三相永磁同步電機(jī)—直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)

    隨著世界各國(guó)對(duì)可再生能源開(kāi)發(fā)和利用的重視，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越被人們所關(guān)注。在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通常采用雙饋發(fā)電機(jī)。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，而雙饋發(fā)電機(jī)受結(jié)構(gòu)的限制無(wú)法采用很多極數(shù)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)很低的轉(zhuǎn)速。為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速匹配，增加了增速機(jī)構(gòu)。增速機(jī)構(gòu)增加了振動(dòng)和噪聲，且需要定期維護(hù)，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。取消增速機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電的趨勢(shì)之一，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于易于實(shí)現(xiàn)多極而成為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的首選。

一、直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖9一n是以永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變換器為核心的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生三相對(duì)稱交流電壓，經(jīng)過(guò)機(jī)側(cè)變流器將其變?yōu)橹绷麟妷?，再?jīng)網(wǎng)側(cè)變流器將直流電壓逆變?yōu)楹泐l恒壓的三相對(duì)稱交流電壓，經(jīng)變壓器升壓后輸送到電網(wǎng)。中間直流環(huán)節(jié)的存在，使發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)沒(méi)有無(wú)功功率的交換，可根據(jù)風(fēng)能變化，通過(guò)變速恒頻控制來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的輸出功率。網(wǎng)側(cè)變流器可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)和輸出電壓。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)力機(jī)和永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子同軸安裝，定子繞組和鐵心通風(fēng)散熱好，溫度低，定子外形尺寸小。在外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的永磁外轉(zhuǎn)子直接連接，定子電樞安裝在靜止軸上，永磁體易于安裝固定，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，易于平抑風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，缺點(diǎn)是不利于電樞鐵心和繞組的通風(fēng)冷卻，轉(zhuǎn)子直徑大，不易密封防護(hù)等。

二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由電機(jī)設(shè)計(jì)理論可知，在功率一定的情況下，電機(jī)的體積與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越低，體積越大。與帶齒輪增速機(jī)構(gòu)的發(fā)電機(jī)相比，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低，體積大，成本高。為適應(yīng)這一特點(diǎn)和解決這一特點(diǎn)帶來(lái)的問(wèn)題，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

( 1）采用高性能永磁材料。

要減小電機(jī)體積、獲得高功率密度，必須有足夠高的氣隙磁密，因而所采用的永磁材料應(yīng)具有足夠的剩磁密度和矯頑力；由于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在野外使用，環(huán)境條件惡劣，永磁材料應(yīng)具有較好的磁性能穩(wěn)定性；直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的損耗較大，溫升較高，因此應(yīng)選擇工作溫度高的永磁材料，確保不會(huì)發(fā)生不可逆去磁；考慮到電機(jī)制造的經(jīng)濟(jì)性，永磁材料價(jià)格要適宜。綜合考慮以上因素，耐溫等級(jí)高的欽鐵硼永磁是最合適的。

( 2）采用表面式多極結(jié)構(gòu)。

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘幾十轉(zhuǎn)甚至十幾轉(zhuǎn)，為保證一定的頻率，發(fā)電機(jī)的極數(shù)較多，如一臺(tái)轉(zhuǎn)速為22r / min的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，要達(dá)到22Hz的頻率，電機(jī)的極對(duì)數(shù)應(yīng)為60 。為適應(yīng)多極數(shù)，定、轉(zhuǎn)子尺寸大，電機(jī)呈扁平狀。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)雖然可以產(chǎn)生較高的氣隙磁密，但難以實(shí)現(xiàn)極數(shù)如此多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。表面式結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)多極，在實(shí)際中應(yīng)用廣泛。

( 3）采用分?jǐn)?shù)槽繞組。

在有限的定子鐵心尺寸和滿足工藝要求的前提下，如何用較少的槽數(shù)獲得較多的極數(shù)是定子鐵心和繞組設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題。由于受外形尺寸和工藝的限制，定子槽數(shù)不能太多，而電機(jī)極數(shù)很多。若電機(jī)的每極每相槽數(shù)q取較小的整數(shù)，雖然可以減少槽數(shù)，但不能利用繞組分布削弱非正弦分布磁場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的諧波，且每極每相槽數(shù)較小時(shí)齒諧波電動(dòng)勢(shì)的次數(shù)較低而數(shù)值較大，這使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中含有大量的諧波。為解決上述矛盾，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的每極每相槽數(shù)通常為分?jǐn)?shù)，可寫(xiě)為如下形式

( 4）采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：葉片能方便地裝設(shè)在轉(zhuǎn)子毅表面；轉(zhuǎn)子周長(zhǎng)變大，可允許更多極數(shù)；離心力作用使永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心接觸更緊密，轉(zhuǎn)子的機(jī)械可靠性高；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，有助于平抑風(fēng)力起伏引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。因此有的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

( 5）采取措施降低起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩。

起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩是直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。一般來(lái)講，起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩包括機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩、磁滯轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩。