高電感永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析
黃榮賡，茆美琴，喻莉
（合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，合肥230009）
摘要：根據(jù)新型的基于電流源型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組設(shè)計(jì)了輸出功率為10 kw的高電感永磁同步發(fā)電機(jī)，并運(yùn)用有限元法分析了電機(jī)在不同負(fù)載情況下工作特性。分析結(jié)果表明，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩較小，電機(jī)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接近正弦，在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機(jī)輸出的電流經(jīng)整流器整流以后，其直流電流波
動(dòng)小，滿足電流型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制要求。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；高電感；風(fēng)力；有限元
中圖分類號(hào)：tm315：tm313 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 07-0017-04
o引 言
傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多采用低電感永磁同步發(fā)電機(jī)。而永磁發(fā)電機(jī)按其電感特性分類，有低電感和高電感兩類。低電感電機(jī)的額定電流遠(yuǎn)小于短路電流，在出現(xiàn)故障或者需要大范圍的弱磁控制是就會(huì)出現(xiàn)大電流，因此這對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電力電子變換器提出了較高的要求。相反高電感電機(jī)由于大電感的存在，它的工作電流接近短路電流，就不會(huì)出現(xiàn)上述問題。文獻(xiàn)[1]提出了基于高電感永磁同步電機(jī)的電流型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電流型并網(wǎng)逆變器相比，它的優(yōu)勢(shì)在于拓?fù)浜?jiǎn)單，省去直流電感，成本低廉，適用于中小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。但是并沒有提及如何實(shí)現(xiàn)適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高電感電機(jī)。而文獻(xiàn)[2]通過使用分?jǐn)?shù)槽集中繞組來增大電機(jī)電感，實(shí)現(xiàn)****弱磁控制，在大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出能量恒定。此種電機(jī)主要應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)車。本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組和改變槽型的方法設(shè)計(jì)一臺(tái)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的10 kw高電感永磁同步發(fā)電機(jī)，并且運(yùn)用的maxwell 2d軟件建立高電感永磁同步發(fā)電機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，對(duì)電枕相關(guān)特性進(jìn)行了評(píng)估。
1高電感永磁同步發(fā)電機(jī)特性
高電感永磁發(fā)電機(jī)的等效模型可用反電動(dòng)勢(shì)電壓源和串聯(lián)電感表示，其負(fù)載用一個(gè)電阻來模擬。電壓平衡方程式為：
其中反電動(dòng)勢(shì)的有效值為：
電感電壓的有效值為：
短路電流為：
式中，w為電機(jī)同步電角速度，l為電機(jī)電感，k為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，僅于電機(jī)參數(shù)有關(guān)。y為電機(jī)輸出電壓。
由上得知反電動(dòng)勢(shì)電壓源的電壓和頻率都與電機(jī)角速度成正比，短路電流與轉(zhuǎn)速無關(guān)。
圖1表明了在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中高、低電感永磁發(fā)電機(jī)負(fù)載特性的巨大差異。傳統(tǒng)的低電感永磁發(fā)電機(jī)，其輸出電流相對(duì)于短路電流很小，輸出電壓接近于開路電壓且與轉(zhuǎn)速成正比，這樣風(fēng)速變化就會(huì)引起電壓較大的變化，從而使并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。而對(duì)于高電感發(fā)電機(jī)，其輸出電壓相對(duì)開路電壓較小，輸出電流接近于短路電流，即使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，輸出電流變化不大，因而可近似當(dāng)作恒流源，這就簡(jiǎn)化了后級(jí)電流型變流器的設(shè)計(jì)和控制。
2高電感永磁電機(jī)的電感范圍
高電感永磁同步電機(jī)要能夠在風(fēng)速變化時(shí)，輸出電流近似保持不變，電機(jī)電感遠(yuǎn)高于普通永磁同步電機(jī)，但它又受電機(jī)尺寸，電磁轉(zhuǎn)矩和損耗的限制，所以電感應(yīng)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
2.1電感下限
電機(jī)工作在額定情況，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，輸出的電壓和電流與額定值相等。忽略電機(jī)電阻，它的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程式為
電機(jī)工作在三相短路情況時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，忽略電機(jī)電阻，穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程式為
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