華中科技大學(xué)電氣專業(yè)新型電機(jī)大作業(yè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用_第1頁(yè)
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1、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 新型電機(jī)論文作業(yè)一、 引言風(fēng)電行業(yè)現(xiàn)狀概要與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)介風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視,隨著全球化石能源的枯竭和供應(yīng)緊張以及氣候變化形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,世界各國(guó)都認(rèn)識(shí)到了發(fā)展可再生能源的重要性,風(fēng)能作為清潔可再生能源之一,受到了各國(guó)的高度重視,世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也因此得到了迅速發(fā)展。中國(guó)風(fēng)能資源十分豐富:陸上和近海可供開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量分別為2.53億千瓦和7.5億千瓦,具有發(fā)展風(fēng)能的潛力和得天優(yōu)厚的優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)的能源市場(chǎng)上,充分開(kāi)發(fā)和挖掘這一潛力和優(yōu)勢(shì),將有助于持續(xù)保持本國(guó)的能源活力和維持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)

2、展。在開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能的過(guò)程中,風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)是其必須的環(huán)節(jié),而風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用又是建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的重中之重。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣,開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。屬于風(fēng)能資源較豐富的國(guó)家?!笆晃濉逼陂g,中國(guó)的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。 從自然環(huán)境來(lái)看,我國(guó)居于非常有利的優(yōu)勢(shì)地位。我國(guó)地域廣闊,海岸線長(zhǎng)、風(fēng)力資源十分豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)平均風(fēng)能密度大約為100 W/m2,風(fēng)能總量為3226 GW,其中可供開(kāi)發(fā)利用的陸上風(fēng)能總量大約為253 GW。在我國(guó)東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙和河西走廊,以及我國(guó)東北、西北、華北、海南及西青藏高原等部分地區(qū),每年的年平均風(fēng)速在3 m/s以上時(shí)間近4000 h,一些地區(qū)的年平均風(fēng)速在67

3、 m/s以上,對(duì)于風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō),具有很大的開(kāi)發(fā)價(jià)值和廣闊的利用空間。按“十一五”發(fā)展規(guī)劃,至2010年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量將突破10 GW。 風(fēng)力發(fā)電問(wèn)題近年來(lái)已成為電力行業(yè)研究的熱點(diǎn)。在風(fēng)電發(fā)展的過(guò)程中,直驅(qū)永磁同步電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是80年代初隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及效率高等突出特點(diǎn),成為交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者,引起各國(guó)學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注??鐕?guó)電機(jī)公司Emerson電氣公司還將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)視為其下世紀(jì)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的新的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。目前開(kāi)關(guān)磁

4、阻電機(jī)已廣泛或開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)、航空業(yè)和風(fēng)電等各個(gè)領(lǐng)域。二、 風(fēng)電機(jī)組的特性原理2.1風(fēng)機(jī)特性研究風(fēng)力機(jī)的種類很多,目前大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用的風(fēng)力機(jī)絕大多數(shù)都是水平軸、下風(fēng)向式、三葉片。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電過(guò)程是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,再由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的過(guò)程起了相當(dāng)重要的作用,它直接決定了最終風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率。但不管采用什么形式的風(fēng)力機(jī),都不可能將風(fēng)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。德國(guó)科學(xué)家貝茨(Betz)于1926年建立了著名的風(fēng)能轉(zhuǎn)化理論,即貝茨理論。貝茨假設(shè)風(fēng)輪是理想的,既沒(méi)有輪轂,且有無(wú)限多葉片組成,氣流通過(guò)風(fēng)輪時(shí)也沒(méi)有阻力;此外假定氣流經(jīng)過(guò)整個(gè)掃風(fēng)面是均勻的,

5、氣流流過(guò)風(fēng)輪的速度方向?yàn)檩S向。理想風(fēng)輪的氣流模型如圖2-4所示。 圖2-4理想風(fēng)輪的氣流模型其中,v是風(fēng)輪上游的風(fēng)速,是通過(guò)風(fēng)輪的風(fēng)速,是風(fēng)輪下游的風(fēng)速。通過(guò)風(fēng)輪的氣流上游截面積為,下游截面積為。根據(jù)理論和能量的轉(zhuǎn)化,一定有,根據(jù)貝茨理論,則有設(shè)S為風(fēng)輪平面面積,為空氣密度,則風(fēng)能作用于槳葉上的力為 (2.1)由此計(jì)算槳葉接收的功率為: (2.2)由上游至下游的動(dòng)能變化: (2.3)因能量守恒,則 (2.4)可以求得: (2.5) (2.6)由于槳葉前風(fēng)速是認(rèn)為給定的,故對(duì)P微分求其最大值,P是的函數(shù),則有 若令其為0,解得 代入P的表達(dá)式,可求出P的最大值: (2.7)由此,除以氣流通過(guò)掃風(fēng)

6、面S所具有的動(dòng)能,得到風(fēng)輪的理論最大效率: (2.8)這就是著名的貝茨定理,它說(shuō)明理想的最佳條件下,對(duì)風(fēng)能的利用率也不到60%,有很大一部分能量化為了旋轉(zhuǎn)動(dòng)能而損耗在槳葉背面也就是說(shuō),實(shí)際風(fēng)力機(jī)的效率必定小于0.59,所以在實(shí)際的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中,就是要最大限度地接近該風(fēng)能的最大利用數(shù)值。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T與風(fēng)速v的關(guān)系可以表示為: (2.9)其中是反應(yīng)轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。轉(zhuǎn)化機(jī)械功率為: (2.10)風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的有用功率為: (2.11)其中R為風(fēng)輪半徑,為風(fēng)力機(jī)運(yùn)行機(jī)械角速度,為風(fēng)能機(jī)械轉(zhuǎn)化效率,且葉尖速比(表示風(fēng)輪運(yùn)行速度快慢)為 要使得系統(tǒng)獲得最佳的功率輸出系數(shù),即得到最大,根據(jù)不同的(葉

7、片回轉(zhuǎn)平面與槳葉界面弦長(zhǎng)之間的夾角)和值可得出功率系數(shù)近似特性曲線(關(guān)系見(jiàn)圖2.3),求得,所以的取值是實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制的關(guān)鍵。 圖2-5 與葉尖速比以及槳距角的關(guān)系2.2最大風(fēng)能追蹤根據(jù)貝茲(Betz)定理,風(fēng)力機(jī)獲得的機(jī)械功為: (2.11)其中,為風(fēng)能利用系數(shù),為空氣密度,S為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積,V為上游風(fēng)速葉尖速比可以用下式表示: (2.12)其中,為風(fēng)輪的角速度,為電網(wǎng)頻率,為風(fēng)輪半徑。對(duì)某一確定的風(fēng)力機(jī),當(dāng)和V一定時(shí),風(fēng)力機(jī)所獲得的機(jī)械功率僅與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān),是槳距角和葉尖速比的函數(shù),即,某一風(fēng)速下,當(dāng)槳距角一定時(shí),則僅由葉尖速比決定。在某一風(fēng)速下,總會(huì)有一個(gè)最佳葉尖速比,對(duì)應(yīng)了

8、最大風(fēng)能利用系數(shù),因此,只要控制保持最佳葉尖速比,就能獲得最大風(fēng)能。由式(2.11)和(2.12)可得風(fēng)力機(jī)最大輸出功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下: (2.13) 圖2-6槳距角下風(fēng)能利用系數(shù)曲線 圖2-7系數(shù)曲線 圖2-8風(fēng)力機(jī)輸出功率特性曲線如圖2-8所示,是一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性,最佳功率曲線是各風(fēng)速下最大輸出功率點(diǎn)的連線。從中可以看出在同一個(gè)風(fēng)速下,不同轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率,要想追蹤最佳功率曲線,保持最佳葉尖比,即最大限度地獲得風(fēng)能,就必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,在直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,即調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,這是最大風(fēng)能捕獲的主要思想。

9、應(yīng)用以上思想,在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,在最大功率輸出方式下。當(dāng)風(fēng)力大于風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)的最低風(fēng)力后,風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)風(fēng)力機(jī)為優(yōu)化槳距角定漿距運(yùn)行,由變頻器控制系統(tǒng)來(lái)控制系統(tǒng)輸出,調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,獲得相應(yīng)的,實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲。當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大,超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后,變頻器控制通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基本失效,系統(tǒng)變槳距裝置開(kāi)始動(dòng)作,調(diào)節(jié)風(fēng)輪受力,減少風(fēng)輪機(jī)械能的獲取,保護(hù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)組,避免因超速和超功率運(yùn)行引起的事故。此時(shí)風(fēng)力機(jī)工作在額定功率輸出模式,輸出穩(wěn)定。通過(guò)以上的分析,就可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和最大功率的輸出控制,獲得較為平穩(wěn)的能量,保證了公用直流母線的能量平穩(wěn)獲取和后

10、續(xù)逆變并網(wǎng)電能質(zhì)量。三、 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)非常相似,它是雙凸極可變磁阻電機(jī)。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊壓而成,轉(zhuǎn)子既無(wú)繞組也無(wú)永磁體,定子極上繞有集中繞組,徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一對(duì)磁極,稱為“一相”。由于低于三相的SR電動(dòng)機(jī)沒(méi)有自起動(dòng)能力;而相數(shù)多的SR電動(dòng)機(jī)步距角小,利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且主開(kāi)關(guān)器件多,成本高,故目前應(yīng)用較多的是四相8/6和三相6/4極結(jié)構(gòu)。從原理上看,SR電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似,運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”,即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。所以當(dāng)鐵芯與磁場(chǎng)的軸線不重合時(shí),便會(huì)有作用力將鐵芯拉到磁場(chǎng)的軸線

11、上來(lái),這個(gè)作用力就是磁阻電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力。這是SR電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的相似之處,但是,一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是開(kāi)環(huán)控制,而SR電機(jī)則是閉環(huán)控制;另外一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用在角位移較精密的傳動(dòng)方面上,而SR電機(jī)是典型的功率型電氣傳動(dòng)裝置,主要應(yīng)用在牽引傳動(dòng)方面。因此,SR電機(jī)要突出速度控制和實(shí)現(xiàn)高效率,所以其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路也大不相同。如圖所示為四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖(圖中只簡(jiǎn)要畫出A相繞組及其供電圖3-1 四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)電路。 現(xiàn)以圖中四相8/6極SR電機(jī)結(jié)構(gòu)所示為例,介紹開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理。圖中,是電子開(kāi)關(guān),是二極管,是直流電源。電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子呈凸極形狀,極數(shù)互不相等,轉(zhuǎn)子由

12、疊片構(gòu)成,且?guī)в形恢脵z測(cè)器以提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào),使定子繞組按一定的順序通斷,維持電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。電機(jī)磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線對(duì)準(zhǔn)或錯(cuò)開(kāi)而變化,當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時(shí),相繞組電感最大,當(dāng)轉(zhuǎn)子極間中心線對(duì)準(zhǔn)定子磁極中心線時(shí),相繞組電感最小。圖3-1中,當(dāng)定子D-D極勵(lì)磁時(shí),所產(chǎn)生的磁力則力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線1-1與定子極軸線D-D重合的位置,并使D相勵(lì)磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置,則依次給DABC相繞組通電,轉(zhuǎn)子即會(huì)以逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn);反之,若依次給BADC相通電,則電機(jī)即會(huì)沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)??梢钥闯觯琒R電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向

13、無(wú)關(guān),而僅取決于相繞組通電的順序。另外,從圖1-1可以看出,當(dāng)主開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí),A相繞組從直流電源吸收電能,而當(dāng)關(guān)斷時(shí),繞組電流經(jīng)續(xù)流二極管繼續(xù)流通,并回饋給電源,因此,SR電機(jī)傳圖3-2 相電感、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化圖a)相電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化b)一定電流下轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化動(dòng)的共性特點(diǎn)是具有能量再生作用,系統(tǒng)效率高。 從上面簡(jiǎn)單的分析可以知道,SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由磁路選擇最小磁阻結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)來(lái)產(chǎn)生的。由于電動(dòng)機(jī)磁路的非線性,通常SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)根據(jù)磁共能來(lái)計(jì)算,即: (3-1)式中轉(zhuǎn)矩,磁共能,轉(zhuǎn)子位置角,繞組電流顯然,磁共能的改變不僅取決于轉(zhuǎn)子的位置,還取決于繞組電流的大小。在對(duì)SR電

14、動(dòng)機(jī)性能作定性分析時(shí),為避免繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo),不妨忽略磁路飽和及邊緣效應(yīng),并假定電感同電流無(wú)關(guān)。這時(shí),一對(duì)定子極下電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如圖1-2a所示,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈,電感變化的周期數(shù)正比于轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù),該周期的長(zhǎng)度為轉(zhuǎn)子極距。基于圖3-2a的簡(jiǎn)化線性模型,式(3-1)可化簡(jiǎn)為式(3-2),即: (3-2)由上式可知,相繞組在恒定電流作用下,產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩如圖1-2b所示。由此可見(jiàn),SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響,僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化;在相通電的過(guò)程中,若,則產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩;若,則產(chǎn)生制動(dòng)力矩。因此,通過(guò)控制加到SR電動(dòng)機(jī)繞組中電流脈沖的幅值、寬度及其與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置,即可控制S

15、R電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小與方向,這正是SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的基本原理。SRD系統(tǒng)的組成圖3-3 SRD系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)一般SRD系統(tǒng)由SR電機(jī)和控制系統(tǒng)組成,基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。SRD系統(tǒng)包括:SR電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制與檢測(cè)單元、輸入輸出設(shè)備。其中控制系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動(dòng)部份和控制器及檢測(cè)部分。功率驅(qū)動(dòng)部分是將蓄電池或交流電整流后得到的直流電能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給SR電機(jī)。由于電機(jī)繞組電流是單向的,使得其功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,而且相繞組與主開(kāi)關(guān)器件是串聯(lián)的可以避免直接短路的故障。功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)及主開(kāi)關(guān)器件的種類等有關(guān),它是SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分,工

16、作在強(qiáng)電環(huán)境下,直接用來(lái)控制SR電機(jī)相繞組電流的通斷來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn),是影響系統(tǒng)性能價(jià)格比的主要因素??刂破骷皺z測(cè)單元是SRD系統(tǒng)的核心部分,它綜合處理電流傳感器、位置傳感器的反饋信息,控制功率變換器中主開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。若控制器發(fā)出一系列控制信號(hào),使電動(dòng)機(jī)各相主開(kāi)關(guān)器件按一定的規(guī)律導(dǎo)通,則電動(dòng)機(jī)會(huì)按逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),并輸出機(jī)械能;若輸出相反順序的觸發(fā)信號(hào),則電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。它工作在弱電環(huán)境下,通過(guò)接受外圍鍵盤等設(shè)備下達(dá)的指令,檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和繞組電流的大小等信息,送入CPU并結(jié)合控制策略,得出控制方法,然后將控制輸出信號(hào)送入功率電路,且同時(shí)將電機(jī)的運(yùn)行

17、狀態(tài)通過(guò)顯示設(shè)備顯示出來(lái),其設(shè)計(jì)的好壞直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Generator,簡(jiǎn)稱SRG)技術(shù)是集微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)、現(xiàn)代電磁理論設(shè)計(jì)和制作技術(shù)為一體的高新技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是3:1. 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、調(diào)速范圍寬。SRM 為雙凸極定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),定子上只有幾個(gè)集成繞組,轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組,轉(zhuǎn)子機(jī)械彈性好。2. 各相獨(dú)立工作,系統(tǒng)可靠性高。SRM 可做到磁路上及電路上各相相互獨(dú)立,當(dāng)某相發(fā)生故障時(shí),通過(guò)切除故障相可以保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。3. 功率電路可靠簡(jiǎn)單。SRM 轉(zhuǎn)矩方向只與各相通電順序有關(guān),而與繞組電流的方向無(wú)關(guān),功率電路

