风力发电机设计摘要：本课题所研究的异步发电机是目前最理想的风力发电机，前景非常乐观。

本文重点介绍了目前风电场中所采用的风力发电机组 ,包括风力机、风力机的功率调节及恒速恒频和变速恒频发电系统。

关键词：新能源；风力发电机；变速恒频；电磁计算ABSTRACT：This lesson a study the three–phase asynchronous machines is the best wind turbine generator at present.The main topics mentioned here are about wind turbine, power regulation of wind turbine and induction generator in wind farms with electrical power system.Key words: New energy resource；Wind turbine generator；Variety invariable frequency ；electromagnetic calculation引言风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。

20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。

1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。

1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。

进入20世纪80年代，单机容量在100KW 以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。

到20世纪90年代，单机容量为100～200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。

同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。

中国风力发电行业发展前景广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。

“十二五”期间，我国风电产业仍将持续每年10000兆瓦以上的新增装机速度，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。

1 变速恒频风力发电系统的总体设计变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化，而不影响输出电能的频率。

可以通过适当的控制，使风力机的尖速比处于或接近最佳值，从而可以最大限度地利用风能。

另外，对于恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮机传递给主轴、齿轮和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，如果这种过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时应该加大安全系数，从而导致制造成本增加。

而风力发电机采取变速运行时，当风速跃升产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力。

当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机内部能量传输部件的应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风力发电机组运行更加平稳和安全。

变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点：1) 最大限度的捕捉风能。

2) 较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。

采用一定的控制策略（如矢量PWM）可灵活调节系统的有功和无功功率，对电网而言这种系统图1.1 变速恒频风力发电系统为使风力机组能够稳定运行，必须对其进行有效的控制。

考虑到风力发电机组的特殊性，按重要性的顺序，控制器应依次满足以下要求：1) 风能转换系统是稳定的；2) 运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性；3) 控制代价小．即对不同输入信号的幅值有一定限制，如调向的时问等； 4) 最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速时，输出的电功率达到最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量；5) 风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量。

在变速恒频风力发电控制系统中，需要一种功率转换装置将发电机发出的电能控制为恒频。

其主要组成环节及作用如下：1) 发电机把风力机输出的机械能转变为电能。

2) 发电机侧变流器由自关断器件（如GIR 、IGBT 、GTO 等）构成的AC/D 变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。

3) 直流环节一般直流环节的电压控制为恒定。

4) 网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC 变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦波交流电（如50Hz 、690V 的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。

5) 变压器通过变压器以及一些开关设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如11kV 或33kV 等）。

其中2～4可称为变频器，其能量流向在某些控制方案中是双向的，上述变频器为交一直一交变频器，也有采用交一交变频器的。

另外，在有的方案中发电机的全部功率通过变频器进行转换，而有的方案只有部分功率通过变频器进行转换。

2 风力发电机设计风能转换系统中使用的传统异步发电机向电网输送电能时，作为恒输出功率的异步发电机以超同步转速运行。

这个特征在速度高于电机额定转速时损失了风能，也就是说，该系统是作为恒频风能转换系统运行的。

为使异步发电机作为一种变速、恒频装置运行，将其转子回路与一个整流器、一个直流耦合变换器和一个有源逆变器相连，使转子回路的转差频率交流电流由半导体整流器整流为直流，再经逆变器把直流变为工频交流送到交流电网中去。

这种能量既可以由定子、也可以由转子送到交流电网中，故称双输出异步发电机。

此时整流器和逆变器两者组成了一个从转差频率转换为工频交流的变频装置。

控制逆变器的逆变角，就可以改变逆变器的电压。

该异步发电机是作为一台双输出感应发电机以超同步速度运行的。

这实际上是异步发电机的串级调速在风能转换系统中的实际应用。

图2.1 双输出异步发电机的工作原理工作原理图双输出异步发电机的工作原理工作原理如图2.1所示 。

三相交流电网平波电抗器绕线转子异步发电机逆变器整流器风轮P wP a2.1三相异步发电机的电磁设计方案根据设计要求及额定数据参考异步电动机的电磁计算程序确定电机的电磁负荷，计算定子、转子冲片和铁心各部分尺寸及绕组数据，进而核算电机各项参数及性能，并对设计数据做必要的调整，直到达到要求。

但异步电动机与异步发电机是有差异的，故不能直接引用而必须重新分析计算。

以下所述内容均基于上海电器科学研制所出版的《中小型三相异步电动机电磁计算程序》1) 满载电势系数e ε-1取值范围不同，异步电动机一般在0.85～0.95之间，而异步发电机的要大得多，一般在0.95～1之间；2) 异步电动机中)(1111x i r i k p e ⋅+⋅-=-ε，由于异步发电机中1U 与1I 之间的夹角大于90︒，因而某些项目的符号必须改变；3) 异步电动机中])(1[)(221k m p m k i k i x k i ⋅+⋅⋅⋅=用于异步发电机时误差较大，应导出新的计算公式。

