直驱永磁同步风力发电机空载短路分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（ 2） 点击 Analysis 将生成的二维有限元几何 模型导入到 2D 求解器中，为加快运算速度只对 5 极下的二维模型进行建模，如图 2 所示。
（ 3） 对生成的 2D 模型的 Molde、Excitations 以 36
及 Mesh Operations 进行设置和修改，其中激励包 括永磁体涡流。本文以初始角度作为参数，对不 同初始角度的模型进行了仿真。将外电路导入到 2D 模型中，设置好求解总时长后点击 Analyze 进 行仿真，见图 2。
同步风力发电机的二维有限元模型的步骤如下。 （ 1） 选择 2D 瞬态场来求解的是永磁电机的瞬
态电流。在 ＲMxprt 模块输入永磁同步发电机的几 何尺寸和极数、槽数等基本参数，重新编辑永磁体 材料，选择好控制方式以及负载方式，模块功能会 自动生成二维有限元几何模型，如图 1 所示。
图 1 电机二维有限元几何模型
企 业 对 XE72 2MW 22． 5r / min、 XE82 2MW 19r / min、XE93 2MW 17r / min （ XE 代表企业、
93 为叶轮直径） 等系列直驱永磁风力发电机进行 了空载突然三相短路试验，采集了三相空载对称短 路时的电流波形。本文对 XE93 直驱永磁风力发 电机进行了三相对称短路、相间短路以及单相对中 性点短路这三种短路仿真，分析了这三种情况下所 能得到的最大电枢电流和获得最大电枢电流的初 始条件，并比较了这三种状况下最大短路电流的大 小。
nite-element model of direct-drive permanent magnet wind generator is established based on Maxwell，and no-load performance and various sudden short circuit analyses were taken for MW grade direct-drive permanent magnet wind generator． Through theoretical analysis and simulation results verification，maximum armature current has been got in various fault conditions and initial condition of the maximum armature current has been received． It provides theoretical basis for determining the working point of permanent magnets of permanent magnet motor design．
1 永磁风力发电机有限元模型建立
利用 Ansoft 软件作为仿真工具进行电机建 模时，可以在 Maxwell 2D 模块里直接建模完成， 但由于永磁直驱发电机极数和槽数都很多，需要 对于 60 极 324 槽每极每相为分数槽的绕组进行
* 基金项目： 湖南省科技计划项目（ 2013GK3033） ； 湘潭市科技计划重点项目（ ZD20141002）
4 结语
通过 Ansoft 电磁场分析软件针对 XE93 2MW 直驱永磁风力发电机建立了电机的有限元模型， 结合 Ansoft 软件中的外电路分析软件，将电路模 型与有限元分析有机地结合起来，对电机进行空 载三相突然短路仿真，并进行三相短路试验。通 过理论分析与仿真结果验证，得到了直驱永磁风 力发电机最大短路电枢电流需要满足的初始条 件，而本次试验没有对转子位置进行检测和控制， 因而不能控制转子短路时刻的初始角度，只能随 机的对发电机进行三相短路。因此，如何控制转 子位置，使得该直驱永磁风力发电机在某个初始
图 2 电机二维有限元仿真模型
2 永磁同步电机初始角确定
图 3 为一极下永磁体与定子绕组线圈模型， d 轴代表永磁体磁力线方向，每 5． 4 槽即 180° 电 角度［5］。
图 3 d 轴与 A 相轴线初始夹角示意图
第一槽下层边与第六槽上层边相连，第二槽 下层边与第七槽上层边相连。相邻的槽相距的电 角度为 33． 333°，由于该电机 60 极、324 槽，每个 磁极下占5． 4个槽，此时 d 轴的电角度为89． 999°， 而 A 相轴线电角度为 116． 667°。因此，当 d 轴转 过 0． 8889°机械角时达到负值最大，要达到最大 值，则还需转动半个周期的时间，即转过 6 个机械 角度。当 d 轴与 A 相轴线重合时，A 相的磁链达 到最大，感应电动势为 0，此时 d 轴转过的角度。 因此根据模型的转动方向，设置模型 Band 的初 始角为 6． 8889°，可使得 t = 0 时刻，d 轴与 A 相重 合。从空载反电势可看出，t = 0 时刻 A 相与 d 轴 重合，磁链最大，反电势为 0，表明上述分析正确。
图 4 三相短路外电路图
根据第二节分析可以在初始角为 0° 时 A 相 电流能达到最大值，图 5 为四分之一周期内在不 同初始角下 A 相的短路电流。
