孫屹東, 黃 堅
(1. 北京中林清風信息工程技術有限公司,北京 100080;2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術研究中心有限公司,上?!?00063)
應用于風力發(fā)電機的永磁雙轉子電機
孫屹東1,黃堅2
(1. 北京中林清風信息工程技術有限公司,北京100080;2. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術研究中心有限公司,上海200063)
永磁雙轉子電機是由一個定子和內、外二個轉子構成的新穎的復合電機,該電機具有異步電動機運行的特點,且兼顧同步電機的電氣特性?;谟来烹p轉子電機這一特點,應用于風力發(fā)電機,與傳統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)相比,具有發(fā)電系統(tǒng)簡單、維護方便等優(yōu)勢,同時可提高發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)、效率和可靠性,并可明顯降低風力發(fā)電系統(tǒng)的投資費用等。
永磁雙轉子電機; 復合電機; 風力發(fā)電
目前使用最廣泛的主要是交流異步電動機和交流同步電機,但不管是哪種類型的電機,一般都只有一個定子和一個轉子。在實際的應用過程中,也存在一些不同的弱點,如交流異步電機的功率因數(shù)和效率相對偏低,交流同步電機的轉速與電網(wǎng)的頻率有嚴格數(shù)學關系,在實際應用中有時多有不便[1]。本文介紹一種新穎的電機——永磁雙轉子電機。它是由一個定子和內外二個轉子構成的復合電機,通過定子和內外轉子之間的相互作用,形成了一種新功能電機。該電機具有異步電動機運行的特點,兼顧同步電機的電氣特性,電機的效率和功率因數(shù)也明顯地改善。本文就該電機的結構、原理和應用進行簡單的介紹。
1.1永磁雙轉子電機基本結構
永磁雙轉子電機的基本結構可制成內轉子或外轉子兩種結構型式,如圖1、2所示。永磁雙轉子電機主要由定子1、主動轉子3(異步轉子)、從動轉子2(同步轉子)、端蓋6、軸承5和7、電源引接線8和轉軸4構成外定子式電機或內定子式電機;永磁雙轉子電機近似于在普通的電機定子1和主動轉子3之間增加了一個從動轉子2。
其中,內轉子電機的定子1與兩側端蓋6固接,主動轉子3與轉軸4連接,轉軸4與動力機連接,主動轉子3通過轉軸4上的軸承5支承在定子1內的兩側端蓋6上,從動轉子2通過軸承7固定在主動轉子3和定子1之間。
圖1 內轉子式永磁雙轉子電機的結構示意圖
圖2 外轉子式永磁雙轉子電機的結構示意圖
其中,外轉子電機的主動轉子3與兩側端蓋6固接,轉軸4與主動轉子3連接,轉軸4與動力機連接,主動轉子3兩側的端蓋6上設有軸承5,軸承5內固定有貫穿主動轉子3內部的軸桿,軸桿用于支持固定在主動轉子3內的定子1,定子1上的電源引接線8由軸桿引出,從動轉子2通過軸承7固定在主動轉子3和定子1之間。
定子1由定子鐵心和繞組構成。主動轉子3可以由轉子鐵心和導體構成;也可以通過鐵心鑄鋁或鑄銅而構成鼠籠轉子;也可以通過鐵心繞制線圈而構成繞線轉子。
從動轉子2由沿圓周方向間隔相連磁極構成,可由磁條通過強力膠粘接,經(jīng)環(huán)氧樹脂封裝形成滾筒狀結構,端部設有軸承室;也可以采用銅或鋁制成龍骨架固定,將磁條間隔鑲嵌在固定框架的凹槽內,形成滾筒狀結構,端部設有軸承室;也可以是由鐵心上繞線而成的他勵磁極,由環(huán)氧樹脂封裝而成滾筒狀,端部設有軸承室;也可以由鋼筒上粘接上下磁鋼組成。
1.2永磁雙轉子電機的截面結構
永磁雙轉子電機(內轉子結構型式)的截面結構如圖3所示。圖3中,5是定子1與從動永磁轉子2之間的氣隙,6是從動永磁轉子2與籠型主動轉子3之間的氣隙。
永磁雙轉子電機也可以制作成盤式結構,作為盤式結構的雙轉子電機已經(jīng)獲得了國家發(fā)明專利的授權(專利號: ZL.2012 1 0380272.X)。
圖3 永磁雙轉子電機截面結構示意圖
1.3永磁雙轉子電機的工作原理
永磁雙轉子電機的定子與普通三相異步電動機一樣,主要產(chǎn)生旋轉磁場;電機的轉軸帶動籠型轉子旋轉輸出機械功率;從動的永磁轉子相對于轉軸旋轉,轉動時作同步轉速運行。
如圖2~圖4所示,永磁轉子位于電機定子和主動轉子的中間,其本身沒有磁軛,是通過銅制的龍骨架骨鑲嵌磁條,經(jīng)粘結封裝而制成磁性滾筒。磁場磁力線經(jīng)上、下氣隙,與定子鐵心和轉子鐵心形成回路。從已知的電機原理可以知道,定子與永磁轉子構成了同步電機,永磁轉子與籠形轉子構成了異步電機,當作為電動機工作時,定子三相交流電產(chǎn)生的旋轉磁場帶動永磁轉子作同步運行,同時永磁轉子帶動籠形轉子作異步運行,此時電動機的機械輸出與定子構成異步電動機。由于電動機采用了永磁轉子勵磁,電動機定子不需要勵磁電流,電動機工作又顯現(xiàn)出同步電動機的電氣特性。
圖4 永磁雙轉子電機的主磁路示意圖
當電動機的機械輸出軸由于外力的作用,機械轉速超過電動機的同步轉速時,此時電動機轉為發(fā)電機工作狀態(tài),同樣可以知道,此時作為發(fā)電機具有同樣的特性,反映在電氣上又顯現(xiàn)出同步發(fā)電機的特性,反映在運行上又具有異步發(fā)電機的特點。
