改變線圈連接模式的寬功率帶風(fēng)力發(fā)電機(jī)
鄧隱北,楚金甫,隋霄
(河南森源電氣股份有限公司,河南鄭州450016)
摘要:微型風(fēng)電系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)的功率來自天然多變的風(fēng)能,要求發(fā)電機(jī)具有廣闊的功率輸出特性。但是,常規(guī)發(fā)電機(jī)輸出功率跨越從低到高的轉(zhuǎn)速范圍受到限制,難于滿足這一發(fā)電特性的要求。為開發(fā)具有寬功率帶的發(fā)電機(jī),以適應(yīng)于微型風(fēng)力發(fā)電,文章闡述了項(xiàng)有關(guān)發(fā)電機(jī)線圈連接的切換技術(shù)。以16個線圈的發(fā)電機(jī)為例,線圈可接成四種模式:16線圈串聯(lián)、8串2并聯(lián)、4串4并聯(lián)和2串8并聯(lián)。然后,從理論和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞:線圈連接模式;模式變換;發(fā)電機(jī);寬功率帶;風(fēng)力發(fā)電;風(fēng)輪
0引言
基于地球環(huán)保要求,減少全球升溫氣體的排放已成為社會關(guān)注的重要課題之。解決該問題的方針是充分利用可再生能源,在電力系統(tǒng)內(nèi)增加利用可再生能源的發(fā)電機(jī)。迄今已相繼開發(fā)了太陽光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等。其中,有關(guān)風(fēng)電的利削,設(shè)置上比較容易,進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)量也多。因此,必須考慮有效的措施,為提高發(fā)電效率而從事多方面的研究。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī),因?yàn)槭抢盟沧冿L(fēng)能的發(fā)電方式,故要求具有廣闊功率帶的發(fā)電特性。通常,對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī),采用了感應(yīng)式(異步)發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)_二種型式。實(shí)施的運(yùn)轉(zhuǎn)方式有:固定式運(yùn)轉(zhuǎn)、可變速運(yùn)轉(zhuǎn)、二發(fā)電機(jī)方式、極數(shù)切換方式等。對小型與微型風(fēng)力發(fā)電機(jī),通常采用的是永磁同步發(fā)電機(jī),并要求這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有寬范圍的功率帶。而原來的發(fā)電機(jī),其空載電壓只與轉(zhuǎn)速成正比,從發(fā)電機(jī)功率特性上,由低速到高速廣范圍的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)難于達(dá)到高效率的輸出。特別是小型或微型風(fēng)輪,風(fēng)輪的尺寸反比于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使發(fā)電機(jī)往往趨向于高速工況。
因此,對微型風(fēng)電適用的寬功率帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行了開發(fā),本文介紹了發(fā)電機(jī)線圈連接組態(tài)的切換方法,采用了16極軸向式小型發(fā)電機(jī),對所提方案的有效性從理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研討和論證。
1定子線圈連接模式的切換。
1 1改變線圈的連接實(shí)現(xiàn)寬功率帶運(yùn)行
