應用于風力發(fā)電機的永磁雙轉(zhuǎn)子電機

（山東交通職業(yè)學院 山東濰坊 261100）

引言

永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)包括內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子的兩種結(jié)構(gòu)模式。永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的主要部件包括有源轉(zhuǎn)子、定子、異步轉(zhuǎn)子、從動轉(zhuǎn)子、同步轉(zhuǎn)子、軸承和引線。這些部件構(gòu)成外定子發(fā)電機或內(nèi)定子發(fā)電機，而永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機通常可理解為在發(fā)電機的定子和有源轉(zhuǎn)子之間增加從動轉(zhuǎn)子。[1]

一、風力發(fā)電應用情況

在當前的風力發(fā)電中，發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能的主要方式，其轉(zhuǎn)換效率直接影響電源的質(zhì)量和效率。過去的一些時間當中，風力發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展，其單機容量也在以極快的速度增加，現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。目前的風力渦輪機通常包括兩種形式，雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機。雙饋異步發(fā)電機具有與繞線型異步發(fā)電機類似的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子電流從滑環(huán)引入，風速的變化量從恒速變速箱讀出并引入發(fā)電機。為了確保定子的穩(wěn)定電流頻率，必須通過變頻器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，以確保發(fā)電機速度適應風速變化。永磁同步發(fā)電機使用永磁同步發(fā)電機和全功率變頻器作為風力發(fā)電的核心。風力渦輪機的定子通過全功率變頻器和變壓器連接到高壓電網(wǎng)。變頻器集成風力渦輪機輸出的不同頻率的交流電流，并以直流電的形式輸出。然后將其反轉(zhuǎn)為具有相同頻率幅度的交流電并傳送到電網(wǎng)。從近年來運行的風力渦輪機的實際情況來看，存在一些問題。在大多數(shù)風力發(fā)電設(shè)施中，使用雙饋異步發(fā)電機。近年來，稀土永磁材料的發(fā)展突飛猛進，永磁同步發(fā)電機的應用越來越多。在大多數(shù)情況下使用的雙饋異步發(fā)電機需要配備變速箱以提高速度，并且塔的總重量會大大增加。同時齒輪箱具有很大的故障概率，所以要應用此設(shè)施就必須經(jīng)常性的進行維護，帶來更高的維護成本。同時雙饋異步發(fā)電機需要吸收大量的無功功率，這就會很明顯的影響發(fā)電機的發(fā)電效率，與此同時降低功率因數(shù)，也存在一定的低壓穿透問題。同時運行過程中有著滑環(huán)和電刷，所以維護過程比較難以進行。永磁同步發(fā)電機存在一些問題。同時，永磁體在振動和高溫時很容易失磁，所以如果電流量太大，這可能導致不可逆的磁場退化，進而導致電機廢料。[2]

二、永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的應用

如今，常用的雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機各有優(yōu)缺點。如果使用永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機，它可以有效地避免發(fā)電機出現(xiàn)缺陷，發(fā)揚其優(yōu)勢。永磁體雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)包括諸如齒輪箱，永磁體雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機和電網(wǎng)的部件。其中，變速箱是一個多級變速箱，如果需要，可以使用汽車的普通變速箱。使用永磁體雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機的發(fā)電系統(tǒng)具有同步發(fā)電機的特性，因此通常可以使用多級發(fā)電機，并且需要低速來確定變速箱的齒輪速比。當風速增加直到它高于發(fā)電機的穩(wěn)定發(fā)電滑動率時，應該將其切換到下一個時間水平，這可以有效地確保發(fā)電機可以在允許范圍內(nèi)發(fā)電。實現(xiàn)了在不需要全功率逆變器的系統(tǒng)的支持下的同步發(fā)電過程。該系統(tǒng)沒有復雜的電子系統(tǒng)和配件，如滑環(huán)，因此系統(tǒng)的操作非常簡單可靠。同時這種發(fā)電系統(tǒng)具有比較高的功率因數(shù)和效率，兼以比較低的維護費用，從整體上降低了投資數(shù)目，在提高性能的同時，它還帶來了更好的經(jīng)濟效益，并可預測其對風力發(fā)電的積極影響。[3]

三、永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機作為普通發(fā)電機的應用

當今世界發(fā)電廠中使用的發(fā)電機通常是同步發(fā)電機，很少使用異步發(fā)電機。同步發(fā)電機的應用通常具有非常嚴格的限制，并且必須確保發(fā)電機速度和電網(wǎng)頻率之間的嚴格比率。如果確定發(fā)電機的頻率和級數(shù)，則發(fā)電機必須始終以特定速度發(fā)電，如果發(fā)電機速度改變，則將導致失步。進而發(fā)電機的系統(tǒng)整體會遭到嚴重的破壞。如果出現(xiàn)這種問題，會導致發(fā)電機出現(xiàn)事故，嚴重的甚至會使整個電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重的問題。所以同步發(fā)電機的應用過程，是需要嚴格的電氣機械控制設(shè)備進行監(jiān)控的，這就很大程度的增加了投資數(shù)額，與此同時發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性比較低。如果在以同步發(fā)電機為核心的電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一些問題，則可能成為一個嚴重的問題。采用永磁雙轉(zhuǎn)子電機能夠有效的避免這些問題，帶來良好的經(jīng)濟效益的同時提高可靠性。[4～6]

結(jié)語

永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機是一種比較新穎的產(chǎn)品，但也具有異步和同步發(fā)電機的優(yōu)點。作為異步同步發(fā)電機，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機中不存在單個轉(zhuǎn)子發(fā)電機。因而該種電機使用在風力發(fā)電領(lǐng)域就會避免逆變器配置需要過高的資本投入，同時也大幅度的增加了電機可靠性。當風速相對較低時，發(fā)電機不必退出運行模式，相反，發(fā)電機可以工作以提高電網(wǎng)的整體功率。永磁雙轉(zhuǎn)子電機將會在未來應用在越來越多的領(lǐng)域當中，對其性質(zhì)的研究需要各方面共同進行。