电磁设计特点与磁路结构优化

由于绕线型双馈风力发电机的运行方式既不同于异步电机也不同于同步电机，其电磁设计应有其自身特点。根据绕线型双馈风力发电机的运行原理及其运行方式，设计中主要应考虑以下6个方面的问题。

1.电压、极数选取

（1）发电机电压等级一般为低压或中压（多为低压690V），按发电机设计原则分析，功率3MW以上的发电机的电压等级更适合采用中压等级。低压大电流电机嵌线、出线困难。

（2）发电机极数。传统同步电机，由于转子转速总是等于同步转速，因此电网频率一定时其极对数是唯一的。而由于双馈风力发电机是带转差运行，转差率s≠0，当发电机转速范围一定时，其极对数的选择不唯一。

双馈风力发电机在定子输出一定时，其励磁容量将随转差率s绝对值增大而增大，因此为了降低励磁容量，极对数选择原则上应使在正常转速范围内励磁容量最小。在双馈风力发电机定子输出、极对数一定时，其励磁容量存在一个最小值，它所对应的转差率为smin。所以，当双馈风力发电机在转速范围一定时，极对数的选取应使其运行的转差率尽可能地靠近smin，这将有利于励磁容量的减小，从而降低励磁系统的造价。

一般来说，双馈风力发电机极数可以是4极或6极。4极发电机比6极体积要小，现在2MW以下发电机多采用4极。4极发电机的轴中心高不宜超过710mm（对应发电机功率可达4～4.5MW），现在2.5MW、3MW发电机极数多采用6极。

2.转子励磁绕组相数的选择

双馈风力发电机转子励磁绕组的作用是产生转子旋转磁场，从理论上讲可以采用两相、三相或多于三相的对称绕组。但实际运行中，采用超过三相的对称绕组会增加励磁电源和励磁控制的难度与成本，因而不宜采用。采用三相对称绕组时，用交—交或交—直—交变频器容易实现对绕线型双馈风力发电机的控制，同时在保持转子热负荷相等时两相和三相所产生的合成磁动势幅值不相等，三相绕组所产生的磁动势大于两相绕组所产生的磁动势，比两相绕组有更高的利用率，因此绕线型双馈风力发电机转子绕组宜采用三相对称绕组。

3.气隙的选择

受静态稳定性的限制，传统同步电机的同步电抗一般不能太大，因而气隙不能太小；但对于双馈风力发电机，由于不存在静态稳定性问题，故气隙的选择可不考虑其受静态稳定性的影响。不过当气隙较大时，其励磁容量也将增大，传统同步电机励磁容量一般为额定容量的2%左右，而双馈风力发电机的励磁容量在转速变化较大时可高达额定容量的30%。为尽可能降低其励磁容量，绕线型双馈风力发电机应减小气隙长度；但气隙也不能过小，因为随着气隙的减小，因齿谐波所产生的附加铁耗又将增大。所以，应在考虑不影响效率、制造工艺的前提下尽可能减小气隙长度。

4.负荷选取

（1）考虑整个运行范围内发电机的温升和效率。风力发电机的转速范围较宽，最大可为同步转速±30%，要注意低速时风力发电机的通风散热能力会降低；发电机功率因数波动范围较大，为-0.9（超前）～1～0.9（滞后）——热负荷；电网电压的波动范围较大，为额定电压±10%——磁负荷、热负荷；电网电压、功率因数波动范围内的电磁计算、性能计算、温升计算；磁路饱和程度影响发电机输出电能质量。

（2）考虑转子采用变频器供电时发电机的谐波影响。发电机谐波会引起转子铁损和定子、转子绕组铜损增加，定子和转子绕组温升上升，还将增加发电机噪音和电磁振动，增加转子导条的集肤效应。因此转子铁芯应设有轴向通风孔或径向通风道，保证良好的通风冷却效果。考虑到高次谐波增加将加深磁路饱和，发电机的磁路应设计成不饱和结构。

（3）系统控制方式的影响。

1）桨距控制中的动态入流现象。会引起暂态过电流和磁路饱和效应，从而产生高次谐波。(www.xing528.com)

2）用短路棒保护方式进行低电压穿越。当电压严重跌落时，高次谐波会使暂态电流增加。

（4）电磁负荷、热负荷、温升应留有一定的裕度。双馈风力发电机定子、转子电流密度及线负荷设计均应较普通YR型电机低，磁负荷选取也应略低于常规发电机。特别应注意超负荷（如1.1倍、1.15倍额定功率）、高网压、低功率因数时的定子、转子齿磁密（转子齿磁密Bt2可比定子齿磁密Bt1略高，因其只会使功率因数降低，不会导致铁耗增加），气隙磁密Bg不宜过大（影响转轴的临界转速、挠度、轴承寿命和齿谐波）。

5.槽形、线圈型式

电磁设计时，常采用以下措施：

（1）定子、转子槽采用开口槽、半开口槽、半闭口槽。

（2）定子或转子铁芯采用斜槽结构。

（3）短距绕组形式。

（4）适当增大电机气隙，减小发电机的气隙磁密谐波、改善感应电势的波形，达到降低电压波形正弦性畸变率、减小发电机损耗和提高效率、降低定转子绕组温升的目的。

6.斜槽

为了减小发电机的气隙磁密齿谐波，可采用定子铁芯斜槽或转子铁芯斜槽结构，如图3-14和图3-15所示。

图3-14　定子铁芯斜槽结构

图3-15　转子铁芯斜槽结构