孟大伟;刘平宙
【摘 要】This paper summarizes the running characteristics for high slip wound asynchronous wind generator, analysis of similarities and differences between asynchronous generator and motor, for existing asynchronous motor excitation parameters are calculated to improve, puts forward 1MW outer resistance high slip wound asynchronous wind generator design scheme, giving the calculation method of rotor losses distribution and electromagnetic design features. Based on the exact equivalent circuit, we compiled high slip wound asynchronous wind generator CAD soft. Examples proved that the design scheme is correct.%对高滑差绕线异步风力发电机的运行特点进行了概述,分析了异步发电机和电动机设计的异同点,对现有异步电机的激磁参数计算进行改进,提出了1MW外接转子电阻高滑差绕线式异步风力发电机的设计方案,给出转子损耗分布的计算及电磁设计特点,根据准确的等值电路编写了高滑差绕线异步发电机CAD软件.实例验证高滑差绕线异步风力发电机的设计方案正确. 【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》 【年(卷),期】2011(016)004 【总页数】5页(P26-30)
【关键词】绕线式异步电机;风力发电机;高滑差;外接电阻;计算机辅助设计 【作 者】孟大伟;刘平宙
【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080 【正文语种】中 文 【中图分类】TM315 0 引言
目前在风力发电领域，应用最为广泛的发电机是双馈式异步风力发电机和直驱永磁式风力发电机，人们对于这两种发电机的研制和生产给予了足够高度的重视，并进行了深入研究［1－2］.本文所设计的是高滑差绕线式异步风力发电机，这种发电机用于驱动一级风场中两桨式风机.
高滑差绕线式异步风力发电机去除了双馈式风力发电机转子复杂的电子控制部分，改用转子外接电阻的设计方案，节省了一次投资和控制部分的维护费用.相对于双馈式异步风力发电机和直驱永磁式风力发电机，这种发电机体积小、制造工艺简单、易于维护，同时它具有较软的输出特性，因此风速变化时，它可以有效地吸收或释放的动能，减小风力发电机输出功率的脉动，从而使发电机与电网之间的电流变化将大大减小，增加了电网系统的稳定性.高滑差绕线式异步风力发电机与普通的异步发电机相比，在额定功率点的效率要低一些，但其效率曲线比普通异步发电机更平坦.因为风力发电机大部分时间是在低于额定功率的区域发电，此时高滑差绕线式风力发电机效率比普通异步发电机要高，长期运行其节能效果不比普通异步发电机差［3－4］.虽然笼型高滑差异步发电机也具有上述特点，但是其高滑差运行时转子发热严重，将对电机的绝缘造成严重的损害，运行可靠性差.高滑差绕线异步风力发电机由于采用转子外接电阻的设计，发电机高滑差运行时转子上产生的热耗绝大部分由散热条件良好且又耐高温的外串电阻承担，这样很好地解决了电机高滑
差运行时转子温升过高的难题.
1 高滑差绕线式异步风力发电机设计计算模型 1.1 高滑差绕线式异步发电机电磁设计的改进
虽然异步发电机和异步电动机是异步电机的两种不同的运行状态，但异步发电机的设计不能照搬异步电动机的电磁设计程序，或是用容量相近的电动机作为发电机来用.图1是异步发电机T型等效电路图，根据基尔霍夫定律，得到异步发电机的电势方程.
其中s是负值. 图1 T型等效电路
根据上述方程，得到异步发电机和异步电动机的相量图，如图2，3所示. 图2 异步发电机相量图 图3 异步电动机相量图
由图2可见，电机作为发电机运行时，转子电流的有功部分反向，从而使定子电流的有功分量方向亦反向，使相角φ＞90°.这表示，在做发电机运行时，定子电流的有功分量不是从电网输入，而是向电网输出，对于无功部分，和电动机运行时一样，由电网供给，用来产生气隙磁通及漏磁通，即异步发电机在向负载输出有功分量的同时，还要从电网吸取感性无功电流或向外输出容性无功电流［5］. 虽然异步发电机与异步电动机都是由电网提供励磁电流，但通过比较图2和图3的矢量可以看出有以下不同点:
1)异步电动机的电压比相差比较大，而异步发电机的相差比较小，在发电状态时，其满载电势系数KE=1－εL比电动机状态时大，一般异步电动机KE=0.90～0.95，而异步发电机KE=0.95～1，在设计异步发电机时，如果仍按照电动机的感应电势计算方法，由于感应电势增加，电机饱和度提高，使电机所需的激磁电流激增，并
网运行时，将会从电网吸收大量滞后的无功功率，降低电网的功率因数.还会使铁耗增加，电机发热程度加重，绝缘加速老化，电机的寿命缩短.
2)异步电动机的和的夹角α较小，异步发电机的和的夹角α大一些.在异步电动机的设计程序中，许多公式都是基于α角很小的情况下，采取近似方法得到的，其设计思路仅适用于电动机，若在发电机的设计中还使用这种设计思路，将引起较大的误差.由于现在计算手段的飞速发展，可以采用复杂的复数计算公式进行计算，以得到更准确的计算结果.
