风力发电机的电磁设计

王海英

（海南大学 机电工程学院，海南 海口 570100）

风力发电所其所采用的发电机主要是有两种：同步发电机和异步发电机，而其采用更多的是三相异步发电机。其即可孤立运行，也可可以联网运行。异步发电机可并入电网，手续非常简单，只是将发电机的转子提高到尽可能接近的同步转速，且注意转子转向必须与定子的旋转磁场方向一致，即所谓并入电网。当电网容量足够量时，电网电压和频率都与异步发电机的转速无关。通常同步发电机若要并入电网必须整步，并入电网后可能会发生振荡与失步，这些问题在异步发电机中均都不存在。另外它的低功耗，可靠性高等，无需励磁装置和电刷，结构上简单且尺寸微型化，又坚固耐用，基本上无需维修，今已成为风力及其他发电装置最理想的设备。所以本设计考虑采用异步发电机。

1 风力发电机的结构特点

风力发电机定子主要由定子铁心、定子绕组、机座三部分组成。定子铁心是构成主要磁路的一部分。为了减少励磁电流和旋转磁场在铁心当中产生的涡流和磁滞损耗，铁心由厚度为0.5mm的硅钢片叠加而成。容量较大的电动机，硅钢片的两面应涂以绝缘漆当作片间绝缘。小型定子铁心是用硅钢片叠装而成，压紧成为就一个整体后，固定在机座内，大中型定子铁心有扇形冲片拼成。

在定子铁心内圆，均匀地冲有很多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组的。小型感应的电机主要采用半闭口槽，还有高强度漆包线绕成的单层绕组，线圈与铁心之间垫有槽绝缘。半闭口槽还可减小主磁路的磁阻，使励磁电流减少，但嵌线比较不方便，中型的感应电机通常都采用半开口槽。大型高压感应电机一般用开口槽，以方便嵌线。为了得到比较高的电磁性能，大中型异步电机一般采用双层短距绕组。

转子主要是由转子铁心、转子绕组、转轴组成。转子铁心也是主磁路一部分，一般由厚0.5mm的硅钢片叠加而成，铁心固定在转轴和转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形，转子绕组又可分为笼形和绕线形：笼形绕组是个自行闭合的绕组，它由插入的每个转子槽中的导条和两端固定环形端的环构成，若去掉铁心，则整个绕组就形如一个“圆笼”，所以称为笼形绕组。为节约铜材料和提高生产率，小型笼形电机大多用铸铝转子。

2 双输出异步发电机其性能

就目前来说做风力发电的风力发电机类型很多：异步发电机，同步发电机，永磁发电机等。在这讨论的系统选用的是双输出异步发电机，其性能和优越性如下所述：

风能系统中常用的能量转换器一直是异步发电机，前已述说异步发电机并入电网的手续由于非常简单，所以只要将转子带动起来，让其尽可能接近同步转速，并注意其转子的转向与定子的旋转磁场转向是否一致，若一致即可并入电网，通常同步发电机在并入电网必须整步，并且并入电网经常会发生振荡或失步，而且变速运行的风力发电机就能捕获得更多的风能，即当风速低于其用来发出与电网同频率的电能所需的能量时，仍能利用此时的风能，再者：通过对电压和频率的动态控制手段允许发动机工作在其最大效率点，还有：电压和频率的动态控制手段使得电机励磁能够跟踪风速的变化，因此可以降低机械部分传动的能量损耗，但该机组的主要优点是风速在很小时，电能输出也很少，为此在风力发电机组的机电变换器所在线路中可利用不同极对数或不同额定功率值来获得得两台异步发电机的方法，这样可以达到增加输出能量的目的，此方案设计是在电网频率不变情况下所得，由风轮运行的工况转换为电机转速变化的工况，这样就能增加电能的输出，还可以实现机组的全面平衡起动和电磁的制动，以及电网电压发生故障时，控制线路中的伺服电动机仍然可以得到备用电源。

如果利用两台发电机，无形当中会增加风力发电机组年发电量，但同时也会增加不少电器设备的成本，增加折旧了的运行费用，因此，也可采用一台双速变极发电机来替代两台不同的额定功率值的异步发电机。

通过进一步研究还可发现，双输出异步发电机所产生的有功功率、功率因数、效率等等都较普通感应发电机的高，也即它比普通感应发电机更加具有很大的优越性。

3 双输出异步发电机的工作原理

双输出异步发电机的工作原理如图1所示。

图1 双输出异步发电机的原理图

传统异步发电机向电网输送电能是风能的转换中经常使用的，作为输出恒功率的异步发电机一般以超同步转子速度运行，该特征在其速度高于电动机的额定转速时损失了更多的风能。也就是说，该系统可以作为恒频风能转换系统来进行运行的，为使异步发电机能够作为一种变速，又能恒频装置运行，将其转子回路和1个整流器，1个直流偶合变换器和1个有源逆变器相连时，转子回路的转差频率交流电流由半导体器件整流为直流后，再由逆变器可把直流变为工频交流送回到交流电网去，该能量一是可以由定子，也可由转子送回到交流电网中去，故称为双输出异步发电机。此时整流器和逆变器2者组成了一个从转差频率转换为工业频率交流变换的装置。控制改逆变器的逆变角，还可以改变逆变器的电压，此异步发电机可以作为一台双输出的感应发电机的超同步速度并行运行，这实际上是为异步发电机的串级调速在其风能转换系统当中的应用。

这种系统中异步发电机转子侧绕组接的整流器，其是不可控整流器，与转子绕组相接交的交变频器的双馈调速比较，调节功能可要小些，其中最主要的是不可以调节定子侧的无功功率，且因逆变器的功率因数较低，使整个系统的功率因数也较低，但跟随着SCR的应用衰退，更由于网侧谐波的严重行，SCR交交变频电路就会被逆变电路所替代;且转子侧接的交交变频器时，检测和控制转差频率的电流就会存在一定的困难，采用以上所述串级系统就可以解决该问题。

[1]宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2]（日）牛山泉.刘薇，李岩译.风能技术[M].北京：科学出版社，2009.

[3]辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社，2007.

[4]刘万坤，张志英，李银凤.风能与风力发电技术[M].北京：化学出版社，2007.

[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009..

[6]高学民.电力电子与变流技术[M].济南：山东科学技术出版社，2005.

[7]薛有才，罗敏霞.线性代数[M].北京：机械工业出版社，2010.

[8]芮晓明.风力大电机组设计[M].北京：机械工业出版社，2010.