直驱永磁风力发电机永磁体抗失磁能力分析

图 1 永磁体工作图
电机实 际 运 行 时, 由 于 工 况 及 温 度 的 变 化, 磁钢的工作点会在退磁曲线上来回变化, 一旦工 作点低于某个温度下的退磁曲线的拐点, 将发生 不可逆退磁[5] 。 为了避免这种情况的发生, 设计 电机时应保证最极端情况下( 即热态突然短路) 磁 钢工作点在拐点之上。
为了分析最大去磁时的情况, 有必要对突然 短路的最大定子电流瞬间的电磁场分布进行研究。 采用了场路耦合的方法, 分析了突然短路时的磁
场分布情况, 以此为激励来分析最大去磁磁势时 永磁体的磁密分布情况, 来考察永磁体是否失磁。 图 6 为发电机机端突然短路后半个周期时刻, 发电 机内部的电磁场分布情况。 由图 6 可知, 此时的电 枢反应为直轴纯去磁反应, 对应的去磁磁动势最 大, 永磁体的失磁风险最大。 如果永磁体工作点 设计不当, 可能会产生永久退磁。
风能作为一种洁净的可再生能源, 随着技术逐 步成熟, 今后的运行成本会低于水电和火电, 发展 前景非常广阔。
目前, 在风力发电系统中, 应用较为广泛的 同步风力发电机主要有 2 种类型, 分别为电励磁同 步发电机和永磁同步发电机。 电励磁同步电机具 有良好的调磁能力, 对电网的兼容性好, 功率因 数调整灵活, 低电压穿越能力强等优点, 但它的 转子带有电刷, 集电环, 降 低 了 电 机 的 可 靠 性, 提高了维护成本, 限制了它在恶劣环境下的应用。 永磁同步发电机采用永磁体励磁, 转子上没有励
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直驱永磁风力发电机永磁体抗失磁能力分析
汪波 周光厚 李建富 丁宏龙
东方电气东方电机有限公司, 四川 德阳 618000
摘要: 稀土永磁电机由于其效率高、 转矩密度高、 功率密度大、 控制性能好等特点被广泛应用于风力发电领域, 但是永磁 体内的磁场波动与电机内的电流和温度相互影响, 有发生不可逆失磁的风险, 会影响发电机运行的稳定性。 以 1． 5 MW 直 驱永磁风力发电机为研究对象, 从永磁材料的退磁机理、 故障电流对永磁体的影响、 涡流损耗、 永磁体温升的计算和试验 等方面进行分析, 为大功率直驱永磁风力发电机的设计提供了参考。 关键词: 永磁风力发电机; 场路耦合; 温升计算; 失磁 中图分类号: TM315 文献标识码: A 文章编号: 1001-9006(2016)02-0062-06
磁绕组, 省去了电刷和集电环, 提高了发电机运 行的可靠性, 同时减小了转子损耗, 提高了电机 效率[1 - 2] 。
钕铁硼永磁材料具有高剩磁密度、 高磁能积、 高矫顽力的特点, 可以使电机达到高效率、 高功 率因数、 低重量的要求。 室温下剩余磁感应强度 Br 高达 1． 47 T, 最大磁能积高达 397． 9 kJ / m3 , 是 目前磁性能最高的永磁材料, 被广泛的应用于永 磁电机中。 其不足之处在于居里温度过低, 温度 系数较高, 在高温下使用时磁损失较大[3] 。
图 3 负载工况仿真结果
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图 4 三相突然短路电流 图 5 两相突然短路电流
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由图可知, 发电机三相突然短路电流的冲击 更为严重, 为额定电流的 4． 73 倍。 永磁体的失磁 是从局部开始的, 采用传统等效磁路法计算出的 工作点, 不能反映发生永磁体局部失磁情况, 需 要采用电磁场分析的方法, 计算最大去磁情况下 永磁体的磁场分布, 核算是否有发生局部失磁的 可能性。 永磁风力发电机的最大去磁情况, 应按 定子绕组发生三相突然短路考虑。 稳态短路电磁 场计算是为了校核永磁同步发电机在稳态短路工 况时永磁 体 的 工 作 点, 来 判 断 永 磁 体 是 否 失 磁。 为了分析突然短路时最大瞬态电流下永磁体的磁 密分布, 需考察最大去磁磁动势时永磁体的工作 点是否仍在失磁曲线的拐点以上。 3． 2 三相突然短路冲击对永磁体退磁的影响
与剖分插值逼近相结合, 它首先以偏微分方程边
值问题为出发点, 然后找出泛函并且构成和偏微
分方程边值问题等价的条件变分问题。 采用离散
化方式对其进行求解, 即将有限个单元中的每个
单元的求解函数假定为各节点函数间变化, 从而
将泛函转化为多元函数。 根据此多元函数得到一
组代数方程, 将边界条件代入, 修改方程组, 求
假设突然短路过程中: (1)瞬态过程中, 只考虑电磁过渡过程, 忽略 机械过程, 电机的转速保持额定速度不变; (2) 短路前电机工作在稳定工况下; (3) 突然短路发生在电机的出线端。 图 4、 图 5 分别为采用场路耦合法计算得到的 三相突然短路和两相突然短路电流瞬时值。
(a) 负载磁力线分布
(b) 负载磁密云图
要得到电机在各种工况下的最大电枢电流。 在这些 工况中, 电机突然短路产生的瞬态电流是最大的。
