CN216749041U - 永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，包括：三相绕组、定子铁芯、绝缘槽纸和电机楔槽竹签，定子铁芯包括半闭口槽，三相绕组通过双层叠绕式方式设置在半闭口槽内，且三相绕组的线圈其中一有效边嵌入在半闭口槽的槽下层作为下层绕组，另一有效边嵌入在对应线圈节距的半闭口槽的槽上层作为上层绕组，下层绕组和上层绕组之间、上层绕组和半闭口槽的槽口之间均设置有绝缘槽纸，上层绕组和半闭口槽的槽口之间固定有电机楔槽竹签，基于模拟装置可以模拟永磁同步风力发电机匝间短路故障，可填补目前动模实验领域在永磁同步风力发电机匝间短路故障模拟上的欠缺和不足。

Description

永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置

技术领域

本实用新型涉及实验模拟技术领域，更具体的说是涉及一种永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置。

背景技术

永磁同步风力发电机在当今社会能源体系中有着重要的地位，但其定子绕组在长期运行过程中会产生振动，相互摩擦以至于磨损，从而引发匝间短路故障。匝间短路故障是一种常见的电气故障，是指定子外部主绝缘仍保持良好，但同相绕组相邻匝之间的绝缘层被破坏，造成部分线圈短路，且短路电流很大，造成局部温度飙升，继而加剧破坏邻近的绝缘系统。

当发电机绕组某一部位出现匝间短路故障时，故障程度较轻时会停机停产，若未立刻处理，故障情况将急剧恶化，甚至会导致电机烧毁，直接影响发电机乃至风电机组的稳定运行。当前，学者针对永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路研究不够深入，定子绕组短路模型机组更是屈指可数。

因此，如何提供一种永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，可以模拟永磁同步风力发电机匝间短路故障。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，包括：三相绕组、定子铁芯、绝缘槽纸和绝缘固定装置，所述定子铁芯包括半闭口槽，所述三相绕组通过双层叠绕式方式设置在所述半闭口槽内，且三相绕组的线圈其中一有效边嵌入在所述半闭口槽的槽下层作为下层绕组，另一有效边嵌入在对应线圈节距的所述半闭口槽的槽上层作为上层绕组，下层绕组和上层绕组之间、上层绕组和半闭口槽的槽口之间均设置有所述绝缘槽纸，上层绕组和半闭口槽的槽口之间固定有绝缘固定装置。

优选的，所述三相绕组各线圈导体间的间隙填充有绝缘漆，三相绕组端部各线圈固定有导体绑扎线。

优选的，所述绝缘固定装置为电机楔槽竹签。

优选的，所述三相绕组采用铜导线。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种永磁同步风力发电机定子模拟装置，可以模拟永磁同步风力发电机匝间短路故障，为深入认识永磁同步风力发电机匝间短路故障奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为永磁同步风力发电机定子模拟装置结构示意图。

图2附图为永磁同步风力发电机定子模拟装置局部放大图。

图3附图为三种不同类型绕组线圈的示意图，图3(a)为甲类线圈，图3(b)为乙类线圈，图3(c)为丙类线圈。

图4附图为以A相为例的定子绕组展开图。

图5附图为以A相为例的短路故障位置点示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，如图1所示，包括：三相绕组、定子铁芯、绝缘槽纸5和绝缘固定装置6，定子铁芯包括半闭口槽，三相绕组通过双层叠绕式方式设置在半闭口槽内，且三相绕组的线圈其中一有效边嵌入在半闭口槽的槽下层1作为下层绕组，另一有效边嵌入在对应线圈节距的半闭口槽的槽上层2作为上层绕组，下层绕组和上层绕组之间、上层绕组和半闭口槽的槽口之间均设置有绝缘槽纸5，上层绕组和半闭口槽的槽口之间固定有绝缘固定装置6，绝缘固定装置具体可以为电机楔槽竹签，具体细节如图2所示。

三相绕组各线圈导体间的间隙填充有绝缘漆，使绕组导体排列紧密，发电机运行时绕组振动摩擦绝缘磨损减少，三相绕组端部各线圈固定有导体绑扎线。

其中，三相绕组采用铜导线，将铜导线(漆包线)绕制为线圈，一个线圈有N_C/2匝，N个线圈为一组线圈，两组线圈并联即为一相绕组，每相绕组都有两根引出线,分别为头端、尾端，其中A相绕组头端即为A端口，A相绕组尾端即为X端口,共需绕制三相绕组，接线时将三相绕组的三个尾端连接作为中性点，将三相绕组的三个头端作为输出端。

三相绕组各参数、定子铁芯各参数根据实际需求进行设定，具体设计要求可根据以下原理进行计算：

(1)定子绕组模拟设计。

对永磁同步风力发电机定子绕组进行设计，首先需根据设计要求确定电机极数，并初选合适的每极每相槽数，永磁同步风力发电机极数较多时正常启动一般需设计为分数槽，之后即可确定槽数，计算绕组设计参数。