图 7 第一次试验波形 图 8 第二次试验波形
图 5 不同初始角下 A 相的电枢电流
图 6 是永磁发电机三相空载短路电流波形， 空载 0． 067538s 后三相突然短路，短路电流幅值
（ Hunan College of Electric ＆ Information Engineering，Xiangtan 411101，China） Abstract By using ANSOFT electromagnetic field software，two-dimensional transient fi-
Key words Direct-drive PM wind generator； electromagnetic field analysis； finite element； short-circuit
0 引言
近年来，随着风力发电技术的迅速发展，直驱 式风力发电机装机容量和数量不断增加，但伴随 而来的发电机短路故障也越来越多。国内外学者 对短路这方面进行了研究［1-3］。由于风机运行时 产生的振动以及绝缘材料的老化和一些自然灾 害，大大的 提 高 了 风 力 发 电 机 短 路 发 生 的 几 率。 发电机突然短路时，产生较大的冲击电流，会造成 永磁体退磁、铁心烧坏。由短路电流产生的电磁 力和扭矩是十分大的，这样巨大的电磁力有很大 的破环性，可以使绕组发生变形。
35
2014!"6# "49$%&"181#’
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
分相赋激励源，工作量太大。Ansoft 中的 ＲMxprt
电机模块是基于电机等效电路和磁路的设计理念 来计算、仿真各种电机模型，具有建立模型简单快 捷、参数调整方便等优点，同时具备一定的计算精 度和可靠性［4］。本文建立直驱永磁风力发电机空 载短路有限元分析模型，采用从 ＲMxprt 中 Adjust Speed Synchronous Machine 建立永磁发电机模型， 初步求解后一键生成 Maxwell 2D 二维 瞬 态 场。 利用 了 Maxwell 2D 中 瞬 态 场 和 Maxwell Circuit Editor 功能进行了分析求解得到了永磁电机在不 同运行工况下可能得到的最大电枢电流。 1． 1 电机的基本参数
XE93 风力发电机模型的建立以设计参数为 依据，其主要额定参数见表 1。
表 1 主要额定参数
参数名称 额定功率（ MW）
额定电压（ V） 额定转速（ r / min）
额定频率 功率因数
效率
参数值 2 690 17 8． 5
0． 92 93． 8
1． 2 电机模型的建立 本文用 Ansoft Maxwell 软件建立 2MW 永 磁
最大值为 6325A。
图 6 三相短路电流波形
4 三相空载短路试验
对于 2MW 直驱永磁同步风力发电机进行了 三相短路试验，该试验方法是用原动机拖动被试 电机到额定转速后断开原动机电源，立即对被试 电机输出端进行短路，发电机转速会逐渐为零，由 于该试验风险较高，故只进行了三次波形采集，见 图 7、图 8、图 9。
{ψA = ψ0 sin（ wt + θ0 － 90°） + ψ0 sin（ θ0 － 90°） ψB = ψ0 sin（ wt + θ0 － 210°） + ψ0 sin（ θ0 － 210°） ψC = ψ0 sin（ wt + θ0 + 30°） + ψ0 sin（ θ0 + 30°） 外电路由三个部分组成： 上部分即三相电路， 通过开关将空载转换为短路状态； 右下角为压控 开关管，通过 IVc1、IVc2、IVc3 的电压来控制开关 的闭合； 左下角为控制电压电路，通过脉冲电压源 给电路施加电压。脉冲电压范围为 0 ～ 1V，当开 关管电压大于 0． 5V 时，开关闭合，0． 067538s 时 刻开关闭合，三相突然短路，经过 0． 067538s，此时 A 相轴线正好与 d 轴重合，能得到最大短路电流。
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
2014!"6# "49$%&"181#’
直驱永磁同步风力发电机空载短路分析* ＊
戴志立，彭晓，李谟发
( 1 湖南工程学院电气与信息工程学院，湖南湘潭 411101;
2 湖南电气职业技术学院，湖南湘潭 411101)
摘 要 利用 ANSOFT 电磁场软件，建立了基于 Maxwell 的直驱永磁风力发电机二维瞬态有 限元模型，对 MW 级直驱永磁风力发电机进行了空载性能和各种突然短路分析。通过理论分析和 仿真结果验证，得到了各种 故 障 工 况 下 所 能 得 到 的 最 大 电 枢 电 流 和 获 得 最 大 电 枢 电 流 的 初 始 条 件，为永磁电机设计永磁体工作点的确定提供了理论依据。
3 永磁同步风力发电机空载短路仿真
电机的突然短路包括有三相对称突然短路，
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
2014!"6# "49$%&"181#’
对地短路以及相间短路，文中将对这些情况进行 详细的仿真分析。 3． 1 三相对称突然短路
永磁同步电机在三相突然短路的时候，三相 磁链的表达式为 θ0 为初始电角度。
