風電畢業(yè)設計--交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的程序設計

1、<p>　　交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的程序設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　地球常規(guī)能源的有限性和伴隨它們消耗產(chǎn)生的一系列污染問題，是當今各國所面的嚴重問題，各國都在尋求可持續(xù)發(fā)展并且清潔的新能源。風能以其自身的優(yōu)勢被人們所關注，它取之不盡、用之不竭，在轉換為電能的過程中，不產(chǎn)生任何有害氣體和廢料，不污染環(huán)境，可以就地取材，不

2、需要運輸。</p><p>　　利用風能發(fā)電，風力發(fā)電機的設計和制造技術十分關鍵，目前，交流勵磁雙饋風力發(fā)電機已是國際主流產(chǎn)品。而在國內，交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的設計還是一個比較新型的領域。本文就交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的結構、運行原理及設計制造進行了探討。</p><p>　　首先根據(jù)電機學的基本原理，從電機學的基本理論入手，深入研究了交流勵磁雙饋電機的基本運行原理，從其等效電路出發(fā)，推導

3、了交流勵磁雙饋電機的電壓方程和電流方程,并分析了交流勵磁雙饋電機轉子量的穩(wěn)態(tài)構成和控制量與控制對象間的內在關系及交流勵磁雙饋電機的能量關系。為計算和設計此類電機提供了理論依據(jù)。</p><p>　　其次根據(jù)電機設計基本原則，結合交流勵磁雙饋電機的基本運行原理，分析交流勵磁雙饋電機的電磁設計方法，推導了交流勵磁雙饋電機的電磁設計公式，進行了典型樣機電磁方案的設計。</p><p>　　最后結

4、合交流勵磁雙饋發(fā)電機的典型樣機電磁方案，進行了交流勵磁雙饋發(fā)電機的程序設計。</p><p>　　另外還用編制的程序，對典型樣機進行了計算機的電磁計算，繪制了交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的特性曲線，并對其進行了特性分析。</p><p>　　關鍵詞　交流勵磁；雙饋發(fā)電機；風力發(fā)電；變速恒頻</p><p>　　AC-excitation Double-Fed Wind P

5、ower Generator's Programming</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The important problem all the word facing is that ,on the earth the nomal energy is not only limit ,but make a lot

6、of pollution when they are consumed.So everycountry is looking for the road to continuous and cleanly energy.On the current tendency,wind enery is widely concerned byman because it cant’t be used up forever.During the pr

7、ocess of switching electrical enery,it doesn’t produce any bad gas and waste and also dosen’t pollute circumstance;it has the characteristics of using local material</p><p>　　Using wind energy electricity ge

8、neration，wind power generator's design and the technique of manufacture are very essential. At present, the AC-excitation double-fed wind-driven generator already was the international mainstream product. But in dome

9、stic, the Ac-excitation double-fed wind-driven generator's design is a quite new domain. This article on the AC-excitation double-fed wind power generator's structure, the movement principle and the design manufa

10、cture has carried on the discussion.</p><p>　　First according to the electrical engineering basic principle, obtains from the electrical engineering elementary theory, the deep research exchange excitation d

11、ouble-fed electrical machinery's basic movement principle, embarked from its equivalent circuit, has inferred the exchange excitation of double-fed electrical machinery's voltage equation and the electric current

12、 equation, and has analyzed between the exchange excitation double-fed electrical machinery rotor quantity intrinsic relations </p><p>　　Next according to the electric machine design elementary theory, the u

13、nion AC-excitation double-fed electrical machinery's basic movement principle, the analysis exchange excitation double-fed electrical machinery's electromagnetism design method, has inferred the AC-excitation dou

14、ble-fed electrical machinery's electromagnetism design formula, has carried on the typical prototypical electromagnetism plan design.</p><p>　　Finally the union AC-excitation double-fed generator's t

15、ypical prototypical electromagnetism plan, has carried on the ACexcitation double-fed generator's programming.</p><p>　　In addition uses the establishment the procedure, has carried on computer's ele

16、ctromagnetism computation to the typical prototype, has drawn up the AC-excitation double-fed wind power generator's characteristic curve, and has carried on the characteristic analysis to it.</p><p>　　K

17、eywords　AC-excitation;doubly-fed generator;wind power generation;</p><p>　　variable speed constant frequency </p><p>　　不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目錄</b></p>&

18、lt;p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1 課題研究的意義背景2</p><p>　　1.2 交流勵磁雙饋風力發(fā)電機國內外研究歷史及其現(xiàn)狀3</p>&l

19、t;p>　　1.2.1 風力發(fā)電的歷史3</p><p>　　1.2.2 交流勵磁雙饋風力發(fā)電國內外研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3 本課題的主要內容5</p><p>　　第2章 雙饋電機的基本運行原理及結構6</p><p>　　2.1 雙饋電機的基本原理及結構6</p><p>　　2.1.

20、1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結構及工作原理6</p><p>　　2.1.2 雙饋電機的電壓方程、等效電路及電磁功率7</p><p>　　2.2 雙饋電機各種工作狀況下的能量關系和功率關系12</p><p>　　2.2.1 雙饋電機的穩(wěn)態(tài)分析及穩(wěn)態(tài)功率關系12</p><p>　　2.2.2 雙饋電機的能量轉換與額定功率15</

21、p><p>　　第3章 雙饋電機的電磁設計18</p><p>　　3.1 主要尺寸的確定18</p><p>　　3.2 電勢系數(shù)的確定18</p><p>　　3.3 有功功率和無功功率計算19</p><p>　　3.4 額定勵磁電壓、額定勵磁電流和額定勵磁容量的計算20</p><p&

22、gt;　　3.5 穩(wěn)態(tài)短路電流的計算21</p><p>　　3.6 電壓調整率的計算22</p><p>　　3.7 典型樣機方案設計23</p><p>　　第4章 雙饋電機的程序設計44</p><p>　　4.1 雙饋電機程序設計軟件44</p><p>　　4.1.1 軟件說明及其功能44<