由于永磁轉子的存在,可改善電機的功率因數(shù);同時由于永磁轉子的作用,使氣隙磁場與轉子繞組的耦合作用也比普通異步電動機為好,電動機的效率也可適當提高。永磁雙轉子電機具有異步電機的運行特點和同步電機的電氣特性,是異步電機、同步電機與新材料的結合,對傳統(tǒng)的電機也是一次創(chuàng)新。當作為電動機應用時,可改善電機的功率因數(shù)和效率,對節(jié)能降耗具有現(xiàn)實意義;同時它所具有的發(fā)電機特性,即在作同步發(fā)電機運行時,其機械轉速不必遵循同步轉速的約束,而像異步電動機一樣隨負載的變動可在一定范圍內調整。這種獨特的同步發(fā)電特性,還有待于作更深入的研究。下面就作為發(fā)電機應用于風力發(fā)電的情況進行探討。
2.1目前的應用情況
作為風力發(fā)電的心臟,發(fā)電機承擔了將機械能轉化為電能的任務,直接影響到轉換過程的效能、效率和供電質量。在過去的20多年期間,隨著風力發(fā)電技術的不斷進步,風力發(fā)電機組的單機容量也不斷增大,技術也已逐步成熟。目前風力發(fā)電機主要采用兩種類型: 雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機。
(1) 雙饋異步發(fā)電機。雙饋異步發(fā)電機在結構上與繞線式異步電動機類似,定轉子三相對稱,轉子電流由滑環(huán)接入。風速的變化通過增速齒輪箱傳遞到發(fā)電機,為了保持定子電流頻率的恒定,由變頻器控制轉子電流的頻率,使得發(fā)電機的轉子轉速能夠適應風速的變化。其工作原理如圖5所示。
圖5 雙饋異步發(fā)電機工作原理圖
(2) 永磁同步發(fā)電機。永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)是以永磁同步發(fā)電機和全功率變頻器為核心的風力發(fā)電系統(tǒng)。風力發(fā)電機定子通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網(wǎng)相連,變頻器將風力發(fā)電機發(fā)出的頻率不停變化的交流電,整流成直流電,再逆變成電壓頻率和幅值以及相位一致的交流電回饋電網(wǎng)。其工作原理如圖6所示。
圖6 永磁同步發(fā)電機工作原理圖
(3) 存在的問題。從風力發(fā)電機近幾年的運行情況來看,目前在運行的風力發(fā)電機中,大部分采用雙饋異步發(fā)電機,隨著稀土永磁材料的發(fā)展以及電子技術的進步,永磁同步發(fā)電機的使用情況也逐步增多。它們各有各自的優(yōu)缺點,作為大部分采用的雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng),存在的主要問題有: ① 需要配備增速齒輪箱,增加了塔基重量,且齒輪箱故障率較高;② 需要吸收無功功率,影響電機的發(fā)電效率,使功率因數(shù)惡化,加重了電網(wǎng)的負擔;③ 存在低電壓穿透問題;④ 由于存在電刷和滑環(huán),維護較困難。永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)存在的主要問題有: ① 全功率變流器維護較困難;② 永磁磁體在高溫和振動的情況下容易失磁,在過電流沖擊下容易出現(xiàn)不可逆退磁現(xiàn)象,有造成電機報廢的情況[3]。
2.2永磁雙轉子發(fā)電機應用情況分析
根據(jù)以上的情況,目前常用的雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機這兩種發(fā)電機各自有不同的優(yōu)缺點。如果采用永磁雙轉子發(fā)電機,可以發(fā)揮這兩種發(fā)電機的優(yōu)點,克服其缺點,其工作原理如圖7所示。
圖7 永磁雙轉子發(fā)電機工作原理
采用永磁雙轉子發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)由風葉、變速箱、永磁雙轉子電機及電網(wǎng)構成,其中變速箱為多級增速齒輪箱(如汽車常用的變速箱),根據(jù)風場的情況可采用不同的級數(shù)。由于采用永磁雙轉子電機,具有同步發(fā)電機的特性,故發(fā)電機可以采用多極電機,齒輪箱的速比不需要太大,以發(fā)電機的同步轉速確定變速箱1級速比,滿足最低風速時的發(fā)電。當風速增大超過發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)電轉差率時,應切換到下級,如此類推,可保證發(fā)電機在合理的轉差率范圍內正常發(fā)電,從而實現(xiàn)了在無需全功率變頻器電子系統(tǒng)情況下能夠同步發(fā)電。由于沒有復雜的電子系統(tǒng)和滑環(huán),發(fā)電系統(tǒng)簡單、維護方便,大大提高了系統(tǒng)的可靠性,又可節(jié)省可觀的投資,同時還可以改善發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率。這種新穎的發(fā)電系統(tǒng)所具有的良好性能,將會對風力發(fā)電行業(yè)產(chǎn)生積極的影響。
