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(遼寧科技學(xué)院,遼寧本溪117022)
摘要:根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多、體積大的特點(diǎn),為了充分利用發(fā)電機(jī)的勝能,在發(fā)電機(jī)體積相同的情況下,利用ANsOFT軟件,合理選擇發(fā)電機(jī)定子槽數(shù)和極數(shù),為永磁發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)優(yōu)化提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞:永磁同步發(fā)電機(jī);電磁設(shè)計(jì);風(fēng)力發(fā)電機(jī)
O引 言
風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來(lái)越被人們所關(guān)注,風(fēng)力發(fā)電更是受到人們的重視。大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般都采用增速機(jī)構(gòu)將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速提高后再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī),然而,采用多級(jí)齒輪的機(jī)械運(yùn)動(dòng),不僅增加了振動(dòng)和噪聲,而且由于潤(rùn)滑系統(tǒng)和機(jī)械磨損需要定期維護(hù),增速機(jī)構(gòu)成為風(fēng)電機(jī)組故障率較多的薄弱環(huán)節(jié)。目前現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是無(wú)刷化和采用取消增速機(jī)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)直驅(qū)低速發(fā)電機(jī),其中最典型的是直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不需要電勵(lì)磁,可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化,無(wú)勵(lì)磁損耗,因而效率高,同時(shí)由于永磁體可提高氣隙磁通密度,因而可提高電機(jī)的功率密度。雖然發(fā)電機(jī)成本增加,但對(duì)于降低機(jī)組的振動(dòng)噪聲和提高運(yùn)行可靠性有著重要意義。本文以1. 5 Mw直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例,提出幾種定子槽數(shù)和極數(shù)配置的設(shè)計(jì)方案,給出該種電機(jī)****設(shè)計(jì)方案,為今后系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。
1控制策略
1.1系統(tǒng)描述
直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。變漿距風(fēng)輪機(jī)直接耦合永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子,發(fā)電機(jī)輸出由不可控整流后,由電容濾波,再經(jīng)逆變器將能量饋送給電網(wǎng)。由于采用不可控整流,所以恒頻恒壓輸出的任務(wù)完全通過(guò)逆變器完成。由于直接耦合,永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常低,這樣發(fā)電機(jī)體積較大、成本較高。因此其發(fā)電機(jī)的外形有別于傳統(tǒng)電機(jī)細(xì)長(zhǎng)的外形,為直徑大而軸向長(zhǎng)度短的結(jié)構(gòu)。
1 2設(shè)計(jì)方案的確定
RM xpn是Ansoft軟件中的一個(gè)模塊,它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)軟件,用于單相和三相感應(yīng)電機(jī)、直流永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)、直流永磁發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和三相同步發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、交直流兩用電機(jī)、全壓起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)等11種電機(jī)的設(shè)計(jì),通過(guò)它可以快速?gòu)亩喾N設(shè)計(jì)方案中,找出比較滿意的電機(jī)設(shè)計(jì)方案和初始尺寸。
本文首先根據(jù)同類(lèi)規(guī)格電機(jī)的參數(shù)初步選定設(shè)計(jì)方案,在RM xprt的集成用戶界面中輸入定子、轉(zhuǎn)子和鐵心的幾何形狀、繞組結(jié)構(gòu)、材料特性和機(jī)械負(fù)荷數(shù)據(jù),程序運(yùn)行后便得到了電機(jī)在穩(wěn)態(tài)、無(wú)負(fù)荷、堵轉(zhuǎn)、故障、額定電流、轉(zhuǎn)矩和效率等曲線和參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)和曲線評(píng)估設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣后再次返回用戶界面進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì),如此反復(fù),最后得到了一個(gè)較滿意的設(shè)計(jì)方案。
1 3設(shè)計(jì)參數(shù)的選定
本文所討論1.5 Mw的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求為20 r/min,轉(zhuǎn)速很低,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)不低于20 Hz,從頻率與極數(shù)的關(guān)系式,f=pn/60中可知,頻率與極數(shù)成正比,選取合適的極數(shù),可以縮小發(fā)電機(jī)的體積,減輕其重量,綜合考慮選擇120~150極之間進(jìn)行沒(méi)計(jì)。
又因電機(jī)轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多,電機(jī)外徑不能太大,定子槽數(shù)有限,需要采用適當(dāng)?shù)臉O數(shù)和槽數(shù)配合,故定子采用分?jǐn)?shù)槽繞組,這樣既減少定子外徑尺寸,縮小永磁發(fā)電機(jī)的體積,又削弱由非正弦波分布的磁場(chǎng)感應(yīng)電勢(shì)中的諧波分量和齒諧波電勢(shì)。
本文采用三相徑向式永磁體多極多槽分?jǐn)?shù)槽的電磁設(shè)計(jì)方案,利用RM xprt軟件分析設(shè)計(jì)。表1給出了在相同極數(shù)條件下的槽滿率、齒密、軛密、負(fù)載線電壓、輸出功率基本符合設(shè)計(jì)要求時(shí),各極數(shù)與定子槽數(shù)不同匹配對(duì)系統(tǒng)性能的影響。從表中可看出,當(dāng)極數(shù)相同時(shí)隨著槽數(shù)的增加銅耗隨之增加而效率隨之減少;當(dāng)槽數(shù)相同時(shí)隨著極數(shù)的增加銅耗隨之增加,而效率隨之減少。
在表l中極數(shù)為120、槽數(shù)為378時(shí),發(fā)電機(jī)的銅耗、效率、齒槽轉(zhuǎn)矩相對(duì)比較合理,又滿足功率輸出,應(yīng)該為一個(gè)****可行的極數(shù)和槽數(shù)配置。圖2~圖5給出此時(shí)由RM xpr[生成的設(shè)計(jì)方案的性能曲線.
永磁體尺寸受轉(zhuǎn)子等其它結(jié)構(gòu)