18、可以做到每相一個(gè)功率開(kāi)關(guān)。同時(shí),SRM 系統(tǒng)中每個(gè)功率元件均與電機(jī)繞組相串聯(lián),根本上避免了直通短路的現(xiàn)象。目前在高度發(fā)展的電力電子和微機(jī)控制技術(shù)支持下,SRM 已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(Switched Reluctance Generator,簡(jiǎn)稱SRG)作為SRM的一種,具有良好的特性,并且在風(fēng)電場(chǎng)合可以省去齒輪箱、降低風(fēng)電設(shè)備成本、提高風(fēng)能利用率,所以將S R G 應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有重要的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。四、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 建立SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的主要困難在于電動(dòng)機(jī)的磁路飽和、渦流和磁滯效應(yīng)等產(chǎn)生的非線性,這些非線性影響著電動(dòng)機(jī)的性能,但卻很難

19、進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬??紤]了非線性的所有因素,雖然可以建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型,但是計(jì)算相當(dāng)?shù)姆爆崱R虼?,在性能分析和求解建立?shù)學(xué)模型時(shí)不得不在實(shí)用與理想之間尋求一種折衷的處理方法。 目前人們針對(duì)電機(jī)磁鏈的變化,常采用以下幾種方法來(lái)建立模型口: (a)理想線性模型 若不計(jì)電機(jī)磁路的飽以及邊緣效應(yīng)等影響,假定電機(jī)相繞組的電感與電流大小無(wú)關(guān),且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng),可用SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型將磁鏈近似為電流的線性函數(shù),這種方法可了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)之間的相互關(guān)系,并可作為深入探討各種控制方式的依據(jù),但求解的誤差較大,精度較低。 (b)準(zhǔn)線性模型 因?yàn)榇沛溤陲柡蛥^(qū)和非飽和區(qū)有不同的線性變化率,為

20、了近似地考慮磁路的飽和效應(yīng)、邊緣效應(yīng),可將實(shí)際的非線性磁化曲線分段線性化,同時(shí)不考慮相間禍合效應(yīng),可將曲線分為兩段(線性區(qū)和飽和區(qū))或三段(線性區(qū)、低飽和區(qū)和高飽和區(qū)),這樣可以用不同的解析式來(lái)表示每段磁化曲線。 以上兩種模型,電感參數(shù)均有解析表達(dá)式;在用于分析電機(jī)性能時(shí),電流和轉(zhuǎn)矩也均有解析解,因此一般可用于定性分析。事實(shí)上,由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流以及磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性,加上電機(jī)運(yùn)行期間的開(kāi)關(guān)性,在電機(jī)運(yùn)行期間,繞組電感為電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。但是SR電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律很復(fù)雜,難以用簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)表示,因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模

21、型。 (c)非線性函數(shù)擬合模型 將磁鏈用一非線性函數(shù)近似擬合,函數(shù)的選取決定擬合的精確度。顯然,磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的,采用非線性函數(shù)來(lái)擬合磁鏈的變化規(guī)律將是一項(xiàng)很困難的工作。且針對(duì)一般擬合的函數(shù),繞組的電流、電感等是也無(wú)法用簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)進(jìn)行表示。 (d)查表法該方法是把實(shí)測(cè)或計(jì)算所得的等角度、等電流間隔電機(jī)磁特性數(shù)據(jù)反演為等角度、等磁鏈間隔的電流特性數(shù)據(jù),的連同矩角特性數(shù)據(jù)的以表格形式存入計(jì)算機(jī)中,然后用查表法數(shù)值求解非線性模型,這種方法較為直接、也較為精確,既可用于穩(wěn)態(tài)分析,也可用于解瞬態(tài)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行的理論在本質(zhì)上沒(méi)有