3)发电机中，定子电压和电流的夹角φ1＞90°，而电动机中φ1＜90°，所以在设发电机的计算程序时，部分公式的的符号必须改变，否则将导致计算结果不正确. 由于在电磁开始计算时，电机的感应电势系数KE并不知道，且T型等效电路为串并联电路，直接用它进行分析计算比较困难.而现行的异步电机计算方法都是基于简化的Γ型等效电路，简化虽然为计算带来了很大的方便，但也带来了计算上的误差.
为了满足工程计算中的准确度及计算分析的方便，我们基于图4所示的准确Γ型等效电路为分析基础，进行电机的电磁计算，根据满载铁耗求出准确Γ型等值电路中rm、xm，激磁电流及其有功分量、无功分量、满载电抗电流、定子电流、转子电流、满载电势KE及滑差率Sn的准确表达式［6－7］. 图4 准确Γ型等效电路
1.2 高滑差绕线式异步风力发电机结构设计
电机的滑差与电机转子的损耗有关，当转子损耗增加时，电机的滑差就会增大，伴随而来的是转子温升的提高，转子温升高必然会对电机的绝缘造成一定的影响，降低绝缘的使用寿命，影响电机的运行可靠性.
笼型高滑差电机是通过加大转子回路的电阻来获得高滑差率的，这样转子的损耗将
加大，发热严重.怎样解决封闭式笼型高滑差率电动机的散热，是设计和生产这种电机的难题.将笼型高滑差电机改为绕线转子外串电阻的设计方案，用绕线异步电机，通过连接装置将转子的三相绕组与外接电阻串连，外接电阻与转子同轴，电机工作时，外接电阻与转子一起旋转，电机转子在高滑差运行状态下转子部分产生的热量由外串电阻来承担，可以有效地解决转子的散热问题. 1.3 高滑差运行时转子损耗计算
令发电机满载运行时，绕线转子的相电压为E2L.根据绕线电机转子电流的计算公式，来推导转子回路中的损耗.
1)转子回路中不接外串电阻时，转子损耗的计算. 转子不接外串电阻时，转子电流
式中:P2为发电机输出额定功率;Pfw为机械损耗;Ps为杂散损耗;PXZFe为旋转铁耗;Sn为无外串电阻时的滑差率. 此时，转子损耗为:
2)转子回路中接外串电阻时，转子绕组损耗和外串电阻损耗的计算. 转子接入外串电阻式，转子中的电流
其中，E'2L为接入外电阻时的感应电势;S'n为接入外电阻时的滑差率. 此时，转子绕组的损耗为:
外串电阻的损耗为:
式中RW为转子每相外串电阻值.
转子部分总损耗为:
2 高滑差绕线式异步风力发电机电磁设计特点
风力发电机组的发电机部分装在机舱内，散热环境差，若采用笼型高滑差异步发电机时，转子因损耗大而致使其温升很高，对发电机的运行非常不利，而普通异步发电机应用在风力发电中，其随风速变化输出功率的波动又大，对电网的稳定运行很不利，鉴于高滑差异步发电机所具有的输出特性，我们对笼型高滑差异步电机进行了结构上的改动，如2.2节所述.在异步发电机中，滑差率Sn＜0，又E2L与E'2L相差极小，可视为其相等，比较式(4)和(6)得:
由此知，当发电机转子外串电阻时，转子电流略有减小，由于转子电流的减小，所以转子绕组部分的温升有所降低.一般高滑差异步发电机的滑差率在4%到10%之间，由于绕线异步发电机采用转子绕组外接电阻的散热方式，散热效果好，所以其滑差率可以设置的更高一些，但是滑差率过高会影响发电机的效率. 进行高滑差绕线异步风力发电机电磁设计时，遵循以下几点要求:
1)在高滑差运行时，为了获得高的发电机效率，要降低磁通密度，以改善发电机功率因数及降低定转子损耗，采用低损耗硅钢片;
2)适当减少定子绕组匝数，以提高发电机过载能力.减小气隙来提高发电机和电网的经济指标，增强电机对电压波动的适应能力;
3)先完成定子绕组接，转子绕组Y接，转子外串电阻RW=0的电磁设计，求出发电机转子没有外串电阻情况下转子的损耗PCu2，并得出此时发电机的各项参数; 4)连续改变转子绕组外串电阻的值，直至达到设计要求的高滑差值，计算出发电机在额定高滑差率下电机的各项电磁性能参数，此参数作为电机性能考核的依据，并求出高滑差运行状态下外串电阻RW的值，转子电流I'2，转子绕组部分的损耗
P'Cu2及外接电阻的损耗PRW.
