許志偉， 彭 曉， 呂雨農(nóng)

(湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

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兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)瞬態(tài)場(chǎng)分析

許志偉， 彭 曉， 呂雨農(nóng)

(湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的中核心裝備，其設(shè)計(jì)分析具有重要意義.分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)和永磁材料性能，利用Ansoft軟件對(duì)兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)電磁分析.得到了空載、負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布.為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供有效參考.

永磁直驅(qū)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；電磁分析

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，其蘊(yùn)量巨大；直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒(méi)有齒輪箱，減少了傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率[1-2]；同時(shí)，直驅(qū)技術(shù)省去了齒輪箱及其附件，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性；而且，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越使得電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在一定電壓跌落的范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

1 永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁材料

對(duì)于兆瓦級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量非常大，為了減小永磁材料的耗材量，節(jié)省生產(chǎn)成本，采用高磁能積的永磁材料.目前風(fēng)機(jī)制造企業(yè)主要采用稀土鈷和釹鐵硼.永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有表面式、內(nèi)置式、爪極式三種結(jié)構(gòu).表面式又可分為凸出式和插入式兩種結(jié)構(gòu).

2 永磁同步發(fā)電機(jī)電樞繞組的設(shè)計(jì)

大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)轭~定電流大，相應(yīng)的銅耗高.在設(shè)計(jì)電樞繞組時(shí)，需要選擇一定的齒槽面積和繞組線徑.同時(shí)齒部和軛部的磁通密度、機(jī)械強(qiáng)度滿足要求.使得電機(jī)的銅耗減少和效率提升.

2.1 繞組型式和繞組節(jié)距的選擇

雙層疊繞組，該繞組型式具有端部排列方便、線圈尺寸相同等特點(diǎn).在兆瓦級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見(jiàn).

通常會(huì)確定繞組節(jié)距y=5/6τ，如此能夠使得其基波繞組短距因數(shù)提高，同時(shí)還能夠減小其五次和七次相帶諧波磁動(dòng)勢(shì).

2.2 繞組的并聯(lián)支路數(shù)和每槽導(dǎo)體數(shù)

定子繞組并聯(lián)支路數(shù)a，定子繞組電流I較大時(shí)，常把繞組接成a路并聯(lián)，使每支路的電流減至Ia；也可采用數(shù)根導(dǎo)線并繞的方法使每根導(dǎo)線所通過(guò)的電流減?。浑p層疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)a最多為2p,還需要滿足2pa為整數(shù)的條件.

有兩種方法來(lái)估算定子繞組的每相導(dǎo)體數(shù)ZΦ.第一種是根據(jù)氣隙磁通密度Bδ來(lái)估算，如公式(1)所示.

(1)

其中：UΦ為定子相電壓；

Kdp1為定子基波繞組系數(shù)；

第二種是根據(jù)電負(fù)荷A的值來(lái)估算：

(2)

其中：Iw=PN×103mUΦ為定子繞組每相功電流.

定子繞組每槽導(dǎo)體數(shù)ZQ的計(jì)算公式為：

式中：Q為定子總槽數(shù)；

2.3 導(dǎo)線規(guī)格和槽滿率的選擇

根據(jù)定子繞組導(dǎo)線電流密度J，熱負(fù)荷AJ可以得到導(dǎo)線截面積Ac的估算值，其確定公式如下所示：

或者

根據(jù)Ac的值可以確定導(dǎo)線并繞根數(shù)N和導(dǎo)線規(guī)格a×b.大型永磁同步電機(jī)采用扁導(dǎo)線成型繞組，導(dǎo)線截面積a×b一般應(yīng)該小于3×8mm，且ba的值在1.5～4.0的范圍之內(nèi).

永磁同步發(fā)電機(jī)的定子槽的截面積必須有足夠大，使得每槽所有的導(dǎo)體能容易嵌線.用槽滿率Ks來(lái)表示電機(jī)槽內(nèi)導(dǎo)線的填充程度，公式如下所示：

(3)

其中：d為包含絕緣層的導(dǎo)線外徑；Asef為槽面積減去槽絕緣、層間絕緣以及槽楔所占用的面積后得到的電機(jī)槽有效面積.

槽滿率越高則槽的利用率越高，但槽滿率受到加工工藝的限制不能過(guò)高.永磁同步發(fā)電機(jī)的槽滿率通常會(huì)設(shè)計(jì)在70%～80%之間.