水磁式交流發(fā)電機(jī),就是由多個磁鐵和線圈,分別設(shè)置于轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)。這些多個線圈電氣上仍為一般連接方式。本節(jié)所述是,改變原來固定的線圈串并聯(lián)模式,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出特性的改變。為說明這種發(fā)電機(jī)的效果,采用一16線圈的發(fā)電機(jī)作為例子進(jìn)行討論,這些線圈考慮了16線圈串聯(lián)、8串2并聯(lián)、4串4并聯(lián)和2串8并聯(lián)四種連接模式(如圖1所示),借助于連接模式的切換,以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的寬功率帶運(yùn)行。
1 2數(shù)值分析
為了比較線圈連接改變后的發(fā)電機(jī)輸出特性,采用了以下的計算和分析。對發(fā)電機(jī)的選型,
設(shè)定為無鐵心的軸向式發(fā)電機(jī)。因?yàn)椴淮嬖阼F心,電氣損耗只有銅損gmf設(shè)定發(fā)電機(jī)的線圈數(shù)為16,線圈連接的變換模式如圖1所示。設(shè)定的系數(shù)結(jié)構(gòu)是:發(fā)電機(jī)通過蓄電池連接至負(fù)載,此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、空載電壓以及輸出 電流的關(guān)系如下式:
Vop=Vc×N
I=( Vop – Vbatt)/R
式中:Vop——空載電壓;Vc——電動勢;Vbatt——蓄電池電壓;N——轉(zhuǎn)速;I——輸出電流;R——線圈的導(dǎo)線電阻。
發(fā)電機(jī)功率與電氣損耗表示如下:
P= Vbatt×I
Ploss=R×I2
式中,P——發(fā)電機(jī)功率;Vbatt——電氣損耗(銅耗)。
考慮上述四種變換模式,將上面的式子改寫如下:
令Vc為每一線圈的電動勢 ,16線圈串聯(lián)場合即為16Vc,8串2并聯(lián)為8Vc,4串4并聯(lián)4Vc,2串8并聯(lián)為2Vc 。
16線圈串聯(lián)時,空載電壓
Vop=16Vc×N (5)
輸出電流
I=(16Vc×N-Vbatt)/16R
電氣損耗
Ploss =16R×I2
8串2并聯(lián)時,空載電壓
Vop=8Vc×N
輸出電流
I=(8Vc×N-Vbatt)/4R
電氣損耗
Ploss=4R×I2
4串4并聯(lián)時,空載電壓
VOP=4 Vc×N
輸出電流
I=(4Vc×N- Vbatt)/R
電氣損耗
Ploss=R×I2
2串8并聯(lián)時,空載電壓
VOP=2 Vc×N
輸出電流
I=(2Vc×N-Vbatt)/0.25R
電氣損耗
Ploss=0.25R×I2
按上列各式可以計算各種模式下的發(fā)電機(jī)空載電壓,而發(fā)電機(jī)每一轉(zhuǎn)的電動勢Vc為:
Vc=V·B·(L×2)×t×k
式中,V——速度;B——磁通密度;L——與磁極交鏈的導(dǎo)體長度;t——線圈的匝數(shù);K——線圈的串聯(lián)數(shù)。
由磁鐵的厚度與氣隙長度求出導(dǎo)磁系數(shù)(磁導(dǎo)率),再按所用釹(Nd)磁的去磁特性曲線算出磁通密度B,利用式(1)~(17)給出實(shí)際發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)具體數(shù)值。
以轉(zhuǎn)速作為參數(shù)計算出各個數(shù)值并進(jìn)行比較。使用的參數(shù)有:每一線圈的電阻1.53 Ω,每一線圈的電動勢常數(shù)為O. 018 V/rpm,蓄電池電壓為12. 5 v。數(shù)值分析結(jié)果示于圖2~圖5。
圖2所示為轉(zhuǎn)速一空載電壓特性。圖3為轉(zhuǎn)速~輸出電流特性。兩圖中均分別給出了16串、8串、4串、2串的特性。由圖2中的空載電壓,無論哪個串?dāng)?shù)下均與轉(zhuǎn)速成正比,且線圈的串聯(lián)數(shù)越多,空載電壓越高。因此,線圈的串聯(lián)數(shù)多的情況下,達(dá)到蓄電池電壓(12.5 v)的轉(zhuǎn)速則低,能降低開始充電時的轉(zhuǎn)速這是有利的。