23、/p><p>　　4.1.2 雙饋電機設計流程47</p><p>　　4.2 針對典型樣機的性能分析50</p><p><b>　　結論54</b></p><p><b>　　致謝55</b></p><p><b>　　參考文獻56</b>

24、</p><p>　　附錄1 交流勵磁雙饋風力發(fā)電機設計程序58</p><p>　　附錄2 并網(wǎng)雙饋異步發(fā)電機的控制方法82</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題研究的意義背景</b></p><p>　　風能是大自然中蘊藏豐富、可

25、再生、無污染的能源，考慮到有機燃料的非再生性與有限開采性以及保護生態(tài)環(huán)境等原因，大力開發(fā)利用新能源發(fā)電尤其是風能發(fā)電具有特別的現(xiàn)實意義，如今風力發(fā)電已是世界上增長最快的可再生能源，在新能源的開發(fā)與利用中獨樹一幟，成為解決常規(guī)能源尤其是石化能源帶來的能源短缺，環(huán)境污染以及溫室效應等問題的有效途徑之一。</p><p>　　在經(jīng)濟高速增長的情況下，我國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護雙重壓力。走可持續(xù)發(fā)展道路，在確保社

26、會不斷進步發(fā)展的同時保護生態(tài)環(huán)境已為越來越多的國家所共識。因此盡可能地利用潔凈能源代替含碳量高的燃料是當今世界能源發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　風能取之不盡，用之不竭，不會對環(huán)境造成污染，隨著風力發(fā)電技術日趨成熟風力發(fā)電機單機容量的不斷增大，發(fā)電質量不斷提高，已成為一種安全可靠的能源，具備了大規(guī)模開發(fā)的條件，國際國內已經(jīng)成功出現(xiàn)了兆瓦級風電機組和數(shù)百兆瓦的大型風電場，其經(jīng)濟性日益提高。另外，風電場建設周期

27、短，占地少，運行成本低廉，與煤電，核電和水電相比，其優(yōu)越性是無可比擬的。</p><p>　　風力發(fā)電作為一種新能源的出現(xiàn)，日益受到世界各國的廣泛重視，近年來得到迅速發(fā)展。作為當今世界新能源開發(fā)中最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，越來越受到世界各國的重視。從世界范圍看，歐洲和北美在開發(fā)和利用風能發(fā)電方面處于世界領先地位，尤其是歐洲的丹麥、德國和英國以及北美的美國。到2003年底丹麥風電裝機容量為3110

28、MW，此外，丹麥在近海風電方面處于領先位置。德國是風電強國，到2001年裝機容量為8000MW，占世界風電裝機容量的30%，而到2003年為14609MW，占全世界風能發(fā)電的40%。同時，德國有宏大的近海風電發(fā)展計劃。美國、荷蘭、西班牙等國的風電事業(yè)，也在迅速發(fā)展。 </p><p>　　我國是世界上風力資源較為豐富的國家之一，東南沿海、內蒙古北部、新疆、甘肅等地區(qū)均屬于風能資源豐富地區(qū)，平均風速，有效風能密度，

29、可開發(fā)利用的地區(qū)占全國面積的76%，可開發(fā)利用的風能約為25TW，海上可開發(fā)利用的風能為75TW。從八十年代初開始，我國國家科委和國家計委將新能源利用列入國家科技攻關計劃，其中就包括風力發(fā)電的科技攻關項目.到1998年底，已在全國風能資源豐富的10個省〔自治區(qū))建設了19個風電場，總裝機容量達到22.35萬千瓦，其中新疆達坂城風電場總裝機容址6.6萬千瓦，也是亞洲最大的風電場。盡管近幾年我國風電事業(yè)取得可喜的進步，但日前我國風電場總裝機

30、容量僅占全國電網(wǎng)總容量的0.07%，最高的省份是新疆，也只達到3.5%，遠不及于歐美等發(fā)達國家，這說明風力發(fā)電還遠未成為我國電力工業(yè)的一支重要力量，它還有巨大的發(fā)展?jié)摿π枰M一步開發(fā)和建設。因此，風力發(fā)電在中國能源發(fā)展中的地位及發(fā)展前景具有重大的戰(zhàn)略意義和社會意義。</p><p>　　在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求風電的頻率與電網(wǎng)頻率保持一致，即頻率保持恒定。然而由于風速隨時變化，為了最大限度

31、地捕獲風能，提高風力機的效率，要求發(fā)電機的速度可以在一定范圍內變化。因此，在風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方案中宜選取變速恒頻發(fā)電方案。在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用交流勵磁發(fā)電機，通過控制電機轉子勵磁頻率即可方便地實現(xiàn)電機轉速的調節(jié)，從而可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電運行，實現(xiàn)機組與電網(wǎng)之間的柔性連接從而大大緩解了機組軸系的機械應力并降低了系統(tǒng)成本。與此同時，采用原動機最佳效率跟蹤控制還能夠提高整個風力發(fā)電系統(tǒng)的效率，最大限度地利用風能。因此，目前在國際上交流勵磁雙饋

32、風力發(fā)電機已經(jīng)成為主流的風力發(fā)電機。在交流勵磁雙饋風力發(fā)電機組的研制方面，我國還處于起步階段，但跟蹤國外技術、結合國情，研究發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的交流勵磁雙饋風力發(fā)電機組，對我國風電技術及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有很大經(jīng)濟效益和社會效益。</p><p>　　交流勵磁雙饋風力發(fā)電機國內外研究歷史及其現(xiàn)狀</p><p><b>　　風力發(fā)電的歷史</b></p>

