2.935 MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機電磁設(shè)計與仿真

溫嘉斌　李金澤

摘要：分析了表面式與內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的差異，選定電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式，對永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的性能特點進行了分析和研究，計算了2，935 Mw高速永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的電磁方案，對上述確定的電磁計算方案，利用有限元軟件進行仿真，分析了發(fā)電機的空載、負載、短路特性，研究了電壓波形正弦性畸變率、齒槽轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、短路電流的計算，經(jīng)驗證，各項性能滿足設(shè)計要求，

關(guān)鍵詞：有限元方法；永磁電機；風(fēng)力發(fā)電；電磁設(shè)計；性能分析

DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.019

中圖分類號：TM301.4

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）04-0101-05

0引言

近幾年環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，新能源的研究和利用越來越受到人們的重視，而風(fēng)能由于其分布面積廣、總量大等特點成為可再生能源中的研究熱點，風(fēng)力發(fā)電逐漸變成除火電、水電、核電之外的第四大發(fā)電方式，目前在國內(nèi)半直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的設(shè)計還處于探索階段，設(shè)計方法還不成熟，因此研究Mw級半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機將會有利于提高我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)計的整體能力，推進風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，加快我國風(fēng)電機組的國產(chǎn)化步伐，縮小我國與發(fā)達國家風(fēng)電技術(shù)上的差距，為我國的環(huán)保與能源事業(yè)盡一份力。

永磁發(fā)電機的優(yōu)點是不需要電勵磁，可實現(xiàn)無刷化，無勵磁損耗，效率高，同時可以提高電機的功率密度，雖然發(fā)電機成本增加，但對于降低機組的振動噪聲和提高運行可靠性有著重要意義，文對永磁同步電機氣隙磁密的影響因素進行了分析，文應(yīng)用傅里葉分解得出了傳統(tǒng)的多相異步電動機諧波電流與建立的諧波電勢的關(guān)系，諧波次數(shù)較低，忽略了高次諧波，文對傳統(tǒng)電勵磁的同步發(fā)電機定子斜槽的空載電壓波形進行了數(shù)值計算，同時對齒磁通進行了計算，文通過非均勻氣隙法、多段磁鋼法、調(diào)整磁極寬度、斜槽法等方法，優(yōu)化氣隙磁場來改善電機性能，本文利用有限元軟件對電機進行空載、負載、短路性能分析，主要包括空載電壓，齒槽轉(zhuǎn)矩、負載電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)的分析。

1.永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子構(gòu)造

永磁同步發(fā)電機在轉(zhuǎn)子尺寸確定的情況下，選擇不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體體積不同，永磁體提供的磁通量也會不同，從而永磁同步發(fā)電機的性能參數(shù)也會不同，

圖1為永磁同步發(fā)電機幾種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)并選取轉(zhuǎn)子模型，假設(shè)永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的長度為L，外徑為R，內(nèi)徑為r，假設(shè)永磁體徑向充磁方向長度為h，切向為2h，估算各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體提供磁通的最大截面積A。，

永磁體提供磁通的最大截面積，圖1（a）為：

對于6極永磁同步電機，轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑的比值大約是0，4，現(xiàn)取0，4進行估算，得到不同結(jié)構(gòu)的永磁體截面積值，如表1所示，

雖然在表l中所得的數(shù)據(jù)是估算的，但是可以從中得到磁通面積變化趨勢，從表1中可以看出，內(nèi)置式W型磁鋼提供的磁通面積最大，其次是內(nèi)置式u型磁鋼，對于半直驅(qū)永磁同步發(fā)電機而言，應(yīng)優(yōu)先選取內(nèi)置式V型，U型，W型磁鋼本文電機選取U型磁鋼，此種電機有以下一些特點：

