論文165MW半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機研制.doc

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1、1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機研制 李松田 東方電氣集團東方電機有限公司，四川　德陽618000 摘 要 本文介紹了半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和基本特點，并重點介紹了東方電機1.65 MW半直驅(qū)永磁三相同步風力發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)和具體結(jié)構(gòu)特點。 關(guān)鍵詞 風力發(fā)電；半直驅(qū)；雙饋；永磁同步發(fā)電機 1 引 言 由于風力發(fā)電在可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)相對比較成熟、開發(fā)成本更低，并且可以大大減少二氧化碳排放量，在全世界得到了迅猛發(fā)展。目前主要的風力發(fā)電技術(shù)包括：異步風力發(fā)電技術(shù)、電勵磁同步風力發(fā)電技術(shù)、永磁同步風力發(fā)電技術(shù)等等。大中型永磁同步風力發(fā)電機磁極普遍采用高磁性

2、能燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，其具有剩磁Br高，矯頑力HCB大，磁能積BH大，退磁曲線近似于直線等優(yōu)點。若設(shè)計、使用得當，可有效避免電機瞬間大電流、高溫和交變退磁場等引起永磁體磁鋼失磁。電勵磁同步電機磁極上必須裝設(shè)勵磁繞組以提供電機勵磁，并且電機需要增加相應(yīng)的集電環(huán)和刷架等部件。但永磁同步電機結(jié)構(gòu)就更為簡單，利用永磁體磁鋼作為電機磁極提供勵磁，無需集電環(huán)和刷架，不但提高了電機氣隙磁通密度和功率密度，而且還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、運行平穩(wěn)、效率高、易安裝、維護方便等特點。相對于異步風力發(fā)電技術(shù)，永磁同步風力發(fā)電技術(shù)具有對電網(wǎng)影響小，可靠性能高，傳動損失小，發(fā)電機效率高，發(fā)電品質(zhì)高，日常維修少等優(yōu)勢

3、。 隨著風機運行時間加長，齒輪箱高速傳動部件機械故障問題日益突出，于是發(fā)明了不帶齒輪箱而是將風機主軸與低速多極同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連的直驅(qū)式驅(qū)動方式。但是，多極低速發(fā)電機體積龐大、過于沉重，導致安裝和維護都更加困難。為此，采用折中理念的半直驅(qū)式驅(qū)動方式在大型風機設(shè)計中逐漸得到應(yīng)用和推廣，而這種半直驅(qū)式驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)電機就普遍采用永磁同步發(fā)電機。正是基于此，東方電機和芬蘭The Switch公司聯(lián)合開發(fā)了1.65 MW半直驅(qū)永磁三相同步風力發(fā)電機，以適應(yīng)風力發(fā)電市場日益增長的需求。 2 半直驅(qū)風力發(fā)電機組動力驅(qū)動系統(tǒng)方案 采用半直驅(qū)變速變槳風力發(fā)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)一般方案為：低速（一

4、級或兩級）集成齒輪箱＋中速永磁同步發(fā)電機+全功率變頻器，該方案集成了三級高速齒輪箱和直驅(qū)式驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速一般在150~500 r/min左右，發(fā)電機的體積和重量可以控制在比較合理范圍之內(nèi)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計得更加緊湊合理，具有更高可靠性和更長的使用壽命，也避免了直驅(qū)式驅(qū)動方案和高速齒輪箱驅(qū)動方案的諸多缺陷。半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1　半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點 3.1發(fā)電機主要參數(shù) 型 號 PMR1350-1650 額定功率 1650 kW

5、 額定電壓 690 V 額定電流 1534 A 額定功率因數(shù) 0.9 相 數(shù) 3 額定頻率 40 Hz 極 數(shù) 32 額定轉(zhuǎn)速 150 r/min 轉(zhuǎn)速范圍 0~180 r/min 冷卻方法 空－水冷卻 絕緣等級 180(H) (溫升按155(F)考核) 防護等級 IP54 中心高 1350 mm 工作制 S1 效 率 97 % 發(fā)電機總重量 18 t

