风力发电机基本结构和原理

1、 双馈发电机结构及原理 第一节第一节 双馈发电机概述双馈发电机概述v直流发电机。v同步发电机。v异步发电机。v双馈发电机：属于异步发电机的一种。 我们通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其具有独立的励磁绕组，可以象同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机，也有称为异步化同步电机。 同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节的励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励电机比

2、同步电机多了两个可调量。通过改变励磁频率，可改变发电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷突变时，可通过快速控制励磁频率来改变电机转速，充分利用转子的动能，释放或吸收负荷，对电网扰动远比常规电机小。 改变转子励磁的相位时，由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移，这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位移，也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可以进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率，还可以调节有功功率。 交流励磁电机之所以有这么多优点，是因为它采用的是可变的交流励磁电流。但是，实现可变交流励磁电流的控制是比较困难的，该控制策略可以实现机组的变速恒频发电而且可以实现有功

3、无功的独立解耦控制，当前的主流双馈风力发电机组均是采用此种控制策略。发电机基本原理发电机基本原理电磁感应定律。（导体切割磁感线产生电动势）v安培环路定律。（动电生磁原理）。v电磁感应定律。（动磁生电原理）。v电磁力定律。（磁、电生力原理）。电磁三大定律电磁三大定律v定性、定量阐述了磁场与电流的本质关系。v右手螺旋定则：通电的导体产生磁场。磁场方向可用右手螺旋定则判定。情形一：直导线通入电流。右手握住导线，拇指指向电流方向，则四指环绕的方向就是磁感线方向。情形二：螺旋线管通入电流。右手握住螺线管，四指指向电流方向，则拇指指向就是螺线管内部的磁感线方向。即拇指指向螺线管的N极。安培环路定律（动电生

4、磁）安培环路定律（动电生磁）电磁感应定律（动磁生电）电磁感应定律（动磁生电）一个线圈，不管什么原因，只要与它相交链的磁通量发生变化，则线圈两端产生电动势。感应电动势的大小与线圈匝数成正比、与磁通的变化率成正比。感应电动势的方向用“楞次定律”判定，即感应电动势的方向总是试图阻止磁通的变化。 即：另一种表达形式：切割磁感线的导体感应出电动势。dtdNe电磁感应定律（动磁生电）电磁感应定律（动磁生电）电磁感应定律：切割磁感线的导体感应出电动势，感应电动势的大小与磁通密度B、导体长度L、相对运动速度v的乘积成正比，即E=BLv。感应电动势的方向用右手定则判定。右手定则：伸出右手，拇指与四指垂直，让磁力

5、线穿入手心、拇指的方向指向导体相对运动方向，则四指的指向就是感应电动势的方向。电磁力定律（磁、电生力）电磁力定律（磁、电生力）电磁力定律：通电的导体在磁场中受到力的作用，电磁力的大小与磁通密度B、导体长度L、电流I的乘积成正比，即F=BIL。电磁力的方向用左手定则判定。左手定则：伸出左手，拇指与四指垂直，让磁力线穿入手心、四指的方向指向电流的方向，则拇指的指向就是电磁力的方向。绕组的作用绕组的作用导体边，线匝，线圈，线圈组，绕组。绕组的作用：绕组通入电流产生磁场（励磁）；绕组交链的磁通变化产生感应电动势（发电）。第二节第二节 双馈发电机结构双馈发电机结构最简单的定子铁心最简单的定子铁心最简单的

6、三相绕组最简单的三相绕组三相定子绕组在空间三相定子绕组在空间上上对称对称分布分布,互差互差120电角度。电角度。绕组接线绕组接线交流绕组与旋转磁场理论交流绕组与旋转磁场理论绕组通入直流电产生静止的磁场。单相绕组通入单相交流电产生脉振磁场：磁场的大小和方向随着电流的变化而变化，但磁场的位置不变（磁场对称中心线的位置不变）。三相绕组通入三相交流电产生一个旋转磁场。BXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YOi tiBiCiA3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3

7、 3 0 O t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3

8、0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiA三相旋转磁场三相旋转磁场产生：三相对称绕组通入三相交流电流产生一个旋转磁场。（磁场大小不变、中心位置在作圆周运动）旋转方向：从超前相绕组的轴线转向滞后相绕组的轴线。（从A相转向B相）转速：转速n1与电流频率成正比、与绕组的磁极对数成反比。即磁场瞬时位置：当某相电流达到最大时，磁场的中心线转到该绕组的轴线上。pfn601第三节第三节 双馈发电机原理简介双馈发电机原理简介 设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组，电机的极对数为p ，根

