風(fēng)電機(jī)組偏航交流變頻電機(jī)的研制

周 哲，王耀鋒，謝衛(wèi)才 1，，顏漸德1，，彭 凡

（1.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104；2.湘潭電機(jī)股份有限公司，湘潭 411104；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實驗室，湘潭 411104）

0 引言

伺服驅(qū)動電機(jī)的性能直接影響風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的性能［1］.目前國內(nèi)偏航驅(qū)動電機(jī)一般采用普通的工頻交流電機(jī)，偏航控制精度不高，啟動時機(jī)械沖擊大，啟動電流大，在頻繁正反轉(zhuǎn)的工況下故障率高，如偏航齒輪箱和偏航軸承打齒概率高、電機(jī)溫升，導(dǎo)致電機(jī)使用壽命縮短，開關(guān)跳閘，偏航系統(tǒng)的可靠性亟待提高.文獻(xiàn)［2］指出傳統(tǒng)異步電機(jī)設(shè)計方法在變頻調(diào)速異步電機(jī)設(shè)計中存在局限性，并提出了新的轉(zhuǎn)子設(shè)計方法.本文主要針對國內(nèi)某廠家對偏航伺服電機(jī)的要求進(jìn)行設(shè)計，采用場路結(jié)合的設(shè)計方法，對交流變頻偏航電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，之后對偏航電機(jī)額定點(diǎn)性能、不同頻率下電機(jī)特性、電機(jī)瞬態(tài)場特性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求，并制作了一臺樣機(jī)驗證其性能.

1 交流變頻偏航電機(jī)電磁設(shè)計

1.1 電機(jī)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)某型號風(fēng)電機(jī)組對偏航系統(tǒng)驅(qū)動性能的要求，給出如下設(shè)計參數(shù)：額定功率3 kW，額定轉(zhuǎn)速960 r/min，額定電壓AC 400 V，額定頻率52 Hz，額定電流7 A，制動電壓DC 24 V，制動力矩34～46 N·m，絕緣的耐熱等級F（155），工作制S2-30 min，繞組Y 連接.

1.2 主要尺寸確定

變頻電機(jī)的主要尺寸是指定子內(nèi)徑和定子鐵芯有效長度.變頻電機(jī)的主要尺寸決定了電機(jī)的成本、電機(jī)的容量、同步轉(zhuǎn)速、氣隙磁通密度［3］.

根據(jù)異步電機(jī)自適應(yīng)模型［4］，本次設(shè)計初定定子外徑D1＝245 mm，內(nèi)徑Di1＝167 mm，轉(zhuǎn)子外徑D2＝166.2 mm，電樞鐵芯有效長度Lef＝95 mm，氣隙初取值為0.4 mm.

1.3 定轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計

對定子槽數(shù)做出以下的設(shè)計：參考與此相似的電機(jī)，每極每相槽數(shù)q1＝2，定子槽數(shù)Z1＝2m1pq1＝36.此外，轉(zhuǎn)子做斜槽處理，能夠有效地提升電機(jī)的效率［5］，同時也能夠避免因槽數(shù)選擇不當(dāng)所導(dǎo)致的起動力矩的減?。?］.其中定子齒距t1＝0.01456 m，見式（1）：

具體的槽尺寸為：Hs0為0.8 mm，Hs1為1.7 mm，Hs2為 17 mm，Bs0為 3.8 mm，Bs1為 10 mm，Bs2為12 mm，槽肩角30°.已經(jīng)從定子尺寸中得到了電機(jī)的主要設(shè)計尺寸，包括定子外徑、定子內(nèi)徑和鐵芯長度.轉(zhuǎn)子設(shè)計的重點(diǎn)在于槽形和繞組形式，轉(zhuǎn)子為繞線式轉(zhuǎn)子，根據(jù)式（2）、式（3）和轉(zhuǎn)子電動勢值對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行設(shè)計.

E1和E2分別為定轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢值；W1為定子每相串聯(lián)匝數(shù)；W2為轉(zhuǎn)子每相串聯(lián)匝數(shù)；Kw1為定子繞組系數(shù)；Kw2為轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)；Cs2為轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)；m2為轉(zhuǎn)子相數(shù)；a2為轉(zhuǎn)子并聯(lián)支路數(shù).因為轉(zhuǎn)子每相串聯(lián)匝數(shù)和每槽導(dǎo)體數(shù)必須為整數(shù)，在雙層繞組中，Cs2還必須是偶數(shù)，所以在計算中需要對它們進(jìn)行取整.

根據(jù)以上討論分析，本次設(shè)計的轉(zhuǎn)子槽數(shù)初定為33 槽，采用平底槽，槽口寬為1 mm，槽寬b1為11.8 mm，槽底寬b2為2.4 mm，槽口h1為0.5 mm，槽肩角30o，槽身高h(yuǎn)2為18 mm.

1.4 定子繞組設(shè)計

在對定子繞組進(jìn)行設(shè)計時，選擇單層鏈?zhǔn)嚼@組，節(jié)距為：1～6.該設(shè)計具有以下的優(yōu)勢：不存在有層間絕緣，從而使槽的利用率更高［7］；所用到的線圈數(shù)量明顯少于雙層的，便于嵌線操作，同時依據(jù)以下公式設(shè)計定子繞組.

槽距角：

極距：

分布系數(shù)：

短距系數(shù)：

式中y 為繞組節(jié)距.

在繞組匝間的連接則使用全極方式，三相60°相帶，并聯(lián)支路數(shù)1，采用Y 接法.由此得到繞組的連接示意圖如圖1 所示.

圖1 繞組連接圖

2 偏航電機(jī)Maxwell仿真

將前文計算的電機(jī)參數(shù)導(dǎo)入ANSYS Maxwell的RMxprt 模塊后，對偏航電機(jī)額定點(diǎn)性能、不同頻率下電機(jī)特性、電機(jī)瞬態(tài)場特性進(jìn)行仿真分析.

2.1 偏航電機(jī)額定點(diǎn)仿真結(jié)果與分析

頻率為52 Hz 磁路仿真額定點(diǎn)的磁負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖2 所示，52 Hz 磁路仿真額定點(diǎn)的性能指標(biāo)如圖3所示.可以看出磁負(fù)荷分布數(shù)據(jù)均勻，電機(jī)輸入功率約3700 W，輸出功率達(dá)到3140 W，效率達(dá)到84.94%，功率因數(shù)達(dá)到0.81，扭矩為31.13 N·m，轉(zhuǎn)速為963 r/min，基本符合預(yù)期目標(biāo).

圖2 頻率52 Hz額定點(diǎn)的磁負(fù)荷數(shù)據(jù)圖

圖3 頻率52 Hz額定點(diǎn)的性能指標(biāo)圖

2.2 不同頻率下電機(jī)特性仿真

如圖4 所示，在頻率52 Hz 轉(zhuǎn)速與輸出功率的仿真曲線中，隨著轉(zhuǎn)速的增大，功率不斷上升，在轉(zhuǎn)速達(dá)到960 r/min 的時候，功率大約為3000 W，符合電機(jī)設(shè)計的額定參數(shù).如圖5 所示，在頻率52 Hz 輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的仿真曲線中，可以看出電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速附近能夠保持恒定轉(zhuǎn)矩輸出，結(jié)合圖4～圖7 仿真曲線來看，仿真結(jié)果符合設(shè)計要求，達(dá)到設(shè)計預(yù)期目標(biāo)，誤差較小.

圖4 頻率52 Hz轉(zhuǎn)速與輸出功率的仿真曲線圖

圖5 頻率52 Hz輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的仿真曲線圖

如圖6 所示，頻率為26 Hz 的轉(zhuǎn)矩與輸出功率仿真曲線，在速度不變時，輸出轉(zhuǎn)矩明顯和輸出功率成正比關(guān)系.如圖7 所示，頻率為26 Hz 的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速仿真曲線中，可以看出該電機(jī)在基頻以下運(yùn)行過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到480 r/min 時，轉(zhuǎn)矩仍然可達(dá)到37 N·m，完全有能力保持額定轉(zhuǎn)矩下的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn).

圖6 頻率26 Hz轉(zhuǎn)矩與輸出功率仿真曲線圖

圖7 頻率26 Hz輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速仿真曲線圖

圖8 頻率為75 Hz 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速仿真曲線，圖9 為頻率75 Hz 相電流與轉(zhuǎn)速仿真曲線.可以看出在基頻以上運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速上升的同時相電流在額定電流附近呈減小趨勢，輸出轉(zhuǎn)矩能力明顯降低，電機(jī)處于恒功率運(yùn)行模式，符合設(shè)計要求.