從另一方面,圖3所示的輸出電流,對串聯(lián)數(shù)多的16串和8串均在低轉(zhuǎn)速下開始輸出,但轉(zhuǎn)速高時串聯(lián)數(shù)少的輸出電流則大。由于輸出電流反比于線圈的電阻,故高轉(zhuǎn)速時線圈的合成電阻小,具有這一特點(diǎn)的線圈連接模式效果好。
因此,將對應(yīng)于與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的線圈連接模式進(jìn)行合理的變換,比線圈連接固定時,可能存在更有利的輸出特性。而且,通過連接模式的切換,發(fā)電機(jī)的特性可向低轉(zhuǎn)速或高轉(zhuǎn)速方向變化,因而無論對轉(zhuǎn)速較低的立軸風(fēng)輪,或轉(zhuǎn)速較高的水平軸螺旋槳風(fēng)輪,均有可能與微型發(fā)電機(jī)理想配套。
本文采用了無鐵心的發(fā)電機(jī),發(fā)電過程中的電氣損耗僅為銅損。發(fā)電機(jī)的損耗如圖4所示。銅損口可表示為RI2戶。假定發(fā)電量相等,發(fā)電機(jī)內(nèi)阻小的,可望減小損耗。而且,高轉(zhuǎn)速時減少串聯(lián)、增加并聯(lián)支路數(shù),發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻減少,損耗也小,且能予以控制。
圖5是圖4中的電氣損耗以發(fā)電機(jī)的效率來表示的。由于電氣損耗僅為銅損,低于沒有銅損的轉(zhuǎn)速以下,發(fā)電機(jī)效率近似為********。隨著電流的增大,與電流值平方成比例的锏損幅值更大,故發(fā)電機(jī)的效率降低。因此,串聯(lián)數(shù)多,線圈的總電阻大,發(fā)電機(jī)的效率就會降低。
1 3理論值的研究結(jié)果
按上述結(jié)果,串聯(lián)數(shù)多時在低轉(zhuǎn)速下開始發(fā)電,輸出電流。幌喾,串聯(lián)數(shù)少的場合在高轉(zhuǎn)速時能獲得大的輸出電流。然后,將電流大小對應(yīng)的某一轉(zhuǎn)速作為分界點(diǎn),以此轉(zhuǎn)速點(diǎn)來界定在哪種串并數(shù)下運(yùn)轉(zhuǎn),處于有利范圍,通過發(fā)電機(jī)串并數(shù)的改變,能得到兼具兩方面有利特性的發(fā)電機(jī)是最有效的。
2改變線圈連接模式的寬功率帶發(fā)電機(jī)
2 1發(fā)電機(jī)的組成
提出的新型發(fā)電機(jī)方案,是通過線圈連接模式的切換,使一臺發(fā)電機(jī)具有多重特性,并在發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能有效地利用其全部特性。為此,線圈連接點(diǎn)的切換必須要瞬時、簡單地完成。新型發(fā)電機(jī)是由發(fā)電機(jī)和線圈連接模式變換裝置構(gòu)成的。利用該變換裝置在圖1所示四種模式下,實(shí)現(xiàn)線圈連接狀態(tài)的自由切換,F(xiàn)將試制的軸向式發(fā)電機(jī)及其變換裝置介紹如下。
2 2軸向式發(fā)電機(jī)的試制
軸向式發(fā)電機(jī)為采用永磁體與空心線圈的發(fā)電機(jī)。結(jié)構(gòu)上是把線圈夾入上下永磁體之間,再在磁體后面設(shè)置背部磁軛(back yoke),以使相鄰磁體之間形成磁同路,加強(qiáng)上下氣隙間的磁場,提高氣隙磁密。而且,近年來由于性能優(yōu)良的永磁材料問世,在軸向式結(jié)構(gòu)中即使不用鐵心也能獲得較強(qiáng)的磁場。其特點(diǎn)是具有結(jié)構(gòu)簡單、因無鐵芯電氣損耗僅為銅損、不會產(chǎn)生因齒槽效應(yīng)導(dǎo)致的脈動轉(zhuǎn)矩等一系列優(yōu)點(diǎn)。