9、据旋转磁场理论，当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个旋转磁场的转速1 n 称为同步转速，它与电网频率f 及电机的极对数p 的关系如下： 同样在转子三相对称绕组上通入频率为f2 的三相对称电流，所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为：电机用途及分类电机用途及分类电机：进行机、电能量转换的电磁耦合装置。分类：电机可逆原理。电机变压器旋转电机直流电机交流电机同步电机异步电机同步发电机原理结构同步发电机原理结构模型图模型图小型同步发电机的基本结构小型同步发电机的基本结构v定子：定子铁芯，定子绕组，机座v转子：转子铁芯，转子绕组，轴，集电环

10、v电刷v其它同步发电机工作原理总结同步发电机工作原理总结60pnf Hz原理：导体切割磁力原理：导体切割磁力线感应电动势。线感应电动势。三相三相定子绕组定子绕组在空间上在空间上对称对称分布。分布。转子励磁绕组转子励磁绕组通入通入直流电流直流电流，建，建立按立按正弦正弦分布的气隙分布的气隙磁场磁场。原动机原动机驱动发电机转子旋转。驱动发电机转子旋转。定子绕组定子绕组依次切割磁力线感应出依次切割磁力线感应出对称三相正弦电动势对称三相正弦电动势，电动势频率与转速、，电动势频率与转速、磁极对数严格成正比。接通负载，发电机便把由转轴上获得的磁极对数严格成正比。接通负载，发电机便把由转轴上获得的机械机械能

11、能转化成从定子绕组向外输出的三相交流转化成从定子绕组向外输出的三相交流电能电能。同步：转子转速同步：转子转速n与旋与旋转磁场转速转磁场转速n1相同。相同。若要保证频率恒定，则同步若要保证频率恒定，则同步发电机转速需恒定。发电机转速需恒定。第四节第四节 异步发电机基本结构异步发电机基本结构异步电机概述异步电机概述v异步：转子的转速n与旋转磁场的转速n1不相同。v异步电机又称感应电机。v根据用途可分为：异步电动机，异步发电机。异步电机基本结构异步电机基本结构定子：定子铁芯，定子绕组，机座转子：转子铁芯，转子绕组，转轴根据转子绕组结构的不同又分为鼠笼式异步电机和绕线式异步电机。定子铁芯和定子铁芯和冲

12、片冲片请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。请在此输入您的文本。定子绕组定子绕组异步电动机定子绕组接电源；异步发电机定子绕组接电网。绕线式异步电机转子绕线式异步电机转子v转子绕组特点：绕线式异步电机转子绕组与定子绕组一样，按三相交流绕组规律嵌放在转子铁芯槽内。三相绕组的尾端一般在内部星接，首端通过滑环、电刷引到接线端子上。从而可以和外部装置进行连接。永济YJ93A发电机参数工作制： 连续 相数： 三相额定功率： 1520 KW额定转速： 1800 r/min转速范围： 1000-2000 r/min中心高： 500 mm 额定功率下的效率：96.5%额

13、定功率因数： 1定子绕组连接方式：三角形定子电压： 690 V定子额定电流： 1064 A定子额定频率： 50 Hzl转子类型： 绕线式 l转子绕组接线方式：星型l转子额定电压： 419 Vl转子堵转电压： 2018 Vl最大转子电流： 450 Al绝缘等级： H 级 l结构型式： IM B3l极数： 4 极l冷却方式： 机壳水泠l绕组温升限值： 105 Kl转向： 从输出轴方向观察为逆时针l防护等级： IP54l重量： 不大于 6350 kgBXZACY异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理异步电动机定子绕组接通三相交流电源。三相对称绕组通入三相对称交流电流产生旋转磁场。BXZACYBXZ

14、AnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YBXZAnC1YOi tiBiCiA3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 O t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3

15、0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiAO t3 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 6 0 9 0 1 5 0 2 1 0 2 7 0 3 3 0 iiBiCiABXZAnC1Y转子侧物理状况转子侧物理状况BNXZAnC1SYBN22iXeZAnC1SYBN22iXeZAnCn1SY转子绕组切割磁感线产生感应电动势，由于转子绕组是自闭合的回路，因此绕组内形成

