風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計摘要：本課題所研究的異步發(fā)電機(jī)是目前最理想的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，前景非常樂觀。 本文重點介紹了目前風(fēng)電場中所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，包括風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力機(jī)的功 率調(diào)節(jié)及恒速恒頻和變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：新能源；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；變速恒頻；電磁計算ABSTRACT: This lesson a study the three phase asynchronous machines is the best wind turbine generator at present.The main topics mentioned here are about wind turbine, power regul

2、ation of wind turbine and induction generator in wind farms with electrical power system.Key words: New energy resource ； Wind turbine generator ； Variety invariable frequency ； electromagnetic calculation0引言風(fēng)能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移， 開發(fā)利用風(fēng)能的動因也在變化。20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制取得了巨大進(jìn)展。 1987年美國研

3、制出單機(jī)容量為3.2MW的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝于夏威夷群 島的瓦胡島上。1987年加拿大研制出單機(jī)容量為4.0MW的立軸達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組，安裝于魁北克省的凱普-柴特。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，單機(jī)容量在100KW 以上的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班 牙等國取得了快速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代，單機(jī)容量為100200KW的機(jī)組已 在中型和大型風(fēng)電場中成為主導(dǎo)機(jī)型。同時單機(jī)容量在1MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 也研制開發(fā)成功，并在風(fēng)電場中成功運行。中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預(yù)計未來很長一段時間都將保持高速發(fā) 展，同時盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升?！笆?/p>

4、五”期間，我國風(fēng) 電產(chǎn)業(yè)仍將持續(xù)每年10000兆瓦以上的新增裝機(jī)速度，風(fēng)電場建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、 風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為投資熱點，市場前景看好。1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變 化，而不影響輸出電能的頻率?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)目刂?，使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或 接近最佳值，從而可以最大限度地利用風(fēng)能。另外，對于恒速風(fēng)機(jī)來說，當(dāng)風(fēng)速 躍升時，巨大的風(fēng)能將通過風(fēng)輪機(jī)傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部 件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，如果這種過程重復(fù)出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞， 因此設(shè)計時應(yīng)該加大安全系數(shù)，從而導(dǎo)致制造成本增加。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)采取變速 運

5、行時，當(dāng)風(fēng)速躍升產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪吸收以功能的形式 儲存于高速運轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，從而避免主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力。當(dāng) 風(fēng)速下降時，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿?電網(wǎng)，風(fēng)輪的加速、減速對風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用，使風(fēng)力機(jī)內(nèi)部能量 傳輸部件的應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 運行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點：1）最大限度的捕捉風(fēng)能。2）較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應(yīng)由于風(fēng)速變化引起的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。采用一定的控制策略（如矢量PWM）可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，對電 網(wǎng)而言這種系統(tǒng)電網(wǎng)圖

6、1.1變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為使風(fēng)力機(jī)組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進(jìn)行有效的控制?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1）風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2）運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下 具有魯棒性；3）控制代價小.即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時問等；4）最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機(jī)在每 一種風(fēng)速時，輸出的電功率達(dá)到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量;5）風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，需要一種功率轉(zhuǎn)換裝置將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電 能控制為恒

7、頻。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1）發(fā)電機(jī)把風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?）發(fā)電機(jī)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件（如GIR、IGBT、GTO等）構(gòu)成的AC/D變 流器，采用一定的控制方法將發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻的交流轉(zhuǎn)換為直流。3）直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。4）網(wǎng)側(cè)變流器由自關(guān)斷器件構(gòu)成的DC/AC變流器，采用某種控制方法使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗾也ń涣麟姡ㄈ?0Hz、690V的三相交流電），并能有效的補(bǔ)償 電網(wǎng)功率因數(shù)。5）變壓器通過變壓器以及一些開關(guān)設(shè)備和保護(hù)設(shè)備，把電能變?yōu)楦邏航涣?電（如11kV或33k V等）。其中24可稱為變頻器，其能量流向在某些控制方案中是雙向的，上述變頻 器為交一直一交

8、變頻器，也有采用交一交變頻器的。另外，在有的方案中發(fā)電機(jī) 的全部功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進(jìn)行轉(zhuǎn) 換。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送電能時，作為恒輸出功率 的異步發(fā)電機(jī)以超同步轉(zhuǎn)速運行。這個特征在速度高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時損失了風(fēng) 能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行的。為使異步發(fā)電機(jī)作為一 種變速、恒頻裝置運行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個整流器、一個直流耦合變換器和一 個有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導(dǎo)體整流器整流為直 流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。這種能量既可以由定子、 也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)

9、中，故稱雙輸出異步發(fā)電機(jī)。此時整流器和逆變器兩 者組成了一個從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置?？刂颇孀兤鞯哪孀兘?，就 可以改變逆變器的電壓。該異步發(fā)電機(jī)是作為一臺雙輸出感應(yīng)發(fā)電機(jī)以超同步速 度運行的。這實際上是異步發(fā)電機(jī)的串級調(diào)速在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。逆變器整流器圖2.1雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理工作原理圖 雙輸出異步發(fā)電機(jī)的工作原理工作原理如圖2.1所示。2.1三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求及額定數(shù)據(jù)參考異步電動機(jī)的電磁計算程序確定電機(jī)的電磁 負(fù)荷，計算定子、轉(zhuǎn)子沖片和鐵心各部分尺寸及繞組數(shù)據(jù)，進(jìn)而核算電機(jī)各項參 數(shù)及性能，并對設(shè)計數(shù)據(jù)做必要的調(diào)整，直到達(dá)到要求。但異步電動

