小型风力外转子永磁发电机试验台研发

董冠强，杨宗霄，宋　磊

(河南科技大学 a.机电工程学院;b.系统科学与工程研究所，河南 洛阳 471003)



小型风力外转子永磁发电机试验台研发

董冠强a,b，杨宗霄b，宋磊b

(河南科技大学 a.机电工程学院;b.系统科学与工程研究所，河南 洛阳 471003)

摘要：为了测试小型风力外转子永磁发电机的性能，研制了外转子永磁发电机试验台。该永磁发电机试验台硬件部分主要由驱动装置、检测装置以及其他辅助装置组成；软件部分负责数据采集、数据处理以及数据分析。永磁发电机由三相异步电动机驱动，通过变频方式来调节转速，以此模拟永磁发电机在不同风力情况下的工况。实例测试和分析表明：该试验台可以满足功率400 W、转速250 r/min以下的小型外转子永磁发电机的性能测试需求。

关键词：永磁发电机；外转子；永磁风力发电机；试验台；性能测试

0引言

随着社会经济的发展，环境污染和能源短缺成为当前社会面临的两大主要问题。风能作为清洁能源具有巨大潜力，风力发电已经成为能源结构中的重要组成部分。中国风力资源丰富的“三北”(东北、华北和西北)地区风力利用趋于饱和，寻求开发低风速区迫在眉睫。中国10 m高度层的实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kW，与之相匹配的低风速风电技术成为极具潜力的研究领域之一，其关键技术的探索和进步直接影响着低风速风电产业的发展进程，是中国可再生能源的重点战略发展方向之一[1-2]。

随着磁性材料磁性能的提高、耦合磁场更紧凑的设计和现代工艺技术的出现，永磁发电机的优化设计思想不断更新[3-7]。为此，需要推出精确、简便、有效、灵活的永磁发电机试验台，为永磁发电机的优化设计和性能检测提供有力的依据[8-10]。但目前关于低风速永磁发电机性能测试的研究还很少。文献[11]研制了适用于400 W风力发电的永磁同步发电机运行特性的综合测试平台，但该平台测试手段比较落后，需要通过万用表等手动方法测试电参数，并且不能自动保存数据和实时显示波形，自动化程度低，软件后续处理能力有限，不适用于中小型外转子永磁发电机的测试需求。为了测试和分析中小型外转子永磁发电机的性能，本文研制了小型外转子永磁发电机试验台，可以对小型外转子永磁发电机的磁路进行优化。

1小型风力外转子永磁发电机试验台总体结构

小型风力外转子永磁发电机试验台主要包括硬件部分和软件部分，其中，硬件部分包括变频器、交流电机驱动装置、盘式扭矩功率信号耦合器、三相电参数综合测试仪、电机转速测试仪、永磁发电机试件、丝杠升降机构、可调式卡盘底座、USB数据采集器、操作面板和监控计算机；软件部分负责数据采集、数据处理以及数据分析。试验台总体结构如图1所示。

小型风力外转子永磁发电机试验台采用三相感应异步电动机直接驱动垂直式安装结构，采用变频器进行调速，一方面可以实现无级变频调速，真实模拟永磁发电机实际工况；另一方面，可以通过测试软件实现远程控制调速，便于人员操作。在机械结构上采用丝杠升降机构和可调式卡盘座等构件，使得试件装拆方便，便于进行对中操作。采用三相电参数仪进行电参数测试，然后通过RS485与微型计算机通讯。转速和扭矩参数分别采用霍尔传感器和盘式扭矩信号耦合器来检测。负载采用纯电阻性负载，用不同功率的灯泡来代替负载。

图1　小型风力外转子永磁发电机试验台总体结构

2试验台系统硬件组成

外转子永磁发电机试验台系统硬件主要由动力驱动装置、测试对象装置、操作装置、测试单元、负载装置以及其他辅助装置等组成。其中，动力驱动装置由三相异步电动机驱动，通过变频器来调速，变频器操作面板可显示变频器的值，从而调节驱动电机的转速。永磁发电机的机械参数选用耦合式扭矩传感器检测扭矩，霍尔式传感器检测转速，由机械参数采集器采集信号，通过USB接口与上位机通讯。永磁发电机的电参数由三相电参数检测仪来检测，检测仪通过RS485接口与上位机通讯。三相电参数仪显示面板可以实时显示永磁电机的电信号参数，PC机分别通过USB接口和RS485接口接收永磁电机的机械参数和电参数值。

2.1　动力驱动装置

试验台采用直驱的方式连接电动机，选用Y90L-4型三相异步四极的鼠笼式电动机，可以驱动最大功率400 W、最高转速200 r/min的外转子永磁发电机。通过变频器来调节电动机的转速，由于电动机与发电机同轴，电动机与发电机的转速一致，所以调节变频器的频率即可调节发电机转速，通过调节不同的频率来模拟不同风速提供的驱动力。变频器通过RS232串口与上位机通讯。变频器有两种操作方式：一种是通过操作面板进行近地操作；另一种是通过RS232串口，同上位机进行远程操作，这可以为软件进一步开发提供硬件支撑。

2.2　测试单元

试验装置的测试信号包括永磁电机机械参数测试和发电机输出的电参数测试。其中，机械参数包括转矩测试和转速测试。转矩信号采用盘式扭矩信号耦合器来检测，转速信号利用霍尔式转速传感器来检测，两者均通过USB数据采集器将模拟信号转换成数字信号，并通过USB接口将信号传递给上位计算机。电参数测试利用三相电参数测试仪HB3300来采集负载的电参数信号，该测试仪可以采集各种电压信号、电流信号以及功率信号。HB3300通过RS485串口与上位计算机通讯，可以获取HB3300采集的负载的各种电参数信号，同时，上位机也有三相电参数表的相关设置，这样便于集中检测和控制。