16、感应电流。载流的转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，形成一个与磁场方向相同的电磁转矩，驱动转子绕轴旋转。BXZAnCn1Y异步电动机工作原理异步电动机工作原理BN22iXeZAnCn1SY定子绕组接交流电源，三相对称绕组流过三相对称交流电流产生旋转磁场。转子绕组切割磁感线产生感应电动势，由于转子绕组是自闭合的回路，因此绕组内形成感应电流。载流的转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，形成一个与磁场方向相同的电磁转矩，驱动转子绕轴旋转。电动机轴上联结机械负载，则异步电动机定子绕组从电网吸收电能，转换成从轴上输出的机械能。v电生磁，磁生电，转子受力跟着转。BXZAnCn1Y“异步异步”、“感应感应”BNX

17、ZAnCn1SY转子转速n始终与磁场转速n1存在差异。如果n=n1，则转子绕组中不再感应电流，也就没有电磁转矩产生，异步电机无法实现能量的转换则不能正常工作。BXZAnCn1Y转差率转差率sBNXZAnCn1SY保 定 电 力 职 业 技 术 学 院 李 明 星转差率s：又称滑差率。11nnnsBXZAnCn1Y异步发电机工作原理异步发电机工作原理如果原动机驱动转子，使转子转速n超过磁场转速n1，即nn1，则转子绕组中感应电动势和感应电流的方向改变，定子绕组有功电流方向也改变。电磁转矩与转子转向相反为制动性质，原动机克服电磁转矩做功，电机定子绕组向电网输出电能。 BXZAnCn1Y保 定 电

18、力 职 业 技 术 学 院 李 明 星异步电动机和异步发电机比较异步电动机和异步发电机比较异步电动机：0ns0，电磁转矩为驱动性质，电机从电网输入电功率，从轴上输出机械功率。BXZAnCn1YBXZAnCn1Yv异步发电机：nn1，s0，电磁转矩为制动性质，电机从轴上输入机械功率，向电网输出电功率。第五节第五节 双馈异步电机基本原理双馈异步电机基本原理定子侧频率为f1。（50Hz，或记为f）。转子侧频率为f2。f2=sf1。即：转子转速越接近磁场转速，转子绕组交链的磁通变化速度越小，频率就越低。BXZAnCn1YBXZAnCn1YpCu2=sPem 理解与启示理解与启示v“异步”的原因是由于转

19、子绕组上消耗了电磁功率中的一部分。v电磁功率Pem基本不变时，若改变pCu2，则转差率s改变，即电机转速n改变。v若通过转子绕组输出或输入电功率PZ，异步电机的工作状态将发生改变。一般来说，该控制方式下运行时， PZ远大于转子本身铜损耗pCu2，所以近似分析时可以忽略pCu2 ，而把PZ称为转差功率：PZ=sPem。双馈电机工作原理双馈电机工作原理低于同步转速的电动机状态变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机s Pe mPe m( 1 - s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功

20、率转 子 频 率变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机s Pe mPe m( 1 + s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率电 网电 网变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机s Pe mPe m( 1 - s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机s Pe mPe m( 1 + s )e

21、 mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率电 网电 网BXZAnCn1YBXZAnCn1Yv高于同步转速的电动机状态双馈电机工作原理双馈电机工作原理高于同步转速的发电机状态BXZAnCn1YBXZAnCn1Yv低于同步转速的发电机状态变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机s Pe mPe m( 1 - s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率变 频 器变

22、 压 器控 制 信 号双 馈 电 机电 网s Pe mPe m( 1 + s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率电 网( 1 + s )e mP( 1 - s )e mP变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机s Pe mPe m( 1 - s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率变 频 器变 压 器控 制 信 号双 馈 电 机电 网s Pe mPe m( 1 + s )e mPf1f2s f1=n( 1 - s )=n1n1=6 0 f1p电 网 频 率同 步 转 速转 子 转 速机 械 功 率转 差 功 率转 子 频 率电 网( 1 + s )e mP( 1 - s )e mP双馈发电机转子侧的变频及控制双馈发电机转子侧的变频及控制装置装置v变频器：由