直驱风力发电机分类

直驱风力发电机分类

直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。

直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。另外一些无齿轮箱直驱风力发电机，沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。

我国主要的直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下：（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；

（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；

（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；

（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；

（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；

（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；

（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

永磁式硅整流风力发电机设计

小型永磁式硅整流风力发电机，由于采用了永磁体励磁，省去了碳刷、滑环及励磁绕组，避免了碳刷与滑环引起的火花放电，且工艺简单、维护方便、效率较高。但由于永磁式发电机的磁场无法人工调节，在电机制成之后，输出电压随风速(转速)的变化而波动。而其所带负载—蓄电池及用电设备则要求供电电压恒定不变。当供电电压较低时，对蓄电池无法充电，用电设备无法长期工作，而当电压超过额定值较多时，则会造成蓄电池的过充损伤，降低使用寿命，严重的可能烧坏用电设备。图1表示风力发电机输出电压对12V灯泡发光强度及使用寿命的关系特性。

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图1端电压相对光通量和使用寿命的关系

从图中可以看出，当电压超过14V时，由于通过灯丝的电流加大，所以发光强度也大，但它的使用寿命却降低很多；当电压比较时，它的使用寿命延长很多，但发光强度也降低。

表1是从试验统计得到的充电电压与蓄电池寿命的关系。

表1蓄电池使用寿命与充电电压的关系

蓄电池容量

(Ah)蓄电池标称

电压(V)蓄电池使用寿命充电电压(V)13.51414.515.5 54

7012

12使用时间(h)

使用时间(h)1750

25001600

23501425

2175500

1650

从表1中的数据可以看出，当充电电压增高

本文1998年11月18日收到10%～12%时，蓄电池寿命可能缩短2/3，因此在整个风机使用范围内，维持发电机电压在额定值附近，对保证用电设备的性能与寿命是非常重要的。由此，解决小型风力发电机供电电压在风速变化时恒定不变，对推广和应用这一成果有着重要的意义。

目前解决这一问题的主要措施是在机组上安装由稳速棒及稳速弹簧组成的稳速装置，通过稳速风机的转速来稳定电压，电压变化较大，且价格较高，制造复杂，易出故障。有些小型、微型机则完全靠蓄电池的电容特性来稳压，电压变化更大。还有些产品介绍借用汽车上的电压调节器来控制电压不变，但这需要采用带有励磁绕组的电励磁式发电机，因而失去了永磁发电机的优越性。

为了更好地解决这一问题，我们研制了具有变速恒压性能的永磁风力发电机，本文介绍这种发电机的主要原理和特点。

1 变速稳压原理

研制的风力发电机系统结构如图2所示。定子上安放有三相交流绕组。转子采用永磁结构，在电机制成之后，所产生的磁通基本是不变的，或者是不可调的。输出由三只共阳极的硅二极管D1，D2，D3与三只共阴极的晶闸管K p1,K p2,K p3组成三相桥式半控整流电路，与蓄电池E及负载Z L相接。另外由D 1～D6组成三相全波整流电路，作为晶闸管控制极提供触发电压用，与电压调节器的一个触点相接，另一个触点则与晶闸管控制极相连。电压调节器的线圈并在三相半控桥的输出端，其电压控制原理是：当风力发电机的转速较低时，电压调节器的触点K闭合，晶闸管相当于二极管的作用，在转速达到一定值后，整流桥可向蓄电池与负载提供三相全波整流电压。随着发电机转速升高，整流输出电压亦随之增大，如图3中的实线所示。当整流输出电压超过额定电压达到U2值时，电压调节器线圈中的电流增大，产生的吸力使触点K断开，晶闸管的控制极失去正向触发电压，呈阻断状态，因而整流输出电压开始下降，如图3的虚线所示。当整流电压降至U1低于额定电压时，电压调节器线圈中的电流减小，吸力下降，触点闭合，三只晶闸管重新获得正向触发电压，使整流电压开始回升。如此反复，就可使整流电压的平均值U p 保持在额定电压附近的较小范围内。

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图2整流及电压控制原理图

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图3电压波形图

2 永磁材料与转子结构的选择

永磁材料的技术性能与退磁曲线的形状，对电机的性能、外形尺寸、运行可靠性等有很大的影响，是设计与制造永磁电机时需要考虑的十分重要的参数。对于不同的情况，不同的场合，应采用不同的结构形式和永磁材料。表2列出了几种典型永磁材料的技术指标，图4给出这几种永磁材料的退磁曲线。

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图4几种永磁材料的退磁曲线

表2几种典型永磁材料的技术性能

价格(Yuan/kg)B r(T)H0(MA/m)BHmax(MTA/m)μr剩磁温度系数(%/℃) 铁氧体250.372.230.281.1～1.3-0.18～-0.2 铝镍钴1801.280.750.403～5-0.02～-0.05 稀土钴14000.957.51.751.05-0.05 钕铁硼5001.37.52.391.15-0.12 由于受价格或性能的限制，铝镍钴和稀土钴永磁材料很难在风力发电机这样的一般工业民用场合应用。铁氧体永磁材料的价格低廉，原料丰富，是制造永磁风力发电机的主要永磁材料，近年来获得了大量的应用。缺点是磁能积和剩磁感应强度偏低，电机的磁负荷受到限制，因而使得电机的体积较大，或者达到充电与满载的转速过高，影响风能的利用。

钕铁硼永磁自1983年问世以来，既得到了电机设计者的极大关注。这种永磁材料的磁性能十分优异，剩磁和矫顽力都非常高。且退磁曲线为直线，回复线与退磁曲线基本重合。其商用最大磁能积可达0.24MTA/m，而国内实验室水平已达0.39

MTA/m，用于电机后，可提高磁负荷，减少电机的体积与重量。尽管每千克的价格还比较高，但每千克MTA/m的价格接近铁氧体的水平。因此每台电机的用量很少，加上其它有效材料的减少，仍可使成本保持在现有电机的水平上，但体积与重量却大大减少了，不仅如此，这种永磁材料的原料非常丰富，最高使用温度可达120℃，完全满足一般风力发电机的要求，是一种很有发展前途的永磁材料。

转子结构的选择主要受所用永磁材料、加工工艺等的影响。当采用铁氧体永磁时，为了提高气隙磁密，可采用汇聚磁通的办法，利用图5所示的切向结构。此时有两个永磁体的截面提供一个极下的磁通，可减少电机体积，但工艺比较复杂，转子轴与磁极之间需用非导磁材料填充以减少漏磁。

图5电机切向结构