兆瓦級雙饋風力發(fā)電機電磁場有限元分析
梅柏杉，劉海華，張金萍。
(1上海電力學院，上海 200090；2西北工業(yè)大學，西安710129)摘要：利用Anson軟件中的Maxwel_2D模塊建立了Mw級雙饋風力發(fā)電機(DHG)的仿真模型：通過對DHG模型進行靜、瞬態(tài)仿真，得到它的磁力線分布罔、磁密分布圖、氣隙磁密分布曲線、反電動勢曲線，并對反電動勢進行了諧波分析。仿真結果為雙饋風力發(fā)電機的進一步優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。
關鍵詞：雙饋風力發(fā)電機；MaxweIl 2D；靜態(tài)仿真；瞬態(tài)仿真
0 引 言
當電機運行時，在它的內(nèi)部空間，包括銅與鐵所占的空間區(qū)域，存在著電磁場，這個電磁場是由定、轉子電流所產(chǎn)生的。電機中電磁場在不同媒介中的分布、變化及與電流的交鏈情況，決定了電機的運行狀態(tài)與性能。因此，研究電機中的電磁場對分析和設計電機具有非常重要的意義：
Maxwell 2D是Anson機電系統(tǒng)設計解決方案的重要組成部分。Maxwell 2D是一個功能強大、結果精確、易于使用的一維電磁場有限元分析軟件：它包括電場、靜磁場、渦流場、瞬態(tài)場、溫度場等分析模塊，可以用來分析電機、傳感器、變壓器等電磁裝置的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、正常1二況的特性。
雙饋感應發(fā)電機磁路和傳統(tǒng)徑向磁路電機結構相同，因此在這里，我們利用AnsoR的Maxwell 2D有限元分析工具對一個三相4極兆瓦級雙饋風力發(fā)電機進行有限元分析，以驗證和考核電機設計的合理性和準確性，并進一步優(yōu)化設計。
1 電機有限元分析模型的建立1。1電機基本參數(shù)本文以1 5 Mw三相4極雙饋風力發(fā)電機作為分析模型，進行有限元建模與仿真，電機主要參數(shù)如下：額定功率PN=1．5 Mw，F(xiàn)=50 Hz，極對數(shù)p=2，定子額定電壓u1=690 V，定轉子槽數(shù)72／96，定子采用雙層疊繞組，為了削弱低次諧波，采用短距繞組，并聯(lián)支路數(shù)為4，Y形連接；轉子雙層整距波繞組，并聯(lián)支路數(shù)為l，Y形連接；為了建立電機內(nèi)部磁場的微分方程，確定求解區(qū)域和有限元求解的邊界條件，根據(jù)該雙饋風力發(fā)電機的特點’，作如下假定：
1)相對于磁極極距的尺寸來說，氣隙是很小的，并且是均勻的，因此其磁感應強度一般只考慮徑向分量，且認為沿電機的軸向是不變的，忽略電機端部效應，電機磁場沿軸向均勻分布，即電流密度矢量|，和矢量磁位A只有軸向分量，j=jz，A=2A，；2)鐵心沖片材料各向同性，且磁化曲線是單值的，即忽略磁滯效應；3)電機外部磁場忽略不計，定子外表面圓周為一零矢量位面；4)所有導線上的電流密度均勻分布；
5)根據(jù)電機結構特點，電機內(nèi)磁場是對稱分布，故在分析電勵磁雙饋風力發(fā)電機內(nèi)部磁場時，也可取四分之一圓域作為求解區(qū)域。
1. 2 電機幾何模型的建立
建立電機模型是進行電機電磁場分析的第一步，一般情況下，Maxwell二維分析模型可有Rmxln直接生成，簡單方便．但是雙饋風力發(fā)電機不在軟件自帶的電機模型庫之列，且無對應的勵磁方式，因此該模型無法有Rmxprt自動生成。因此只有通過專業(yè)的繪圖軟件繪出電機的剖面圖后，以(ixf或者其它文件形式導入，繪圖時必須保證圖形為封閉的且不能包含任何斷點，否則影響后續(xù)工作：只有保證了電機模型的準確才能保證電機電磁場仿真的準確：
在建立雙饋風力發(fā)電機的仿真模型時，為了保證分析的準確度，電機的模型是按與實際的設計尺寸1：
1的比例建立的，并加載材料以及邊界條件：得到的電機幾何模型見圖1。
1．3 電機模型網(wǎng)格的剖分
