风力发电机组中的发电机

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1、?1风力发电机组中的 发电机清华大学风力发电培训教程(2005年版)柴 建 云 第 1 章 概述概述?风力发电机组是一个由风力机、升速齿轮箱、 发电机和控制器构成的统一的系统; ?发电机不但自身的运行效率要高 ，而且还必须 与风力机特性，以及电网的电能质量要求相匹 配； ?风力发电的种类很多。它们的特性各异，运行 原理也有很大的差别。在有些新型风力发电机 中，电力电子变流器已经成为风力发电机的一 个重要的组成部分。第 1 章 概述概述1.1 风力发电机组对发电机的基本要求风力发电机组对发电机的基本要求从五个方面考虑：从五个方面考虑： ?运行环境：温度、湿度、风沙、雷击 ?安装 位置：高空、机舱

2、、吊装、振动 ?风力机功率随机性：风速不稳定 、瞬间 过载、发电机频繁投切 ?负载性质：变化范围，效率、功率因数 ?电网性质：电压 波动第 1 章 概述概述?基本要求基本要求 发电机宜采用全封闭式电机，其外壳防护等级 为IP44或IP54； 发电机宜采用强迫空气冷却方式，即外壳表面 带散热筋加同轴外风扇；对于兆瓦级以上风力 发电机，为了提高发电机有效材料的利用率， 亦可采用水外套或箱式空水冷却方式，但在北 方地区应注意冷却水的防冻问题； 发电机宜选用较高的绝缘等级，通常为F级， 发电机绕组需经真空压力无溶剂浸渍处理；第 1 章 概述概述?基本要求（续）基本要求（续） 发电机内需安装防潮加热器；

3、在发电机底部要 有气压平衡孔，此孔又能起到排出凝露水的作 用； 发电机的外壳要有良好的接地措施； 发电机振动要小，噪音要低； 安装在北方地区的发电机，宜选用耐低温的轴 承润滑脂； 发电机的飞逸转速要高，一般大于1.5倍额定转 速；第 1 章 概述概述?基本要求（续）基本要求（续） 发电机的效率要高，且效率曲线在轻载范围较 为平坦； 发电机的机械特性要软，额定转差率要大； （这个要求与效率要求相互矛盾，要综合权衡 后选取合适的转差率。） 发电机的功率因数应尽可能高； 发电机承受电网电压波动的能力要强； 发电机的并网冲击电流要小，必要时需配置软 并网装置；?2第 1 章 概述概述?基本要求（续）基

4、本要求（续） 发电机的寿命一般要求为20年； 发电机应尽量做到免维护；对于大型风力发电 机，还要求设置测温、测压等故障检测装置； 发电机的外形尺寸要小，重量要轻。上述要求仅是一般要求，对于某些特定类 型的风力发电机，可能不尽适用，或者还需要 补充一些其他的要求。第 1 章 概述概述1.2 并网型风力发电机组中的发电机系统并网型风力发电机组中的发电机系统并网型风力发电机组的必要性：并网型风力发电机组的必要性： 从充分利用风力资源，降低风电成本的角度看， 必须在风力资源较好的地区集中建设大规模的 风电场，并尽可能提高风力发电机的单机功率 容量。 在适宜建造大规模风电场的场址周围，未必存 在相应规模

5、的电力用户，作为出路，必须将风 电场发出的电能送入电网。第 1 章 概述概述?常用的并网型风力发电机组可分为两类： （1）准恒速风力发电机组 只能在接近发电机同步速附近运行。（2）变速恒频风力发电机组 允许在偏离发电机同步速较大的 转速范围内运行。第 1 章 概述概述?准恒速风力发电机组 （1）失速型风力机升速齿轮箱 笼型异步发电机； （2）变桨型风力机升速齿轮箱 笼型异步发电机 ； （3）变桨型风力机升速齿轮箱 同步发电机第 1 章 概述概述?变速恒频风力发电机组 （1）变桨型风力机升速齿轮箱 双馈异步发电机 ； （2）变桨型风力机低速同步发电机 电力电子变换器； （3）变桨型风力机升速齿轮

6、箱 中速永磁同步发电机 电力电子变换器第 1 章 概述概述1.3 独立运行风力发电系统独立运行风力发电系统 三种常用形式： （1）风力机直流发电机蓄电池 直流负载风力机直流发电机蓄电池 直流负载 （2）风力机永磁同步发电机 可控整流器蓄电池逆变器 交、直流负载风力机永磁同步发电机 可控整流器蓄电池逆变器 交、直流负载 （3）风力机笼型异步发电机 可调自励电容器交流负载风力机笼型异步发电机 可调自励电容器交流负载?3第 1 章 概述概述1.4 风力发电机的种类风力发电机的种类 从大的方面划分，风力发电机无外乎同步 发电机、异步发电机和直流发电机三类。 ?同步发电机按其励磁区分，又可分为电励磁同

7、步发电机、永磁同步发电机和磁阻同步发电机 三种； ?异步发电机按其转子形式，可分为笼型异步发 电机和绕线式异步发电机；按其调速方式，可 分为变极双速异步发电机、变转差（转子电流 控制）异步发电机和双馈异步发电机。第 1 章 概述概述?直流发电机按其励磁区分，也可分为电 励磁直流发电机和永磁直流发电机。它们的共同特点是都利用由静止电刷和旋转 换向器组成的机械换向装置将旋转电枢绕组内 的交流电转换为直流电。由于半导体整流技术 的高度发展，由交流同步发电机和半导体整流 器组成的同步整流发电机已可完全取代直流发 电机。 本课程将不再单独介绍直流发电机。第2章 同步风力发电机发展同步发电机的必要性： ?

