半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多相繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

張 岳，王鳳翔

(1.遼寧科技學(xué)院，本溪117004;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)110870)

0 引 言

超大功率直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積過(guò)大，運(yùn)輸困難，且永磁體材料用量大，增加了系統(tǒng)的成本。增加一級(jí)增速機(jī)構(gòu)可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低永磁發(fā)電機(jī)的體積，既便于運(yùn)輸，又降低永磁體材料的用量，降低系統(tǒng)成本，而且電機(jī)的極槽匹配也更加靈活［1］。

繞組多相結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)性能的可靠性，在損失一相(或幾相)的情況下，雖然系統(tǒng)輸出功率有所降低，但仍能保持系統(tǒng)運(yùn)行［2］。

本文詳細(xì)闡述了功率為2 MW、20 極144 槽半直驅(qū)六相永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于場(chǎng)路耦合法，分析了半直驅(qū)六相永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能以及在缺相時(shí)的運(yùn)行特點(diǎn)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的多相繞組結(jié)構(gòu)

1.1 多相電機(jī)相數(shù)定義［2］

多相電機(jī)相數(shù)定義如下:電機(jī)定子有2q 個(gè)繞組，以β 電角度空間對(duì)稱分布，當(dāng)q 為整數(shù)時(shí)，若有2q 個(gè)出線端，則稱為2q 相電機(jī)。

1.2 多相繞組結(jié)構(gòu)

本文以20 極144 槽半直驅(qū)六相永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，研究多相電機(jī)繞組排列規(guī)則。一般多相電機(jī)按星型連接成的相帶由下式(1)計(jì)算所得，即:

式中:m 為電機(jī)相數(shù)。

此時(shí)電機(jī)內(nèi)部定子槽沿內(nèi)圓每對(duì)極距內(nèi)等分的槽距角由式(2)計(jì)算所得，即:

式中:Q 為電機(jī)槽數(shù);p 為極對(duì)數(shù)。

圖1 和圖2 分別給出20 極、144 槽六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槽電動(dòng)勢(shì)矢量圖及它的相應(yīng)繞組連接圖。

圖1 六相永磁發(fā)電機(jī)槽電動(dòng)勢(shì)矢量圖

圖2 六相電機(jī)繞組連接圖

2 多相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究

2.1 電磁特性設(shè)計(jì)

本文首先對(duì)20 極144 槽、功率2 MW 的六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，電機(jī)尺寸［3－4］:定子外徑2 200 mm，定子內(nèi)徑1 800 mm，轉(zhuǎn)子外徑1 752 mm，鐵心長(zhǎng)度445 mm，永磁體材料為NdFeB，永磁體厚度25 mm，氣隙長(zhǎng)度4 mm。基于有限元法得到的有限元模型如圖3 所示。

圖3 六相半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)有限元模型

2.2 六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能

盡管電機(jī)繞組是按照額定電壓來(lái)設(shè)計(jì)的，但仍然可以計(jì)算在空載情況下的電動(dòng)勢(shì)。圖4 為基于場(chǎng)路耦合法對(duì)20 極144 槽、功率2 MW 的六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速255 r/min 的空載相電壓波形，其空載相電壓幅值為1 000 V。圖5 為空載時(shí)轉(zhuǎn)速為255 r/min 的20 極144 槽、功率2 MW的六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁力線分布圖。從圖5 中可以看出，磁力線合理分布在定子齒部和轉(zhuǎn)子軛部?jī)?nèi)，永磁體間漏磁較小，定子齒部密度較大。

圖4 六相半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)空載相電壓曲線

為了驗(yàn)證上述多相電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)方法是可行的，基于場(chǎng)路耦合法，分析六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為255 r/min 時(shí)、負(fù)載為“Y”連接的電阻性負(fù)載相電流以及輸出功率運(yùn)行情況［5－6］，圖6 表示六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載相電流及輸出功率曲線。從圖中可以看到，輸出功率達(dá)到2 MW，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖7 表示轉(zhuǎn)速255 r/min 時(shí)的磁場(chǎng)分布情況。

圖6 六相半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)性能曲線

圖7 磁力線分布圖

2.3 相數(shù)對(duì)半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的影響

基于場(chǎng)路耦合法，在滿載情況下、轉(zhuǎn)速同為255 r/min 時(shí)的三相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)與六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率對(duì)比圖如圖8 所示。從圖中可知，定子繞組采用六相所輸出的功率比定子采用三相繞組輸出的功率提高了約5%。這是因?yàn)槎ㄗ硬酆屠@組的利用率提高，銅耗相對(duì)減少。

圖8 三相和六相半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)輸出功率

2.4 缺相運(yùn)行對(duì)半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的影響

若由空間相差30°電角度，采用并聯(lián)連接兩套三相繞組所構(gòu)成的六相繞組出現(xiàn)故障時(shí)，可以切除出現(xiàn)故障的那一套三相繞組，由另外一套三相繞組繼續(xù)工作，以保持電機(jī)能維持運(yùn)行。圖9 表示在某套三相繞組出現(xiàn)故障時(shí)，由另外一套三相繞組輸出功率與正常運(yùn)行時(shí)六相繞組輸出功率的對(duì)比圖。從圖中可知，在缺相運(yùn)行情況下，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍然能維持運(yùn)行，只是輸出功率降低了。

圖9 六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)缺相運(yùn)行時(shí)的輸出功率對(duì)比圖

2.5 直驅(qū)與半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能對(duì)比

直驅(qū)與半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能對(duì)比如表1 所示。從表中可知，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有采用增速結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行可靠性，但電機(jī)轉(zhuǎn)速低，體積較大;半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用一級(jí)增速結(jié)構(gòu)，運(yùn)行可靠性與直驅(qū)相比降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，體積減少。

表1 直驅(qū)與半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能對(duì)比

在運(yùn)行條件相同、輸出功率相同的情況下，半直驅(qū)的效率比直驅(qū)的效率高，這意味著風(fēng)能的利用率高;半直驅(qū)所使用的永磁體材料比直驅(qū)所使用的永磁體材料少，這不僅減輕永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重量，而且可節(jié)省永磁體材料的使用，降低永磁風(fēng)力風(fēng)發(fā)電機(jī)成本。由于半直驅(qū)的槽數(shù)比直驅(qū)的少，在槽滿率相同情況下，半直驅(qū)的定子槽繞組用銅量以及所產(chǎn)生的銅損耗比直驅(qū)少。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了電機(jī)的多相繞組設(shè)計(jì)方法，基于場(chǎng)路耦合法，分析了2 MW、六相半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性，在缺相時(shí)，仍能維持運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。仿真表明:采用本文所提出的多相繞組設(shè)計(jì)方法，可以有效提高半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性。

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