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      永磁發(fā)電機(jī)在離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)中運(yùn)行特性的測(cè)試分析

      2011-11-15 07:36:34溫彩鳳汪建文代元軍劉雄飛
      中國(guó)測(cè)試 2011年5期
      關(guān)鍵詞:風(fēng)力永磁轉(zhuǎn)矩

      溫彩鳳 , 汪建文 , 代元軍 , 劉雄飛 , 車 飛

      (1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;3.呼和浩特職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;4.新疆工業(yè)高等??茖W(xué)校,新疆 烏魯木齊 830091)

      0 引 言

      我國(guó)地域遼闊,地形復(fù)雜,開(kāi)展獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研究,不僅可以解決電網(wǎng)無(wú)法達(dá)到的農(nóng)村、牧區(qū)、邊防哨所等地區(qū)用電,還可以改善環(huán)境、緩解電力供應(yīng)緊張狀況[1]。

      理論上,各種發(fā)電機(jī)均能適用于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[2]。永磁同步發(fā)電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁裝置,不消耗勵(lì)磁功率,還可省去滑環(huán)和電刷,與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)比較,具有損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn),且在低轉(zhuǎn)速下也能發(fā)電,所以永磁同步發(fā)電機(jī)以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用到離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3-4]。文中以最適合離網(wǎng)型風(fēng)電的發(fā)電機(jī)為目標(biāo),以某400W離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,搭建了發(fā)電機(jī)特性綜合測(cè)試平臺(tái),進(jìn)行了發(fā)電機(jī)性能的各種測(cè)試,包括空載特性、輸出特性、效率特性、外特性和轉(zhuǎn)矩特性,并分析了運(yùn)行特性曲線。

      1 離網(wǎng)型風(fēng)電對(duì)發(fā)電機(jī)的技術(shù)要求

      離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電大多為單機(jī)運(yùn)行,原理如圖1所示。發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓后,向蓄電池充電后再給直流負(fù)載供電或逆變后給交流負(fù)載供電。針對(duì)某400W風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電機(jī)的技術(shù)要求和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合等情況,提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)具備以下6點(diǎn)條件[5]:

      (1)發(fā)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍1kW及以下為65%~150%額定轉(zhuǎn)速;

      (2)在65%額定轉(zhuǎn)速下,發(fā)電機(jī)的空載電壓應(yīng)不低于額定電壓;

      (3)當(dāng)發(fā)電機(jī)在額定電壓下并輸出額定功率時(shí),其轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于105%額定轉(zhuǎn)速;

      (4)在最大工作轉(zhuǎn)速下,發(fā)電機(jī)應(yīng)能承受輸出功率增大至1.5倍額定值的過(guò)載運(yùn)行,歷時(shí)5min;

      (5)在空載條件下,400W發(fā)電機(jī)的起動(dòng)力矩應(yīng)不大于0.5N·m;

      (6)發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí),其輸出交流電壓的頻率不小于20Hz。

      圖1 小型永磁風(fēng)力發(fā)電的原理圖

      2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性測(cè)試系統(tǒng)及其框圖

      發(fā)電機(jī)特性綜合測(cè)試系統(tǒng)如圖2和圖3所示。采用VVVF交交變頻器控制的額定功率為1kW、額定轉(zhuǎn)速為1400r/min的三相異步電機(jī),經(jīng)傳動(dòng)比近似為1∶1的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上安裝了JW-1型扭矩儀,其顯示器將扭矩、轉(zhuǎn)速和功率值即時(shí)顯示,并配套了數(shù)字示波器、EDA9033G數(shù)據(jù)采集器、萬(wàn)用表、固定阻性負(fù)載和可調(diào)變阻器。

      圖2 測(cè)試系統(tǒng)

      圖3 EDA9033G數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

      測(cè)試系統(tǒng)整體框圖如圖4所示,被測(cè)風(fēng)力永磁發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。額定功率400W,額定轉(zhuǎn)速為750r/min,額定輸出電壓DC值24V,額定電流16.7 A,測(cè)量過(guò)程將工作轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定在65%~150%額定轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中使用EDA9033G數(shù)據(jù)采集器,將永磁同步發(fā)電機(jī)的三相交流電壓、電流、總功率、有功功率、無(wú)功功率及功率因素等參數(shù)同時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ),數(shù)字示波器可隨時(shí)觀測(cè)輸出電壓波形的正弦特性,每次改變負(fù)載和可調(diào)變阻器后的總阻值用萬(wàn)用表測(cè)出。該測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)運(yùn)行,能夠準(zhǔn)確有效地完成測(cè)試任務(wù),測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化、專業(yè)化和連續(xù)化,測(cè)試所得數(shù)據(jù)切實(shí)可靠。