Anson具有自適應網(wǎng)格剖分的功能，自適應網(wǎng)格加密技術的前提是網(wǎng)格的自動剖分。自動剖分主要是根據(jù)場域的幾何結構來進行的，自適應網(wǎng)格剖分是在此基礎上二根據(jù)對場量分布求解后的結果對網(wǎng)格進行增加其剖分密度的調(diào)整：首先對電機模型進行自動剖分，此自動剖分比較稀疏，影響計算的準確性，需要對其加密。理論上網(wǎng)格越密，計算的就越準確，但考慮到計算機資源以及計算時間因素，我們只需要重點加密磁場變化率較大的氣隙部分，得到的剖分圖如圖2所示。
2仿真結果及分析
2.l 電機穩(wěn)態(tài)靜磁場仿真結果及其分析
由于區(qū)域內(nèi)包含電流，磁場用矢量磁位A。求解。選取整個電機圓周為計算區(qū)域，以矢量磁位A：
為求解變量，其泊松方程邊值問題描述為：
假定電機周圍不能夠漏出磁通，定子外圓邊界加磁力線平行邊界條件，即A2=02：雙饋電機激勵由轉子側加載，定子繞組開路，認為氣隙磁場僅由轉子磁勢產(chǎn)生，勵磁電流加到轉子線圈中，這里所加電流為額定電流的20％即90 A。得到磁場磁力線和磁密的分布如圖3、圖4所示。
從圖中可以看出雙饋風力發(fā)電機的磁力線對稱且徑向分布，磁密設計合理，達到了預期的設計效果 。
2。2雙饋風力發(fā)電機空載特性仿真及分析
空載特性是發(fā)電機的基本特性之一，通過空載
特性我們可以了解到電機的磁路設計的是否合理。
盡管電機負載運行后，由于電樞反應的影響而使得電機的磁路要發(fā)生變化，但從空載特性上我們?nèi)钥梢钥闯鲭姍C磁路的飽和趨勢及電機輸出電壓的大小，因此對發(fā)電機的空載特性進行分析是十分有必要的。
利用MaxwelI 2D計算開路電壓時，首先要正確設置定轉子繞組匝數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)，然后對繞組進行源設置。把定子開路的運行“E況稱為雙饋發(fā)電機的空載運行，所以定子繞組可以加電流值為O的電流源，相當于定子開路；轉子繞組可加電壓源或者電流源，定子開路電壓可有軟件自行求得。本論文對雙饋風力發(fā)電機同步運行狀態(tài)進行了仿真。雙饋電機同步運行時，勵磁電流為直流，所以這里在轉子側加電流源，假設轉子三相用k、L、M表示，則
圖5為氣隙磁密曲線，從圖巾可以看出由于齒槽效應使得氣隙磁密波形發(fā)生畸變一圖6為雙饋電機空載定子相電勢感應輸出曲線。從罔6中可以看出，定子三相電勢v A、v—B和v—c呈正弦對稱分布，相位依次滯后120。
 。
2。3雙饋風力發(fā)電機空載相電勢諧波分析
雙饋電機產(chǎn)生的電壓波形或多或少與正弦波有些差別，因此含有一定的諧波分量。隨著人們對電能質(zhì)量要求的日益提高，諧波含量(THD)成為衡量電能質(zhì)量的一個重要指標，所以有必要對電機產(chǎn)生電勢波形進行諧波分析。
在電力系統(tǒng)中把具有各次諧波的周期信號表示為：
3實驗結果
依據(jù)沒計要求，已研制出一臺1．5 MW,4：極雙饋風力發(fā)電機樣機，對其工作特性進行測試，測得數(shù)據(jù)如下表l：
下面對不同轉速情況下轉子側所加不同勵磁電流時定子側感應電勢作圖，如下圖8所示：
通過試驗數(shù)據(jù)可知，在電機不同轉速下，施加相應幅值和頻率的勵磁電流可以保證雙饋電機輸出恒幅恒頻電壓。從工程上證明了電機設計的可靠性。
4結論
本文利用Ans0ft司的Maxwell 2D模塊完成了對兆瓦級雙饋風力發(fā)電機的仿真研究：仿真結果比較逼真地反應了雙饋風力發(fā)電機內(nèi)部電磁場的分布情況及電機的運行特性，從而為判斷電機設計的合理性提供了參考依據(jù)，而且可根據(jù)有限元分析結果對所設計的電機進行進一步的優(yōu)化，試驗結果也證明了該設計的可靠性
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