圖8 頻率75 Hz轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速仿真曲線圖

圖9 頻率75 Hz相電流與轉(zhuǎn)速仿真曲線圖

2.3 電機(jī)瞬態(tài)場特性曲線分析

圖10 是額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與時間變化曲線圖，圖11 為額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)瞬態(tài)相電流曲線.在轉(zhuǎn)矩曲線中看到計算開始的瞬間，電磁轉(zhuǎn)矩有一個負(fù)向轉(zhuǎn)矩沖擊，因軟件所給的工況是轉(zhuǎn)子在0 時刻前已經(jīng)被拖至額定轉(zhuǎn)速，然后在0 時刻突然加電.實際中的電機(jī)均為從靜止升速至額定轉(zhuǎn)速.該計算方法僅以穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)矩數(shù)值做參考，前半段計算無真實工況與之對應(yīng).

圖10 額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖

圖11 額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)瞬態(tài)相電流曲線圖

圖12 為瞬態(tài)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁密）分布圖，從圖中可以看出電機(jī)在齒部磁密較高，顏色較深，磁密分布基本合理.圖13 為瞬態(tài)磁場磁力線分布圖，從圖中可以看出定轉(zhuǎn)子磁力線分布主要集中在軛部和齒部，相對來說漏磁是比較少的，磁力線的分布基本合理.

圖12 瞬態(tài)磁場磁密分布圖

圖13 瞬態(tài)磁場磁力線分布圖

將RMxprt 的磁路計算結(jié)果與有限元分析的結(jié)果作橫向?qū)Ρ?，可以發(fā)現(xiàn)在RMxprt 中額定工作點(diǎn)下電機(jī)的輸出機(jī)械扭矩與Maxwell 2D 中轉(zhuǎn)矩曲線最后一個電周期的電磁轉(zhuǎn)矩相比較，扣除風(fēng)磨損耗和機(jī)械損耗（該數(shù)值取自RMxprt 設(shè)計單），與計算結(jié)果接近，能夠相互驗證，滿足設(shè)計要求.

3 風(fēng)電機(jī)組交頻偏航電機(jī)的試驗研究

本次試驗是依據(jù)GB/14711-2004 中小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)安全通用要求、GB/T 22670-2008 由變頻器供電的電動機(jī)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 1032-2005 三相異步電動機(jī)試驗方法、JB/T9616 Y 系列（IP44）三相異步電動機(jī)技術(shù)條件、JB/T8680 Y2 系列63-250三相異步電動機(jī)和JB-T 56105-1999 三相異步電動機(jī)可靠性試驗方法［8］，并結(jié)合風(fēng)電偏航電機(jī)實際運(yùn)行工況進(jìn)行的.

3.1 試驗項目與數(shù)據(jù)

本次試驗項目包括：（1）空載特性試驗；（2）調(diào)速試驗；（3）負(fù)載試驗；（4）可靠性試驗.

（1）空載特性試驗數(shù)據(jù)如表1 所示.

表1 空載特性試驗數(shù)據(jù)

（2）變頻偏航電機(jī)不同頻率額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)試驗：考慮到變頻電源對電機(jī)的影響，本次測試主要考核了頻率在26 Hz、52 Hz、75 Hz 下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)情況，如表2 所示.

表2 變頻偏航電機(jī)不同頻率額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

（3）負(fù)載試驗：采用直接負(fù)載法，以定子電流作為參考來調(diào)節(jié)負(fù)載的大小.試驗中保持電壓為額定值400 V，電源由電網(wǎng)通過調(diào)壓器供給.負(fù)載試驗數(shù)據(jù)如表3 所示.

表3 負(fù)載試驗數(shù)據(jù)

（4）電機(jī)可靠性試驗：電機(jī)在額定負(fù)載情況下，進(jìn)行300 個循環(huán)，每個循環(huán)過程接通5 min 后，停止2 min.可靠性試驗后，電機(jī)仍然能正常工作和制動，達(dá)到設(shè)計要求.

4 結(jié)論

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)以及特性曲線，發(fā)現(xiàn)在空載電壓為400 V時，電機(jī)空載電流為3.23 A，轉(zhuǎn)速達(dá)到995 r/min，空載損耗也在允許范圍內(nèi)，符合預(yù)期要求；堵轉(zhuǎn)電壓為401 V 時，堵轉(zhuǎn)電流為27.8 A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到64.3 N·m，基本達(dá)到設(shè)計目標(biāo)；同時，在負(fù)載試驗中，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩30 N·m 時，電機(jī)轉(zhuǎn)速為905 r/min，功率因數(shù)為0.8 左右，表現(xiàn)出優(yōu)良的負(fù)載特性；溫升符合F（155）級絕緣要求；在高壓和高頻工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)平穩(wěn)，試驗結(jié)果與設(shè)計計算結(jié)果有一定誤差，但是在誤差允許的范圍內(nèi)滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航驅(qū)動的要求.