永磁同步发电机及仿真介绍

直驱永磁风力发电机
1. 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 风 机轴上，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。国际先进 的无齿轮箱直驱风力发电机，多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 . 2. 由于其被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效 率，提高了捕捉风能的效率。试验表明，在平均风速6.7m/s时，变 速风电机要比恒速风电机多捕获15%的风能。同时，由于机舱重量 减轻和改善了传动系统各部件的受力状况，可使风机的支撑结构减 轻，基础等费用也可降低，运行维护费用也较低，这是一种很有发 展前途的技术，属于国际前沿先进项目。
定子 Stator
电 机 理 论 ：p=60f/n0 发 电机结 构 ：D=2P 电机设计：PN=1/C*ND2l
机组配置
电容和控制系统 Capacitor and control system 齿形带 Toothed belt 叶片 Rotor blade
长寿命变桨装置 采用齿形同步带
对冲击载荷的低敏感性 无需润滑 三个独立的交流变桨驱动电机 双层电容的后备电源，免维护
数学仿真部分
风力发电机组数学模型
直驱永磁同步发电机优点
永磁同步发电机并网的总体设计方案，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。 该机型采用了多种创新设计技术，与目前国际市场上现有的直接驱动机 型相比，具有以下优点： （1） 发电机效率高，变速范围宽（11rpm－20rpm）； （2） 无励磁损失； （3） 无碳刷和滑环，减少了维护量，提高了可利用率； （4） 发电机结构紧凑，尺寸小； （5） 变桨系统采用带传动，无需润滑，免维护； （6） 变桨系统采用无刷交流电机，电容作为后备电源，寿命长，免维护； （7） 变频装置采用经过验证的成熟技术，谐波分量低。 （8） 机舱结构设计采用了人性化设计方案，尽可能地方便运行人员检查维 修，在设计中加入爬升助力机构，使运行人员在 维护过程中攀登梯子时变 得格外轻松。
同步异步二次风力发电机
同步异步二次风力发电机有二次发电过程，第一次是同步发电，第 二次是异步发电。其原理是，首先用无齿轮化永磁同步发电机实 现一次发电，与无齿轮箱变速永磁风力发电机的技术方案基本相 同；第二步，则用PCT异步发电机系统代替永磁风力发电机的全 功率变频器，不需要整流成直流然后变频，大部分电能直接通过 升频、稳频的二次发电，得到恒频恒压电能，输送到电网。 为什么不简单化地采用现有的永磁同步方式发电，要搞二次 发电呢？其目的是为了尽量减少风力机机舱重量和制造成本，二 次发电系统中的永磁发电机比现有永磁发电机更轻巧更便宜；且 它所发的是低频三相交流电，然后将该低频三相交流电引入PCT 异步发电机进行二次发电，升频、稳频成为恒频恒压的工频电流 输入电网。本系统的二次发电起先是源于无齿轮箱永磁同步发电， 所以永磁同步发电的无齿轮箱优点也保留了下来，同时，可以合 理估算出，PCT异步发电机及其配置的变频器，二者加起来的成 本，还没有原来永磁发电机组中的一台全功率的变频器高，所以 同步异步二次风力发电机的发电机和变频器成本都有所下降，总 的性价比还优于无齿轮箱永磁同步发电机。
No torque peaks in case of grid failure 50 or 60 Hz line frequency without hardware modification High variable speed range (10 – 20 1/min) Grid connection no current peak High efficiency with diode rectifiers
复合励磁稀土永磁电机
考虑到电励磁同步发电机在电压调节方面的优越性，采用稀土永磁体和 电励磁绕组组合励磁的方法，发电机气隙磁场的主要部分由稀永磁体建立， 而电压调节所需的磁场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现。这种发电机既 具有永磁同步发电机的优点，而且很方便的解决了永磁发电机的电压调节问 . 题，具有以下优点：①.实现了无刷化，结构简单：②电励磁部分损耗小， 具有永磁发电机高效率的特点；⑧通过调节电励磁部分来调节磁通，达到了 调 压 的 目 的 ； 成果应用情况： 复合励磁结构的稀土永磁同步发电机在俄罗斯和日本 已经得到了开发应用，在国内也有一些研究机构在对其进行研究。我国的稀 土资源丰富，号称“稀土王国”，近年来，稀土永磁材料和稀土永磁电机的 科研水平都达到了国际先进水平，随着稀土永磁材料价格的下降，稀土永磁 同步发电机不但在国防和航空航天上得到了广泛的应用， 而且在工农业生 产和日常生活的各个方面都得到了大量的应用，例如风力发电、余热发电、 小型水力发电、小型内燃机发电以及汽车用发电机等方面都有应用。
Efficient frequency converter
Intelligent electronics protect grid and device: Low grid-load – integrated grid filter Complies with new EON-directive Insensitive to grid failure No HF load of generator and tower No audio frequency suppressor required机组配置 来自ll a WEC needs …
变频） 高效的变流装置（变频）
电网掉电不会产生峰值扭矩 50 Hz 或 60 Hz电网频率的不同将不需要更改硬件设备 电网频率的不同将不需要更改硬件设备 高变速范围（ ～ 高变速范围（11～20RPM) 并网时无冲击电流 高效的二极管整流
Efficient frequency converter
浓缩风能型风力发电机
1. 导入浓缩风能理论与技术,使呈湍流运动的自 然风得到加速、整流，品质提高后驱动叶轮发电! 使机组切入风速降低；发电机输出功率增加，自 然风的利用率提高，机组噪音降低，机组安全性 提高，尾流效应变小，机组寿命延长。 2. 浓缩风能型风力发电机可使自然风增速为原 来的1.367 倍以上；发电机输出功率增加为 2.554倍.