角度短路成为工厂Βιβλιοθήκη Baidu究的一个问题。
参考文献 ［1］ T． S． Kulig，G． W． Buckley，D． Lambrecht，M． Lise． A new approach to determine transient generator winding and damper currents in cases of internal and external faults and abnormal operation-III： Ｒesults． IEEE Trans． on EC，1990， 5（ 1） ： 70-78 ［2］ TANG Ｒ Y． Overview of permanent magnet wind generators in china［C］． CIGＲE SCA1 Colloquium on New Development of Ｒotting Electrical Machine Beijing，China，2011； 246-254． ［3］ 唐任远． 现代永磁电机． 理论与设计［M］． 北京： 机 械工业出版社，1997． ［4］ 赵博，张洪亮． Ansoft 12 在工程电磁场中的应用［M］． 北京： 中国水利水电出版社，2010． ［5］ 赖耀祖． 直驱式永磁同步风力发电机的退磁风险分 析［D］，华中科技大学硕士论文，2011．
关键词 直驱永磁风力发电机； 电磁场分析； 有限元； 短路 DOI： 10． 3969 / J． ISSN． 1008-7281． 2014． 06． 10 中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号： 1008-7281（ 2014） 06-0035-004
No-Load Short-Circuit Analysis of Direct-Drive Wind Permanent Magnet Synchronous Wind Generator Dai Zhili，Peng Xiao，and Li mofa
图 9 第三次试验波形
三次波形的最大值分别为： 6 669A、5 504A、 － 3 804A。由于电机 的 实 际 参 数 与 仿 真 存 在 出
37
2014!"6# "49$%&"181#’
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
入，以及试验方法和仿真方法在短路之后的转速 不同，因而会使得试验结果与仿真结果存在差异， 误差只有 5% ，符合工厂要求。结合空载短路下 的仿真波形，可以得出： （ 1） 不同初始角下的最大 电流不同； （ 2） 短路冲击电流出现在短路发生后 约二分之一周期。
（ 3） 对生成的 2D 模型的 Molde、Excitations 以 36
及 Mesh Operations 进行设置和修改，其中激励包 括永磁体涡流。本文以初始角度作为参数，对不 同初始角度的模型进行了仿真。将外电路导入到 2D 模型中，设置好求解总时长后点击 Analyze 进 行仿真，见图 2。
同步风力发电机的二维有限元模型的步骤如下。 （ 1） 选择 2D 瞬态场来求解的是永磁电机的瞬
态电流。在 ＲMxprt 模块输入永磁同步发电机的几 何尺寸和极数、槽数等基本参数，重新编辑永磁体 材料，选择好控制方式以及负载方式，模块功能会 自动生成二维有限元几何模型，如图 1 所示。
图 1 电机二维有限元几何模型
企 业 对 XE72 2MW 22． 5r / min、 XE82 2MW 19r / min、XE93 2MW 17r / min （ XE 代表企业、
93 为叶轮直径） 等系列直驱永磁风力发电机进行 了空载突然三相短路试验，采集了三相空载对称短 路时的电流波形。本文对 XE93 直驱永磁风力发 电机进行了三相对称短路、相间短路以及单相对中 性点短路这三种短路仿真，分析了这三种情况下所 能得到的最大电枢电流和获得最大电枢电流的初 始条件，并比较了这三种状况下最大短路电流的大 小。
nite-element model of direct-drive permanent magnet wind generator is established based on Maxwell，and no-load performance and various sudden short circuit analyses were taken for MW grade direct-drive permanent magnet wind generator． Through theoretical analysis and simulation results verification，maximum armature current has been got in various fault conditions and initial condition of the maximum armature current has been received． It provides theoretical basis for determining the working point of permanent magnets of permanent magnet motor design．