33、<p>　　人類利川風能的歷史可迫溯到中世紀紀甚至更早，最初是將風能轉換成機械能，以后則是將風能轉換為電能。丹麥是世界上最早利用風力發(fā)電的國家，從19世紀未便開始研制風力發(fā)電機，隨后美國和蘇聯(lián)也相繼開始各種風力發(fā)電機的研制和開發(fā)，第二次世界大戰(zhàn)后，風力發(fā)電的理論逐漸系統(tǒng)化，這時丹麥己生產(chǎn)出功率為200千瓦的風力發(fā)電機組。20世紀六十年代由于石油價格下降，風力發(fā)電處于停滯狀態(tài)，1973年以后由于石油危機的沖擊以及使用煤、石油等

34、礦物燃料發(fā)電帶來的環(huán)境污染問題，風力發(fā)電又重新受到重視，美國、丹麥、荷蘭、德國等國對風力發(fā)電的研究與應用投入相當大的人力及資金，制定了開發(fā)規(guī)劃，和優(yōu)惠的稅收政策，他們充分利用空氣動力學、新材料、計算機、電機及自動控制等領域的新技術研制和開發(fā)現(xiàn)代風力發(fā)電機及其運行技術。經(jīng)過十多年的發(fā)展，風力發(fā)電技術逐漸趨于成熟，逐漸建立了評估風力資源的計算機模擬系統(tǒng)，發(fā)展了失速控制風輪機葉片設計理論，提出和采用了新型葉片材料及翼型，研制成功變槳距控制風機

35、，開發(fā)了微機控制的風力發(fā)電機單機和機群自動控制的技術等等，這大大提高了風力發(fā)電機的效率及可靠性。這時歐美等發(fā)達國家發(fā)展風力發(fā)電主要是建立風電場，</p><p>　　隨著技術的不斷發(fā)展，風力發(fā)電機的單機容量逐步加大。在八十年代初，商品化風力發(fā)電機的單機容量為10千瓦，進入九十年代以后，容量為30~500千瓦的機組成為各國建設風電場的主導機型。目前國際上規(guī)定1000千瓦以上的風力發(fā)電機組為大型機組。單機容量愈大，成

36、本越低，經(jīng)濟效益越高，同時可減少風電場占地面積，因此一些工業(yè)發(fā)達國家紛紛斥巨資進行開發(fā)研究與試制，并取得了一些階段性成果。風機大型化是今后的一個趨勢，隨著環(huán)保呼聲的日益高漲和化石燃料資源的日趨減少。很多國家和地區(qū)都制訂了發(fā)展風電的長期規(guī)劃。歐盟提出到2010年風電裝機容量達4000萬千瓦，屆時風電將占其總發(fā)電量的12%。</p><p>　　縱觀風力發(fā)電歷史，風力發(fā)電在當今世界能源開發(fā)利用中的具有不可替代的優(yōu)勢，

37、加快開發(fā)利用風能對我國社會主義現(xiàn)代化建設具有巨大的戰(zhàn)略意義和長遠經(jīng)濟效益。</p><p>　　交流勵磁雙饋風力發(fā)電國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　20世紀80年代，國外的Ortmeger,OrtBrady,Riaz 等學者對雙饋電機在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中的原理進行了較深入的研究。90年代，Morel和Bhowink等學者進一步對雙饋電機在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用進行了理論分析，計算

38、機仿真和實驗研究，為雙饋電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用打下了理論基礎。</p><p>　　80年代后，功率器件的發(fā)展方向是高頻化，大功率，低損耗和良好的可控性，并在交流調速領域得到廣泛應用，使其控制性能可以和直流電機相媲美；90年代微機控制技術的發(fā)展，加速了雙饋電機在工業(yè)領域的應用步伐。尤其近十年來，是雙饋電機的重要發(fā)展階段，發(fā)達國家變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的生產(chǎn)技術日益成熟，大型變速恒頻水輪發(fā)電機組，兆瓦級雙饋風力

39、發(fā)電機機組和船用軸帶雙饋風力發(fā)電機相繼問世。變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組已由基本控制技術向優(yōu)化控制策略方向發(fā)展，即在額定風速以下采用最大風能捕獲控制，在高于額定風速是采用變漿距恒功率控制策略。</p><p>　　目前，風力發(fā)電在許多國家如德國，丹麥，美國等得到了大規(guī)模的應用。其單機容量穩(wěn)步上升，單機容量為5MW的風機已進入商業(yè)運行階段，變漿距調節(jié)方式迅速取代失速功率調節(jié)方式，變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式，無齒輪

40、箱系統(tǒng)市場份額迅速擴大。</p><p>　　過去20年，我國風力發(fā)電機的制造已有一定規(guī)模，目前，包括發(fā)電機、齒輪箱、機艙、主軸、塔架、轉向系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等都可由國內制造，并網(wǎng)風力發(fā)電機組計算機控制系統(tǒng)的研制取得了很大進展，在關鍵的風力發(fā)電機組電機電氣技術及裝備和風電場集中及遠程控制技術方面也取得了突破。</p><p>　　但總的來說，我國的風電設備與國外相比還有相當?shù)牟罹?。我國對雙饋電

41、機及其控制技術的研究始于上世紀90年代。近年來，許多研究所已加強了對雙饋電機應用技術的研究，在雙饋電動機調速控制和變速恒頻水輪發(fā)電機研究基礎上，開展了對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的研究。目前，大多數(shù)研究還僅限于實驗室，也有部分成果應用于生產(chǎn)，但從總體來看，對于雙饋電機的研究設計在我國還處于新的起步階段。在國際上，兆瓦級機組已是主流產(chǎn)品，這給國內研究人員提出了新的挑戰(zhàn)，同時也給了我們新機遇。</p><p><b

42、>　　本課題的主要內容</b></p><p>　　本文就交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的電磁設計主要做了以下三各方面的工作</p><p>　　1．深入研究分析了交流勵磁雙饋風力發(fā)電機的結構、運行原理及其能量關系，并分析了轉子穩(wěn)態(tài)量的計算和構成以及控制量與控制對象的關系；</p><p>　　2． 針對交流勵磁雙饋電機的電磁設計特點，推導了交流勵磁雙饋風