电力系统实际发生的故障中, 对称短路的故 障发生比例较小, 但是后果比较严重。 根据国家 标准规定, 考虑到电机的安全性能, 同步发电机 需要能承受空载下的 105% 额定电压下的突然三相 对称短路电流。 不对称短路最常见的为相间短路 和单相对中性点短路。
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大, 维护成本高, 一旦失磁, 将产生无法发电的 严重后果。 风力发电机发生故障短路的风险较大, 因此必须严格核算, 确保永磁体能够承受规定的 故障工况, 而不失磁[4] 。 1 永磁体退磁机理
造成永磁体退磁的原因主要有外磁场、 高温、 失重等。
解此方程组后得到节点上的函数值。
2． 1 电机数学模型
为求解电机的电磁场, 假设:
(1)忽略位移电流, 电机作为似稳场处理;
(2)在二维场中, 端部漏感表示端部效应;
(3) 材料为各项同性, 忽略铁磁材料磁滞效应;
(4) 永磁材料用等效面电流模拟;
(5)忽略电导率和磁导率的温度效应, 他们仅
为空间函数;
建模。 根据电机的实际尺寸, 得到物理模型如图 2
所示。
图 2 电机有限元模型
通过场 路 耦 合 的 方 式, 给 电 机 加 额 定 负 载, 得到电机负载时的磁力线分布图和磁密云图, 如 图 3 所示。
3 发电机短路工况对永磁体的影响
3． 1 短路电流的计算 对永磁电机的最大去磁工作点进行校核, 需
永磁体的温度一部分来自于热传导, 另一部 分主要是由谐波引起的发热。 为了减小谐波引起 的发热, 采用了全新的安装方式, 将永磁体分块 固定于设计好的盒子中, 并用盖子盖上, 使得永 磁体在机械上和电气上都得到了保护, 减少了谐 波引起的发热。
失重引起磁体重量减小, 磁通降低, 电机出 力下降。 失重原因主要为潮湿和盐雾。 失重的标 准采用 HAST 标准。
Abstract: Rare earth permanent magnet machine is widely used in wind power generation due to its high efficiency, high torque density, high power density and good control performance． But the magnetic field fluctuations within the permanent magnet and their mutual influence with the current and temperature in the generator may cause irreversible demagnetization. This will affect stable operation of the generator． As for 1． 5 MW direct drive permanent magnet wind generator, the mechanism of permanent magnet demagnetization, influence of fault current to the permanent magnets, eddy loss, temperature rise calculation and test of the permanent magnets are described in the paper, which may be used for reference of design of large capacity direct drive permanent magnet wind power generators. Key words: permanent magnet wind generator; field-circuit coupling; temperature rise calculation; anti-demagnetization
Anti-demagnetization Analysis of Direct Drive Permanent Magnet Wind Generator
WANG Bo, ZHOU Guanghou, LI Jianfu, DING Honglong
( Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., 618000, Deyang, Sichuan, China)
图 7 为发生短路后的半个周期永磁体表面的磁 场曲线。 从图中可以看出永磁体表面的最低工作 点为 0． 084 T, 高于永磁体 40 SH 的最小退磁工作 点 - 0． 3 T。
由于风力发电机特殊的工作环境, 维护难度
收稿日期: 2016 -02-25
作者简介: 汪波(1966 -) , 男, 2000 年 5 月毕业于清华大学电机系电气工程领域专业, 工程硕士, 高级工程师。 现在东方电气东方电机产 品开发二部任副总设计师, 长期从事永磁风力发电机设计和研究工作。