1 永磁风力发电机有限元模型建立
利用 Ansoft 软件作为仿真工具进行电机建 模时，可以在 Maxwell 2D 模块里直接建模完成， 但由于永磁直驱发电机极数和槽数都很多，需要 对于 60 极 324 槽每极每相为分数槽的绕组进行
* 基金项目： 湖南省科技计划项目（ 2013GK3033） ； 湘潭市科技计划重点项目（ ZD20141002）
4 结语
通过 Ansoft 电磁场分析软件针对 XE93 2MW 直驱永磁风力发电机建立了电机的有限元模型， 结合 Ansoft 软件中的外电路分析软件，将电路模 型与有限元分析有机地结合起来，对电机进行空 载三相突然短路仿真，并进行三相短路试验。通 过理论分析与仿真结果验证，得到了直驱永磁风 力发电机最大短路电枢电流需要满足的初始条 件，而本次试验没有对转子位置进行检测和控制， 因而不能控制转子短路时刻的初始角度，只能随 机的对发电机进行三相短路。因此，如何控制转 子位置，使得该直驱永磁风力发电机在某个初始
图 2 电机二维有限元仿真模型
2 永磁同步电机初始角确定
图 3 为一极下永磁体与定子绕组线圈模型， d 轴代表永磁体磁力线方向，每 5． 4 槽即 180° 电 角度［5］。
图 3 d 轴与 A 相轴线初始夹角示意图
第一槽下层边与第六槽上层边相连，第二槽 下层边与第七槽上层边相连。相邻的槽相距的电 角度为 33． 333°，由于该电机 60 极、324 槽，每个 磁极下占5． 4个槽，此时 d 轴的电角度为89． 999°， 而 A 相轴线电角度为 116． 667°。因此，当 d 轴转 过 0． 8889°机械角时达到负值最大，要达到最大 值，则还需转动半个周期的时间，即转过 6 个机械 角度。当 d 轴与 A 相轴线重合时，A 相的磁链达 到最大，感应电动势为 0，此时 d 轴转过的角度。 因此根据模型的转动方向，设置模型 Band 的初 始角为 6． 8889°，可使得 t = 0 时刻，d 轴与 A 相重 合。从空载反电势可看出，t = 0 时刻 A 相与 d 轴 重合，磁链最大，反电势为 0，表明上述分析正确。
图 4 三相短路外电路图
根据第二节分析可以在初始角为 0° 时 A 相 电流能达到最大值，图 5 为四分之一周期内在不 同初始角下 A 相的短路电流。
图 7 第一次试验波形 图 8 第二次试验波形
图 5 不同初始角下 A 相的电枢电流
图 6 是永磁发电机三相空载短路电流波形， 空载 0． 067538s 后三相突然短路，短路电流幅值
（ Hunan College of Electric ＆ Information Engineering，Xiangtan 411101，China） Abstract By using ANSOFT electromagnetic field software，two-dimensional transient fi-
Key words Direct-drive PM wind generator； electromagnetic field analysis； finite element； short-circuit
0 引言
近年来，随着风力发电技术的迅速发展，直驱 式风力发电机装机容量和数量不断增加，但伴随 而来的发电机短路故障也越来越多。国内外学者 对短路这方面进行了研究［1-3］。由于风机运行时 产生的振动以及绝缘材料的老化和一些自然灾 害，大大的 提 高 了 风 力 发 电 机 短 路 发 生 的 几 率。 发电机突然短路时，产生较大的冲击电流，会造成 永磁体退磁、铁心烧坏。由短路电流产生的电磁 力和扭矩是十分大的，这样巨大的电磁力有很大 的破环性，可以使绕组发生变形。
35
2014!"6# "49$%&"181#’
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
分相赋激励源，工作量太大。Ansoft 中的 ＲMxprt
电机模块是基于电机等效电路和磁路的设计理念 来计算、仿真各种电机模型，具有建立模型简单快 捷、参数调整方便等优点，同时具备一定的计算精 度和可靠性［4］。本文建立直驱永磁风力发电机空 载短路有限元分析模型，采用从 ＲMxprt 中 Adjust Speed Synchronous Machine 建立永磁发电机模型， 初步求解后一键生成 Maxwell 2D 二维 瞬 态 场。 利用 了 Maxwell 2D 中 瞬 态 场 和 Maxwell Circuit Editor 功能进行了分析求解得到了永磁电机在不 同运行工况下可能得到的最大电枢电流。 1． 1 电机的基本参数
XE93 风力发电机模型的建立以设计参数为 依据，其主要额定参数见表 1。
表 1 主要额定参数
参数名称 额定功率（ MW）
额定电压（ V） 额定转速（ r / min）
额定频率 功率因数
效率
参数值 2 690 17 8． 5
0． 92 93． 8
1． 2 电机模型的建立 本文用 Ansoft Maxwell 软件建立 2MW 永 磁
最大值为 6325A。
图 6 三相短路电流波形