永磁同步风力发电机定子绕组初始参数理论计算公式如下：

根据发电机初始设计参数：电机极对数、相数和每极每相槽数计算绕组线圈节距：

其中，q为每极每相槽数，其值为整数部分b和真分数部分c/d之和，z为定子槽数，p为电机极对数，m为发电机相数，τ为绕组线圈极距，y为绕组线圈节距。

根据发电机初始设计的额定电流、定子铁芯内径、线负荷计算每槽导体数，理论计算公式如下：

其中，I_N为发电机额定电流，D₁为定子铁心内径，N_m为发电机每相串联导体数，A为线负荷，N_C为每槽导体数，a为并联支路数；

初步设计后需要验证导体数量是否满足设计电动势要求，理论计算如下：

E＝4K_NmfN_mK_dpΦ

其中，K_Nm为气隙磁场波形系数，f为发电机额定频率，N_m为每相串联导体数，K_dp为基波绕组系数，φ为发电机每极磁通。

将导体(漆包线)绕制为线圈，一个线圈有N_C/2匝，N个线圈为一组线圈，两组线圈并联即为一相绕组，每相绕组都有两根引出线,分别为头端、尾端，其中A相绕组头端即为A端口，A相绕组尾端即为X端口,共需绕制三相绕组，接线时将三相绕组的三个尾端连接作为中性点，将三相绕组的三个头端作为输出端。

(2)定子铁芯模拟设计。

根据初始设计的发电机电流密度、并绕导线根数、发电机额定电流计算定子槽面积：

其中，a为并联支路数，S_d为每根铜裸导线的截面积，n为并绕导线根数，j_a为发电机电流密度，N_C为每槽导体数，I_N为发电机额定电流，d为单根铜裸导线的最大外径，S_L为每槽容纳的导体的面积，S_ef为有效面积，S_f为槽满率，取值为75％-85％，S为定子槽总面积，S₁为绝缘面积，S₂为槽楔面积，S₁和S₂由设计人员进行分配。

槽型参数确定：

其中，t为定子齿距，b₁为定子槽弧长，t₁为定子齿宽，h_j为定子轭部高度，h为定子槽深度，由设计人员选择槽型后依据定子槽总面积S确定，D₁为定子铁芯内径，D₂为定子铁芯外径，z为定子槽数。

本实用新型基于上述模拟装置实现永磁同步风力发电机定子匝间短路故障模拟，具体说明如下：

对永磁同步风力发电机进行匝间短路故障设置，首先需要在三相绕组短路线圈处引出短路故障接线头，为有效利用槽内空间，满足三相绕组有效匝数要求，本实用新型设计了三款不同类型的统一尺寸线圈，如图3所示，甲类线圈发电机绕组正常时线圈；乙类线圈和丙类线圈是设置故障线圈，引出了短路接线抽头，连接对应的抽头可以设置发电机绕组匝间短路故障，如3％，6％，9％，12％可由甲类线圈单独实现，3％，6％可由乙类线圈单独实现，15％，18％则需要甲乙两类线圈一起配合才能实现。

以48槽双层叠绕组发电机为设置对象，以其A相绕组定子匝间短路故障模拟接线头设计为例，如图5所示：A相绕组含有两组线圈分别构成A1、A2两条并联支路，其中A1支路由8个线圈构成，以A相绕组头端A端口处线圈为初始线圈，1号线圈为乙类线圈，其每隔三匝引出一根短路故障接线头，线圈头部与尾部各引出一根短路故障接线头，有1-5号共五根短路故障接线头，2号线圈为丙类线圈，前6匝线圈每三匝引出一根短路故障接线头，2号线圈头部与1号线圈尾部连接，有6-7号共两根短路故障接线头，其余3-8号线圈均为甲类线圈，至此，A1支路匝间短路故障模拟接线头设计完成。其中A2支路由8个线圈构成，以A2支路相绕组头端A2端口处线圈为初始线圈，1号线圈为乙类线圈，其每隔三匝引出一根短路故障接线头，线圈头部与尾部各引出一根短路故障接线头，有1-5号共五根短路故障接线头，2号线圈为丙类线圈，前6匝线圈每三匝引出一根短路故障接线头，2号线圈头部与1号线圈尾部连接，有6-7号共两根短路故障接线头，其余3-8号线圈均为甲类线圈，至此，A2支路匝间短路故障模拟接线头设计完成。通过按键闭合开关连接七根短路故障接线头中任意两根即可模拟永磁同步风力发电机定子匝间短路故障。