43、力發(fā)電機的電磁設計公式，并參考大型異步電動機設計程序，進行了典型樣機方案的設計；</p><p>　　3． 用Visual Basic語言編制了交流勵磁雙饋風力發(fā)電機設計軟件，繪制了樣機性能曲線，并針對樣機性能曲線對樣機進行了性能分析，得到了很好的效果。</p><p>　　雙饋電機的基本運行原理及結構</p><p>　　在變速恒頻發(fā)電中得到廣泛應用的交流勵磁雙饋

44、發(fā)電機，具有定、轉子雙套繞組，可以從定、轉子兩側回饋能量，兼有同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的特點，控制靈活性好，具有較好的無功調節(jié)能力。本章將從電機學的基本理論入手，研究交流勵磁雙饋電機的基本運行原理及其電磁特性，并從其等效電路出發(fā)，分析交流勵磁雙饋電機轉子量的穩(wěn)態(tài)計算及構成，揭示控制量與控制對象間的內在關系，最后推導了交流勵磁雙饋電機的定、轉子有功功率和無功功率的關系及能量關系。為計算和設計此類電機提供了理論依據(jù)。</p>&

45、lt;p>　　雙饋電機的基本原理及結構</p><p>　　雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結構及工作原理</p><p>　　交流勵磁雙饋發(fā)電機定子三相繞組接入電網(wǎng)，轉子繞組也采用多相平衡繞組（一般為三相），經(jīng)交-直-交變頻器通入頻率，相位，幅值可調的三相低頻勵磁電流，變頻器一般也經(jīng)變壓器接至電網(wǎng)，如圖2-1所示。</p><p>　　對于交流勵磁雙饋電機，轉子繞組中通入

46、低頻的三相交流電流，定子和轉子三相繞組均產(chǎn)生旋轉磁場，定子形成的旋轉磁場，其旋轉速度為對應于電網(wǎng)工頻的同步轉速，風速為，為轉子提供電頻率f2的三相電流，轉子產(chǎn)生對應于電頻率的旋轉轉速為的旋轉磁場。根據(jù)感應電機定，轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場相對靜止的原理(對的，電機學)，交流勵磁雙饋風力發(fā)電機運行時電機轉速與定，轉子繞組電流產(chǎn)生的旋轉磁場轉速有以下關系</p><p><b>　　(2-1) </b&g

47、t;</p><p><b>　　用頻率表示即是 </b></p><p>　　(2-2) </p><p>　　式中 —定子旋轉磁場轉速</p><p>　　—風速（電機轉速更好，應為可能存在加速齒輪箱：直驅式）</p><p>&

48、lt;b>　　—轉子磁場轉速</b></p><p><b>　　—定子電流頻率</b></p><p><b>　　—電機極對數(shù)</b></p><p><b>　　—轉子電流頻率</b></p><p>　　從上式可知，當風力發(fā)電機轉速即風速發(fā)生變化時，相

49、應調節(jié)轉子電流頻率，可使定子電流頻率保持恒定，即與電網(wǎng)頻率保持一致，實現(xiàn)風力發(fā)電機的變速恒頻的目的。當時，電機處于亞同步運行，變流器向轉子提供交流勵磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)？(怎么理解, 不像電動機狀態(tài))，轉子從電網(wǎng)吸收能量；當時，電機處于超同步運行，此時定、轉子同時發(fā)出電能給電網(wǎng)；當時，，變流器向轉子提供直流勵磁，此時發(fā)電機作同步機運行。（對風機狀態(tài)要了解）</p><p>　　雙饋電機的電壓方程、等效電路及電磁

50、功率</p><p>　　1．交流勵磁雙饋電機的特點是</p><p>　?。?）轉子勵磁繞組通過變頻器與電網(wǎng)連接，轉子是一個有源網(wǎng)，轉</p><p>　　子電流由氣隙磁場在轉子繞組內的感應電勢和變頻電源的電壓共同產(chǎn)生；</p><p>　?。?）電機的勵磁由定，轉子雙邊勵磁；</p><p>　　（3）定子側的功率

51、，不僅由原動機來調節(jié)（原動機怎么調節(jié)？），而且通過調節(jié)轉子電流頻率，幅值和相位來實現(xiàn)。</p><p>　　發(fā)電機的電壓、電流和電動勢的正方向這里按電工慣例規(guī)定，把轉子各物理量折算到定子方，定子按發(fā)電機慣例，得到交流勵磁雙饋電機的等效電路圖如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 雙饋電機等效電路</p><p>　　2．電壓、電流方程 根據(jù)等效電路可得到以下方

52、程</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　式中 —定、轉子電壓相量</p><p>　　—氣隙磁場感應電動勢相量Im*(Rm+jXm)</p><p>　　—定轉子電流和勵磁電流相量</p><p><b>　　—定、轉子電阻</b>&l

53、t;/p><p>　　—定、轉子漏抗和勵磁電抗，同時記</p><p>　　轉子側各量均已歸算到定子側</p><p>　　由交流勵磁雙饋電機的電壓電流方程得交流勵磁雙饋電機的時空相量圖如圖2-3。</p><p>　　3．定、轉子電流 從交流勵磁雙饋電機電壓方程解出定子和轉子電流，有</p><p><b>　

54、　(2-4)</b></p><p><b>　　(2-5) </b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　不難看出，定子和轉子電流均由兩部分組成：第一部分為定子邊加有電壓，轉子短路時的定子和轉子電流，此時電流相當于普通感應電機內的電流；第二部分則是轉子邊加有電壓，定子邊短路時的定子

55、和轉子電流，即</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　轉子為同步轉式，s=0，，轉子電流頻率為0 （即為直流），此時（2-44）和（2-5）成為</p><p><b>　　(2-8)</b><

56、/p><p>　　式中為激磁電勢，為同步阻抗</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　為功角，不難看出，式（2-9）中的即為通常同步發(fā)電機的定子電流。</p><p><b>　　4. 電磁功率</b></p><p>　　若定子相數(shù)為,按發(fā)電機慣例

