風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

王海英

（海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570100）

風(fēng)力發(fā)電所其所采用的發(fā)電機(jī)主要是有兩種：同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)，而其采用更多的是三相異步發(fā)電機(jī)。其即可孤立運(yùn)行，也可可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。異步發(fā)電機(jī)可并入電網(wǎng)，手續(xù)非常簡(jiǎn)單，只是將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提高到盡可能接近的同步轉(zhuǎn)速，且注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向必須與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向一致，即所謂并入電網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)容量足夠量時(shí)，電網(wǎng)電壓和頻率都與異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。通常同步發(fā)電機(jī)若要并入電網(wǎng)必須整步，并入電網(wǎng)后可能會(huì)發(fā)生振蕩與失步，這些問(wèn)題在異步發(fā)電機(jī)中均都不存在。另外它的低功耗，可靠性高等，無(wú)需勵(lì)磁裝置和電刷，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單且尺寸微型化，又堅(jiān)固耐用，基本上無(wú)需維修，今已成為風(fēng)力及其他發(fā)電裝置最理想的設(shè)備。所以本設(shè)計(jì)考慮采用異步發(fā)電機(jī)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子主要由定子鐵心、定子繞組、機(jī)座三部分組成。定子鐵心是構(gòu)成主要磁路的一部分。為了減少勵(lì)磁電流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在鐵心當(dāng)中產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，鐵心由厚度為0.5mm的硅鋼片疊加而成。容量較大的電動(dòng)機(jī)，硅鋼片的兩面應(yīng)涂以絕緣漆當(dāng)作片間絕緣。小型定子鐵心是用硅鋼片疊裝而成，壓緊成為就一個(gè)整體后，固定在機(jī)座內(nèi)，大中型定子鐵心有扇形沖片拼成。

在定子鐵心內(nèi)圓，均勻地沖有很多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組的。小型感應(yīng)的電機(jī)主要采用半閉口槽，還有高強(qiáng)度漆包線繞成的單層繞組，線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。半閉口槽還可減小主磁路的磁阻，使勵(lì)磁電流減少，但嵌線比較不方便，中型的感應(yīng)電機(jī)通常都采用半開口槽。大型高壓感應(yīng)電機(jī)一般用開口槽，以方便嵌線。為了得到比較高的電磁性能，大中型異步電機(jī)一般采用雙層短距繞組。

轉(zhuǎn)子主要是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是主磁路一部分，一般由厚0.5mm的硅鋼片疊加而成，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子支架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形，轉(zhuǎn)子繞組又可分為籠形和繞線形：籠形繞組是個(gè)自行閉合的繞組，它由插入的每個(gè)轉(zhuǎn)子槽中的導(dǎo)條和兩端固定環(huán)形端的環(huán)構(gòu)成，若去掉鐵心，則整個(gè)繞組就形如一個(gè)“圓籠”，所以稱為籠形繞組。為節(jié)約銅材料和提高生產(chǎn)率，小型籠形電機(jī)大多用鑄鋁轉(zhuǎn)子。

2 雙輸出異步發(fā)電機(jī)其性能

就目前來(lái)說(shuō)做風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型很多：異步發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)等。在這討論的系統(tǒng)選用的是雙輸出異步發(fā)電機(jī)，其性能和優(yōu)越性如下所述：

