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直驱永磁风力发电机的瞬态电磁场计算

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-07-29 19:04 点击数:

  【摘要】在进行直驱永磁风力发电机设计时,磁路计算无法得到电机的准确运行参数和运行特性。为了求解电磁参数和性能曲线,本文在阐述了瞬态场计算原理的基础上,对兆瓦级直驱永磁风力发电机进行了不同工作状态的场路结合计算,得到了电机在空载、独立负载和直接并网状态下的电磁场分布情况。计算结果表明电机电磁性能满足额定要求,不同负载下端电压可调节,可在一定范围内过载运行。本文论述的计算方法和计算流程对于研究永磁风力发电机具有较高的工程应用价值。

  0前言风力发电的发展已经成为各国政府应对能源危机和发展可再生能源的重要手段。我国已成为世界最大的风电市场,风电并网装机量位居世界前列,目前,国内风力发电机组主要采用异步风力发电机、双馈风力发电机、直驱永磁发电机三种机型。由于直驱永磁风力发电机不需要齿轮箱,噪声小,系统效率高等特点,近年得到了较快发展。直驱永磁风力发电机的设计采用磁路计算与场计算相结合的方法进行。通过求解电磁场来分析磁场分布和电机性能,以修正磁路法计算精度不高的问题。永磁电机的电磁场计算可分为静态场计算和瞬态场计算两部分,静态场计算的是在一定激励条件下的某时刻的磁场分布,无法计算出电机的实际运行参数;瞬态场计算可把外电路方程和有限元方程联立,直接求解矢量磁位和绕组电流。文献[1]计算了空载和不同阻性负载时永磁风力发电机的性能,文献[2]只计算了永磁风力发电机的空载电磁场。本文采用场路结合法对湘电集团已批量化生产的2MW直驱永磁风力发电机进行了空载、独立负载和直接并网工况下的瞬态电磁场计算,文中给出了具体的计算方法,同时对计算结果进行了分析。这为直驱永磁风力发电机的设计提供了理论指导,具有较好的借鉴意义。1瞬态电磁场计算原理为了简化计算,永磁电机的瞬态电磁场计算将电磁场当做似稳场处理,忽略磁滞效应和电导率、磁导率的温度效应,并将永磁材料用等效面电流模拟;电枢绕组端部效应由电路方程中的漏电感值计入[3]。用磁矢位描述场,瞬态电磁场的定解问题可以用下列方程表示[4]:2?A?0(1)11111()()AAAxxyyt?(2)22211()()AAAJxxyyt?(3)22220fAANIxyS?(4)上式分别表示空气区域、涡流区域、永磁区域和绕组部分的电磁场方程。式中A为矢量磁位,?为磁导率,?为电导率,J为电流密度,N为槽串联匝数,fS为槽满率,I为电流。为了考虑外电路和电机端部效应,可用场路耦合的方法计算电磁瞬态过程,通过电枢绕组的电动势将上述电磁场有限元方程与绕组电路方程联立,求解磁矢位和电流。感应电势和外电路方程如下:0ddbefAbNLEAxyAt????(5)0jjaddqqE?U?IR?IX?IX(6)U?I(R?jX)(7)上式中efL为铁心计算长度,bA为槽面积,aR为电枢绕组电阻,R为外电路电阻,X为外电路电抗。2电机计算模型直驱永磁风力发电机采用表面式多极结构,为削弱感应电动势谐波和齿槽转矩采用分数槽绕组。利用磁场的周期性条件缩小求解区域,由于分数槽电机的每极每相槽数不同,有限元计算需取单元电机来进行分析。本文计算的电机额定功率2180kW,额定电流2040A,功率因数0.93,采用三相双Y绕组。为了保证计算精度,并适当减少计算量,在永磁体、气隙和定转子冲片等磁场较强和磁场变化较大的区域,三角形剖分网格取得小一些,其他区域取得大一些。为了保证在初始时刻感应电动势过零点,计算模型应使得A相绕组轴线空载计算永磁风力发电机定子绕组开路,不接负载时,气隙中存在以同步速旋转的永磁磁场,该磁场在电枢绕组内产生对称的感应电动势。将外电路方程(7)中的电阻和电抗分别设为R??,X?0,与电磁场方程进行联立求解,可计算出空载电磁场。空载基波线%,感应电动势波形见图1。--400-01000时时/ms电电/V线空载感应电动势波形对气隙磁密进行傅里叶分解,基波分量有效值为0.6415T。从空载电磁场分布图3可以看出,磁力线从磁极出发经过气隙


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