1）此結(jié)構(gòu)較表面式永磁發(fā)電機簡單，省去了導(dǎo)磁性的不銹鋼套環(huán)，

2）由于沒有套環(huán)，所以其等效氣隙小，與使用相同磁鋼的表面式永磁同步發(fā)電機相比，此結(jié)構(gòu)主磁路磁阻小，可獲得更高的磁通密度，

3）由于磁鋼端部產(chǎn)生漏磁通，所以通常在不影響機械強度的前提下，在磁鋼端部用磁導(dǎo)率與空氣材料相同的材料做延伸，降低磁鋼端部漏磁，

4）由于磁鋼內(nèi)嵌入轉(zhuǎn)子鐵心，而轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)空間較大，所以磁鋼形狀及排布可以有更大的自由選擇空間，

5）內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機與表面式永磁同步發(fā)電機相比，其q軸的電感較大，導(dǎo)致q軸的電樞反應(yīng)也比較大，容易受到磁飽和的影響，

2.永磁風(fēng)力發(fā)電機運行性能分析

2.935 MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機采用U型磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子槽數(shù)為72，極對數(shù)為3，三相雙繞組結(jié)構(gòu)，工作溫度120°C，磁性槽楔的相對磁導(dǎo)率為4，永磁風(fēng)力發(fā)電機的性能指標列于表2，

2.1空載特性

通過空載運行特性，可以校核電機的磁路設(shè)計是否合理，以此依據(jù)及時調(diào)整電機結(jié)構(gòu)，得到輸出電壓的大小及其波形畸變程度，圖5給出了有限元仿真空載電壓波形，可以看空載相電勢波形很接近于正弦波，圖6為空載電壓的諧波分量分布情況，經(jīng)求得線電壓波形正弦性畸變率為4，2%，小于GB755—2008《旋轉(zhuǎn)電機定額和性能》中5%的規(guī)定，圖7為發(fā)電機工作在額定轉(zhuǎn)速下的空載磁密分布云圖，從圖中可以看出定子齒部、軛部、轉(zhuǎn)子部分、磁鋼部分磁密分布比較合理，空載齒槽轉(zhuǎn)矩如圖8所示，因為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機槽數(shù)為72，極數(shù)為6，所以最小公倍數(shù)為72，那么槽轉(zhuǎn)矩基波個數(shù)為72。相鄰齒距基波數(shù)個數(shù)為1，機械角為5，齒槽轉(zhuǎn)矩的最大幅值為636 N·m，占發(fā)電機額定轉(zhuǎn)矩的3，9%，滿足設(shè)計要求。

2.2額定負載特性

本文采用圖9所示場路耦合模型模擬發(fā)電機運行，經(jīng)過仿真發(fā)電機額定負載端電壓和端電流波形如圖10所示，從圖可以看出波形為比較平整的正弦波，經(jīng)計算線電壓有效值為690 V，達到了額定值，而從其二者的相位可得功率因數(shù)為1，與設(shè)計相符，

2.3短路特性

短路狀況下，永磁發(fā)電機運行是極為惡劣的，設(shè)計不當會引起永磁體的退磁，對此需要對永磁發(fā)電機進行最惡劣短路時情況進行仿真計算，三相短路為最惡劣短路，通過搭建外電路對永磁發(fā)電機短路時進行分析，所施加的外電路如圖11所示，提取A相短路電流最大時刻三相短路波形如圖12所示，開始時刻為瞬態(tài)短路，當短路電流波形穩(wěn)定時，為穩(wěn)態(tài)短路，瞬態(tài)短路時電流最大值為14669.7A，為額定電流的5.97倍，電流穩(wěn)定后的有效值為4314.6A，是額定電流的1.757倍，均滿足設(shè)計要求。

3.結(jié)論

本文分析了內(nèi)置式與表面式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子構(gòu)造的特征，在比較了幾種典型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所能提供磁通的最大截面積的基礎(chǔ)上，電機轉(zhuǎn)子磁鋼選擇u型磁鋼，給出了永磁同步發(fā)電機基本參數(shù)確定依據(jù)，確定了電機的設(shè)計方案，運用有限元軟件建立了電機的物理模型，對空載、負載、短路特性進行了仿真，并對負載電壓，電流曲線，功率因數(shù)的設(shè)計進行了驗證，同時驗證了本電機設(shè)計的合理性。