風(fēng)能系統(tǒng)中常用的能量轉(zhuǎn)換器一直是異步發(fā)電機(jī)，前已述說(shuō)異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的手續(xù)由于非常簡(jiǎn)單，所以只要將轉(zhuǎn)子帶動(dòng)起來(lái)，讓其盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向是否一致，若一致即可并入電網(wǎng)，通常同步發(fā)電機(jī)在并入電網(wǎng)必須整步，并且并入電網(wǎng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生振蕩或失步，而且變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)就能捕獲得更多的風(fēng)能，即當(dāng)風(fēng)速低于其用來(lái)發(fā)出與電網(wǎng)同頻率的電能所需的能量時(shí)，仍能利用此時(shí)的風(fēng)能，再者：通過(guò)對(duì)電壓和頻率的動(dòng)態(tài)控制手段允許發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其最大效率點(diǎn)，還有：電壓和頻率的動(dòng)態(tài)控制手段使得電機(jī)勵(lì)磁能夠跟蹤風(fēng)速的變化，因此可以降低機(jī)械部分傳動(dòng)的能量損耗，但該機(jī)組的主要優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)速在很小時(shí)，電能輸出也很少，為此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)電變換器所在線路中可利用不同極對(duì)數(shù)或不同額定功率值來(lái)獲得得兩臺(tái)異步發(fā)電機(jī)的方法，這樣可以達(dá)到增加輸出能量的目的，此方案設(shè)計(jì)是在電網(wǎng)頻率不變情況下所得，由風(fēng)輪運(yùn)行的工況轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的工況，這樣就能增加電能的輸出，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的全面平衡起動(dòng)和電磁的制動(dòng)，以及電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)，控制線路中的伺服電動(dòng)機(jī)仍然可以得到備用電源。

如果利用兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，無(wú)形當(dāng)中會(huì)增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量，但同時(shí)也會(huì)增加不少電器設(shè)備的成本，增加折舊了的運(yùn)行費(fèi)用，因此，也可采用一臺(tái)雙速變極發(fā)電機(jī)來(lái)替代兩臺(tái)不同的額定功率值的異步發(fā)電機(jī)。

通過(guò)進(jìn)一步研究還可發(fā)現(xiàn)，雙輸出異步發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的有功功率、功率因數(shù)、效率等等都較普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)的高，也即它比普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)更加具有很大的優(yōu)越性。

3 雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理

雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1 雙輸出異步發(fā)電機(jī)的原理圖

傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能是風(fēng)能的轉(zhuǎn)換中經(jīng)常使用的，作為輸出恒功率的異步發(fā)電機(jī)一般以超同步轉(zhuǎn)子速度運(yùn)行，該特征在其速度高于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)損失了更多的風(fēng)能。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)可以作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行運(yùn)行的，為使異步發(fā)電機(jī)能夠作為一種變速，又能恒頻裝置運(yùn)行，將其轉(zhuǎn)子回路和1個(gè)整流器，1個(gè)直流偶合變換器和1個(gè)有源逆變器相連時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導(dǎo)體器件整流為直流后，再由逆變器可把直流變?yōu)楣ゎl交流送回到交流電網(wǎng)去，該能量一是可以由定子，也可由轉(zhuǎn)子送回到交流電網(wǎng)中去，故稱為雙輸出異步發(fā)電機(jī)。此時(shí)整流器和逆變器2者組成了一個(gè)從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工業(yè)頻率交流變換的裝置?？刂聘哪孀兤鞯哪孀兘?，還可以改變逆變器的電壓，此異步發(fā)電機(jī)可以作為一臺(tái)雙輸出的感應(yīng)發(fā)電機(jī)的超同步速度并行運(yùn)行，這實(shí)際上是為異步發(fā)電機(jī)的串級(jí)調(diào)速在其風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用。

這種系統(tǒng)中異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)繞組接的整流器，其是不可控整流器，與轉(zhuǎn)子繞組相接交的交變頻器的雙饋調(diào)速比較，調(diào)節(jié)功能可要小些，其中最主要的是不可以調(diào)節(jié)定子側(cè)的無(wú)功功率，且因逆變器的功率因數(shù)較低，使整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)也較低，但跟隨著SCR的應(yīng)用衰退，更由于網(wǎng)側(cè)諧波的嚴(yán)重行，SCR交交變頻電路就會(huì)被逆變電路所替代;且轉(zhuǎn)子側(cè)接的交交變頻器時(shí)，檢測(cè)和控制轉(zhuǎn)差頻率的電流就會(huì)存在一定的困難，采用以上所述串級(jí)系統(tǒng)就可以解決該問(wèn)題。

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