风力发电机组的发电机实际应用和中维护

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1、风力发电机组的发电机 实际应用和中维护 学习目标 一一 了解风力发电机的工作条件和 基本性能 二二 学习风力发电机的结构 工 作原理 工作特性 三三 掌握风力发电机的维护方法 风力发电机组的发电机应用与维护 一 工作条件和对发电机的要求 由于风电场建设的自然环境条件恶劣 一般均为沿海地区或是内陆的沙漠地带 或是两个山峰之间的山坳口 自然环境 决定了选择和设计风力发电机时必须充分 考虑潮湿 极端温度 沙尘 风速变化等 因素 风力发电机组的发电机应用与维护 一 工作条件和对发电机的要求 正由于风力发电条件的种种特殊性 对风 力发电机也就有相应的一些特殊要求 风力发电机组的发电机应用与维护 1 发电

2、机的外壳防护等级宜选用IP44或IP54 即全封闭式电机 2 发电机的冷却方式选用 IC411 即电机外壳表面带散热筋加外风扇 3 发电机的绝缘等级选用F级 而且经VPI 真空压力无溶剂浸渍 处理 4 发电机内带空间加热器 5 发电机底部要有气压平衡孔 此孔又能起到排出凝露水的作用 6 发电机振动要小 振速不超过 2 8mm s 噪声要低 一 工作条件和对发电机的要求 正由于风力发电条件的种种特殊性 对风 力发电机也就有相应的一些特殊要求 风力发电机组的发电机应用与维护 7 对安装在北方地区的发电机轴承润滑脂选用时要考虑到冬季的低温 8 发电机的飞逸转速要高 一般大于 1 5 倍同步转速 9

3、发电机的效率要高 且转差率要大 效率曲线要平坦 10 发电机的自然功率因数要尽可能高 以减少无功的吸收或降低补偿电容 11 发电机的外形尺寸要小 重量要轻 以减小机舱的体积和重量 12 发电机端电压的波动一般为 5 最好能考虑到 8 甚至 10 13 发电机的堵转电流要小 二 感应电动机 感应发电机是感应电机的一种运行方式 电动 机运行时 它的转速n低于同步转速 此时转差率 风力发电机组的发电机应用与维护 感应发电机是感应电机的一种运行方式 电动 机运行时 它的转速n高于同步转速 此时转差率 制动状态运行时感应电机的转子反着旋转磁场 方向旋转 此时转差率 分析比较图1 和图2 会发现 发电机状

4、态和电动机状态的主要差异 发电机状态定子电流矢量I1与定子端电压矢量U1的夹角大于90 见图1 功率因数小于零 说明发电机向电网发送功率 而电动机状态时定子电 流矢量I1与定子端电压矢量U1的夹角小于90 见图2 功率因数大于零 说 明发电机向电网吸收功率 1 感应发电机的矢量图 图1 感应发电机的矢量图图2 感应电动机的矢量图 风力发电机组的发电机应用与维护 2 感应发电机的等效 风力发电机组的发电机应用与维护 3 感应发电机的电磁转矩 风力发电机组的发电机应用与维护 电磁转矩 励磁电流 3 感应发电机的电磁转矩 风力发电机组的发电机应用与维护 当Sk为正时为电动机状态 当Sk为发电机状态

5、最大转 矩Mmax越大 说明电机的短时过载能力越强 当电网电压U1和频率f1恒定时 可以认为电机的电阻和漏电抗值 本不变 电磁转矩Mem仅与转差率S有关 其关系曲线如下图所示 4 感应发电机的工作特性 风力发电机组的发电机应用与维护 1 由于风力发电机受风速变化的影响 绝大部分时间发电 机处于轻载状态 为综合提高发电机的出力 提高中低输出功率 区的效率有重要意义 因此通常希望发电机的效率曲线平坦些 感应发电机的工作特性 4 感应发电机的工作特性 风力发电机组的发电机应用与维护 2 另一方面 风力机运行时因风速的大小方向是不稳定的 随 时变化的 为了减少发电机输出功率的波动 降低风力机受冲击的

