【摘要】：多相磁通切換永磁電機(jī)(Flux-Switching Permanent Magnet Machine,簡稱FSPM電機(jī))結(jié)合了多相繞組電機(jī)與磁通切換電機(jī)的雙重優(yōu)勢,在需要大功率、高可靠性和強(qiáng)容錯的風(fēng)力發(fā)電場合具有廣闊的應(yīng)用前景�；谡n題組前期對新型定子永磁電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的多年研究積累,論文提出了一種十二相FSPM發(fā)電機(jī),在結(jié)構(gòu)上保留了普通三相FSPM電機(jī)魯棒性好、冷卻方便和便于模塊化加工等優(yōu)勢,在性能上實現(xiàn)了大功率輸出、強(qiáng)容錯運(yùn)行、低轉(zhuǎn)矩脈動和強(qiáng)過載能力,是MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向之一。本文以風(fēng)力發(fā)電為背景,針對十二相FSPM發(fā)電機(jī)本體設(shè)計與分析方面的問題進(jìn)行深入研究。探討多相繞組結(jié)構(gòu)和電機(jī)拓?fù)湓O(shè)計對發(fā)電機(jī)性能的影響,總結(jié)出多相繞組結(jié)構(gòu)的通用設(shè)計原則。在此基礎(chǔ)上,研究了多相FSPM發(fā)電機(jī)的設(shè)計方案、電磁性能、數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行特性等,為高性能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。論文主要研究成果包括以下幾個方面:1.對多相繞組的通用設(shè)計原則進(jìn)行了分析和歸納,推導(dǎo)了相鄰兩套對稱繞組之間的相位差與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和直流母線電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,提出了以抑制轉(zhuǎn)矩脈動和直流電壓紋波為目標(biāo)的相位差優(yōu)化設(shè)計方法,并建立了轉(zhuǎn)矩脈動和直流電壓紋波隨相數(shù)變化的解析關(guān)系。最后,通過對幾組不同類型多相繞組結(jié)構(gòu)的FSPM電機(jī)有限元分析和原理樣機(jī)試驗,驗證了上述理論推導(dǎo)的正確性。2.對發(fā)電機(jī)與電動機(jī)在設(shè)計原則與方法方面的重要區(qū)別之處進(jìn)行了分析和總結(jié),給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計指標(biāo),包括:輸出功率、定位力矩和電壓調(diào)整率等,并強(qiáng)調(diào)發(fā)電機(jī)帶電路聯(lián)合仿真設(shè)計方法的必要性,為建立多相FSPM發(fā)電機(jī)的設(shè)計理論奠定重要基礎(chǔ),同時為多相FSPM風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體設(shè)計方法提供指導(dǎo)。3.通過建立轉(zhuǎn)矩脈動和直流電壓紋波隨相數(shù)變化的解析關(guān)系,確定了本課題所研究的多相FSPM發(fā)電機(jī)電樞繞組相數(shù)。然后,結(jié)合直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用特點和設(shè)計要求,選定四種定/轉(zhuǎn)子極數(shù)配合作為候選,分析了電機(jī)尺寸參數(shù)對發(fā)電機(jī)特性的影響。最后,通過對四種齒槽配合的十二相FSPM發(fā)電機(jī)靜態(tài)特性對比,確定了最終的十二相FSPM發(fā)電機(jī)拓?fù)洹?.基于Maxwell建立了完整的十二相發(fā)電機(jī)帶電阻負(fù)載運(yùn)行聯(lián)合仿真系統(tǒng),通過改變負(fù)載電阻值和轉(zhuǎn)速即可改變發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過仿真研究,預(yù)測發(fā)電機(jī)輸出特性隨負(fù)載電流或轉(zhuǎn)速變化的特性曲線,獲得發(fā)電機(jī)的定位力矩、輸出功率、電磁轉(zhuǎn)矩、電壓調(diào)整率、效率和過載能力,驗證了電機(jī)設(shè)計方案滿足額定設(shè)計規(guī)格。5.基于十二相FSPM電機(jī)的電感仿真波形,建立十二相電感矩陣的理想化模型,進(jìn)而通過將十二相對稱繞組按照四個對稱三相繞組子集獨(dú)立進(jìn)行坐標(biāo)變換再綜合分析,建立了十二相FSPM發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,給出了發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和輸出功率方程,為發(fā)電機(jī)性能的預(yù)測分析和電機(jī)控制策略設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。6.對十二相FSPM發(fā)電機(jī)和十二相普通永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的靜態(tài)特性和發(fā)電運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真比較研究,采用發(fā)電機(jī)簡化相量圖分析了二者輸出特性產(chǎn)生差異的原因,并通過分別比較二者在電動模式和發(fā)電模式下的電磁轉(zhuǎn)矩,證實了電樞繞組電感對電壓調(diào)整率及發(fā)電機(jī)輸出特性的影響。7.加工研制了一臺十二相FSPM發(fā)電機(jī)實驗樣機(jī),搭建了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平臺,測試了發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行特性、額定帶載輸出特性、變速和變載發(fā)電運(yùn)行特性,以及不同繞組結(jié)構(gòu)下的空載整流特性和帶載特性等,具體包括輸出功率、機(jī)械轉(zhuǎn)矩、效率、電壓調(diào)整率、過載能力和溫升等參數(shù),實驗結(jié)果滿足設(shè)計要求,驗證了電機(jī)設(shè)計方法的正確性和電機(jī)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。
【圖文】：