3 永磁同步發(fā)電機(jī)模型的空載、負(fù)載磁場(chǎng)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率2MW，60極數(shù)，定子外徑為3850mm，定子內(nèi)徑為3600mm.轉(zhuǎn)子外徑為3535mm.建立的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型如圖1所示.在定義永磁材料的時(shí)，激磁方向是永磁磁極面域的坐標(biāo)系的X軸的正方向.需要通過(guò)建立相對(duì)坐標(biāo)系的方法來(lái)確定永磁磁極的激磁方向.通過(guò)在全局坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，有多少磁極，就需要建立多少個(gè)相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng).

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載磁阻力矩曲線、空載三相繞組磁鏈曲線和空載三相繞組反電勢(shì)曲線特性如圖2、圖3所示[3-5].

圖1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)有限元模型

圖2 空載力矩曲線圖

圖3 空載三相繞組反電勢(shì)曲線圖

圖2所示的空載運(yùn)行齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最大值可以達(dá)到5.45 kN·m，平均脈動(dòng)幅值大于2 kN·m.

圖3中，三相永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三相繞組磁鏈較好的呈現(xiàn)為正弦比例關(guān)系，有效值、最大值分別為5.5 Wb、7.0 Wb.

同時(shí)，圖3中，三相繞組反電勢(shì)波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，表明發(fā)電機(jī)空載發(fā)電質(zhì)量及輸出電壓設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

負(fù)載運(yùn)行的結(jié)果如圖4～圖6所示.

分析可知，負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于同步電機(jī)電樞反應(yīng)，氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，三相繞組的磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)均發(fā)生了變化.與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況相符.

圖4 負(fù)載運(yùn)行發(fā)電機(jī)力矩曲線

圖5 負(fù)載運(yùn)行磁鏈曲線

圖6 負(fù)載運(yùn)行反電勢(shì)曲線

對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)分析，在t=0.21 s時(shí)刻，空載和負(fù)載運(yùn)行結(jié)果如圖7、圖8所示.

圖7、圖8中分別同時(shí)給出了空載、負(fù)載時(shí)磁力線分布Flux lines和磁通密度矢量Mag_B的分布圖.通過(guò)矢量所示的磁通密度的方向、大小的變化，可以看出永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)的變化和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的分布情況，對(duì)電機(jī)深層次的分析具有重要意義.

圖7 空載磁通密度分布

圖8 負(fù)載磁通密度分布

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁分析，利用空載特性，負(fù)載特性，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布特性能在電機(jī)生產(chǎn)加工之前把握電機(jī)的性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，對(duì)電機(jī)的制造具有重要的理論指導(dǎo)意義.

[1] 王雅玲，徐衍亮，劉西全．雙定子永磁同步發(fā)電機(jī) (II)—有限元分析及樣機(jī)試驗(yàn)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(3)：68-72.

[2] 劉 婷，黃守道，歐陽(yáng)紅林．2 MW 雙定子直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)[J]．微特電機(jī)，2012，40(9)：16-19．

[3] 呂雨農(nóng)，彭 曉，王步瑤，等．2 MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)[J]．湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，26(1)：15-18.

[4] 戴志立，彭 曉, 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)高溫短路去磁分析[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 24(4): 8-10．

[5] 呂雨農(nóng)．基兆瓦級(jí)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)和研究[D]．湖南工程學(xué)院碩士學(xué)位論文，2015：45-52

Transient Field Analysis of MW Level Permanent Magnet Direct Drive Wind Generator

XU Zhi-wei,PENG Xiao,LU Yu-nong

(Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The permanent magnet direct drive wind power generator is the core equipment of wind power generation, and its design analysis is of great significance. The performance of permanent magnet synchronous motor rotor magnetic pole structure is described, and the transient field electromagnetic analysis of MW level permanent magnet direct drive wind power generator is analyzed by using Ansoft software. The magnetic field distribution of permanent magnet direct drive wind generator is obtained, which provides effective reference for the design of permanent magnet direct drive wind power generator.

permanent magnet direct drive; wind power generator; electromagnetic analysis

2016-12-07

湖南省教育廳創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目(15K031);湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GK2018);湖南工程學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金(15046)；湖南工程學(xué)院教改項(xiàng)目(13017).

許志偉 (1978-)，男，博士，副教授，研究方向:新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、特種變壓器等.

TM301.2；TM921.2

A

1671-119X(2017)02-0009-04