6、机械应力 要求发电机的转速 输出功率特性软一点 因此就要求 发电机的转差率绝对值S要大 3 并网型风力感应发电机本身不发无功功率 其励磁电流要 从电网获取 因此感应发电机的功率因数是一个重要的技术指标 只要技术上允许 应尽量提高发电机的自然功率因数值 发电机的 功率因数与其磁密的高低 定转子空气隙的大小 轴的挠度 电机 的振动 噪声有密切的关系 自然功率因数不可能无限止地提高 否则会引起发电机其他技术参数的恶化 严重时甚至会使发电机无 法运行 600kW 4P 690V 感应发电机的自然功率因数在0 90 0 92 之 间较为合适 5 感应式风力发电机的并网 风力发电机组的发电机应用与维护 并

7、网运行的异步发电机的电压一定是电网电压 其频率也一定是电网频率 输出功率变化也不会 使异步发电机产生振荡及失步 异步发电机的输出 功率与转差率几乎成线性关系感应发电机的并网不 像同步发电机那样繁杂 不需要设置同步 整步装 置 但是感应发电机并网瞬间与电动机相似 存在 很大的冲击电流 并网时感应发电机的电流瞬时值可以写成 二 感应电动机 1 选择风力发电机时 一般不宜用同容量的电动机 来替代以降低设备成本 因为电动机电压较低 如 380V的电动机 把它用作发电机而并到400V 的电网 上时 电压增加约5 磁路磁密增加就更多 会引 起励磁电流大幅增加 功率因数降低 另一方面按电 动机设计时 为了提

8、高电机的效率 总是最大可能地 减少电机转子铜耗 电机的转差率一般比较小 然而 当风力发电机运行时 考虑到提高发电机输出功率的 稳定性 希望发电机有较大的转差率 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点 二 感应电动机 2 发电机的铁心材料应选择损耗小 导磁性能强的冷 轧硅钢板 一般应用P15 50 350W kg的冷轧硅钢板 3 定子绕阻应为低谐波含量的对称均匀绕组 尽最大 可能地增加每极每相槽数 对于双速发电机 既可采用 双绕组双速 也可以采用单绕组双速电机 4 要注意避免小于五阶振型两个转速范围内的共振点 要计算定子铁心的固有频率和转轴的临界转速 一般 要把激振力的频率

9、远离相应振型的铁心固有频率20 以 上 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点 二 感应电动机 5 发电机转子可以采用铜条转子 也可以采用铸铝转子 优先推荐使用铜条转子 当采用铸铝转子时 由于实际 的杂散损耗比铜条转子的杂散损耗大许多 发电机的实 际效率较低 有时可低1 3 损耗较大 温升较高 当温升裕量较小时 要特别注意这一点 防止温升过高 而烧电机绕组 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点 二 感应电动机 6 发电机定转子槽配合选择时 要避免噪声大的槽配合 也要避免选用会产生轴电流的槽配合 槽配合的选择 无论对感应电动机还是对感应发电机均是十分

10、重要的 建议选用曾经使用过且表明无不良电磁噪声 振动和轴 电流的槽配合 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点 二 感应电动机 7 发电机轴承选择时 要考虑到电机运行发热后引起轴 膨胀的影响 要允许电机轴能向非转动端膨胀 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点 8 发电机结构要注意能保证任何状态下 内外气压平衡 必要时可在机座上钻个气压平衡孔 二 感应电动机 9 发电机转子需经动平衡校正 一般要校到 G6 3 以保 证发电机有较小的振动 空载运行时 发电机振速一般 应不超过 2 8mm s 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点

11、 10 发电机必须有安全接地螺栓 出线盒内也应有一个 供电缆接地的接地螺栓 二 感应电动机 11 发电机的磁路设计要合理 磁密不宜取得太高 定子 齿部 轭部磁密一般不要超过 1 65T 空气隙磁密不超过 0 85T 定子电密不超过 5 0安每平方毫米 风力发电机组的发电机应用与维护 6 笼型感应发电机的设计要点 二 感应电动机 风力发电机的主要技术指标有发电机的效率 功率因数 额定转速 最大转矩倍数 即过载 能力 和温升限值 另外 发电机的堵转电流倍 数和堵转转矩倍数也是重要的技术控制参数 分 析比较国内一些风电场引进机组中使用的发电机 的水平 我们国内发电机的制造技术水平与之相 当 差距极小