57、，電磁功率為</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　其中第一項等于</b></p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　第二項等于Pm2</b></p><p&g

58、t;<b>　　(2-13)</b></p><p><b>　　第三項等于</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　第四項等于</b></p><p><b>　　(2-15)</b>&

59、lt;/p><p>　　第三項和第四項的和為</p><p><b>　　(2-16) </b></p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　不難看出，為時（即轉子短路時）電機的電磁功率，即普通籠型感應電機的電磁功率；則是時（即轉子供電，定子短路時）由定子電阻所引起的電磁功率；

60、和則是和的交義乘積引起的功率，總的電磁功率為</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p>　　可見在一般情況下，雙饋電機的電磁功率不但與轉差率s有關，還與定、轉子電壓間的相位差角由關，這是雙饋電機的特點。</p><p>　　雙饋電機變成普通的感應電機，當s=0時，</p><p><b>

61、;　　(2-20)</b></p><p>　　是（2-20）就是通常隱極同步發(fā)電機的電磁功率表達式。</p><p>　　雙饋電機各種工作狀況下的能量關系和功率關系</p><p>　　雙饋電機的穩(wěn)態(tài)分析及穩(wěn)態(tài)功率關系</p><p>　　1． 轉子電壓、電流分析</p><p>　　為了更好地進行系統(tǒng)設

62、計和工程應用，需要揭示交流勵磁雙饋電機控制變量、中間狀態(tài)變量及控制對象之間的本質聯(lián)系，研究控制各變量的構成情況。</p><p>　　設 為基準相量，設 ，和 分別為定子電流的有功和無功分量，定、轉子均為三相對稱繞組，則有</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p><b>　　從上式得</b><

63、;/p><p>　　(2-22) </p><p>　　由式（2-22）可在發(fā)電機輸出功率已知情況下得定子電流有功、無功分量，將代入（2-3）得</p><p><b>　　(2-23) </b></p><p><b>　　(2-24) </b></p>

64、<p><b>　　(2-25)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　從而得到轉子電流、電壓的有效值</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p><b>　　(2-27) </b>

65、;</p><p>　　將式（2-22）代入式（2-24）和式（2-25）得到轉子電流相量、轉子電壓相量和控制對象間的關系</p><p><b>　　(2-28) </b></p><p><b>　　(2-29) </b></p><p>　　2.功率分析及其關系</p><

66、;p>　　由式（2-21）可求、，而、為</p><p>　　, (2-32) </p><p>　　由式（2-3）之轉子電壓方程得</p><p><b>　　(2-33)</b></p><p><b>　　將式整理代入上式有</b></p><

67、p><b>　　(2-34) </b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(2-35)</b></p><p>　　從式（2-15）得到</p><p><b>　　(2-36)</b></p>&l

68、t;p>　　記，，、分別為定、轉子銅耗。記，，，、和分別為定、轉子漏抗和勵磁電抗消耗的無功功率。從而式（2-36）可改寫為</p><p>　　(2-37) </p><p>　　式（2-37）表示雙饋電機定、轉子有功功率和無功功率關系，下面討論折算前、后有功功率和無功功率的變化情況。等效電路中轉子各量是經(jīng)過繞組折算和頻率折算的，因此轉子側的功率也是折算后的。兩種折算對有功功率

69、和無功功率的影響是不同的，繞組折算對功率無影響，即折算前、后有功功率和無功功率守衡；而頻率折算對有功功率和無功功率的影響是不同的。有功功率和頻率無關，頻率折算前、后有功功率守衡；無功功率和頻率有關，頻率折算前后無功功率是不守衡的。頻率折算后為折算前的1/s 倍，記折算后轉子的無功功率和轉子漏抗消耗的無功功率分別為、 ，則有</p><p>　　， (2-38)</p><

70、p>　　式（2-38）就是折算后轉子的無功功率和轉子漏抗消耗的無功功率。</p><p>　　雙饋電機的能量轉換與額定功率</p><p>　　把定子電壓方程乘以，可得</p><p>　　。。。。。Im=I2</p><p>　　= (2-39)</p><p><b>　　由于，故

71、上式可寫成</b></p><p><b>　　(2-40)</b></p><p>　　記為電磁功率，為定子邊功率因數(shù)，取上式實部，定子功率方程為</p><p><b>　　(2-41) </b></p><p>　　轉子電路實際頻率為，故其電壓</p><p&

72、gt;<b>　　(2-42)</b></p><p><b>　　把上式乘以，可得</b></p><p><b>　　(2-43)</b></p><p>　　記為轉子繞組傳遞的電功率，取上式實部，得</p><p><b>　　(2-44)</b>&

73、lt;/p><p><b>　　(2-45) </b></p><p>　　從式（2-45）不難看出</p><p><b>　　(2-46)</b></p><p>　　即轉子繞組轉換或傳遞的電功率為電磁功率乘上轉差率s。對于發(fā)電機，>0，故當轉差率s<0時，<0，此時轉子向變頻電源

74、輸出電功率；當轉差率s>0時，>0，此時轉子從變頻電源輸入電功率；</p><p>　　對于發(fā)電機，若軸上輸入的機械功率為，根據(jù)能量守恒原理，有</p><p><b>　　(2-47)</b></p><p><b>　　(2-48)</b></p><p>　　當轉差率s<0時

75、，轉子輸入的機械功率大部分將轉化成電磁功率由定子輸出，小部分轉化成電功率由轉子輸出，相應的功率圖如圖2-10，當轉差率s>0 時，此時定子的電功率大部分由轉子機械功率轉化而來，小部分則是由轉子輸入的電功率傳遞而來，相應的功率如圖2-4、2-5所示</p><p>　　雙饋電機在亞同步運行時，即s>0時，電網(wǎng)向轉子饋入電能，發(fā)電機總的輸出功率等于定子繞組輸出功率與轉子繞組勵磁功率之差；超同步運行時，即s

