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双馈发电机的电磁设计特点分析

目录

双馈发电机的电磁设计特点分析 1

1.1主要参数选择 1

1.2计算功率 4

1.3转子绕组的设计 5

1.4谐波的削弱与抑制 6

1.5效率的提高途径 7

交流励磁双馈发电机电磁设计，除参考普通交流电机电磁设计外，同时也要兼顾到很多自己的特性。双馈发电机和普通交流电机在设计上的主要区别是：

(1)应考虑转子变频器参数和电机参数相匹配；

(2)应考虑到电机所处环境——在变速恒频风力发电中应用；

(3)电机体积相对较大。以下是参考传统异步电机与同步电机的设计，对双馈发电机主要设计特性进行了研究。

1.1主要参数选择

1.1.1主要尺寸确定

电机主要规格为电枢铁心直径及长度。电机各大尺寸的基本关系式如下[5]

(1.1)

在式子里：D是电机定子直径；ef是电机铁心的有效长度；P是计算功率；

CA是电机常数；α”是极弧常数；KNm是气隙磁场波形系数；Kdp是电枢的绕组系数；A为线电荷；B是气隙磁密。α,、KNm、K对于某一功率及转速范围较小，可以认为是常数。因此，电机主要大小关系到计算功率及电磁负荷。

1.1.2转子励磁绕组相数的选择

双馈发电机转子励磁绕组作用于转子，产生旋转磁场，理论上，两相均可使用、三相以上对称绕组，但是在实践中，例如，使用三相以上对称绕组，将加大转子励磁变频器控制的难度，降低了成本，因而不宜采用。若电机转子是由两个相对称的绕组，那么转差率s=0时励磁绕组应通直流电流，转差率s=0时，电机应

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平稳运行，它的转子要通两个相对称的沟通，这对工程实现明显不利；且转子热负荷不变时，三相绕组比两相绕组产生更大的合成磁势。而使用三相对称绕组，转子侧可使用交-直-交变频器或者交-交变频器，便于实现双馈发电机转子电流或者电压控制。

1.1.3极数的选择

针对传统同步电机，由于转子转速总等于同步转速，因而当转速一定时，它的极对数只有一个，但对于双馈发电机，因带转差操作，在一定的发电机速度范围内，它的极数选取并不惟一。双馈风力发电机定子输出容量确定时，它的转子励磁容量会随着转差率绝对值增加而增加，所以，为减小励磁容量，极数选取原则应使励磁容量在正常速度工作范围内达到最小值。根据实际经验，MW级双馈风力发电机极数一般为4或6。从降低材料消耗、减少电机成本、减小体积等方面考虑，主要使用4极为主。

4极发电机比6极体积要小，现2MW以下发电机多采用4极；4极发电机的轴中心高不宜超过710mm(对应发电机功率可达4-4.5MW),现2.5MW、3MW发电机极数多采用6极；60Hz系列的机组一般采用6极发电机。

1.1.4电压选择

发电机电压等级有600V、660V、690V、950V、3000V、6000V、12000V。

一般为低压或中压(多为低压690V)。按发电机设计观点功率3MW以上的发电机用中压较合适。低压大电流电机，嵌线、出线困难；风电中压变流器设备的价格通常较高。

1.1.5额定功率和额定转速的确定

交流励磁双馈发电机需要容许相当宽的速度范围才能正常工作，所以，合理地选取其转速、功率的额定值，在这类电机设计中很重要。

双馈发电机额定功率由电机确定、额定转速时转子联合工作的产物。针对电机额定功率进行了选取，必须先和原动机一起出力、综合特性与其他匹配，使机组整体工作在合理的状态下，二是考虑电机自身优化设计，尤其在转子电磁负荷方面、热负荷与应力水平的关系等等。双馈发电机的调速范围一般为电机同步转速的±(10%~20%),额定转速通常高于同步转速，综合原动机的出力、应力水平以及经济成本的影响，权衡双馈发电机全转速工作范围和变频器容量是否合

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理匹配。

额定转速不宜过高，转速范围不宜过宽，由于双馈发电机的转差率提高后，尤其电机超过额定转速，所付变频器加大成本较大，因此，要对风电机组和变频器之间的相互配合进行合理的优化和协调，这一方面节省了转子变频电源能力，另一方面，可提高机组整体效率。双馈发电机还可能在两种同步转速区间同时工作，这种情况通常取同步转速较高者为优，同步转速一定，电机的极对数也就随之确定。

1.1.6气隙的确定

传统同步发电机因静态稳定性问题，通常情况下，它的同步电抗不应该过大，因此，气隙又不宜过小；但是对双馈风力发电机来说，由于没有静态稳定性的问

题，因而选择气隙时，可以不考虑气隙对静态稳定性造成的影响，而双馈风力发电机则是在定子输出确定的情况下，转子励磁容量的大小和激磁电抗m的大小有关。设置励磁磁场耗费无功功率是：

Qm=3I2xm=3E2/xm