小型风力发电机设计及电磁特性研究.pdf

第 卷 年第 期 月.小型风力发电机设计及电磁特性研究刘中华 舒聪慧 杨 波(.哈电风能有限公司 湖南 湘潭 .海上风力发电装备与风能高效利用全国重点实验室 湖南 湘潭.湖南理工职业技术学院 湖南 湘潭)摘 要:小型风力发电机组对环境适用性强 可改善用电结构 在推动能源绿色低碳的能源革命上将发挥积极作用 具有广阔的市场前景 本文对 小型风力发电机进行了设计 对比了 极 槽和 极 槽两种不同极槽配合的方案 从中选取了综合性能较优的一种进行详细的电磁方案计算 从空载特性、负载特性、短路特性、不平衡磁拉力等方面对其进行了电磁特性仿真 结合样机型式试验结果对其进行验证关键词:小型风力发电机组 永磁电机 电磁特性 电磁力中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:.:收稿日期:作者简介:刘中华()男 本科 工程师 研究方向为风力发电机设计及分析 引 言小型风力发电机组在风光互补发电系统及分布式电源中有着广阔的应用前景 根据我国“十四五”可再生能源发展规划:积极推动风电分布式就近开发 在工业园、经济开发区、油气矿区及周边地区积极推进风电分散式开发 创新风电投资建设模式和土地利用机制 实施“千乡万村驭风行动”大力推进乡村风电开发 发展小型风力发电机组已成为推进能源革命和构建清洁低碳、安全高效能源体系的重大举措之一小型风力发电机体积小 重量轻 相较于兆瓦级大型风力发电机而言 它便于维护 运输及安装成本占有极大优势 本文主要针对 的小型风力发电机进行了电磁方案设计 发电机选用的是永磁直驱式结构 消除了故障率较高的齿轮箱对风电机组可靠性的影响 叶轮直接与发电机连接 降低了后期维护成本与振动噪声 相应提高了整体发电效率 发电机方案对比本文对功率为 的小型风力发电机进行设计 通过前期多次对比计算 最终选定了 极 卷槽和 极 槽两种不同级槽数的电机方案 本文主要从发电机齿槽转矩、损耗、磁密、经济性等方面进行比对分析 选出最优方案 以下是发电机的基本参数:表 发电机基本参数参数参数值额定功率/额定转速/(/)额定转矩/额定电压/额定电流/磁密云图计算运用 进行发电机瞬态场仿真计算对两个方案在额定负载工况下的磁密云图进行求解和分析 从图 可得 在定子极靴处由于漏磁会出现饱和情况 两种方案下发电机各部分磁密分布均匀 幅值正常图 磁密云图 齿槽转矩计算齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩 是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的 对于永磁电机来说 齿槽转矩是一个固有问题 通过对永磁电机的定转子之间的夹角进行静态场参数化扫描计算可以准确计算出齿槽转矩 齿槽转矩在不同的定转子夹角下其值不同 通过图 可以看出 极 槽的齿槽转矩为 极 槽为 数值均小于额定转矩的 满足小型风力发电机组上的应用图 齿槽转矩通过有限元仿真得出两个方案定子齿部、轭部磁密、各部分损耗等参数值 如表 所示表 发电机参数对比 极 槽 极 槽铜耗/铁耗/磁钢涡流损耗/定子/齿部磁密/定子轭部磁密/热负荷/(/)相电阻 /功率因数 效率 在计算涡流损耗时 大多数的算法是直接通过添加 算得 但现在仿真模型大多数采用的是二维模型 实际涡流损耗计算结果会存在些许偏差 在计算涡流损耗时 需先算出其涡流损耗的修正系数:()()式中 为磁钢宽度 为磁钢长度根据修正系数可推出三维涡流损耗值 也可直接根据式()直接求出 期刘中华等:小型风力发电机设计及电磁特性研究()式中 为电导率 为磁场交变频率 为交变磁场幅值 为高度结合表 中各项损耗、磁密及经济性方便考虑 极 槽方案更优 因此将其作为 小型风发电机的最终极槽配合方案 并对其进行详细的电磁方案仿真分析 发电机电磁特性分析 空载反电势特性分析发电机空载反电势畸变率的大小对电网电能质量影响较大 是衡量发电机性能优劣的一个重要指标 