3 高滑差绕线式异步风力发电机CAD系统
基于准确的Γ型等值电路，推导出高滑差绕线异步风力发电机的电磁计算程序，并用通俗易懂的VB语言编写了CAD系统［8］.该CAD设计系统包括数据输入、数据存储、数据库打开、电磁计算、计算结果输出、保存、打印、工作特性曲线的绘制等功能［9］.当输入数据界面的“高滑差计算=YES”，“高滑差值Sn=”有设定值(不能小于非高滑差运行时的滑差值)时，该计算单里将包括发电机非高滑差运行时的所有计算参数和高滑差运行时详细的计算参数，这两块参数放在同一个计算单里，便于对比分析两种不同运行状态的参数变化. 图5 CAD软件界面 图6 工作特性曲线(RW≠0) 4 实例设计及分析
以一台YFF355－4，1000 kW三相4极高滑差绕线异步发电机设计为例，额定输出功率PN=1 000 kW，电压UN=690 V，额定频率f=50 Hz，额定转速nN=1 560 r/min(外接固定电阻)，定子外径D1=750 mm，Di1=520 mm，铁心长L=890 mm，极数p=4，气隙δ=2.5 mm，定子槽数Q1=84，转子槽数Q2=72，电子绕组接法4－△，转子绕组接法4－Y，采用本套CAD电磁计算程序进行计算，部分设计值和试验参数如表1所示，不同功率等级所对应的效率如表2所示. 通过表1的部分性能数据可以看出:绕线异步发电机转子绕组外串电阻，在额定滑差运行时，相比于电机无外串电阻运行时，转子电流减小了2.81%，和实验数据相差不大，且高滑差运行时转子部分所产生损耗的73.08%由外串电阻承担，转子绕组高滑差运行电流减小使转子绕组的损耗降低5.51%，这样既实现电机的高滑差运行，又解决了电机高滑差运行时转子的散热问题;通过实验发现转子的设计值和实验值相差很小，表明先前的设计正确.高滑差异步风力发电机可以缓冲风电机
组由于风速变化而使发电机产生电流闪变，提高了发电机运行的可靠性，而且风电机组大部分时间是在低于额定功率的状况下运行，我们希望此时机组也有高的输出效率，高滑差异步电机本身就具有这种工作特性，在低于额定功率的范围内运行时，输出效率相比额定功率运行时高，这样就提高了低功率运行风能的利用率.从表5－3可以得出，高滑差绕线式异步风力发电机在小于额定功率运行时，具有较高的效率提升，节能效果显著.数据证明我们前面的分析是正确的.发电机的滑差率、功率因数、效率及电流值均满足运行设计要求.实验结果与设计数据及设计要求相符，目前设计结果已用于实际生产.
表1 部分性能参数对比项目功率PN/kW电流IN/A转速nN/r/min滑差率Sn/%功率因数cosφ效率η%转子绕组/mΩ电阻RW/mΩ电流I2/A PCu2/WPRW /W设计值88.81110 570.00 RW≠01 000957.371
559.933.9950.92794.3310.1627.59572.2919 985.2127 108.5实验值RW≠01 000956.031 5604.0000.910 694.111.0826.85 RW=01 000940.261 516.141.0760.92096.7710.1605 83.3011 309.527 355.2
表2 不同功率时的效率对比(外接固定电阻)功率PN/kW设计效率η/%实验效率η/%24393.2594.40 50094.8695.17 75094.6494.38 100094.3394.1 125092.8691.88 5 结语
本文提出的高滑差绕线异步风力发电机的设计方案，与传统的异步发电机(包括笼型高滑差异步发电机)比较有很多优势，通过对电机电磁方案的改进，结合准确的Γ型等值电路而编写的CAD软件，能够满足高滑差绕线异步风力发电机的设计要求.解决了高滑差运行时转子的散热问题.由于该发电机具有较软的输出特性，可以有效减小因风速变化对电网产生的脉动冲击，保证电网输电质量，能够满足风力发电中电网对发电机的要求.样机试验数据与设计数据相符，设计方案取得满意效果，
已用于实际生产. 参考文献:
【相关文献】
［1］ 张学广，徐殿国，李伟伟.双馈风力发电机三相短路电流分析［J］.电机与控制学报，2008，12(5):494－794.
［2］ 姚骏，廖勇，李辉，刘刃.直驱永磁同步风力发电机单位功率因数控制［J］.电机与控制学报，2010，14(6):13－20.
［3］ 杨顺昌.并网运行的异步发电机设计中几个问题的探讨［J］.电工技术学报，1991(2):23－25. ［4］ 计宗燮.高滑差风力发电机并网运行分析［J］.风力发电，1989(1):23－28.
［5］ 汤蕴璆，史乃，沈文豹.电机理论与运行:上册［M］.北京:水利水电出版社，1983:393－394. ［6］ 陈世坤.电机设计［M］.北京:机械工业出版社，2000:250－251.
［7］ 樊亚东，文小玲.三相异步发电机电磁设计问题的进一步探讨［J］.电机技术，2000(1):13－15.
［8］ 郭佳宏，赵伟，王益龙.基于VB6.0小功率永磁直流电机CAD程序设计［J］.电脑学习，2008，4(2):80－81.
［9］ 于希伟，孟大伟，陈春光.新型复合式永磁同步电动机设计［J］.防爆电机，2009(2):6－7.
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