10、機(jī)與異步發(fā) 電機(jī)是有差異的，故不能直接引用而必須重新分析計算。以下所述內(nèi)容均基于上 海電器科學(xué)研制所出版的中小型三相異步電動機(jī)電磁計算程序滿載電勢系數(shù)1-七取值范圍不同，異步電動機(jī)一般在0.850.95之間， 而異步發(fā)電機(jī)的要大得多，一般在0.951之間；異步電動機(jī)中1 - =1-(i r + i -X )，由于異步發(fā)電機(jī)中U與I之間的ep 1 k 111夾角大于90。，因而某些項目的符號必須改變；異步電動機(jī)中廠=k X (廠)2 1 + (k 廠)2用于異步發(fā)電機(jī)時誤差較大，k m 1 pm k應(yīng)導(dǎo)出新的計算公式。電動機(jī)計算鐵耗時對應(yīng)于空載時的電勢，而發(fā)電機(jī)滿載時的鐵耗應(yīng)對應(yīng) 于滿載電勢F

11、= 1 -8 e；r用廠=(1-8)/廠更接近發(fā)電機(jī)實際情況。m me u另外，在設(shè)計過程中還要注意適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)的過載能力和功率因數(shù)，在保護(hù)線 路上也要采取措施。2.2三相異步發(fā)電機(jī)電磁計算程序 額定功率=600KW 額定電壓U N =690 V ； U沁=% = 398.4 VP P功電流I =- = 一一 = 502.04 AKW3U n mU 效率門=0.96 功率因數(shù)cos中=0.88(滯后) 極對數(shù)P =2 定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z =48 ,Z2 =40 (取 q 1=4 )定、轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)： TOC o 1-5 h z 定子 Z =產(chǎn)=12 pi2 p Z轉(zhuǎn)子 ZP 2 = 2p =1(

12、9)定、轉(zhuǎn)子每極每相槽數(shù)：定子 Z . = -Z =4 p12 pm轉(zhuǎn)子 Z = Z2 = 1/3 p 22 pm(1)定子外徑：由經(jīng)驗公式可得2極對小型電機(jī)滿載電勢標(biāo)么值K = .92 + .886ln P =.975EN計算功率：p = K= 664.773 x 13 VAE cos中初選 a =.72 , k、n =1.12 , Kd1 =.98, A =46 A/m ,B =.72 T,假 定 n =145 r/min .于是得： 5y =6.1. 1 . pa、K KABn、p Nm dp15= .1685 m3取入=.74則D1 =3 2pV =.569 mD; = D1 /(D,

13、J D )=1.15m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸最后確定D 1 =1.2 m(11)定子內(nèi)徑 D =.57 m鐵心的有效長度l = V =0.329 me D 2i1取鐵心長I, =0.325 m氣隙 由經(jīng)驗公式 8= 0.3(0.4+7(D7)X10-3 = 1.02x10-3mi1 i 轉(zhuǎn)子外徑D 2 =0.568 m(14)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑D 22 =0.08 m(15 )鐵心有效長度(無徑向通風(fēng)道)lf = l. + 8 = 0.325+2 x 1.02 x10-3=0.327m兀D(16)極距 t = 一=0.4477 m2 P定、轉(zhuǎn)子齒距：兀D定子t1 =方口 = 0.0373 m1轉(zhuǎn)子12 = 112

14、 =0.0448 m2定子繞組采用單層繞組轉(zhuǎn)子斜槽寬 (匕取一個定子齒距)于是 匕=0.0375 m兀D A cos甲 兀 x 0.57 x 46000 x 0.88 _ 每相導(dǎo)體數(shù)N =一n =48SI3 x 502.04單層線圈N s1 =每相線圈匝數(shù)=3 每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)N =- =48e1m aN每相串聯(lián)匝數(shù)N1 =穿 =24 繞組線規(guī)設(shè)計N A =- =98.36 mm 2da1 J1I，(定子電流初步值)=Ikw =570.5 A1cos中（23）槽滿率：初步取氣=1.5T估計定子齒寬bi10.0373 x 0.720.95 x1.5= 0.01885 mFe i1初步取Bj1=1.

15、5 Thj10.4477 x 0.72 x 0.72 , =0.977m2 x 0.95 x1.25b 1=0.0196 m(取 h = 0.0008m, h = 0.078m, r = 0.014m )(h22 = 0.142, h02 = 0.0005, j = 0.008, b 2 = 0.02425 )1)槽面積 A =氣 *、(h h) + 竺1 =0.00217 m2s 2 s 2(b疽 0.021m )2)槽絕緣占面積：單層 A = (2h +兀r ) =0.00059 m2i i s 213）槽有效面積4）槽滿率（24 ）繞組系數(shù)1）分布系數(shù)Aef=As - Ai =0.001

16、58 m2dpNi1Aef=K 1Kp1Ns1d 2 x 100% =0.78 （符合要求）.q a sm _27aq srn_.4 x 20。sin220。4sin 206竺=0.92540.69462)短距系數(shù)Kp1=sin 2 3 =1所以Kdp =K d 1Kp1 =1 x 0.9254=0.9254(25)每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)% Kdp1 =48 x 0.9254= 443結(jié)束語根據(jù)前面的發(fā)電機(jī)設(shè)計得出以下結(jié)論：本發(fā)電機(jī)采用雙輸出異步發(fā)電機(jī)，采 用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。電機(jī)具體參數(shù)如下表：表3-1.電機(jī)基本參數(shù)電機(jī)基本參數(shù)額定輸出功率600KW額定功率因數(shù)0.88額定電壓690V極數(shù)4極頻率50HZ效率0.9594轉(zhuǎn)速1490轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)矩2.45牛米槽滿率0.78電路類型三相星型表3-2定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)定子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)定子槽數(shù)48轉(zhuǎn)子槽數(shù)40定子外徑1.02m轉(zhuǎn)于外徑0.56