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直線葉型立軸風輪與新型風力發電機的合理匹配

2010-05-13 瀏覽數:3495


  3.3 無CC方式的負荷
  無CC發電裝置是輸出直流電流的裝置,也就是一種可變的直流電流源。藉助無CC方式與其它的器件構成它的直流輸出,輸出到用作負荷的直流電源上。
  作為這一負荷的直流電源,無論是獨立負荷(蓄電池等),或是連接于系統的負荷(可進行一定直流電壓控制的變頻器等),都能與無CC裝置連接。如負荷的直流電源電壓基本穩定,一旦強風時的轉速增加,基于無CC的特性,相應于轉速下的直流輸出將大致按三次方的特性增加。但是,作為負荷的直流電源電壓值升高時,電流不易流通,無CC的輸出減小。相反,直流電源電壓值降低時,無CC的輸出增加,而過度的增加則風輪處于失速狀態。
  3.4 多線卷與電抗器的組合效果  
  永磁發電機中,如果由永磁體決定磁通的大小,則感應電壓有效值的大小由定子線卷的匝數和發電機的轉速確定。從而在圖5中,匝數多的W2線卷的直流輸出,從低轉速N2開始輸出,隨著發電機轉速的上升,圖5中虛線所示為“W2線卷輸出”(無電抗器)的情況。然而,該狀態下由風輪驅動無CC的發電機,發電機轉矩比風輪的轉矩還大,故風輪處于失速狀態。也即,風輪的轉速停留在圖5的轉速N2附近,未上升。
  因此,將電抗器串聯接于W2線卷,圖5的黑色實線所示為“串聯電抗器”的輸出,W2線卷可承擔具有風輪三次方功率特性的低風速區的輸出。而匝數少的W1線卷的直流輸出,是從風輪轉速提高以后開始輸出的。由于轉速的升高,為取得大的功率,電抗器1的電感值小。圖5的另一實線表示W1線卷的輸出。線卷W1能在高風速區主要承擔輸出任務。
  組合的輸出,則表示無CC方式的輸出。
  3.5 無CC方式的設計方法   
  無CC的設計,藉有限元法加邊界元法,并采用二維磁場分析如下進行,首先,要明確圖2所示風輪的性能,分別確定W1線卷開始發電的轉速約為0.5nN左右(nN一額定轉速);W2線卷開始發電的轉速約為0.25nN。再由這些轉速確定各線卷的匝數及永磁體磁通的大小。然后,按照無CC發電機的輸入來決定電抗器1和2的電感值。發電機的輸入與相應轉速下具有立方特性的風輪最大輸出特性近似。發電機設計時,按電磁場分析結果,電抗器2導致的電壓降要求在NN下,線卷W2的空載感應電壓達到75%左右為宜。但是,這些電抗器導致的電壓降全變為損耗,不滯后的無功部分的損耗小。
  4 無CC方式的驗證裝置
  4.1 利用飽和電抗器改善性能 
   
  既要掌握受風面積5m2的SW-VAWT的特性曲線,又要對風輪的最大輸出進行整合。我們試制了無CC方式的驗證裝置。
這一無CC方式的規格參數如下:轉速200rpm,發電機輸入功率1.8KW,最大起動轉矩1.7Nm,負荷的直流電壓24V。
  使用的發電機是其它用途的外轉子式電動機(3Φ、30p、36槽、鐵心外徑Φ435、釹鐵硼磁鋼);對其定子繞組進行了改造,一個槽內放2種線卷。
  風輪的運轉速度范圍有1∶3.5足夠。無CC的發電機中,若內裝3種線卷,能實現近似的立方特性,但制造工時和周邊部件的增加涉及到成本的提高,而裝入2種線卷,特別在圖5所示風輪轉速N1附近及高轉速區,無CC輸出(W2線卷輸出+W1線卷輸出)對比粗實線表示的理想三次方無CC輸出,相差較大。因此,在圖4所示的電抗器2,采用飽和電抗器。電抗器1為非飽和電抗器,力圖改善無CC方式的輸出特性。圖6為飽和電抗器的特性曲線。圖7是線卷2接入飽和電抗器后的無CC特性,旨在風輪轉速N1附近具有較大的改善,能接近于理想的三次方輸出特性,下面的圖15中,類似地用另一種形式驗證了飽和電抗器的這一效果。飽和電抗器比較非飽和電抗器,還有重量輕的優點。

          

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