目前世界范圍內發(fā)電站基本上由同步發(fā)電機承擔,僅在個別特別的環(huán)境有采用異步發(fā)電機工作的情況。與異步發(fā)電不同,同步發(fā)電機有一個嚴格的限制,發(fā)電機的轉速與電網(wǎng)頻率必須遵循比例關系,也就是說在已知的頻率和發(fā)電機極數(shù)情況下,發(fā)電機僅能以一個特定的轉速運行,任何情況造成發(fā)電機轉速的變化,也就是所謂失步,發(fā)電機系統(tǒng)就遭到破壞,輕則造成發(fā)電機損壞,重則引發(fā)電網(wǎng)系統(tǒng)事故,為此增加了復雜電氣和機械控制系統(tǒng),以避免上述情況的出現(xiàn),同時增加了投資,降低了發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。
如上所述,如果在以同步發(fā)電機為主的電網(wǎng)系統(tǒng)中,采用永磁雙轉子發(fā)電機,可克服上述問
題,動力源不必嚴格遵循特定轉速的要求,有相當范圍的適應性,以滿足動力源的要求,如在無法嚴格控制轉速的情況下發(fā)電,不會出現(xiàn)失步運行狀態(tài),較好地適應動力源的要求。是否可期待其改善電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率,成為解決電網(wǎng)穩(wěn)定性的新手段,也帶給我們一個新的研究課題。
通過對一臺雙轉子電機試驗機進行模擬運行試驗,當轉子轉速低于同步轉速時,電機作為電動機運行,電動機為容性,此時電動機相當一臺進相機在工作;當轉子轉速高于同步轉速時,此時電機作為發(fā)電機工作,發(fā)電機功率隨著轉速的提高而適當增加,試驗結果驗證了工作原理。
永磁雙轉子電機作為一種新穎的電機產(chǎn)品,因其同時具有異步電機和同步電機的電氣特性——異步化的同步電機,擺脫了傳統(tǒng)的單轉子電機的禁錮。這種新穎的雙轉子電機在風力發(fā)電領域的應用,將擺脫復雜而昂貴的逆變器的配置,提高電機運行的可靠性,降低投資。當?shù)惋L速時,發(fā)電機可以不退出運行,作為一臺進相機工作,以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。這種新穎的雙轉子電機還可能會在許多領域得到應用,有待于今后進一步挖掘。
[1]王朔,馮浩.雙轉子異步電動機的研究[D].杭州: 浙江工業(yè)大學: 2007.
[2]王建維.雙饋異步和永磁同步風力發(fā)電機特性分析[J].自動化博覽,2010(9): 28-30.
[3]孫旭東,王善銘.電機學[M].北京: 清華大學出版社,2006.
Permanent Magnet Double Rotor Motor used in Wind Power Generator
SUNYidong1,HUANGJian2
(1. Beijing ZLQF Information Engineering Technology Co., Ltd., Beijing 100080, China;2. Shanghai Engineering Reseach Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)
Permanent magnet double rotor motor is a kind of novel composite motor, composed of a stator and the inner, outer two rotors, the motor has the characteristics of asynchronous motor and synchronous motor. Based on the characteristics of double rotor permanent magnet motor, it was used in wind power generation system. Compared with the traditional wind power system, this motor is simple, easy maintenance and other advantages. And this motor can improve the power factor of power generation system, efficiency and reliability, and obviously reduce the investment cost of wind power generation system etc.
permanent magnet double rotor motor; asynchronous motor; wind power generator
TM 315
A
1673-6540(2015)04-0058-04