76、<0時轉子繞組向外輸出功率，發(fā)電機總的輸出功率風雨定子繞組輸出功率與轉子繞組輸出功率之和；同步運行時，即s=0時，發(fā)電機總的輸出功率為定子輸出功率。交流勵磁雙饋發(fā)電機定轉子繞組功率分配如圖2-6所示。</p><p>　　因此，雙饋電機的額定功率與一般發(fā)電機不同。它有兩個不同概念下的出力。一是定子側的出力；二是定子側和轉子側總的出力。前者相當于</p><p>　　同步轉速運行時雙饋

77、發(fā)電機的出力，它往往受到定子繞組熱容量的限制；而后者才是雙饋發(fā)電機的真正出力，因為它反應了雙饋發(fā)電機的真正出力，因為它反應了雙饋發(fā)電機對電網(wǎng)的實際貢獻。這個出力是由發(fā)電機的定子側和轉子側共同提供的。</p><p><b>　　雙饋電機的電磁設計</b></p><p>　　雙饋電機是一種新型發(fā)電機，其電磁設計特點與一般異步機或同步機有著很大的區(qū)別，對其運行要求有如下

78、主要幾點</p><p>　　1．轉子采用交流勵磁，以方便地實現(xiàn)變速恒頻；</p><p>　　2．可以靈活地進行有功功率和無功功率的調節(jié)。其中，有功功率的調節(jié)以風力機的特性曲線為依據(jù)，無功功率可以根據(jù)電網(wǎng)的無功需求進行調節(jié)；</p><p>　　3．由于風速的變化范圍很寬，要求雙饋電機不僅要高效可靠地運行于亞同步速，而且要高效可靠地運行于同步速和超同步速；<

79、/p><p>　　4．交流勵磁雙饋風力發(fā)電機通常運行于發(fā)電狀態(tài)，負載為無窮大電網(wǎng)。它和發(fā)電機接獨立負載不同，其定子電壓恒定，為電網(wǎng)電壓。</p><p>　　基于以上幾點，交流勵磁雙饋發(fā)電機的電磁設計除了參照一般的交流電機電磁設計方法以外，還應該考慮許多自身的特點。本章將根據(jù)電機設計基本原則，結合交流勵磁雙饋電機的運行原理，分析交流勵磁雙饋電機的電磁設計方法的及電磁參數(shù)選取原則，并給出了交流勵

80、磁雙饋電機的電磁設計公式，最后參照大型異步電動機電磁設計程序，進行了典型樣機電磁方案的設計，從而為交流勵磁雙饋電機的設計提供了基礎。</p><p><b>　　主要尺寸的確定</b></p><p>　　MW 級雙饋風力發(fā)電機的極數(shù)通常采用 4 極或 6極，從縮小體積﹑減少材料消耗和降低電機成本的角度來說，以采用 4 極的居多。電磁負荷對電機的主要尺寸影響很大。當采

81、用較高的電磁負荷時可以節(jié)省材料消耗，降低電機成本，縮小電機體積，但考慮到整個運行范圍內電機的溫升和效率，以及轉子采用變頻器供電時電機的諧波影響，電機的電磁負荷不應取得過高。 在電磁負荷保持恒定時，由電機的幾何相似定律可知，電機的體積及質量隨電機的功率成線性增長，尺寸以功率的立方根增長。因此在確定電機的主要尺寸時，還要考慮電機的計算功率。因此，初選電機的主要尺寸時，一般按下面的計算公式</p><p><b&

82、gt;　　(3-1)</b></p><p>　　其中， 為電勢系數(shù)，為電機的額定功率，為電機的功率因數(shù)，一般按客戶要求給定。</p><p><b>　　電勢系數(shù)的確定</b></p><p>　　繞繞式異步電機的電勢 < 、其電勢系數(shù)小于1 ,但對于交流勵磁發(fā)電機則不同，其電勢系數(shù)將隨運行點的改變而改變 ,并且其值有較大的

83、變化 ,交流勵磁發(fā)電機的電勢系數(shù)可根據(jù)交流勵磁雙饋電機的基本方程和相量圖推導電勢系數(shù)的計算公式。</p><p>　　將定子電流可以寫成復數(shù)形式</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中，為定子電流的有功分量，為定子電流的無功分量。</p><p>　　聯(lián)立式（3-2）和式（2-3）中的第

84、一個方程可以得到感應電勢的計算表達式 </p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　在電勢系數(shù)的疊代計算中，電勢系數(shù)的初始假設值的范圍應符合發(fā)電機慣例，在 1.05～1.15 左右。在工程計算中，常采用近似公式，將感應電動機的電勢系數(shù)計算式應用到發(fā)電機計算中，便有</p><p><b>　　(3-4)<

85、/b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　式中為電勢系數(shù)。</b></p><p>　　有功功率和無功功率計算</p><p>　　有功功率的核算一般是按給定的有功功率進行或是按以保證定子額定輸出為原則。有功功率的給定值通常是根據(jù)風力機的功率特性曲線給

86、出。 在額定風速以下， 為獲得最多的能量，以最大風能捕獲為原則；在額定風速以上，以額定輸出為原則。有功功率的校核通過定子電流的有功分量的疊代計算進行校核計算，計算流程如圖3-1。其中，定轉子有功功率和系統(tǒng)有功功率及相關的計算公式可由交流勵磁雙饋電機的電壓方程和電流方程（2-3）導出，即公式（式 3-6~3-13） </p><p><b>　　(3-6)</b></p><

87、;p><b>　　(3-7) </b></p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　(3-11) </

88、b></p><p><b>　　(3-12)</b></p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p>　　， X2 (3-14)</p><p>　　為定轉子有功功

