2.2 工作原理分析

BDFIG没有电刷和集电环，其定子内含有PW和CW两套不同极对数的三相绕组；其转子目前有多种形式，包括同心环笼型、磁阻型、磁障型、绕线型等。无刷双馈电机可以工作在多种运行模式，包括感应模式、级联模式和双馈模式^[1]。当只对PW或CW供电，而让另一套绕组保持开路时，BDFIG的这种运行模式称为感应模式。如果只对PW或CW供电，而将另一套绕组短路，BDFIG的这种运行模式称为级联模式。感应模式和级联模式都属于异步运行模式，在这两种模式中，当电机转速变化时，无法通过调节CW的励磁频率使得PW的频率保持恒定。然而，在双馈运行模式中，CW既不处于开路状态也不处于短路状态，而是连接到变流器；当电机转速变化时，变流器可以调节CW的励磁频率使得PW的频率保持恒定。双馈运行模式是无刷双馈电机最具有优势的运行模式，在变速恒频独立发电系统中，BDFIG正是工作在双馈运行模式。

双馈运行模式是通过PW磁场与CW磁场之间的交叉耦合实现的。然而，PW和CW具有不同的极对数，因此它们之间的交叉耦合不能直接产生，必须通过特殊设计的转子间接实现。如果PW的极对数为p₁，并且其馈电角频率（rad/s）为ω₁，那么三相PW电流以及PW气隙磁通密度的角频率为ω₁/p₁。类似地，如果CW的极对数为p₂，并且其馈电角频率为ω₂，那么三相CW电流以及CW气隙磁通密度的角频率将会为ω₂/p₂。于是，PW和CW分别产生的基波气隙磁通密度可分别表示为^[2]

式中，B₁和B₂分别表示PW和CW产生的基波气隙磁通密度幅值；θ为定子坐标。

如果转子以角速度ω_r旋转，那么可以将式（2-1）和式（2-2）所示的PW和CW基波气隙磁通密度方程变换到转子参考系中，并令θ′=θ+ω_rt，得到

气隙磁通密度和会在转子绕组中分别产生频率为ω₁-p₁ω_r和ω₂-p₂ω_r的感应电流。要使BDFIG在双馈模式下能稳定运行，就必须使得PW和CW通过转子间接耦合后能产生稳定的转矩，要产生恒定的转矩必须使得

式（2-5）中等号右边取负号并重新整理后得到

式（2-6）给出了BDFIG在双馈模式下稳定运行时转子角速度与PW和CW馈电角频率之间的关系。如果转子转速（r/min）为n_r，则式（2-6）可改写为

式中，f₁和f₂分别为PW和CW的馈电频率。

值得注意的是，当ω₂或f₂为0，即向CW中通以直流电时，BDFIG工作在自然同步状态，此时的转速称为自然同步转速ω_N或n_N，表示如下：

低于自然同步转速的转子速度称为次同步速度；反之，称为超同步速度。