22、什么區(qū)別,對(duì)于m相SR電動(dòng)機(jī),若不計(jì)磁滯、渦流及繞組間互感時(shí),可列出如圖4.1所示的一對(duì)電端口和一對(duì)機(jī)械端口的二端口裝置系統(tǒng)示意圖。圖4.1 m相SR電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)示意圖 圖中,表示電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,為SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,代表粘性摩擦系數(shù),表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 建立SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí),為了簡(jiǎn)化分析,特作如下假設(shè): (1)忽略鐵心的磁滯和渦流效應(yīng),且不計(jì)磁場(chǎng)邊緣效應(yīng); (2)在一個(gè)電流脈沖周期,轉(zhuǎn)速恒定不變; (3)主電路供給電源的直流電壓恒定不變。 在建立各項(xiàng)方程前,設(shè)相SR電機(jī)各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)一樣,且第相的磁鏈為、電壓為、電阻為、電感為、電流為、轉(zhuǎn)矩為,轉(zhuǎn)子位置角為,電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速為。 下面

23、分別針對(duì)這種“理想”的機(jī)電系統(tǒng)建立磁鏈方程、電壓方程和機(jī)械聯(lián)系方程。(1)磁鏈方程一般來(lái)說(shuō),SR電動(dòng)機(jī)的各相繞組磁鏈為該相電流與自感、其余各相電流以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù),即: (4.1)由于SR電動(dòng)機(jī)各相之間的互感相對(duì)自感來(lái)說(shuō)甚小,為了便于計(jì)算,一般忽略相間互感,因此,磁鏈方程也可簡(jiǎn)寫成該相電流和電感的乘積,即: (4.2)其中,每相的電感是相電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù),它隨著轉(zhuǎn)子角位置而變化,這正是SR電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。(2)電壓方程由基爾霍夫定律可列寫出第相回路電壓平衡方程。施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)作用之和,故第k相繞組電壓方程: (4.3)將4.2代入上式可

24、得:(4.4)上式表明,電源電壓與電路中三部分電壓降之和相平衡。其中,等式右端第一項(xiàng)為第相回路中的電阻壓降;第二項(xiàng)是由電流變化引起磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì),所以稱為變壓器電動(dòng)勢(shì);第三項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子位置改變引起繞組中磁鏈變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì),所以稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì),它與電磁機(jī)械能量轉(zhuǎn)換直接有關(guān)。(3)機(jī)械方程 按照力學(xué)定律可得出在電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程: (4.5)以上分別從電端口、機(jī)械端口列寫了系統(tǒng)方程,兩者是通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩耦合在一起的,轉(zhuǎn)矩表達(dá)式反映出了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。應(yīng)該指出,上述SR電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型盡管從理論上完整、準(zhǔn)確地描述了SR電動(dòng)機(jī)中的電磁及力學(xué)關(guān)系,但由于及難以解析,

25、實(shí)用起來(lái)卻很麻煩,因此,往往必須根據(jù)具體電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及所要求的精確程度加以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。五、 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)普通的發(fā)電機(jī),如如異步發(fā)電機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)要輸出固定電壓,其轉(zhuǎn)速也須固定。而風(fēng)速是時(shí)刻變化的,所以風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速必須固定不變,導(dǎo)致網(wǎng)通利用效率低下。顯然,如果使用變速發(fā)電機(jī)就能提高風(fēng)能利用效率(即變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)),而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)正滿足了這樣的要求。具體而言開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電有如下優(yōu)勢(shì)2: 1. 可以方便的發(fā)出電壓恒定的直流電,尤其對(duì)于它勵(lì)方式,輸出電壓直接由勵(lì)磁電壓決定,而與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在自勵(lì)方式下,也可以通過(guò)自身的控制器實(shí)現(xiàn)電壓恒定。 2. 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)