4) 电动机计算铁耗时对应于空载时的电势，而发电机满载时的铁耗应对应于满载电势e E ε-=10；5) m x 用u e m i x /)1(ε-=更接近发电机实际情况。

另外，在设计过程中还要注意适当提高发电机的过载能力和功率因数，在保护线路上也要采取措施。

2.2 三相异步发电机电磁计算程序（1）额定功率N P ＝600 KW（2）额定电压 N U =690 V ；==3N N U U φ 398.4 V（3）功电流 ==N NKW U P I 31N N P m U φ= 502.04 A （4）效率 96.0=η（5）功率因数)0.88(c o s 滞后=ϕ （6）极对数 p ＝2（7）定、转子槽数1Z ＝48 , 2Z ＝40 (取 1q ＝4 )（8）定、转子每极槽数：定子1p Z ＝pZ 21＝12 转子2p Z ＝pZ 22＝10（9）定、转子每极每相槽数：定子1p Z ＝pmZ 21＝4转子2p Z ＝pmZ 22＝10/3（10）定子外径：由经验公式可得2极对小型电机满载电势标么值'0.920.00886l n EN K P =+＝0.975 计算功率：'''cos N EP p K ϕ= ＝664.773⨯310 V A 初选 'p a ＝0.72 ，'Nm K ＝1.12 ，'1dp K ＝0.98，'A ＝46000 A/m ,'B δ=0.72 T,假定'n =1450 r/min.于是得：'''''''16.11p N m d p p V a K K A B nδ=∙∙ ＝0.10685 3m 取λ＝0.74 则'1i D =0.569 m''111/(/)i i D D D D ==1.015m 根据标准尺寸最后确定1D ＝1.02 m（11）定子内径1i D ＝0.57 m铁心的有效长度21ef i Vl D =＝0.329 m 取铁心长 i l ＝0.325 m （12）气隙 由经验公式 =δ30.3(0.)10-+⨯＝1.02310-⨯m （13）转子外径 2D ＝0.568 m（14）转子内径2i D ＝0.08 m（15）铁心有效长度（无径向通风道）ef l ＝i l ＋=δ0.325+2⨯1.02310-⨯=0.327m（16）极距 12i D pπτ==0.4477 m（17）定、转子齿距：定子111Z D t i π=＝ 0.0373 m转子222Z D t i π=＝0.0448 m（18）定子绕组采用单层绕组（19）转子斜槽宽 （sk b 取一个定子齿距1t ）于是 sk b ＝0.0375 m（20）每相导体数 ''111c o s0.57460000.883502.04i KWD A N m I φπϕπ⨯⨯⨯==⨯=48单层线圈1s N ＝每相线圈匝数=3 （21）每相串联导体数11111a m Z N N s =φ＝48 每相串联匝数211φN N =＝24（22）绕组线规设计'11'1'1'1J a I A N c i =＝98.36 2mm''1c o s)(ϕKWI I ＝定子电流初步值＝570.5 A（23） 槽满率 ： 初步取'1i B ＝1.5 T 估计定子齿宽'11'1i F e i t B b K B δ=＝0.03730.720.95 1.5⨯⨯＝0.01885 m初步取 '1j B ＝1.5 T '''1'12p j Fe j a B h K B δτ==0.44770.720.7220.95 1.25⨯⨯⨯⨯=0.977m1i b =0.0196 m（取 0121210.0008,0.078,0.014h m h m r m ===） （22022220.142,0.0005,0.008,0.02425i h h r b ====）1）槽面积 2)(22'21'1121r h h b r A s s π+-+=＝0.00217 2m （110.021b m =）2）槽绝缘占面积： 单层 )2(21'r h A s i i π+∆=＝0.00059 2m3）槽有效面积i s ef A A A -=＝0.00158 2m4）槽满率 %100211⨯=efs i f A d N N S ＝ 0.78 (符合要求)（24）绕组系数11p d dp K K K =1）分布系数 2s in 2s in 111ααq q K d =＝420sin 0.642820.9254200.69464sin 2⨯︒==︒ 2）短距系数 βπ2s in 1=p K ＝1所以11p d dp K K K =＝1⨯0.9254＝0.9254（25）每相有效串联导体数11dp K N φ＝48⨯0.9254＝ 443 结束语根据前面的发电机设计得出以下结论：本发电机采用双输出异步发电机，采用变速恒频风力发电系统。