6、 3.2發(fā)電機總體結(jié)構(gòu) 1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、空－水冷卻器、端蓋、軸承、定子主出線盒、輔助出線盒等組成。電機為臥式、全封閉脂潤滑結(jié)構(gòu)，在發(fā)電機兩端采用端蓋滾動軸承把轉(zhuǎn)子支撐在兩端端蓋上。冷卻器自帶風機強迫通風，冷卻器放置于電機機座頂部，以帶走電機內(nèi)部熱量。采用水冷方式，電機結(jié)構(gòu)更為簡單、可靠，既能將電機做得更小、更輕，又比空冷電機更好地防沙塵和鹽霧。發(fā)電機軸伸端有齒輪聯(lián)軸器方便同齒輪箱聯(lián)結(jié)，非軸伸端安裝有制動盤，供電機緊急剎車制動用。發(fā)電機傳動端安裝接地碳刷，起到保護電機軸承的作用。發(fā)電機總體布置如圖2所示。 圖2

7、　發(fā)電機總體布置圖 3.3 定子 定子由機座、鐵心和繞組等組成。機座采用耐低溫鋼板焊接成圓形結(jié)構(gòu)，圓形機座外側(cè)再把合蓋板把機座圍成密閉十二邊形，以在定子機座外側(cè)形成兩個獨立密閉風路。 定子鐵心采用高導磁、低損耗、無時效優(yōu)質(zhì)硅鋼片50W400沖制而成，整圓共12張扇形沖片，沖片與機座通過定位筋聯(lián)結(jié)固定。定子鐵心外徑為1840 mm，內(nèi)徑1600 mm，總長763 mm，全長共有13個6 mm高的徑向通風溝。定子鐵心采用內(nèi)裝壓結(jié)構(gòu)，在定子鐵心疊片完成后，裝上定子鐵心壓板，再用一個帶錐度鎖緊環(huán)和數(shù)個錐形鎖緊螺栓共同作用壓緊鐵心壓板，達到將定子鐵心壓緊的作用。在機座上開有鎖緊螺栓螺孔，在擰緊帶

8、錐度螺栓過程中鎖緊環(huán)就會逐漸將壓力傳向定子鐵心，這樣就可以方便的通過調(diào)整鎖緊螺栓擰緊長度來調(diào)節(jié)定子鐵心的壓緊程度。定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖3　定子鐵心壓緊結(jié)構(gòu) 定子繞組為成型雙層圈式線圈，線圈絕緣結(jié)構(gòu)充分考慮到變頻器高次諧波等影響，加強了線圈匝間及對地絕緣。定子線圈的并頭及引線連接均采用銀銅焊工藝，焊接性能良好。定子槽楔采用磁性槽楔，在槽楔下設(shè)置膨脹墊條以減小振動影響，可以保證線圈長期運行而不松動，并能補償絕緣的老化收縮，加強線圈及槽楔固定。定子鐵心和線圈采用VPI真空壓力整體浸漆，這樣既保證了電機的整體絕緣性能，同時又加強了電機的整體結(jié)構(gòu)強度和傳熱效果。定子裝配如圖4所示。

9、 圖4　定子裝配 3.4 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子采用無風扇結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子支架為焊接結(jié)構(gòu)，主軸材料為耐低溫鍛鋼16MnD，主軸與轉(zhuǎn)子圓筒通過轉(zhuǎn)子軸向和徑向筋板焊接成一體，在徑向筋板上開有軸向通風孔。 在轉(zhuǎn)子支架外圓加工16組每組56個，共896個M6螺孔，該螺孔用于把合不銹鋼磁鋼固定支架，每組螺孔在軸向均按一定角度偏斜，保證磁鋼裝配時達到斜極的作用。首先，將磁鋼裝于磁鋼固定支架之中，再用磁鋼安裝專用工具通過不銹鋼螺栓將其把合在轉(zhuǎn)子外圓上，在轉(zhuǎn)子外圓形成N、S交錯磁極。轉(zhuǎn)子裝配如圖5所示。 圖5　轉(zhuǎn)子裝配 永磁體磁鋼和磁鋼固定不銹鋼支架如圖6、圖7所示。 　　　　　 　　圖6　永磁體磁鋼　　