ENERCON 生產(chǎn)的 4MW 環(huán)形電勵磁同圖 1-6 GE 生產(chǎn)的 6MW 永磁同步發(fā)電機(jī)[具有最高的性價比，特別適于變速恒頻，增加了維護(hù)成本。因此，無刷雙饋風(fēng)圖 1-7 所示。定子側(cè)有兩套極對數(shù)不同

圖 1-6 GE 生產(chǎn)的 6MW 永磁同步發(fā)電機(jī)[13]. 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī) 無刷雙饋發(fā)電機(jī)管雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有最高的性價比，特別適于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電，但其電刷和大地降低了系統(tǒng)可靠性，增加了維護(hù)成本。因此，無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)引起了學(xué)術(shù)界泛關(guān)注，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-7 所示。定子側(cè)有兩套極對數(shù)不同的獨(dú)立繞組，分別為功繞組。功率繞組直接與電網(wǎng)相連，控制繞組通過功率變換器接入電網(wǎng)，兩套定子繞組上完全解耦，兩套繞組產(chǎn)生的空間磁場通過轉(zhuǎn)子實現(xiàn)耦合，與轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場相電磁轉(zhuǎn)矩。通過調(diào)節(jié)控制繞組的電流頻率，即可實現(xiàn)定子繞組輸出電流頻率恒為 50H行閉合的環(huán)路結(jié)構(gòu)，取消了滑環(huán)和電刷。轉(zhuǎn)子磁場需要進(jìn)行極數(shù)轉(zhuǎn)換才能與定子磁場轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的功能，即必須滿足同時耦合定子功率繞組和控制目前無刷雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子常采用同心式籠型、磁阻式和繞線式三種結(jié)構(gòu)。在三種轉(zhuǎn)子同心式籠型轉(zhuǎn)子易于加工，相對成本較低，電機(jī)的起動和異步運(yùn)行性能良好；磁阻式較強(qiáng)，電機(jī)效率較高，同步和雙饋調(diào)速特性良好[23]。但這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙饋異步電諧波含量較大，導(dǎo)致鐵芯磁路易飽和，，限制電機(jī)出力[24]。繞線式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是制電機(jī)類似，且由于其接線靈活、方便，能夠有效地降低諧波含量，更適用于大尺寸電結(jié)構(gòu)在電機(jī)運(yùn)行時存在轉(zhuǎn)子銅耗，與磁阻式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，電機(jī)效率偏低[25]。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM315

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本文編號：2673647