26、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)子上無(wú)刷、無(wú)繞阻、無(wú)永久磁體,因此成本低廉;不存在銅耗,發(fā)電效率高;同時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩低,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。低頻時(shí)不會(huì)出現(xiàn)像變頻供電的感應(yīng)電機(jī)在低頻時(shí)出現(xiàn)的不穩(wěn)定和振蕩問(wèn)題。因此即使在網(wǎng)速較低的情況下,通過(guò)合理的設(shè)計(jì),也可以在風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)較高的發(fā)電效率,從而省去了齒輪箱。 3. 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的高速性能,能夠在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,因而可以適應(yīng)不同網(wǎng)速的要求,高效的利用網(wǎng)通。 4. 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可控參數(shù)多,如開(kāi)通角,關(guān)斷角,直流斬波限,勵(lì)磁電壓等,可方便的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制策略。 5. 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有自勵(lì)能力,只需要小容量的直流起勵(lì)電源,就可以自動(dòng)建立

27、電壓。若與蓄電池構(gòu)成互補(bǔ)系統(tǒng),更可以體現(xiàn)分時(shí)勵(lì)磁和發(fā)電的優(yōu)勢(shì)。 6. 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)各相在物理和電磁上相互獨(dú)立,即使缺相的情況下,仍可維持工作,具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。雙饋發(fā)電機(jī)最早起源于繞線式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī),其結(jié)構(gòu)是在繞線式異步發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上安裝一個(gè)滑環(huán)。此種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)是通過(guò)對(duì)其轉(zhuǎn)差頻率的控制,來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的雙饋調(diào)速。由于控制的是電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流,控制功率僅為定子繞組輸入功率的幾分之一,因此所需功率變換器的功率較小。目前有有刷和無(wú)刷雙饋電機(jī)兩種,有刷雙饋電機(jī)由于其有刷結(jié)構(gòu),運(yùn)行可靠性差,需要經(jīng)常維護(hù),不適合運(yùn)行在環(huán)境惡劣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。無(wú)刷雙饋電機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這種電機(jī)的不足。由于無(wú)刷雙饋電機(jī)兼

28、有籠型、繞線型異步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn),還可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)和運(yùn)行速度,因此比較適合變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋系統(tǒng)在變頻器中僅流過(guò)轉(zhuǎn)差功率,其變頻器的容量小。但由于要求功率雙向流過(guò)變頻器,它必須是四象限雙PWM 變頻器,由兩套IGBT 變換器構(gòu)成,價(jià)格是同容量單象限變頻器的一倍左右。另外,由于發(fā)電機(jī)要求,需要齒輪箱和高速傳動(dòng)裝置配合,增加成本和降低了傳動(dòng)效率的同時(shí),也增加了系統(tǒng)維護(hù)的難度。并且雙饋感應(yīng)電機(jī)輸出的是交流電,需要通過(guò)逆變器進(jìn)行交直流變換,降低了轉(zhuǎn)換的效率,增加的系統(tǒng)成本。與之相比,開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)輸出的是直流電,可以降低系統(tǒng)成本。而且,開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制性能好,轉(zhuǎn)

29、子上無(wú)繞組。開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組,而是與集中嵌放的定子電樞合二為一,并通過(guò)控制器分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁與發(fā)電,因而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí),由于發(fā)電機(jī)相繞組間無(wú)電磁耦合,容錯(cuò)能力大大增強(qiáng)。另外,由于開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu),其熱量主要集中在定子外殼,因此具有很好的耐高溫特性。六、總結(jié)隨著能源危機(jī)的不斷加深,能源解決問(wèn)題變得越來(lái)越緊迫,風(fēng)力發(fā)電作為新能源中發(fā)展最早,技術(shù)最全面的技術(shù)受到了人們廣泛的重視,所以風(fēng)能技術(shù)的研究也越來(lái)越多。作為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的一種,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景,是未來(lái)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要的方向。通過(guò)新型電機(jī)這門課程的學(xué)習(xí),我知道了在傳統(tǒng)電機(jī)之外還有其他的應(yīng)用非常廣泛的微特電機(jī),在現(xiàn)代社會(huì)

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