      3 發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性曲線擬合及分析

      3.1 空載特性曲線

      發(fā)電機(jī)空載時(shí),發(fā)電機(jī)端電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,稱為空載特性。即I=0時(shí),U=f(n)的函數(shù)關(guān)系,空載特性是判斷發(fā)電機(jī)低速充電性能好壞的重要依據(jù),同時(shí)也可以反映發(fā)電機(jī)的輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。如圖5所示,空載時(shí)發(fā)電機(jī)的起始建壓轉(zhuǎn)速為29.7r/min,且轉(zhuǎn)速在488r/min(額定轉(zhuǎn)速750r/min×65%)時(shí),輸出直流電壓為28.8V,已大于有載時(shí)額定電壓24V,起動(dòng)力矩為0.136 N·m,小于國(guó)標(biāo)0.5N·m。

      圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

      表1 400W風(fēng)力永磁發(fā)電機(jī)參數(shù)

      圖5 空載特性曲線

      3.2 輸出特性曲線

      輸出特性又稱負(fù)載特性,它是指發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電時(shí),發(fā)電機(jī)電流隨著轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律,即I=f(n)的函數(shù)關(guān)系。如圖6所示,從曲線中可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后,發(fā)電機(jī)的輸出電流幾乎不再繼續(xù)增加,這是由于隨著定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的增加,定子繞組的阻抗也隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加,另外定子電流增加時(shí),電樞反應(yīng)的增強(qiáng)會(huì)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下降,從而抑制了電流的不斷上升。因此,該永磁同步發(fā)電機(jī)具有限制輸出電流的能力,符合交流發(fā)電機(jī)不設(shè)置限流器的特點(diǎn)。

      圖6 輸出特性曲線

      3.3 效率特性曲線

      測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)風(fēng)力永磁同步發(fā)電機(jī)的效率定義為 η=ξ×(P2/P1)×100%,其效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖7所示。其中:P1為三相異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率(W),由扭矩儀感應(yīng)顯示;P2為永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出功率,由采集器EDA9033G采集顯示;ξ連接電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的軸傳動(dòng)比,由于是直接驅(qū)動(dòng)式,所以忽略連軸器之間的微摩擦損耗后取1。測(cè)量時(shí),按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試法,將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)在65%、80%、100%、125%和150%額定轉(zhuǎn)速下[6],且在額定轉(zhuǎn)速以下輸出電壓為額定值,在額定轉(zhuǎn)速以上,保持額定功率時(shí)的負(fù)載電阻值不變,采取直接負(fù)載法(純電阻)測(cè)定此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸入輸出功率,求得對(duì)應(yīng)的效率。其轉(zhuǎn)速與效率、轉(zhuǎn)速與輸入輸出功率的關(guān)系曲線如圖7和圖8所示。

      圖7說(shuō)明發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速左右時(shí)效率較大,額定轉(zhuǎn)速時(shí)效率最大為69.8%。圖8中轉(zhuǎn)速?gòu)?00~750 r/min時(shí),輸入功率和輸出功率曲線逐漸接近,且在750 r/min時(shí)最接近,說(shuō)明此時(shí)效率最大;在750 r/min以后,兩曲線隨著轉(zhuǎn)速增加越來(lái)越遠(yuǎn),意味著效率降低,當(dāng)然輸入不同,輸出也不同,但曲線變化趨勢(shì)幾乎一樣。

      圖7 效率特性曲線

      圖8 轉(zhuǎn)速與功率曲線

      3.4 外特性曲線

      外特性是指轉(zhuǎn)速一定、負(fù)載的大小改變時(shí),發(fā)電機(jī)的端電壓與輸出電流的關(guān)系。即n=常數(shù)時(shí),U=f(I)的曲線,如圖9所示。在轉(zhuǎn)速變化時(shí),發(fā)電機(jī)端電壓有較大變化,在轉(zhuǎn)速恒定時(shí),由于輸出電流的變化對(duì)端電壓影響也很大,因此,要使輸出電流穩(wěn)定,必須配用電壓調(diào)節(jié)器。高速時(shí),當(dāng)發(fā)電機(jī)突然失去負(fù)載,輸出電流迅速下降至零,導(dǎo)致端電壓急劇升高,會(huì)對(duì)風(fēng)力系統(tǒng)的電氣設(shè)備產(chǎn)生擊穿性破壞,所以要避免這種現(xiàn)象發(fā)生。

