新型雙定子混合勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及控制研究.pdf

1、雙定子混合勵(lì)磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DSHESG)是一種綜合雙定子發(fā)電機(jī)和混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙定子結(jié)構(gòu)的引入，可以有效地提高發(fā)電機(jī)的功率密度；而混合勵(lì)磁的勵(lì)磁方式，則使發(fā)電機(jī)不僅具有永磁電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，又具有電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)。因此DSHESG電機(jī)在變速恒壓風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 為提高低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率密度和降低輸出電壓的控制復(fù)雜程度，在廣泛研究國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基

2、礎(chǔ)上，本文創(chuàng)新性地提出了一種風(fēng)力發(fā)電用DSHESG電機(jī)，對(duì)該電機(jī)的分析理論、設(shè)計(jì)方法、電磁特性、數(shù)學(xué)模型以及勵(lì)磁閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真等進(jìn)行了較為全面深入的研究，試制了樣機(jī)，開發(fā)了基于DSP的DSHESG電機(jī)數(shù)字化勵(lì)磁控制系統(tǒng)，并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。主要研究工作和成果如下： 闡述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電研究現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；概述了混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和雙定子電機(jī)的分類及研究現(xiàn)狀；

3、結(jié)合風(fēng)力發(fā)電等低速發(fā)電場(chǎng)合的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了一種綜合混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和雙定子電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電用新型DSHESG電機(jī)。 研究了DSHESG電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)理論與方法。給出了電機(jī)設(shè)計(jì)的一般化尺寸方程，分析了電機(jī)內(nèi)外定子功率分配與電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，探討了提高電機(jī)調(diào)磁能力的電勵(lì)磁繞組設(shè)計(jì)方法；利用有限元方法分析了電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響規(guī)律，為此類電機(jī)初步方案的確定和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；據(jù)此，給出了一臺(tái)8極

4、內(nèi)定子9槽外定子27槽樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并試制了電機(jī)樣機(jī)。 基于三維有限元方法建立了DSHESG電機(jī)的有限元分析結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)電機(jī)電磁特性進(jìn)行了較為全面深入的研究。具體包括繞組磁鏈、繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、繞組電感、齒槽轉(zhuǎn)矩等特性；提出了一種基于單轉(zhuǎn)子永磁體解析分析齒槽轉(zhuǎn)矩的新方法，基于此，探討了通過(guò)改變兩定子間的相對(duì)位置角削弱具有雙定子結(jié)構(gòu)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的有效方法，并具體分析了DSHESG電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律；樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

5、了理論分析的正確性，從而為電機(jī)的性能分析、設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制等奠定了理論基礎(chǔ)。 雙定子對(duì)應(yīng)相繞組相軸間不同的相對(duì)位置對(duì)DSHESG電機(jī)功率密度有較大影響，而當(dāng)兩相軸位置重合時(shí)功率密度最大，為此推導(dǎo)了定子繞組相軸位置與電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的解析表達(dá)式，可快速準(zhǔn)確計(jì)算繞組相軸位置；槽導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)星形圖、有限元方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了解析分析的正確性，為合理地設(shè)計(jì)安裝DSHESG電機(jī)的雙定子提供了理論依據(jù)。 建立了DSHESG電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，主

6、要包括磁鏈方程、電壓平衡方程、功率平衡方程及機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程等；基于MATLAB建立了模塊化、功能化的電機(jī)本體及勵(lì)磁控制系統(tǒng)仿真模型，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒壓發(fā)電控制及最大風(fēng)能捕獲提供了良好的仿真平臺(tái)；深入研究了不同控制算法對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律。 構(gòu)建了基于TI公司定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812的DSHESG電機(jī)數(shù)字化勵(lì)磁控制系統(tǒng)，制作了硬件電路，分析并設(shè)計(jì)了軟件總體設(shè)計(jì)方案，編寫了勵(lì)磁控制程序代碼，為驗(yàn)證電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的仿真分析