因此对其进行计算是发电机电磁特性分析必不可少的一个环节 如图 所示 可以看出空载反电势曲线光滑平稳 呈正弦分布 其均方根值为 空载反电势畸变率如式()所示 ()经傅里叶变换后进行谐波分析 可以得出发电机空载电压波形畸变率为 小于 满足设计标准要求图 空载反电势 短路特性分析发电机在对称稳定的运行过程中 电枢磁势的大小并不会随着时间的变化而变化 当电机处于空载运行状态时 电机只有永磁体励磁 电枢绕组开路 负载电流为零 通过搭建外电路 接入无穷大负载表示开路 通过添加脉冲电压源和压控开关控制短路时间 仿真时长为 短路时间设置为 当发电机处于负载状态时 可采用电压源作为激励 电压源激励可考虑绕组电阻和漏抗的影响 根据发电机并网理论 发电机并网需满足电压相等 频率相等等条件 故电压源可用三相对称正弦函数表示 电压源函数如式()所示()()()()式中 为电机额定电压幅值 为电机频率 为功率角模拟发电机负载及空载三相、两相、单相突然短路并进行分析 得出突然短路时最大电流值见下表 通过表 可知 三相短路时空载与负载的短路电流达到最大表 发电机短路电流参数短路电流峰值/短路电流倍数空载单相 空载两相 空载三相 负载单相 负载两相 负载三相 图 短路电流波形图 卷 不平衡磁拉力分析在电机的零部件实际加工及装配过程中 导致定转子气隙不均匀是比较常见的质量问题 气隙不均匀值的大小对电机的性能及运行可靠性至关重要根据永磁电机生产及运行情况 对电机气隙不均匀度 的情况进行不平衡磁拉力的仿真计算 为后续在电机结构和轴承计算中补充不平衡磁拉力的校核仿真时运用全模型对负载时发电机转子偏心率为 工况进行仿真计算 通过 进行偏心设置 计算得出转子所受的不平衡磁拉力为 图 不平衡磁拉力波形图 样机与型式试验基于 极 槽电磁设计方案和仿真计算结果进行了样机的生产制造 在此基础进行了发电机样机的型式试验 如表 所示 型式试验的性能测试指标与仿真计算结果基本一致 验证了电机方案设计的合理性 从本次试验结果可知 样机设计与制造达到预期 满足技术要求图 型式试验表 发电机试验与设计参数对比项目试验值设计值定子相电阻 /空载反电动势/额定功率/额定电压/额定电流/温升/结 语本文通过对两种不同极槽方案进行电磁分析综合两种方案各项参数及对电机性能的影响 最终选用了 极 槽的方案 并对其进行包括空载特性、负载特性、短路特性、不平衡磁拉力等电磁特性分析最后通过型式试验验证了样机设计方案的合理性 本文的研究对于高效、高可靠性小型风力发电机的设计以及工程应用提供了一定的理论与实际参考参考文献 俞红鹰 伍友刚.小型风力发电机电磁设计特点.风能():.薛顶柱.浅析小型风力发电机应用分析及评价.科技视界():.董庆明.小型永磁风力发电机设计与优化研究.大连:大连海事大学.魏静微.小功率永磁电机原理设计与应用.北京:机械工业出版社.何庆领.小型永磁风力发电机的优化设计和齿槽转矩分析.合肥:合肥工业大学.赵博.永磁直驱风力发电机的电磁设计与分析.武汉:华中科技大学.张广慧.级直驱永磁风力发电机的研究与设计.山东:曲阜师范大学.华亦峰.基于电磁力特性分析的永磁电机设计与电磁振动研究.江苏:江苏大学.盛宇.不同故障情况对并网型半直驱永磁风力发电机影响的研究.北京:北京交通大学.(上接第 页)段志强 黄娜 米兴社 等.海上用半直驱永磁风力发电机电磁特性分析.微电机 ():.刘军伟 李华阳 钟云龙 等.半直驱永磁风力发电机电磁设计与仿真.微特电机 ():.邢军强 孔莹莹 汪明武.多相分瓣永磁直驱风力发电机设计研究.大电机技术 ():.赵鹏飞.永磁风力发电机转矩脉动抑制与变流控制策略研究.沈阳:沈阳工业大学.安丰毅.永磁直驱风力发电机设计.沈阳:沈阳工业大学.曾聪.永磁半直驱风力发电机抗去磁特性研究.船电技术 ():.安跃军 娄利岗 杨天宇 等.晶圆 厂罗茨真空泵用永磁电机研发设计与实验.真空科学与技术学报 ():.张岳 王凤翔.直驱式永磁同步风力发电机性能研究.电机与控制学报 ():