf{90}^{\textbf{o}}$</tex-math></inline-formula>,这是对均匀气隙正弦电机典型约束条件的延伸。然而,BDFRM中的这些约束条件会牺牲转矩密度。考虑到转子磁障对平均转矩和转矩脉动的影响,该优化框架提出了一种候选设计方案,该方案采用不相等的电负荷和<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\textbf{117}^{\textbf{o}}$</tex-math></inline-formula>的转矩角,以实现转矩密度的最大化。结果表明,与传统设计方法相比,该优化设计能够多产生84%的转矩。本文首先通过空间相量证明,为了使次级定子电流的转矩产生分量最大化,需要大于<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$\textbf{90}^{\textbf{o}}$</tex-math></inline-formula>的转矩角。其次,本文描述了一种开关驱动架构,该架构可动态重新配置其中一个定子励磁,以实现宽转速范围运行。在线重新配置将BDFRM的应用扩展到许多宽转速范围的应用场景,如推进系统,同时保留了分数额定功率电子设备的优势。与传统驱动方式相比,对于原型BDFRM,采用开关驱动架构可使变流器的电压额定值降低47%。本文还提供了实验结果,以验证所提出的分析方法的有效性。

English Abstract

A brushless doubly fed reluctance machine (BDFRM) offers several advantages over a single-port machine since it requires a partially rated power converter, provides reduced maintenance, and operates without permanent magnets. A conventional design approach for BDFRMs considers equal electrical loadings on both of its windings and a torque angle of 90^o , which are an extension of typical constraints for uniform air-gap sinusoidal machines. However, these constraints in BDFRM sacrifice torque density. Accounting for effect of the rotor flux-barriers on the mean and ripple torque, the optimization framework proposes a candidate design having unequal electrical loadings and a torque angle of 117^o to maximize torque density. It is shown that the optimal design is capable of producing 84% more torque as compared to the conventional design approach. This article, first, shows that a torque angle of greater than 90^o is required to maximize the torque-producing component of secondary stator current using space phasors. Next, a switched-drive architecture is described that reconfigures one of the stator excitations on the fly to enable a wide-speed range operation. Online reconfiguration extends the use of BDFRM to many wide-speed range applications, such as propulsion systems, while preserving the benefit of fractionally rated power electronics. Using the switched-drive architecture can reduce the converter voltage rating by 47% as compared to the conventional-drive for the prototype BDFRM. The experimental results are provided to validate the proposed analytical approach.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于无刷双馈磁阻电机(BDFRM)优化设计的研究具有重要的战略参考价值。该技术通过突破传统90°转矩角设计约束,优化至117°并采用不等电负载配置,实现了84%的转矩密度提升,这与我们在风电变流器和储能系统中追求的高功率密度目标高度契合。

该技术的核心价值在于仅需部分容量变流器即可实现宽速域运行,这与阳光电源在变流器领域的技术积累形成天然协同。论文提出的切换驱动架构可将变流器电压等级降低47%,这意味着在风电和储能应用中,我们可以显著降低功率电子器件成本,同时提升系统可靠性。特别是该技术无需永磁体的特性,能够有效规避稀土材料价格波动风险,符合当前供应链安全战略。

从应用前景看,BDFRM的宽速域特性使其非常适合风力发电和抽水蓄能等变速场景。阳光电源可将此技术整合到1+X模块化逆变器架构中,开发新一代风电变流器产品。在储能侧,该技术可应用于飞轮储能系统,提升能量转换效率。

然而技术挑战同样存在:磁阻电机的转矩脉动控制、在线切换策略的可靠性验证,以及与现有变流器平台的兼容性都需要深入研究。建议我们的中央研究院电机驱动团队跟进该技术方向,重点评估其在5MW以上大功率风电变流器中的应用可行性,并探索与SiC功率器件结合的协同优化方案,这将为阳光电源在新能源装备领域构建新的技术壁垒。