直驅永磁風力發(fā)電機冷卻系統(tǒng)研究

李偉東

摘 要：各種發(fā)電機出現(xiàn)的共性問題有兩方面，其一是冷卻，其二是發(fā)熱。本文主要分析溫升對于大型直驅永磁發(fā)電機的主要影響，通過PLC控制變頻器驅動的冷卻系統(tǒng)將產生的熱量通過熱變換器從而發(fā)散到空氣中，把電機的溫度盡量控制在正常的范圍中，由于電機溫度過高會導致電機的永磁材料的損失，使得絕緣材料發(fā)生老化的現(xiàn)象。針對以上情況盡量避免電機的溫度過高，從而保證風力發(fā)電機穩(wěn)定的運行。

關鍵詞：直驅永磁；溫升；變頻器

直驅永磁風力發(fā)電機是一種由風力直接驅動發(fā)電機，其體積相對比較大，具備風速時高效率以及低噪音高壽命、減小機體組體積等優(yōu)勢。目前隨著直驅永磁風力的發(fā)電機的廣泛應用，其大功率也越來越大，最高磁極數(shù)也能夠達到88級。影響大功率直驅永磁電機的有許多因素組成，因此其因素較趨于復雜化。永磁電機是由多種材料組成的，其材料主要包括永磁體固定樹脂以及永磁體，銅線圈等。這些材料往往會隨著溫度的升高發(fā)生變化，從而影響到風力發(fā)電機的運行。

1.溫升對永磁電機定/轉子內部材料的影響

直驅永磁風力發(fā)電機一般使用內轉子結構進行，其在運行的過程中通常是以葉輪直接進行內傳子的旋轉，電機溫升是包括定子線圈以及定子鐵芯等，若定子的溫度過高時，則會導致降低電機的絕緣能力。溫度的變化會使得膨脹系數(shù)之間有差別的材質之間產生的熱應力。膨脹系數(shù)的以及溫度的變化速度都會影響到熱應力，若溫度處于上升的狀態(tài)，那么膨脹系數(shù)就會產生向外擴張的熱應力。若溫度處于下降的狀態(tài)，那么就膨脹系數(shù)高的材質收縮就相對比較快，不同的材質之間會因為收縮程度的不同從而留下空隙，那么則會導致電機的內部出現(xiàn)各種故障現(xiàn)象，嚴重則會使得表面的槽楔出現(xiàn)了漲裂的現(xiàn)象。若溫度處于下降的趨勢那么則會減小材料的脹縮量從而使得溫度的變化速度變得相對緩慢。而最理想的溫度變化則是在電機運行的過程中溫度穩(wěn)定。盡量避免電機在運行的過程中出現(xiàn)停機的現(xiàn)象。

2.溫升對電機結構尺寸的影響

由于金屬的導熱性處于一個良好的狀態(tài)，若溫度升高則會使得發(fā)電機的鐵芯出現(xiàn)熱膨脹，其隨著材料的溫度進而不斷的升高，因此金屬的尺寸影響到熱膨脹量。溫度的升高則意味著定子在軸向以及徑向等不同方向從而產生一定的膨脹量。材料的線性長度、材料的溫度以及材料的線脹系數(shù)都會直接的影響到熱膨脹量。定子的溫度分布會影響到定子的結構，使得定子的結構出現(xiàn)了不對稱的情況。因此減少定子的溫度差可有效的保證鐵芯疊片的穩(wěn)定，在調節(jié)永磁電機的運行過程中溫度要保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)，盡量避免溫度過高或過少。由于直驅永磁點擊的尺寸相對比較大，因此要減少釘子結構的溫度差，采用冷卻方式進而保證整個電機處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.溫升對轉子永磁體以及磁極的主要影響

永磁體釹鐵棚是一種磁性較高的永磁材料，釹鐵棚的溫度性能不佳，居里的溫度相對比較低，若溫度超過了主要的居里點，那么釹鐵硼的磁性就會完全的消失，若溫度過大，其磁性就會大大的下降，使得固定的永磁體樹脂的硬度就會降低，嚴重情況可導致永磁體的脫落現(xiàn)象。因此降低永磁體運行的溫度，減少定子的熱傳導以及熱播射的熱量能夠確保運行的順暢。

4.大功率直驅永磁電機的冷卻方式

風力發(fā)電組的永磁電機工作中的溫度受三個因素的影響，其三個因素主要有輸出功率、環(huán)境溫度以及冷卻系統(tǒng)性。其中輸出功率的大小是由發(fā)電狀態(tài)下的風速大小，而天氣的變化會影響到環(huán)境的溫度，冷卻系統(tǒng)性與其他因素不同，它具有一定的可控因素。

大功率直驅永磁電機主要采用冷卻的方式，其分為兩次冷卻，一次冷卻為在獨立外裝的風扇作用下使得電機的內部空氣能夠循環(huán)流動。二次冷卻則是根據(jù)電機的周圍環(huán)境，根據(jù)在外裝風扇的作用下使得空氣得到冷卻，而永磁發(fā)電機的熱量經(jīng)過二次冷卻后將空氣帶走。調集冷卻風的流量主要通過變頻器的使用，能夠改善風扇的轉速能力，進而調節(jié)冷卻風。變頻器的使用能夠快速的改變冷卻風扇的速度，從而不斷的將速度調整到精準的速度中來，能夠真正的實現(xiàn)電機溫度的調節(jié)。

5.冷卻風流量的溫度以及壓力的控制方法

永磁發(fā)電機在運行的過程中均會受到各種因素的影響，其主要為不均勻發(fā)熱體以及不同區(qū)域中的空氣流量，能夠圍繞鐵芯的發(fā)熱量因素的疊加以及削減，均會導致定子出現(xiàn)溫度上的差異，從而導致在運行的過程出現(xiàn)各種障礙。針對以上情況可采用用冷卻風道的通風方式，能夠減小定子的溫度差進而使得保證運行的順利。將電機的電子溫度設為控制量，通過控制器改變輸出頻率，從而調節(jié)各風道的冷卻空氣流量。能夠平衡各個風道中的溫度，減小定子的不對稱變形量。若電機出現(xiàn)故障時，則可讓控制器對反饋信息進行判斷后輸出保護停機的指令，從而能夠保證永磁發(fā)電機的順利進行，防止出現(xiàn)高溫的現(xiàn)象。

6.結語

電機的溫升影響電機的其壽命以及運行，因此需要技術人員能夠準確的判斷溫度對電機的影響。通過改變風扇的轉速功能，使得冷卻風機的流量以及壓力、功率均發(fā)生一定的改變，通過變頻器的傳動能夠有效的控制系統(tǒng)的還熱量，控制電機溫度的變化頻率，從而保證風力發(fā)電機能夠穩(wěn)定的運行，延長壽命。

參考文獻：

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