89、率之和，在同步轉速以下，定子發(fā)出有功功率（），轉子吸收有功功率（）；在同步轉速以上，定子發(fā)出有功功率（），轉子發(fā)出有功功率（）。</p><p>　　額定勵磁電壓、額定勵磁電流和額定勵磁容量的計算</p><p>　　額定勵磁電壓為交流勵磁雙饋電機在額定運行時，轉子勵磁繞組所需加的電壓通過改變轉子勵磁電壓相量的幅值和相位，可以靈活地調節(jié)雙饋發(fā)電機的有功功率和無功功率。根據(jù)前面導出的計算公式

90、(2-26、2-27),轉子勵磁電壓和轉子勵磁電流的計算公式為</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　記、、分別為定子繞組相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)

91、；、、分別為繞組相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)和繞組系數(shù)。轉子勵磁電壓、轉子勵磁電流的實際值分別為</p><p><b>　　(3-17) </b></p><p><b>　　(3-18)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　交流勵磁雙饋發(fā)電機的轉子

92、接勵磁變頻器，其勵磁容量的大小直接關系到整個風電系統(tǒng)的經(jīng)濟成本，因此轉子勵磁變頻器的容量計算至關重要。 </p><p>　　由交流勵磁雙饋發(fā)電機的功率平衡關系可知：</p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　(3-20) </b></p><p>　　其中，,分

93、別為定、轉子繞組銅耗；,,分別為定、轉子漏抗以及勵磁電抗消耗的無功功率。它們的計算公式為</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　(3-23)</b></p><p><b>　　

94、(3-24)</b></p><p><b>　　(3-25)</b></p><p>　　則轉子變頻器的勵磁容量的計算公式為</p><p><b>　　(3-26)</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)短路電流的計算</b></p><p

95、>　　當交流勵磁發(fā)電機發(fā)生三相短路時 ,其穩(wěn)態(tài)短路時的等效電路如圖3-2 所示 ,利用該等效電路就可算出交流勵磁發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流。但在圖3-2 的等效電路中 ,因激勵支路的阻抗遠大于定子漏阻抗 ,為簡化可取掉激磁支路 ,而得到交流勵磁雙饋發(fā)電機穩(wěn)態(tài)短路時的簡化等效電路，如圖3-3 ,進而可得定子穩(wěn)態(tài)三相短路電流</p><p>　　圖3-2交流勵磁雙饋電機穩(wěn)態(tài)短路時的等效電路</p>&l

96、t;p>　　圖3-3 交流勵磁雙饋電機穩(wěn)態(tài)短路時的簡化等效電路</p><p><b>　　(3-27)</b></p><p><b>　　電壓調整率的計算</b></p><p>　　交流勵磁發(fā)電機的電壓調整率定義應和傳統(tǒng)同步發(fā)電機的電壓調整率定義相同,它是在保持勵磁電壓和轉速不變 ,發(fā)電機從額定負載到空載時 ,

97、空載電壓與額定電壓之差占額定電壓的百分比</p><p><b>　　(3-28)</b></p><p>　　空載時由于 ,定子電壓也就等于電勢，因此 ,計算發(fā)電機電壓調整率 ,只需計算出感應電勢即可 ,也即在保持額定勵磁電壓不變的情況下計算發(fā)電機的空載電勢 ,傳統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁電流在勵磁電壓一定時 ,是恒定不變的 ,但對于交流勵磁發(fā)電機 ,由于勵磁電壓和轉子方的感

98、應電勢都將影響轉子電流 ,因此在電壓調整率的計算中必須考慮從額定負載到空載時 ,轉子電流變化的影響 ,交流勵磁雙饋電機的空載向量圖如圖3-4。根據(jù)交流勵磁發(fā)電機磁勢平衡關系式可知 ,其定、轉子電流與激磁電流必須滿足</p><p><b>　　(3-29)</b></p><p>　　當交流勵磁雙饋發(fā)電機從額定運行到空載運行時 ,隨著定子電流的變化 ,轉子回路電流也將

99、隨之改變 ,當=0時 , ，將不等于額定運行時的激勵電流 ,它將隨著定子電流的減小而增大。由于主磁路的非線性 ,不能求出的解析表達 ,可采用迭代法求解 ,具體求解過程的步驟如下</p><p>　　(1) 假設空載時的轉子電流;</p><p>　　(2) 根據(jù)所假設的轉子電流進行磁路計算 ,得到氣隙磁通;</p><p>　　(3) 利用磁通計算轉子繞組電勢;&l

100、t;/p><p>　　(4) 由轉子電勢平衡方程式計算轉子電流;</p><p>　　(5) 比較第 (1) 、第 (4) 步的兩個轉子電流 ,如果相等 ,則用第(3) 步計算的電勢值計算交流勵磁發(fā)電機的電壓調整率;如果不等 ,則修正轉子電流重復 (2)～(5) 步 ,直到相等為止。</p><p><b>　　典型樣機方案設計</b></p

101、><p><b>　　一、基本數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　?。ㄒ唬╊~定數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　[1] 額定電壓 </b></p><p>　　[2] 功率 =1520kW</p><p>　　[3] 轉速 (1000~2000r

102、/min)</p><p>　　[4] 額定轉差率 </p><p>　　[5] 極對數(shù)P=2</p><p><b>　　[6] 額定頻率 </b></p><p>　　[7] 額定功率因數(shù) cosphiN</p><p><b>　　[8] 額定效率 </b></

103、p><p>　　[9] 額定最大電流 </p><p>　　[10] 電壓調整率 </p><p>　　[11] 轉子開路電壓 </p><p>　　[12] 轉動慣量 </p><p><b>　　[13] 噪聲 </b></p><p>　　[14] 工作溫度 -40℃~+

104、55℃</p><p>　?。ǘ┒ㄞD子鐵心主要尺寸</p><p>　　[15] 定子鐵心外徑</p><p>　　[16] 定子鐵心內徑</p><p><b>　　[17] 極距</b></p><p>　　[18] 定子每極每相槽數(shù)</p><p><b>