直驱机组配置 All a WEC needs …
7
1 5
10
(1) 叶轮 叶片 (2) 轮毂 (3) 变桨系统 (4) 发电机转子（外转子） 发电机转子（外转子） (5) 发电机定子 (6) 偏航系统 (7) 风速风向采集系统 (8) 底板 (9) 塔架 (10) 提升机 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Rotor blade Casted hub Blade pitch system Generator rotor Generator stator Yawing system Wind measurement system Machine base Tower Auxillary winch
变桨驱动 Pitch drive
皮带轮 Belt pulley
机组配置 All a WEC needs …
高效的变流装置（变频） 高效的变流装置（变频）
智能的电网及设备保护 低的电网载荷 – 内置电网滤波 符合 EON-准则 准则 能够抵御电网故障 发电机、 发电机、塔架没有高频载荷 无需音频抑制器
永磁同步发电机及仿真介绍
1) 一般性介绍（性能、结构、特点） 2) 数学模型及仿真模块 3) 仿真分析
永磁风力发电机是一种同步发电机，与大电网中的发电机属 同一类型，所不同的是，它用永磁体替代普通发电机的励磁， 省去电刷滑环，结构简单可靠，同时也节约了励磁功率，提 高了发电机效率。随着风电机转速的变化，永磁风力发电机 所发电力的频率也是不断变化的，所以还必须用一台全功率 的变频器，将这些电能改变为恒频恒压的交流电，才能输入 电网。 永磁风力发电机的一般特点 1. 直驱永磁同步发电机 2. 稀土永磁电机 3. 复合励磁稀土永磁电机 4. 同步异步二次发电风电系统 5. 新型永磁无刷直流发电机 6. 浓缩风能型风力发电机
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机组配置 All a WEC needs …
磁钢 Magnets 铁芯叠片 Laminated core 绕组 Winding
失效－安全、自调节、 失效－安全、自调节、空气冷却
外转子发电机: 外转子发电机 大的外表面，利于散热 自然冷却, 自然冷却 不必使用强迫风冷
风 Wind
转子 Rotor 通风道 Cooling channel
新型永磁无刷直流发电机
(1) 新型无刷直流发电机采用转子永磁体励磁（外电枢结构）二极 管组成电子换向器以进行换向.
(2) 新型发电机的电压波形象直流发电机一样平滑,却没有易磨损的换 向装置,它也采用了永磁体励磁,但其电压调整率比同步发电机低. (3) 新型无刷直流发电机不但具有了直流发电机的电压波形平稳的 优点而且也具有了永磁同步发电机寿命长、效率高的优点，从而 更加适合在风力发电系统中应用。 (4) 新型风力发电机和同步发电机相比具有电压调整率低、 电压波形平稳的优点；和直流发电机相比，具有无机械换向 装置、换向容易、使用寿命长等优点。
稀土永磁电机
稀土永磁电机： (1)1967年美国发明了第一代稀土永磁钐钴，其矫顽力比铁氧体永磁大三倍， 用这种永磁体制造的电机，功率密度大，还可以制成大功率的电机，我 们将这类电机跟铁氧体或铝镍钴制造的电机区别开来，称为稀土永磁电 机。 (2)稀土永磁同步发电机，采用稀土永磁材料制造，在运行过程中,由于取消 了全套转子绕线,使其能有效地消除在运行过程中由励磁绕组引起的铜耗, 降低发电机工作升温,提高发电机工作效率，发电效率高出普通磁材5倍 以上，而且长期使用不退磁。 (3)目前第三代稀土永磁钕铁硼，其磁性能比钐钴 更好，其磁能积相当 于铁氧体的十倍，而价格却低于钐钴的一半以下 （4）稀土永磁同步发电机具有高效、节能、结构简单、维修方便的特点。 与同重量的励磁发电机相比,其单位重量发电机输出功率可增加40%以上。而 其良好的负载性能,不论是“电感性、电容性负载,还是电阻性负载”,其电压 波形与空载基本一致,几乎无失真,克服了电励磁发电机带负载后波形会产生 畸变的不足
永磁发电机具有以下显著特点：
1.体积小，重量轻 转子部分采用高磁场的永磁体取代电磁线圈，永磁体的体积要小得多，因此该发 电机的体积和重量要小于常规电励磁发电机。 2.效率高，节能效果显著 由于永磁体能产生恒定不变的磁场，这样就省去了励磁耗能，因此PMG系列单相永 磁同步发电机比常规电励磁发电机明显节约能量。 其效率能提高10—15%，燃 油消耗率降低20%，是一种节能产品。 3.电压波形质量好，适用于各种负载情况。 由于采用机电一体化技术，发电机在各种不同负载（包括感性和容性负载）情况下 都可使电压波形畸变率保持在较小的范围内。 4.电机过载能力强，适合于在恶劣环境下工作。 电机的损耗小，温升低，过载能力强，更适合于在各种恶劣环境下工作。 5.无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长。 无电刷和滑环，同时转子上既无线圈，也无电子元器件，转子上的永磁磁体和铁心 固定成为一个刚性整体，结构非常简单，其可靠性 和使用寿命都远优于常规的电励 磁发电机。 6.电磁干扰小，电磁兼容性好。 电机的电磁噪声极小，对通讯设备和电子仪器的干扰非常微小，其影响几乎可忽略 不计。