8、同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交 流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向 直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为 中小容量风力发电机组的首选机型。 ?近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步 风力发电机也暂露头角，有望成为未来的主力 机型。第2章 同步风力发电机2.1. 同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的定、同步风力发电机的定、转子结构：定子铁心定子绕组发电机转子第2章 同步风力发电机同步发电机的简化模型导体 A定子气隙导体 A定子气隙NS转子NS转子n1n1磁力线磁力线励磁绕组励磁绕组导体 A定子气隙导体 A定子气隙NS转子NS转子n n1

9、1磁力线磁力线励磁绕组励磁绕组a 时刻b 时刻第2章 同步风力发电机发电机原理：产生感应电动势 ?风力机拖着发电机的转子以恒定转速n1相对于 定子沿逆时针方向旋转；?安放于定子铁心槽内的导体与转子上的主磁极 之间发生相对运动 ；?根据电磁感应定律可知，相对于磁极运动（即 切割磁力线）的导体中将感应出电动势：?导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。Vlvbe=?4第2章 同步风力发电机右手定则：把右手手掌伸开，大拇指与其他四指 垂直，让磁力线穿入手心，大拇指指向导体运 动的线速度方向，则其他四指所指方向就是导 体中感应电动势的方向导体 A定子气隙导体 A定子气隙NS转子NS转子n n1 1磁力

10、线磁力线励磁绕组励磁绕组导体 A定子气隙导体 A定子气隙NS转子NS转子n n1 1磁力线磁力线励磁绕组励磁绕组a 时刻b 时刻第2章 同步风力发电机?导体A每经过一对主磁极（N极和S极），感应 电动势就变化了一个周期。用f 表示定子上导 体中感应电动势的频率，即每秒内电动势变化 的周期数，单位为Hz。导体 A定子气隙导体 A定子气隙NS转子NS转子NSNS? 若转子有p对主磁极，当 发电机的转子每转一圈， 就有p对主磁极经过定子 上的导体，于是导体中 感应的电动势就变化了p 个周期。第2章 同步风力发电机?如果发电机的转速为n1，单位为r/min， 即发电机转子每秒转了n1/60圈，则定子

11、导体中感应电动势的频率为：?当发电机的极对数p与转速n1一定时，发 电机内感应电动势的频率f就是固定的数 值。160pnfHz=第2章 同步风力发电机?发电机原理： 产生电磁力 如果在同步发电机定子 导体A中有电流流过，那么 根据电磁作用力定律，导体 A在主磁极的磁场作用下， 将受到一个电磁力 ：电磁力的方向可用左手 定则判断。 Nfb li=第2章 同步风力发电机左手定则：把左手手掌伸开，大拇指与其他四指 垂直，让磁力线穿入手心，四指指向导体中电 流流动的方向，则大拇指所指方向就是导体受 力的方向。 ?导体A和导体B中的电流方向相反。 ?导体A受到的作用力，其方向为从右到左； ?导体B受到的

12、作用力，其方向为从左到右。?电磁力乘上导体距轴心的半径，就是电磁转矩。 导体A、B受到的电磁转矩的方向相同。第2章 同步风力发电机电磁制动转矩： 作用于定子导体 的电磁力的反作用力 必然作用于发电机的 转子磁极上，该反作 用力形成的电磁转矩 总是试图抵抗原动机 的拖动转矩。?5第2章 同步风力发电机电枢反应 ：? 同步发电机中的实际磁场是由转子励磁绕组中 的电流和定子绕组中的电流共同产生的；?定子绕组电流产生的磁动势被称为电枢反应磁 动势，由它产生的磁场被称为电枢反应磁场；?一个重要的现象是，当三相对称的电枢绕组中 流过三相对称交流电流时，将会形成一个旋转 的电枢反应磁场。其转速和转向 与转子

13、相同；第2章 同步风力发电机电磁作用原理： ?可以将同步发电机中发生的电磁作用形象地理 解为，转子磁场总是以电磁转矩拖着电枢反应 磁场同步旋转； ?磁阻同步发电机的转子上没有励磁绕组和永磁 铁，发电机内的磁场全部都是电枢反应磁场。 但其转子磁路的导磁性能在圆周方向上分布不 均匀。在任一瞬间，总是存在一个转子位置， 使得电枢反应磁场最强，即磁场储能达到最大。 磁场作用于铁磁介质时，总是试图移动铁磁介 质的位置，使得磁场储能达到最大。该电磁作 用力被称为介质力。第2章 同步风力发电机2.2 交流电机绕组理论交流电机绕组理论交流电机绕组原则： ? 从原理上看，交流电机的电枢绕组应满足电机 在绕组感应

14、电动势和磁动势两方面的要求； ? 对三相交流电机来说，要求三相绕组能感应出 波形接近正弦、有一定数值的三相对称电动势； ? 而当三相绕组流过三相对称电流时，要求能产 生接近圆形的旋转磁动势。第2章 同步风力发电机交流电机对其电枢绕组的基本要求 ： (1) 在导体数一定的情况下，能得到较大的基波电动势 和基波磁动势； (2) 对三相发电机来说，要求各相绕组中感应的基波电 动势是对称的； (3) 三相绕组表现的阻抗应彼此相等； (4) 电动势与磁动势的波形应尽量接近正弦，即谐波分 量较小； (5) 电枢绕组中的导体应有适当的截面积和绝缘强度； (6) 运行中有较好的散热性能； (7) 制造简单、维修方便。