      圖9 外特性曲線

      3.5 轉(zhuǎn)矩特性曲線

      發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩是衡量其驅(qū)動(dòng)特性和輸出能力好壞的一個(gè)重要指標(biāo),其中包括靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是靜止轉(zhuǎn)矩和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的統(tǒng)稱,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)矩。該文靜態(tài)轉(zhuǎn)矩只考慮發(fā)電機(jī)起始建壓轉(zhuǎn)矩,為0.136 N·m,著重研究動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。諸多因素影響著永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性,文中就離網(wǎng)型風(fēng)電所用永磁發(fā)電機(jī)而言,僅考慮軸輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)速、負(fù)載及輸出電流與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。其中轉(zhuǎn)矩與效率、輸出電流和輸出功率的關(guān)系曲線如圖10所示,轉(zhuǎn)矩增大,輸出電流線性增大,效率增大到最大值后又緩慢下降,功率非線性地增大。

      圖10 負(fù)載一定且為32Ω時(shí)轉(zhuǎn)矩、效率與電流曲線

      轉(zhuǎn)速、負(fù)載與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖11所示。由圖可見(jiàn),當(dāng)負(fù)載一定時(shí),轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的增加而增加;同一轉(zhuǎn)速下,負(fù)載越大,轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)矩與輸入功率和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖12所示。每一軸輸入功率對(duì)應(yīng)特定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩最大,此時(shí)輸出電流也最大,充入蓄電池電能最多,并且輸入功率越大,輸出最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速也越大,說(shuō)明出力也大。

      圖11 負(fù)載、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線

      圖12 轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速曲線

      4 發(fā)電機(jī)的性能評(píng)析及最佳特性

      4.1 試驗(yàn)發(fā)電機(jī)的性能評(píng)析

      該風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用稀土永磁材料勵(lì)磁,省去了電刷和集電環(huán),減少了維護(hù),提高了可靠性;發(fā)電機(jī)的效率相對(duì)較高,起動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩較小,僅為0.136N·m,且在較低轉(zhuǎn)速時(shí)便于起動(dòng);轉(zhuǎn)速在765 r/min(于750 r/min×105%)時(shí),輸出額定功率400W和額定電壓24V,且額定運(yùn)行時(shí),輸出交流電壓的頻率為45.8Hz,符合國(guó)標(biāo)超過(guò)20Hz的標(biāo)準(zhǔn);過(guò)載能力較強(qiáng),在最大轉(zhuǎn)速下,能夠輸出628W(大于400W的1.5倍)功率,且持續(xù)時(shí)長(zhǎng)10 min停機(jī)后,發(fā)電機(jī)完好無(wú)恙。綜上,該發(fā)電機(jī)性能優(yōu)異,應(yīng)運(yùn)于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中時(shí),由風(fēng)輪直接耦合驅(qū)動(dòng),使整機(jī)結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化,裝置重量減輕,造價(jià)降低,并且能夠改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低速發(fā)電性能和超載能力,從而提高了風(fēng)能利用程度。

      4.2 適合于離網(wǎng)型風(fēng)電的發(fā)電機(jī)最佳特性

      上述400W風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和理論論證,各項(xiàng)性能指標(biāo)基本符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),也能夠較好地應(yīng)運(yùn)在風(fēng)電系統(tǒng)中。但由于離網(wǎng)型風(fēng)電的特殊性和運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性,發(fā)電機(jī)要表現(xiàn)出最佳特性應(yīng)再加以下3點(diǎn)要求:

      (1)當(dāng)輸出達(dá)到額定功率時(shí),隨著轉(zhuǎn)速的增大,輸出功率變化很小,能夠保持最好;

      (2)為了充分利用低風(fēng)速段,微風(fēng)就能發(fā)電,發(fā)電機(jī)的起始建壓轉(zhuǎn)速越小越好;

      (3)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超出額定值時(shí),除了具有強(qiáng)過(guò)載能力,自身應(yīng)具有良好的散熱功能。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      該文依據(jù)國(guó)家風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn),主要對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用永磁同步發(fā)電機(jī)的性能測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了探討,并搭建了發(fā)電機(jī)特性綜合測(cè)試平臺(tái),系統(tǒng)地闡述了電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式測(cè)試技術(shù)的方法、步驟和內(nèi)容。依據(jù)測(cè)試結(jié)果,擬合了發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性曲線。通過(guò)各曲線的分析研究,對(duì)該400W風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機(jī)的性能作了合理評(píng)析,并結(jié)合離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電實(shí)際運(yùn)行情況,對(duì)發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出最佳運(yùn)行特性附加了幾點(diǎn)要求,為進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

      [1]王曉港,翟慶志,楊德昌.離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀[J].新能源,2008,257(10):46-47.

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