12、 国产风力发电机的相关性能良好 已有很多国产风机投入风电场 且安全可靠高 效运行了多年 风力发电机组的发电机应用与维护 6 国产风力发电机的典型技术指标 三 其他类型的风力发电机介绍 1 绕线转子感应发电机 风力发电机组的发电机应用与维护 绕线转子感应发电机与绕线转子感应电动机结构 几乎一样 转子绕组系统由三只集电环引出 具体 结构这里不详细介绍 其电磁过程与笼型感应发电 机相同 绕线转子感应发电机与电网相接有多种方 式 常见的有以下几个 三 其他类型的风力发电机介绍 1 定子接电网 转子直接短路 一般不采用这 种方式 此时用笼型感应电机更经济 风力发电机组的发电机应用与维护 2 定子通过两只

13、控制性能优良的电流型PWM逆 变器接人电网 转子直接通过集电环接网 转子直接通过集电环接入电网 定子通过电流型PWM逆变器后接人电网 三 其他类型的风力发电机介绍 风力发电机组的发电机应用与维护 3 定子直接接电网 转子通过集电环馈入可控 变频电流 定子直接接入电网 转子通过集电环馈入可控变频电流 调速用 三 其他类型的风力发电机介绍 2 同步风力发电机 风力发电机组的发电机应用与维护 把同步发电机应用到风力发电上 基本的有两 种机械联接方式 一种是仍通过变速齿轮箱 做成 高速同步发电机 另一种是取消变速齿轮箱 把风 轮轴与发电机直联 并把发电机做成低速同步发电 机 这种发电机直径很大 但轴向

14、长度很短 像个 大饼 无论采用哪种机械联接方式 若发电机定子 出线端直接接人工频电网 则系统需要单独一套稳 速装量 另一方面 同步发电机的并网也不像感应 发电机那样简单 需要一整套并网措施 当然也可 以采用同步发电机通过静止变流器向电网输送恒压 恒功率的电能 四 直驱式风力发电机组 对于通过齿轮箱增速的风力发电机 二极三相交流发电机转速约每分钟 3000转 四极三相交流发电机转速约每分 钟1500转 而风力机转速较低 小型风力 机转速约每分钟最多几百转 大中型风力 机转速约每分钟几十转甚至十几转 必须 通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转 速旋转 风力发电机组的发电机应用与维护 四 直驱式风力

15、发电机组 风力发电机组的发电机应用与维护 下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图 四 直驱式风力发电机组 使用齿轮箱会降低风力机效率 齿轮箱是易 损件 特别大功率高速齿轮箱磨损厉害 在风力 机塔顶环境下维护保养都较困难 不用齿轮箱用 风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的 这必须采用专用的低转速发电机 称之为直驱式 风力发电机 近些年直驱式风力发电机已从小型 风力发电机向大型风力发电机应用发展 国内具 有自主知识产权的2 5MW永磁直驱风力发电机已 研制成功 目前国外最大的风力发电机组已达 7MW 是直驱式发电机组 风力发电机组的发电机应用与维护 四 直驱式风力发电机组 风

16、力发电机组的发电机应用与维护 直驱式风力发电机组的主要特点 低转速发电机都是多极结构 直 驱式发电机是一种多极外转子结 构 要求结构轻巧 稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发 电机中得到广泛应用 使直驱式 发电机结构更简单 效率更高 主要有轴向与盘式结构两种 风力发电机组常用轴向结构 轴 向结构分为内转子 外转子 主要特点 多级结构 结构简单 效率高 结构分类 四 直驱式风力发电机组 绕组的槽数与磁极数不成整数关系 这是因 为当所有磁极与槽数整齐对应时 磁力线有最短 磁路 转子与定子间的强大吸引力会使发电机起 动非常困难 所以起动阻力矩也就成了永磁发电 机的重要参数 采用分数槽设计就可以较好的减 小起动阻力矩 另外分数槽设计还可以在同数目 磁极下减少线槽数 降低制造难度 如何选好永 磁发电机的极数与槽数是目前正在研究中的新技 术 方案也很多 风力发电机组的发电机应用与维护 直驱式风力发电机组还有一个重 要的特点 四 直驱式风力发电机组 风力发电机组的发电机应用与维护 1 外转子永磁直驱式风力发电机 发电绕组在内定子上 绕组与普通三相交流发电机类似 转子在定子外 侧 由多个永久磁铁与外磁軛构成