本文所述的新型發(fā)電機(jī),設(shè)計成無鐵心式,配有16個線圈。試制的樣機(jī)為16極的軸向式發(fā)電機(jī),如圖6所示。永磁體16極,線圈16個。每個線圈的接線端子為兩個一組,各自獨(dú)立。通過線圈連接模式變換裝置的自動切換,能改變適用的輸出功率范圍。試制軸向式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。用于發(fā)電機(jī)的每一個線圈是用0 .49nlm漆包線繞80匝的精密線圈。每線圈的電阻約l 53Ω,采用了寧波科田磁業(yè)公司的38H釹鐵硼永磁。釹磁體在背部磁軛環(huán)上N極、s極均勻地交錯配置。永磁體側(cè)即為轉(zhuǎn)子側(cè)。
2 3變換裝置的試制
發(fā)電機(jī)線圈連接的切換由我們獨(dú)立設(shè)計的變換裝置執(zhí)行。圖l所示四種模式的切換均能瞬時完成。該裝置中連接切換的開關(guān)部分采用了8個繼電器,通過各個繼電器的通/斷控制,以其不同組合的四種模式來進(jìn)行串并聯(lián)接的切換。圖8為變換裝置的外觀圖。
3發(fā)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究
3 1空載電壓的測定
利用試制的發(fā)電機(jī),測定其轉(zhuǎn)速與空載電壓的關(guān)系曲線。測定結(jié)果如圖9所示。圖9所示特性與圖2中的理論值基本相同。
3 2測定Savonius型風(fēng)輪的功率特性
采用Savonius型風(fēng)輪測定其輸出特性。這里所用的風(fēng)輪尺寸為:直徑600mm,高900ram。將此風(fēng)輪直接與新型發(fā)電機(jī)聯(lián)結(jié),測量的實(shí)驗(yàn)器具與電路結(jié)構(gòu)如圖10所示。
借助接于鼓風(fēng)機(jī)的變頻器及風(fēng)速儀調(diào)節(jié)風(fēng)速,并采用了電子負(fù)荷裝置作為負(fù)載。本文為了掌握新型發(fā)電機(jī)的基本特性,采用了作為單純電阻的電子負(fù)荷;電壓、電流的測定利用各自的電壓表和電流表。測量數(shù)據(jù)是在風(fēng)速為12m/s、16m/s、20m/s三種情況下建立的。各個風(fēng)速在一定的時限內(nèi),通過電子負(fù)荷改變其負(fù)載值。然后測定了輸出電壓、輸出電流及轉(zhuǎn)速各值。
首先,在風(fēng)速16m/s,s恒定,改變負(fù)載電阻的情況下,16串、8串、4串、2串各自的輸出特型如圖1 ]。眾所周知,發(fā)電機(jī)功率受阻抗的影響大,而且,各種模式下,均存在輸出功率****的****阻抗值。通過16串、8串、4串、2串的自動切換,用同一臺發(fā)電機(jī)可求得多個****阻抗值。因?yàn)檫@些****值均處于發(fā)電區(qū)間內(nèi),借助連接模式的改變可覆蓋那些發(fā)電區(qū)間,因而能在大范圍的阻抗值下維持發(fā)電。這樣,對于發(fā)電機(jī)與負(fù)荷的不匹配(失調(diào))也能相應(yīng)得到解決。為得到高效率的輸出,發(fā)電機(jī)與負(fù)載的匹配很霞要。通常,借助負(fù)荷跟蹤控制(****功率點(diǎn)跟蹤,MPPT)及功率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的匹配。而在線圈連接模式變換的情況下,也能達(dá)到同樣的效果。列于其它的風(fēng)速下,除功率大小以外,其它特性大致相同。圖12是以16極為例不同風(fēng)速下功率特性的比較。由于風(fēng)速的變化,****阻抗值也在改變。由風(fēng)輪捕獲能量的變化導(dǎo)致其功率特性的變化,如圖所示。
圖13為風(fēng)速16m/s時,各種模式下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在全阻抗下串聯(lián)數(shù)少的轉(zhuǎn)速高,從外部輸入風(fēng)能一定的情況下,借減少串聯(lián)數(shù)可降低發(fā)電機(jī)的(起動)轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機(jī)由于連接的阻抗值小到接近短路狀態(tài),也即連接成比****阻抗值顯著小的阻抗值時,是難于發(fā)電的。圖11中,串聯(lián)數(shù)減少情況下,即使阻抗值小也能維持發(fā)電。故在減少串聯(lián)數(shù)場合,轉(zhuǎn)矩可以低,因而得到較高的轉(zhuǎn)速。