10、　　　　　　　　圖7　磁鋼固定不銹鋼支架 磁鋼材料為釹鐵硼（NdFeB）38SH，對磁鋼磁性能有嚴格要求： 剩磁Br≥1.23 T　(20 ℃)，剩磁Br≥1.12 T　(100 ℃) 內(nèi)稟矯頑力HCJ≥1592 kA/m　(20 ℃)，內(nèi)稟矯頑力HCJ≥ 800 kA/m　(100 ℃) 矯頑力HCB≥ 916 kA/m　(20 ℃) 最大磁能積(BH)max≥ 287 kJ/m3　(20 ℃) 磁鋼最高連續(xù)工作溫度為150 ℃，在120 ℃時，B-H退磁曲線基本呈直線，或拐點不高于0.1 T。磁體表面采用鍍鋅＋環(huán)氧復合鍍層，鍍層光潔，無肉眼可見缺陷或污損，鍍層耐腐蝕性能達中性鹽

11、霧120h以上。 另外對磁鋼化學成分、物理性能、失重特性失重量、冷熱沖擊不可逆磁通損失率特性、熱減磁不可逆磁通損失率特性、磁性能及表磁分布形態(tài)一致性等等都有特殊要求。 對于大中型永磁電機，由于永磁體磁鋼吸力很大，在轉(zhuǎn)子磁鋼安裝時，需采用專門的磁鋼安裝工具，以保證人身和設(shè)備安全。轉(zhuǎn)子磁鋼安裝工具包括底座4，底座可以旋轉(zhuǎn)一定角度以方便安裝磁鋼，底座上裝設(shè)移動方向與底座移動方向垂直的安裝磁鋼固定架7，底座固定在壓塊3上，壓塊裝在絲杠5上（壓塊開有絲孔與絲桿配合），與絲杠平行方向設(shè)有一固定桿6，在絲杠、固定桿兩端裝配兩個緊固端板2（緊固端板與轉(zhuǎn)子本體軸向長度相適應(yīng)），兩個緊固端板外側(cè)分別裝有手輪1

12、，轉(zhuǎn)動手輪，壓塊就能帶動底座一起沿絲杠運動。隨著底座沿轉(zhuǎn)子軸向移動，可以停留在不同的轉(zhuǎn)子軸向位置，而底座又可以沿轉(zhuǎn)子徑向移動，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，可以方便地把磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子表面需要的位置。 采用轉(zhuǎn)子磁鋼專用安裝工具，使得轉(zhuǎn)子磁鋼安裝尤為方便、安全、快捷，尤其是對于磁鋼個數(shù)多且采用斜極的大中型永磁電機更為實用。轉(zhuǎn)子磁鋼安裝工具如圖8所示。 圖8　轉(zhuǎn)子磁鋼安裝工具 1.手輪 2.緊固端板 3.壓塊 4.底座 5.絲杠 6.固定桿 7.固定架 3.5 端蓋 軸伸端和非軸伸端端蓋均采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料為耐低溫鋼板，在端蓋的徑向和周向均布置有加強筋板。焊接端蓋的強度高，變形小，能

13、承受轉(zhuǎn)子重量及外部沖擊載荷。端蓋如圖9所示。 圖9　端蓋 3.6軸承 軸伸端和非軸伸端軸承均采用球面滾子調(diào)心軸承，軸承固定在軸承端蓋軸承室內(nèi)，端蓋通過止口定位把合固定在定子機座兩端，軸承采用脂潤滑，潤滑脂選用Arcanol multitop潤滑脂。發(fā)電機軸承外圈通過絕緣鋼圈與電機端蓋連接，該絕緣鋼圈由內(nèi)鋼圈和內(nèi)鋼圈外面的絕緣層組成；軸承兩側(cè)裝設(shè)絕緣環(huán)，軸承把合螺栓外套有絕緣套筒，把合螺栓鋼墊圈下放置絕緣墊圈。這樣就把軸承和端蓋等部件絕緣隔離開來，在電機運行時，就可以有效阻斷軸電流在軸承等部件中流通，防止軸電流損壞軸承，起到保護軸承，保證電機長期可靠運行的作用。該絕緣軸承如圖10所