2.3　负载装置

负载装置为纯电阻性负载，采用三相三角形连接方式，通过不同个数灯泡切换来调节负载功率大小。通过独立式的开关，控制相应的灯泡，实现不同负载大小的切换。测试电机和负载之间采用端子排连接，便于更换负载。

2.4　其他辅助装置

三相异步电动机由升降丝杠机构带动，可以自由调节高度，调节好后固定。这样可以适用于不同规格的永磁发电机的测试需求，并且便于安装和拆卸。永磁发电机一端与三相异步电动机相连，底部由卡盘座来固定。卡盘座水平方向调节位置，用于三相异步电动机和永磁发电机转轴对心操作。在安装过程中，结合测试信号，来保证三相异步电动机和永磁发电机的同轴连接，这样便于对中。

3试验台系统软件组成

试验台系统的软件由扭矩转速数据处理模块、三相电参数数据处理模块、变频器驱动模块和PC机监控软件四部分组成。软件负责数据采集、数据处理以及数据分析。扭矩转速数据处理模块负责接收来自USB数据采集器的扭矩和转速信号，并负责对数据进行处理，向监控软件提供实时的机械参数监控数据。三相电参数数据处理模块负责接收HB3300采集的三相电参数，并对数据进行处理及向监控软件提供实时的电参数信号。变频器驱动模块负责接收来自监控软件发出的命令，驱动变频器以给定的值运行，控制三相异步电动机的转速。PC机监控软件能够设置变频器和三相电参数仪的相关参数，手动或自动周期间隔读取参数，并能够以数字和图形的方式实时显示相关参数信号。 各种参数以表格形式集中保存，方便进一步处理数据。监控软件的流程图如图2所示。

图2　监控软件流程图

4试验台性能检测

利用小型外转子永磁发电机试验台，对额定功率为100 W的外转子永磁发电机的性能进行了测试。分别测试了45 W、90 W、135 W和600 W 不同负载情况下，100 W外转子永磁发电机的性能参数。用15 W和100 W不同数量的灯泡来模拟不同功率情况下的负载。负载采用三角形连接方式，对3个15 W灯泡、6个15 W灯泡、9个15 W灯泡和6个100 W灯泡负载下的运行特性进行测试。对测试数据进行分析，绘制不同负载情况下的电压转速曲线、功率转速曲线和效率转速曲线。

图3为外转子永磁发电机不同负载情况下的电压转速曲线图。由图3可看出：在额定转速范围内，输出线电压与转速之间基本为线性关系，并且在相同转速负载增大的情况下，输出线电压会逐渐下降，负载越大，输出电压越低，符合永磁发电机电压输出特性。该测试平台可以测试不同负载情况下的输出线电压和发电机转速参数，并能绘制实时曲线，最高转速可达250 r/min，最高输出电压28 V。

图4为不同负载下外转子永磁发电机功率转速曲线图。从图4可以看出：在额定转速内，同一负载下，随着转速的上升，功率呈幂函数形式上升，符合永磁发电机功率输出特性。

图3 不同负载情况下的电压转速曲线图4 不同负载情况下的功率转速曲线

图5为外转子永磁发电机大功率(600 W)负载情况下的功率转速曲线图。为了进一步得到所设计电机的输出特性，进行了功率拐点的试验测试。从图5可以看出：所研究发电机的曲线功率拐点出现在转速为600 r/min左右，此时功率为350 W。该测试发电机的安全性能非常好，在额定转速的300%范围内基本能保证电机的正常运行。

图6为不同负载情况下的外转子永磁发电机的效率转速曲线。其效率曲线特性符合永磁发电机的特性，即随着转速的增大，效率逐渐升高，在达到额定转速后效率基本不再上升，而是处于一个稳定值，转速继续上升后，效率则有所下降。该试验台可以用来分析最高转速250 r/min的外转子永磁发电机的效率转速特性。

图5 600W负载情况下的功率转速曲线图6 不同负载情况下的效率转速曲线

5结论

本文介绍了小型外转子永磁发电机试验台的硬件和软件组成，该测试平台解决了外转子永磁风力发电机的各种机械参数和电参数测试需求。该试验平台选用三相异步电动机作为驱动装置，异步电动机通过变频方式来调速，电动机不同转速模拟不同风速情况下的发电机工况。电动机由升降丝杠机构带动，可以自由调节高度，同时永磁发电机底部采用卡盘固定，这样不仅适用于测试不同规格的永磁发电机，而且便于安装调试和拆卸。测试参数包括机械参数测试和电参数测试。试验台与上位机通讯，可以进行远程操控和数据采集，并且利用上位机软件能够进行数据分析，并可以进行二次开发。该试验台可以满足功率400 W、转速250 r/min以下小型外转子永磁发电机的测试需求。

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文献标志码：A

中图分类号：TM313

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.011 10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.012

文章编号：1672-6871(2016)02-0052-04 1672-6871(2016)02-0056-06

收稿日期：2015-10-27 2015-06-26

作者简介：董冠强(1972-),男,河南灵宝人,讲师,硕士,主要从事测试计量技术方面的研究. 刘开源(1989-),男,河北石家庄人,硕士生;韩晓雷(1957-),男,陕西西安人,教授,博士,博士生导师,主要从事岩土工程方面的研究.

基金项目：国家自然科学基金项目(71071078);河南省重点科技攻关基金项目(122102310351) 国家自然科学基金项目(51178385)