圖14為各個串聯(lián)數(shù)下的電壓電流特性。輸出功率的電壓與電流的關(guān)系中,具有串聯(lián)數(shù)多時電壓高,串聯(lián)數(shù)少時電流大的特點(diǎn)。因此,實(shí)施****的模式切換,向蓄電池裝置的充電也更有效。
3.3實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果
對采用Savonius J~輪的新型發(fā)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。由外部提供一定風(fēng)能的情況下,對各種模式的特性進(jìn)行比較。從不同的功率特性對比中,因改變線圈連接可適應(yīng)于廣泛的負(fù)載,故能保持發(fā)電量。通過模式的切換也能達(dá)到與負(fù)荷跟蹤控制相似的效果,而且,由此可改善發(fā)電機(jī)與負(fù)載的匹配。
在這些電壓一電流特性中,可以確認(rèn)輸出功率的電壓與電流關(guān)系是:當(dāng)增加串聯(lián)數(shù)時電壓升高,減少串聯(lián)數(shù)時輸出電流增大。此時,向蓄電池等儲能裝置充電時,電壓不那么高,有某種程度的電流流過也是安全的。
在轉(zhuǎn)速特性中,利用改變線圈連接模式減少串聯(lián)數(shù)時,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能降低。因此,對發(fā)電機(jī)的串聯(lián)數(shù)進(jìn)行****的定時、****的變換控制,就能有利于高效率的發(fā)電和高效率的充電。
3 4線圈模式變換裝置在風(fēng)速改變下的實(shí)驗(yàn)
本文論證了新型發(fā)電機(jī)的有效性。在變動的風(fēng)速條件下,對作為獨(dú)立系統(tǒng)的線圈連接模式變換裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖10所示實(shí)驗(yàn)電路中,采用雙電層電容器(Un=54v,容量30 wh,64F)作為負(fù)荷,向變換裝置的變換器的輸入,為蓄電裝置的端子電壓。本實(shí)驗(yàn)中,旨在進(jìn)行以變動風(fēng)速條件下的基礎(chǔ)試驗(yàn),而未考慮蓄電裝置作為負(fù)載所消耗的功率。
變動的風(fēng)速如圖15所示,圖中風(fēng)速從9~16 m/s呈規(guī)律的脈動,從實(shí)驗(yàn)開始直到2000s。圖16所示為20000s期間的重復(fù)脈動,圖16是在圈15所示的變動風(fēng)速下向蓄電裝置充電的電壓特性。圖中顯示了實(shí)施切換時的特性與儀為8串2并聯(lián)的特性對比。從2串8并聯(lián)到4串4并聯(lián),切換的電壓值為16v;從4串4并聯(lián)到8串2并聯(lián)的切換電壓值為35V。假定在使用時已考慮到充電電壓的飽和特性。此外,向16串切換時,因蓄電裝置與發(fā)電機(jī)端子電壓不一致而未實(shí)施。
實(shí)驗(yàn)是在開始時未對蓄電裝置充電的情況下進(jìn)行的。本文所提出的新型發(fā)電機(jī),與儀8串2并聯(lián)時的特性對比,充電電壓的提升早,這樣,向蓄電裝置的充電比未改變時的效率高。新型發(fā)電機(jī)具有多重的發(fā)電特性,比未變換線圈連接模式的發(fā)電機(jī)功率輸出性能更優(yōu)越。
4結(jié)語
本文論述了具有大范圍功率帶的發(fā)電機(jī)的研制開發(fā)。采用16極的軸向式小型發(fā)電機(jī),進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。特別在實(shí)驗(yàn)研究中,通過微型風(fēng)輪的實(shí)驗(yàn)方法,證實(shí)了線圈連接模式切換的有效性。
作為今后的課題,需要研究模式切換的****定時。因?qū)嶋H輸入風(fēng)力的自然風(fēng)能變動激烈、頻繁,故必須考慮這些因素的****切換控制方法,以便充分有效地利用風(fēng)能這一町再生能源。 |