105、;　　[19] 定子槽數(shù)</b></p><p>　　[20] 定子齒距Di1</p><p>　　設計定子槽型為開口槽</p><p><b>　　[21] 定子槽寬</b></p><p><b>　　[22] 定子槽深</b></p><p>　　[23]

106、定子槽口寬</p><p>　　[24] 定子槽口高</p><p>　　作定子槽型圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 定子槽型圖</p><p><b>　　[25] 轉子外徑</b></p><p>　　[26] 轉子內徑 </p><p>　　[27]

107、 轉子每極每相槽數(shù)</p><p><b>　　[28] 轉子槽數(shù)</b></p><p><b>　　[29] 轉子齒距</b></p><p>　　設計轉子槽型為開口槽</p><p><b>　　[30] 轉子槽寬</b></p><p><

108、b>　　[31] 轉子槽深</b></p><p>　　[32] 轉子槽口寬</p><p>　　[33] 轉子槽口高</p><p>　　作定子槽型圖如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 轉子槽型圖</p><p><b>　　[34] 氣隙長</b></p&g

109、t;<p>　　[35] 定子徑向通風溝數(shù)</p><p>　　[36] 定子徑向通風溝寬</p><p>　　[37] 轉子徑向通風溝數(shù)</p><p>　　[38] 轉子徑向通風溝寬</p><p>　　[39] 鐵心平均長</p><p>　　[40] 定子鐵心總長</p><p

110、>　　[41] 轉子鐵心總長</p><p>　　[42] 定子鐵心鐵長</p><p>　　[43] 轉子鐵心鐵長</p><p>　　[44] 轉子沿軛高方向的軸向通風排數(shù)</p><p>　　[45] 轉子軸向通風孔直徑</p><p>　　[46] 轉子軸向通風孔每排上的孔數(shù)</p><

111、;p><b>　　(三)定子繞組數(shù)據(jù)</b></p><p>　　[47] 設計定子繞組PN=P1’-P2’ P2’=sP1’</p><p>　　定子繞組接，雙層疊繞</p><p>　　定子電流初步估計值*1000</p><p>　　每相串聯(lián)導體數(shù)（A線負荷）</p><p>&l

112、t;b>　　每槽導體數(shù)</b></p><p>　　[48] 每相并聯(lián)支路數(shù)</p><p>　　[49] 每槽有效導體數(shù)</p><p><b>　　則每相串聯(lián)導體數(shù)</b></p><p>　　[50] 每線圈匝數(shù)</p><p>　　[51] 每相每支路串聯(lián)匝數(shù)</p

113、><p><b>　　[52] 繞組線規(guī)</b></p><p>　　[53] 每根導體截面積</p><p>　　[54] 每支路導體截面積</p><p><b>　　[55] 繞組節(jié)距</b></p><p>　　[56] 繞組節(jié)距比</p><p>

114、;　　[57] 繞組短距系數(shù)</p><p><b>　　0.9659</b></p><p>　　[58] 繞組分布系數(shù)</p><p>　　[59] 定子繞組系數(shù)結果有錯</p><p>　　最后設計定子槽數(shù)，每極每相槽數(shù)， 定子繞組短距，節(jié)距， 定子繞組展開圖如圖3-7，定子繞組連線方式如圖3-8。</p&g

115、t;<p><b>　?。ㄋ模┺D子繞組數(shù)據(jù)</b></p><p>　　[60] 設計轉繞組</p><p>　　轉子繞組Y接，雙層疊繞</p><p>　　每相串聯(lián)導體數(shù)結果有錯</p><p><b>　　每槽導體數(shù)64</b></p><p>　　圖3-7

116、定子繞組展開圖（A相，Q=72,2P=4）</p><p>　　圖3-8轉子繞組連線（A相）圖</p><p>　　[61] 每相并聯(lián)支路數(shù)</p><p>　　[61] 每槽有效導體數(shù)</p><p><b>　　則每相串聯(lián)導體數(shù)</b></p><p>　　[63] 每線圈匝數(shù)</p&g

117、t;<p>　　[64] 每相每支路串聯(lián)匝數(shù)</p><p><b>　　[65] 繞組線規(guī)</b></p><p>　　[66] 每根導線截面積</p><p>　　[67] 每支路導體截面積</p><p><b>　　[68] 繞組節(jié)距</b></p><p&

118、gt;　　[69] 繞組節(jié)距比</p><p>　　[70] 繞組短距系數(shù)</p><p><b>　　0.9659</b></p><p>　　[71] 繞組分布系數(shù)</p><p><b>　　0.9567</b></p><p>　　[72] 轉子繞組系數(shù)</p&

119、gt;<p>　　圖3-9轉子繞組連線（A相）圖</p><p>　　最后設計轉子槽數(shù)，每極每相槽數(shù)， 轉子繞組短距，節(jié)距， 轉子繞組展開圖可參考定子繞組展開圖，限于篇幅，這里不再另畫展開圖，轉子繞組連線方式如圖3-9所示。</p><p><b>　　二、磁路計算</b></p><p>　　（一）磁路各部分尺寸</p&g

120、t;<p>　　[73] 氣隙有效長</p><p>　　[74] 鐵心有效長bv溝寬</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　[75] 每極下氣隙面積（為什么變成厘米單位？）</p><p>　　[76] 定子1/3高處齒寬</p><p>　　[77] 定子

121、1/2高處齒寬</p><p>　　[78] 每極定子齒截面積</p><p>　　[79] 定子齒磁路長</p><p><b>　　[80] 定子軛高</b></p><p>　　[81] 定子軛截面積</p><p>　　[82] 定子軛磁路長</p><p>　　[

122、83] 轉子2/3高處齒寬（+改成-號）</p><p>　　[84] 每極轉子截面積</p><p>　　[85] 轉子齒磁路長</p><p>　　[86] 轉子軛高.(p37公式對不上,去掉5/6；結果有問題)</p><p>　　[87] 轉子軛截面積（錯）</p><p>　　[88] 轉子軛磁路長（錯）&l