應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁雙轉(zhuǎn)子電機(jī)

（山東交通職業(yè)學(xué)院 山東濰坊 261100）

引言

永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子的兩種結(jié)構(gòu)模式。永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的主要部件包括有源轉(zhuǎn)子、定子、異步轉(zhuǎn)子、從動(dòng)轉(zhuǎn)子、同步轉(zhuǎn)子、軸承和引線。這些部件構(gòu)成外定子發(fā)電機(jī)或內(nèi)定子發(fā)電機(jī)，而永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)通?？衫斫鉃樵诎l(fā)電機(jī)的定子和有源轉(zhuǎn)子之間增加從動(dòng)轉(zhuǎn)子。[1]

一、風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用情況

在當(dāng)前的風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的主要方式，其轉(zhuǎn)換效率直接影響電源的質(zhì)量和效率。過去的一些時(shí)間當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)飛速發(fā)展，其單機(jī)容量也在以極快的速度增加，現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。目前的風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括兩種形式，雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)具有與繞線型異步發(fā)電機(jī)類似的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子電流從滑環(huán)引入，風(fēng)速的變化量從恒速變速箱讀出并引入發(fā)電機(jī)。為了確保定子的穩(wěn)定電流頻率，必須通過變頻器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，以確保發(fā)電機(jī)速度適應(yīng)風(fēng)速變化。永磁同步發(fā)電機(jī)使用永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變頻器作為風(fēng)力發(fā)電的核心。風(fēng)力渦輪機(jī)的定子通過全功率變頻器和變壓器連接到高壓電網(wǎng)。變頻器集成風(fēng)力渦輪機(jī)輸出的不同頻率的交流電流，并以直流電的形式輸出。然后將其反轉(zhuǎn)為具有相同頻率幅度的交流電并傳送到電網(wǎng)。從近年來運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)的實(shí)際情況來看，存在一些問題。在大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施中，使用雙饋異步發(fā)電機(jī)。近年來，稀土永磁材料的發(fā)展突飛猛進(jìn)，永磁同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用越來越多。在大多數(shù)情況下使用的雙饋異步發(fā)電機(jī)需要配備變速箱以提高速度，并且塔的總重量會(huì)大大增加。同時(shí)齒輪箱具有很大的故障概率，所以要應(yīng)用此設(shè)施就必須經(jīng)常性的進(jìn)行維護(hù)，帶來更高的維護(hù)成本。同時(shí)雙饋異步發(fā)電機(jī)需要吸收大量的無功功率，這就會(huì)很明顯的影響發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，與此同時(shí)降低功率因數(shù)，也存在一定的低壓穿透問題。同時(shí)運(yùn)行過程中有著滑環(huán)和電刷，所以維護(hù)過程比較難以進(jìn)行。永磁同步發(fā)電機(jī)存在一些問題。同時(shí)，永磁體在振動(dòng)和高溫時(shí)很容易失磁，所以如果電流量太大，這可能導(dǎo)致不可逆的磁場退化，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)廢料。[2]

二、永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

如今，常用的雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。如果使用永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)，它可以有效地避免發(fā)電機(jī)出現(xiàn)缺陷，發(fā)揚(yáng)其優(yōu)勢。永磁體雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括諸如齒輪箱，永磁體雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的部件。其中，變速箱是一個(gè)多級變速箱，如果需要，可以使用汽車的普通變速箱。使用永磁體雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)具有同步發(fā)電機(jī)的特性，因此通?？梢允褂枚嗉壈l(fā)電機(jī)，并且需要低速來確定變速箱的齒輪速比。當(dāng)風(fēng)速增加直到它高于發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定發(fā)電滑動(dòng)率時(shí)，應(yīng)該將其切換到下一個(gè)時(shí)間水平，這可以有效地確保發(fā)電機(jī)可以在允許范圍內(nèi)發(fā)電。實(shí)現(xiàn)了在不需要全功率逆變器的系統(tǒng)的支持下的同步發(fā)電過程。該系統(tǒng)沒有復(fù)雜的電子系統(tǒng)和配件，如滑環(huán)，因此系統(tǒng)的操作非常簡單可靠。同時(shí)這種發(fā)電系統(tǒng)具有比較高的功率因數(shù)和效率，兼以比較低的維護(hù)費(fèi)用，從整體上降低了投資數(shù)目，在提高性能的同時(shí)，它還帶來了更好的經(jīng)濟(jì)效益，并可預(yù)測其對風(fēng)力發(fā)電的積極影響。[3]

三、永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)作為普通發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

當(dāng)今世界發(fā)電廠中使用的發(fā)電機(jī)通常是同步發(fā)電機(jī)，很少使用異步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用通常具有非常嚴(yán)格的限制，并且必須確保發(fā)電機(jī)速度和電網(wǎng)頻率之間的嚴(yán)格比率。如果確定發(fā)電機(jī)的頻率和級數(shù)，則發(fā)電機(jī)必須始終以特定速度發(fā)電，如果發(fā)電機(jī)速度改變，則將導(dǎo)致失步。進(jìn)而發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)整體會(huì)遭到嚴(yán)重的破壞。如果出現(xiàn)這種問題，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)事故，嚴(yán)重的甚至?xí)拐麄€(gè)電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。所以同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用過程，是需要嚴(yán)格的電氣機(jī)械控制設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的，這就很大程度的增加了投資數(shù)額，與此同時(shí)發(fā)電系統(tǒng)整體可靠性比較低。如果在以同步發(fā)電機(jī)為核心的電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一些問題，則可能成為一個(gè)嚴(yán)重的問題。采用永磁雙轉(zhuǎn)子電機(jī)能夠有效的避免這些問題，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)提高可靠性。[4～6]

結(jié)語

永磁雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)是一種比較新穎的產(chǎn)品，但也具有異步和同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。作為異步同步發(fā)電機(jī)，傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)中不存在單個(gè)轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)。因而該種電機(jī)使用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域就會(huì)避免逆變器配置需要過高的資本投入，同時(shí)也大幅度的增加了電機(jī)可靠性。當(dāng)風(fēng)速相對較低時(shí)，發(fā)電機(jī)不必退出運(yùn)行模式，相反，發(fā)電機(jī)可以工作以提高電網(wǎng)的整體功率。永磁雙轉(zhuǎn)子電機(jī)將會(huì)在未來應(yīng)用在越來越多的領(lǐng)域當(dāng)中，對其性質(zhì)的研究需要各方面共同進(jìn)行。