兆瓦级永磁风力发电机失磁故障下电磁场与温度场研究

摘要

采用全功率变流器的永磁直驱、半直驱风力发电系统，具有功率密度大、输出电能品质高、效率高、对电机本身及电网的稳定性高、低电压穿越能力强等特点，并且随着永磁技术与大功率变流技术的提高，永磁同步发电机逐渐在大型风力发电领域得到广泛的应用。但是，永磁风力发电机在运行过程中，转子上钕铁硼永磁体在受到高温、电枢电流、振动等因素影响时，可能会出现局部的退磁、不可逆失磁等现象。永磁同步发电机一旦出现失磁故障，不仅会使输出的电能质量下降，严重的可能对电网产生大的冲击。因此，对永磁同步发电机失磁故障特征量的有效检测并准确的做出判定是十分重要的。
　　本文对1.5MW、32极、并联支路数为4的分数槽永磁同步发电机的失磁故障特征进行了研究。建立了不同失磁程度的永磁同步发电机的全域二维瞬态电磁场数学模型，采用场-路耦合时步有限元法对失磁故障状态下电机的数学模型进行了求解计算。通过对电磁场计算，分析了额定负载时不同程度失磁故障下磁场的分布特性;定量的研究了失磁故障对定子铁心不同位置上磁密随时间的演变规律;对不同失磁故障情况下的气隙磁密中各次谐波频谱进行了分析，基于对谐波成分在失磁前后变化故障特征量的检测方法，可为永磁同步发电机失磁故障的在线诊断方法提供一定的理论依据。
　　基于时步有限元法，对不同失磁故障下电机的支路反电势及支路电流进行了计算，并对失磁故障前后支路空载反电势波形、空载及负载情况下的支路电流波形的演变规律进行了研究，找出了电机失磁故障的特征，并通过对小型样机的失磁实验验证了计算方法的合理性。并且，在失磁故障电机磁场计算的基础上，对电机失磁情况下定子脉振激振力、转子不平衡磁拉力进行了计算与分析，得出了失磁故障对电机受力分布的影响，为通过检测电磁振动和噪声的方法来判定电机是否出现失磁故障提供了理论依据。
　　永磁同步发电机失磁故障不对称运行时，会导致电机的各部分损耗发生变化，损耗值的不同分布直接会影响到电机的温度场，因此，本文对不同失磁故障运行时的定转子温度场进行了研究。建立了无失磁、单块永磁体失磁及相邻两块永磁体失磁时定转子三维稳态温度场求解数学模型，根据传热学理论和空气动力学理论，对定转子之间以对流散热过程的气隙空气进行了等效热传导处理。采用有限元法对电机的温度场数学模型进行了求解，得到了不同失磁故障电机额定转速运行时的定转子的温度分布。通过温度场的分析，探究了失磁故障电机内铜耗、铁耗和永磁体涡流损耗对其温度分布的影响，为通过电机温度的检测来对失磁做出判断提供了新的思路。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外的研究现状及分析

1．2．1 永磁同步电机失磁故障特征量的研究现状

1．2．1 永磁同步电机监测及故障诊断的方法

1．3 本文研究内容

第2章 转子永磁体局部失磁故障电机磁场的分析

2．1 电机二维全域电磁场模型

2．1．1 永磁发电机模型及基本数据

2．1．2 电磁场的基本方程

2．2 转子永磁体失磁故障前后磁场的分布规律

2．2．1 单块永磁体不同失磁故障程度电机内磁场的分布

2．2．2 相邻两块永磁体完全失磁时电机内磁场的分布

2．3 失磁故障电机的磁密波形及磁密各分量的特征研究

2．4 不同失磁故障电机内气隙磁密分析

2．5 本章小结

第3章 永磁体失磁故障时的电机运行性能计算分析

3．1 不同失磁程度永磁发电机空载反电势变化特征的分析

3．2 不同程度失磁故障下电机空载支路电流分析

3．3 不同失磁故障电机负载运行时支路电流特征的研究

3．4 失磁故障状态下电机定、转子电磁力变化情况

3．4．1 失磁故障时定子齿部脉振电磁力的计算与分析

3．4．2 失磁故障时电机转子不平衡电磁力的计算与分析

3．5 失磁故障的小型永磁同步发电机的实验验证

3．6 本章小结

第4章 失磁故障永磁同步发电机三维温度场的计算与分析

4．1 发电机三维稳态温度场计算的假设条件及有限元模型

4．1．1 电机温度场计算的基本假设条件

4．1．2 电机三维温度场计算的数学模型

4．1．3 电机三维温度场计算的有限元模型

4．2 电机内热参数的确定

4．2．1 等效导热系数及散热系数的确定

4．2．2 电机内热源的分布

4．3 不同失磁故障电机的三维温度场计算与分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