風力發電機的電磁設計

王海英

（海南大學 機電工程學院，海南 海口 570100）

風力發電所其所采用的發電機主要是有兩種：同步發電機和異步發電機，而其采用更多的是三相異步發電機。其即可孤立運行，也可可以聯網運行。異步發電機可并入電網，手續非常簡單，只是將發電機的轉子提高到盡可能接近的同步轉速，且注意轉子轉向必須與定子的旋轉磁場方向一致，即所謂并入電網。當電網容量足夠量時，電網電壓和頻率都與異步發電機的轉速無關。通常同步發電機若要并入電網必須整步，并入電網后可能會發生振蕩與失步，這些問題在異步發電機中均都不存在。另外它的低功耗，可靠性高等，無需勵磁裝置和電刷，結構上簡單且尺寸微型化，又堅固耐用，基本上無需維修，今已成為風力及其他發電裝置最理想的設備。所以本設計考慮采用異步發電機。

1 風力發電機的結構特點

風力發電機定子主要由定子鐵心、定子繞組、機座三部分組成。定子鐵心是構成主要磁路的一部分。為了減少勵磁電流和旋轉磁場在鐵心當中產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。容量較大的電動機，硅鋼片的兩面應涂以絕緣漆當作片間絕緣。小型定子鐵心是用硅鋼片疊裝而成，壓緊成為就一個整體后，固定在機座內，大中型定子鐵心有扇形沖片拼成。

在定子鐵心內圓，均勻地沖有很多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組的。小型感應的電機主要采用半閉口槽，還有高強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，使勵磁電流減少，但嵌線比較不方便，中型的感應電機通常都采用半開口槽。大型高壓感應電機一般用開口槽，以方便嵌線。為了得到比較高的電磁性能，大中型異步電機一般采用雙層短距繞組。

轉子主要是由轉子鐵心、轉子繞組、轉軸組成。轉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，鐵心固定在轉軸和轉子支架上，整個轉子的外表呈圓柱形，轉子繞組又可分為籠形和繞線形：籠形繞組是個自行閉合的繞組，它由插入的每個轉子槽中的導條和兩端固定環形端的環構成，若去掉鐵心，則整個繞組就形如一個“圓籠”，所以稱為籠形繞組。為節約銅材料和提高生產率，小型籠形電機大多用鑄鋁轉子。

2 雙輸出異步發電機其性能

就目前來說做風力發電的風力發電機類型很多：異步發電機，同步發電機，永磁發電機等。在這討論的系統選用的是雙輸出異步發電機，其性能和優越性如下所述：

風能系統中常用的能量轉換器一直是異步發電機，前已述說異步發電機并入電網的手續由于非常簡單，所以只要將轉子帶動起來，讓其盡可能接近同步轉速，并注意其轉子的轉向與定子的旋轉磁場轉向是否一致，若一致即可并入電網，通常同步發電機在并入電網必須整步，并且并入電網經常會發生振蕩或失步，而且變速運行的風力發電機就能捕獲得更多的風能，即當風速低于其用來發出與電網同頻率的電能所需的能量時，仍能利用此時的風能，再者：通過對電壓和頻率的動態控制手段允許發動機工作在其最大效率點，還有：電壓和頻率的動態控制手段使得電機勵磁能夠跟蹤風速的變化，因此可以降低機械部分傳動的能量損耗，但該機組的主要優點是風速在很小時，電能輸出也很少，為此在風力發電機組的機電變換器所在線路中可利用不同極對數或不同額定功率值來獲得得兩臺異步發電機的方法，這樣可以達到增加輸出能量的目的，此方案設計是在電網頻率不變情況下所得，由風輪運行的工況轉換為電機轉速變化的工況，這樣就能增加電能的輸出，還可以實現機組的全面平衡起動和電磁的制動，以及電網電壓發生故障時，控制線路中的伺服電動機仍然可以得到備用電源。

如果利用兩臺發電機，無形當中會增加風力發電機組年發電量，但同時也會增加不少電器設備的成本，增加折舊了的運行費用，因此，也可采用一臺雙速變極發電機來替代兩臺不同的額定功率值的異步發電機。

通過進一步研究還可發現，雙輸出異步發電機所產生的有功功率、功率因數、效率等等都較普通感應發電機的高，也即它比普通感應發電機更加具有很大的優越性。

3 雙輸出異步發電機的工作原理

雙輸出異步發電機的工作原理如圖1所示。

圖1 雙輸出異步發電機的原理圖

傳統異步發電機向電網輸送電能是風能的轉換中經常使用的，作為輸出恒功率的異步發電機一般以超同步轉子速度運行，該特征在其速度高于電動機的額定轉速時損失了更多的風能。也就是說，該系統可以作為恒頻風能轉換系統來進行運行的，為使異步發電機能夠作為一種變速，又能恒頻裝置運行，將其轉子回路和1個整流器，1個直流偶合變換器和1個有源逆變器相連時，轉子回路的轉差頻率交流電流由半導體器件整流為直流后，再由逆變器可把直流變為工頻交流送回到交流電網去，該能量一是可以由定子，也可由轉子送回到交流電網中去，故稱為雙輸出異步發電機。此時整流器和逆變器2者組成了一個從轉差頻率轉換為工業頻率交流變換的裝置。控制改逆變器的逆變角，還可以改變逆變器的電壓，此異步發電機可以作為一臺雙輸出的感應發電機的超同步速度并行運行，這實際上是為異步發電機的串級調速在其風能轉換系統當中的應用。

這種系統中異步發電機轉子側繞組接的整流器，其是不可控整流器，與轉子繞組相接交的交變頻器的雙饋調速比較，調節功能可要小些，其中最主要的是不可以調節定子側的無功功率，且因逆變器的功率因數較低，使整個系統的功率因數也較低，但跟隨著SCR的應用衰退，更由于網側諧波的嚴重行，SCR交交變頻電路就會被逆變電路所替代;且轉子側接的交交變頻器時，檢測和控制轉差頻率的電流就會存在一定的困難，采用以上所述串級系統就可以解決該問題。

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