本实用新型采用以下设计来实现永磁同步风力发电机不同程度定子匝间短路故障模拟：

对永磁同步风力发电机进行不同故障程度的定子匝间短路设置，本实用新型将故障程度分为3％定子匝间短路、6％定子匝间短路、9％定子匝间短路、12％定子匝间短路、15％定子匝间短路、18％定子匝间短路，共有六种不同程度的定子匝间短路故障。具体理论公式如下：

其中，N_S为任意一相的一条支路总匝数，N₁为短路3％匝数，N₂为短路6％匝数，N₃为短路9％匝数，N₄为短路12％匝数。

以48槽双层叠绕组发电机为设置对象，以其A相绕组不同程度定子匝间短路故障设置为例：以A1支路绕组头端A1端口处线圈为初始线圈，1号线圈为乙类线圈，2号线圈为丙类线圈，3-8号线圈为甲类线圈，其有1-7号共七根短路故障接线头，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与2号短路故障接线头连接即为A1支路3％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与3号短路故障接线头连接即为A1支路6％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与4号短路故障接线头连接即为A1支路9％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与5号短路故障接线头连接即为A1支路12％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与6号短路故障接线头连接即为A1支路15％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与7号短路故障接线头连接即为A1支路18％定子匝间短路。以A2支路绕组头端A2端口处线圈为初始线圈，1号线圈为乙类线圈，2号线圈为丙类线圈，3-8号线圈为甲类线圈，其有1-7号共七根短路故障接线头，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与2号短路故障接线头连接即为A2支路3％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与3号短路故障接线头连接即为A2支路6％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与4号短路故障接线头连接即为A2支路9％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与5号短路故障接线头连接即为A2支路12％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与6号短路故障接线头连接即为A2支路15％定子匝间短路，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与7号短路故障接线头连接即为A2支路18％定子匝间短路。

本实用新型采用以下设计来实现永磁同步风力发电机不同位置定子匝间短路故障模拟：

对永磁同步风力发电机进行不同位置的定子匝间短路故障设置，以48槽双层叠绕组发电机为设置对象，以其A相为例，控制匝间短路程度相同并模拟不同位置的匝间短路故障：本实用新型可以实现3％、6％、9％、12％、15％、18％等共六种不同程度定子匝间短路故障的方案。

任意选择其中一个短路程度进行说明，本实施例以3％定子匝间短路程度为例。以A相绕组头端A端口处线圈为初始线圈，1号线圈为乙类线圈，2号线圈为丙类线圈，3-8号线圈为甲类线圈，其共有1-7号共七根短路故障接线头。选择A相的第一条支路A1，1号短路故障接线头通过按键闭合开关与2号短路故障接线头连接即为第1处A1支路3％定子匝间短路，2号短路故障接线头通过按键闭合开关与3号短路故障接线头连接即为第2处A1支路3％定子匝间短路，3号短路故障接线头通过按键闭合开关与4号短路故障接线头连接即为第3处A1支路3％定子匝间短路，4号短路故障接线头通过按键闭合开关与5号短路故障接线头连接即为第4处A1支路3％定子匝间短路，5号短路故障接线头通过按键闭合开关与6号短路故障接线头连接即为第5处A1支路3％定子匝间短路，6号短路故障接线头通过按键闭合开关与7号短路故障接线头连接即为第6处A1支路3％定子匝间短路，此即为A相绕组A1支路6种3％定子匝间短路故障设置。此时只需要选择A相的另一条支路A2，并将继电器连接A1支路选择的相同编号的短路故障接线头即可，即实现了在控制短路程度相同的情况下模拟不同位置匝间短路故障的模拟。B，C两相的故障实现方法和A相完全相同。

本实用新型基于永磁同步风力发电机定子模拟装置可以模拟永磁同步风力发电机匝间短路故障，为深入认识永磁同步风力发电机匝间短路故障奠定了基础。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，其特征在于，包括：三相绕组、定子铁芯、绝缘槽纸和绝缘固定装置，所述定子铁芯包括半闭口槽，所述三相绕组通过双层叠绕式方式设置在所述半闭口槽内，且三相绕组的线圈其中一有效边嵌入在所述半闭口槽的槽下层作为下层绕组，另一有效边嵌入在对应线圈节距的所述半闭口槽的槽上层作为上层绕组，下层绕组和上层绕组之间、上层绕组和半闭口槽的槽口之间均设置有所述绝缘槽纸，上层绕组和半闭口槽的槽口之间固定有绝缘固定装置。

2.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，其特征在于，所述三相绕组各线圈导体间的间隙填充有绝缘漆，三相绕组端部各线圈固定有导体绑扎线。

3.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，其特征在于，所述绝缘固定装置为电机楔槽竹签。

4.根据权利要求1所述的永磁同步风力发电机定子绕组匝间短路故障模拟装置，其特征在于，所述三相绕组采用铜导线。

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