4 三相空载短路试验
对于 2MW 直驱永磁同步风力发电机进行了 三相短路试验，该试验方法是用原动机拖动被试 电机到额定转速后断开原动机电源，立即对被试 电机输出端进行短路，发电机转速会逐渐为零，由 于该试验风险较高，故只进行了三次波形采集，见 图 7、图 8、图 9。
{ψA = ψ0 sin（ wt + θ0 － 90°） + ψ0 sin（ θ0 － 90°） ψB = ψ0 sin（ wt + θ0 － 210°） + ψ0 sin（ θ0 － 210°） ψC = ψ0 sin（ wt + θ0 + 30°） + ψ0 sin（ θ0 + 30°） 外电路由三个部分组成： 上部分即三相电路， 通过开关将空载转换为短路状态； 右下角为压控 开关管，通过 IVc1、IVc2、IVc3 的电压来控制开关 的闭合； 左下角为控制电压电路，通过脉冲电压源 给电路施加电压。脉冲电压范围为 0 ～ 1V，当开 关管电压大于 0． 5V 时，开关闭合，0． 067538s 时 刻开关闭合，三相突然短路，经过 0． 067538s，此时 A 相轴线正好与 d 轴重合，能得到最大短路电流。
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
2014!"6# "49$%&"181#’
直驱永磁同步风力发电机空载短路分析* ＊
戴志立，彭晓，李谟发
( 1 湖南工程学院电气与信息工程学院，湖南湘潭 411101;
2 湖南电气职业技术学院，湖南湘潭 411101)
摘 要 利用 ANSOFT 电磁场软件，建立了基于 Maxwell 的直驱永磁风力发电机二维瞬态有 限元模型，对 MW 级直驱永磁风力发电机进行了空载性能和各种突然短路分析。通过理论分析和 仿真结果验证，得到了各种 故 障 工 况 下 所 能 得 到 的 最 大 电 枢 电 流 和 获 得 最 大 电 枢 电 流 的 初 始 条 件，为永磁电机设计永磁体工作点的确定提供了理论依据。
3 永磁同步风力发电机空载短路仿真
电机的突然短路包括有三相对称突然短路，
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
2014!"6# "49$%&"181#’
对地短路以及相间短路，文中将对这些情况进行 详细的仿真分析。 3． 1 三相对称突然短路
永磁同步电机在三相突然短路的时候，三相 磁链的表达式为 θ0 为初始电角度。
角度短路成为工厂Βιβλιοθήκη Baidu究的一个问题。
参考文献 ［1］ T． S． Kulig，G． W． Buckley，D． Lambrecht，M． Lise． A new approach to determine transient generator winding and damper currents in cases of internal and external faults and abnormal operation-III： Ｒesults． IEEE Trans． on EC，1990， 5（ 1） ： 70-78 ［2］ TANG Ｒ Y． Overview of permanent magnet wind generators in china［C］． CIGＲE SCA1 Colloquium on New Development of Ｒotting Electrical Machine Beijing，China，2011； 246-254． ［3］ 唐任远． 现代永磁电机． 理论与设计［M］． 北京： 机 械工业出版社，1997． ［4］ 赵博，张洪亮． Ansoft 12 在工程电磁场中的应用［M］． 北京： 中国水利水电出版社，2010． ［5］ 赖耀祖． 直驱式永磁同步风力发电机的退磁风险分 析［D］，华中科技大学硕士论文，2011．
关键词 直驱永磁风力发电机； 电磁场分析； 有限元； 短路 DOI： 10． 3969 / J． ISSN． 1008-7281． 2014． 06． 10 中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号： 1008-7281（ 2014） 06-0035-004
No-Load Short-Circuit Analysis of Direct-Drive Wind Permanent Magnet Synchronous Wind Generator Dai Zhili，Peng Xiao，and Li mofa
图 9 第三次试验波形
三次波形的最大值分别为： 6 669A、5 504A、 － 3 804A。由于电机 的 实 际 参 数 与 仿 真 存 在 出
37
2014!"6# "49$%&"181#’
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
入，以及试验方法和仿真方法在短路之后的转速 不同，因而会使得试验结果与仿真结果存在差异， 误差只有 5% ，符合工厂要求。结合空载短路下 的仿真波形，可以得出： （ 1） 不同初始角下的最大 电流不同； （ 2） 短路冲击电流出现在短路发生后 约二分之一周期。