14、示。 圖10　絕緣軸承結(jié)構(gòu)圖 1.滾動軸承 2.絕緣環(huán) 3.內(nèi)鋼圈 4.絕緣層 5.絕緣環(huán) 6.絕緣墊圈 7.絕緣套筒 3.7通風系統(tǒng) 發(fā)電機空－水冷卻器放置于電機機座頂部，中間隔板把機座外殼和蓋板之間的風道軸向隔離成互不透風的兩個風區(qū)，機座外殼與定子鐵心之間裝設(shè)多個周向均布的軸向筋板，機座外殼上開有徑向通風孔，兩個不同風區(qū)徑向通風孔交錯布置。發(fā)電機空－水冷卻器離心風機在電機非軸伸端旋轉(zhuǎn)鼓風產(chǎn)生風壓，把經(jīng)冷卻器冷卻后的冷空氣鼓入電機內(nèi)部，冷風流經(jīng)定子鐵心、繞組、轉(zhuǎn)子磁鋼，帶走其產(chǎn)生的熱量再進入電機軸伸端，熱空氣由軸伸端進入空－水冷卻器，熱風經(jīng)冷卻器冷卻后被離心風機再次鼓

15、入電機非軸伸端內(nèi)部，如此周而復始不斷循環(huán)，達到帶走電機熱量，冷卻電機的作用。 空－水冷卻器帶強迫通風離心風機，兩個冷卻器換熱容量均為30 kW，兩個風機電動機功率均為5.5 kW，400 V，50 Hz。冷卻器如圖11所示。 圖11　冷卻器 4 結(jié) 語 通過對該發(fā)電機較為完整的型式試驗，證明東方電機和芬蘭The Switch公司聯(lián)合開發(fā)的1.65 MW半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機是非常成功的，各項性能指標均達到設(shè)計值，發(fā)電機出力、溫升、空載電壓等性能指標均滿足規(guī)定要求，達到國際同類產(chǎn)品先進水平，同時該電機運行平穩(wěn)，效率高，振動小，噪聲低。 永磁同步發(fā)電機不從電網(wǎng)吸收無功勵磁，無需

16、勵磁繞組和直流電源，也不需要集電環(huán)和刷架，結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)可靠，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行影響小。與雙饋型風機相比，全功率變流器更容易實現(xiàn)低電壓穿越（Low Voltage Fault Ride Through），還可以顯著改善電能質(zhì)量，減輕發(fā)電機對低壓電網(wǎng)的沖擊，保障風電并網(wǎng)后的電網(wǎng)可靠性和安全性。 隨著風力發(fā)電各項技術(shù)的發(fā)展和風力發(fā)電機組性能的逐步提高，風力發(fā)電會越來越高效，越來越經(jīng)濟，風電項目開發(fā)成本和運行費用正在逐步降低，風力發(fā)電，其發(fā)展正日新月異。在風電傳動系統(tǒng)中采用集成化設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來大型風機的發(fā)展趨勢，隨著半直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)更加完善和成熟，半直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用，半直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機勢必存在巨大的市場需求。 參考文獻 [1]　周壽增，董清飛，“超強永磁體”，冶金工業(yè)出版社 [2]　唐任遠, “現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計”, 北京,機械工業(yè)出版社, 1997 作者簡介： 李松田：(1969－)，男，高級工程師，1992年畢業(yè)于華中理工大學電機專業(yè)。東方電機有限公司副總設(shè)計師、東方電機有限公司中型電機分公司副總經(jīng)理，長期從事交流電機設(shè)計工作。 8