永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)退磁的在線監(jiān)測(cè)

金　瑞

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)退磁的在線監(jiān)測(cè)

金瑞

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁時(shí)很難避免的退磁故障預(yù)防問題。為了能夠?qū)崿F(xiàn)退磁現(xiàn)象的在線監(jiān)測(cè)，曾經(jīng)探索電流諧波檢測(cè)分析方法，但是，它無法排除轉(zhuǎn)子偏心等方面的誤判。通過仿真有限元分析計(jì)算和真機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，提出了采用零序電壓分量測(cè)試這種新型測(cè)量方法，能夠精確地診斷退磁故障，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，預(yù)防退磁事故。介紹了監(jiān)測(cè)方法和應(yīng)用實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電；退磁檢測(cè)

0引言

現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍然以雙饋式為主，但是它的轉(zhuǎn)子帶有價(jià)格昂貴、性能敏感的線圈絕緣及電刷、集電環(huán)等，其運(yùn)行可靠性和維護(hù)性能都相對(duì)較差。它的齒輪箱損壞率是比較高的，而且噪聲很大，影響環(huán)保、旅游觀光。此外，它的低電壓穿越能力比較低，可能影響電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。采用永磁式結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)就不存在此類問題(見圖1)。但必須要解決它的退磁威脅。一旦發(fā)生退磁故障，就會(huì)影響電機(jī)的性能和電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)和仿真研究結(jié)果證明，采用零序電壓分量來監(jiān)測(cè)退磁現(xiàn)象，便能夠獲得關(guān)于退磁的可靠信息。應(yīng)用這種方法能計(jì)算出退磁故障及其嚴(yán)重性指標(biāo)，從而可以實(shí)現(xiàn)早期診斷和預(yù)防更加嚴(yán)重退磁事故的發(fā)生。

1永磁電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)[1]如下：

1)勵(lì)磁電壓恒定；2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小(只有0.1～0.4 s)； 3)同步電抗比較小(只是常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的40%～50%)；4)瞬態(tài)電抗為0(因?yàn)闆]有勵(lì)磁繞組)；4)次瞬態(tài)電抗也小(只是15%～35%)；5)永磁體內(nèi)電勢(shì)為額定電壓的100%～130%；6)縱軸電抗與其橫軸電抗兩者相等；7)能夠?qū)嵤o功功率控制；8)感應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系；9)裝有阻尼繞組-可以承受反向電流，并防止短路工況下的局部去磁；10)魯棒(健壯)性能好、維護(hù)成本低、工作效率高；11)不用碳刷和集電環(huán)(見圖1)，幾乎沒有需要維護(hù)的零件；12)起動(dòng)力矩大；13)功率因數(shù)高；14)電機(jī)效率高；15)運(yùn)行壽命長(zhǎng)，在30年以上。

圖1　永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)接線示意圖

2退磁問題

永磁電機(jī)的最大缺點(diǎn)是退磁問題。在運(yùn)行一段時(shí)間后，永磁電機(jī)不可避免地遇到退磁問題。退磁是一個(gè)隨著時(shí)間變化的過程。在溫度低于居里溫度(釹鐵硼的溫度為310～400℃)時(shí)，由于反向磁場(chǎng)的作用就會(huì)引起退磁。反向磁場(chǎng)可能是外加的磁場(chǎng)或是永磁體本身的磁場(chǎng)，每一種永磁材料都有自己的退磁特性[2]，即剩余磁通密度和矯頑磁力之間的關(guān)系。矯頑磁力即永磁材料抵抗反向磁場(chǎng)作用的能力，它決定了永磁材料退磁的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，在遠(yuǎn)小于矯頑磁力磁場(chǎng)的情況下，永磁體不會(huì)發(fā)生永久退磁。如果發(fā)生永久退磁，永磁體勵(lì)磁能力就會(huì)永久下降，必須更換。

磁性材料的特性取決于溫度[3]。當(dāng)它的溫度超過最大允許值時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致永磁體材料的可逆或不可逆失磁。轉(zhuǎn)子永磁體的退磁會(huì)使電機(jī)性能惡化，減小輸出轉(zhuǎn)矩和功率，并引起定子電流中的諧波頻率。所以，通過檢查和分析定子電流諧波能夠監(jiān)測(cè)這類故障。

鑒于磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于溫度，所以發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓便受到溫度變化的影響。如果永磁體的工作環(huán)境溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度是在可控范圍內(nèi)，永磁體的退磁就可以避免。

3退磁檢測(cè)

近年來在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為關(guān)注的重點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的做法就是收集電機(jī)端電壓和電流的數(shù)據(jù)。但由于定子繞組結(jié)構(gòu)和退磁類型不同，還無法最終確認(rèn)就是退磁故障，因?yàn)橐部赡苁瞧渌蛞鸬?。由于電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造都很難確保定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[4]在機(jī)械和電氣方面的對(duì)稱性，比如不平衡的電阻和電抗，轉(zhuǎn)子偏心或不同心等。這些因素都會(huì)在電流中引起更加復(fù)雜的諧波成分。此外，如果是采用定子電流分析，對(duì)于低速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，只有發(fā)現(xiàn)6次和9次諧波，才能判斷已經(jīng)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。但是，在采用傅里葉變換進(jìn)行分析時(shí)，又會(huì)丟失時(shí)間信息，就不能適用于退磁故障的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，發(fā)生退磁故障不會(huì)在定子電流頻譜中產(chǎn)生附加的頻率。因?yàn)樗鼉H僅減小奇數(shù)次諧波(結(jié)構(gòu)性諧波)的幅值。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，永磁同步電機(jī)在正常工況和發(fā)生退磁故障這兩種情況下，都存在有分?jǐn)?shù)次諧波。而轉(zhuǎn)子的機(jī)械故障，比如，偏心或?qū)χ行牟粶?zhǔn)，也會(huì)出現(xiàn)這種諧波分量。在這種情況下，很難確認(rèn)就是退磁故障。

此外，逆變器對(duì)電流頻譜也有很大影響。如果采用零序電壓分量來監(jiān)測(cè)退磁現(xiàn)象，就能將這些影響降低到最小。所以只能采用電壓來取代電流實(shí)現(xiàn)對(duì)退磁故障的監(jiān)測(cè)診斷。如果通過對(duì)反電勢(shì)方法來觀測(cè)轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈和監(jiān)測(cè)退磁故障，還能夠適用于中速和高速的永磁同步電機(jī)。

4零序電壓分量

采用一種新的在線監(jiān)測(cè)零序電壓(而不是三相定子電流)分量的方法， 來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的初期退磁故障(見圖2)時(shí)，永磁式同步電機(jī)的定子三相電壓矩陣表達(dá)式如下：

[Vs]=[Rs][is]+[Ls](d/dt)[is]+(d/dt)[λ]+[V0]

(1)

圖2　永磁同步電機(jī)的波形

式中，[Vs]為定子三相電壓矩陣；[Rs]為定子電阻矩陣；[is]為定子三相電流矩陣；[Ls]為定子電感矩陣；[λ]為基波磁通。

[V0]=V0[111]t是由于定子繞組中性點(diǎn)與三相電壓源中性點(diǎn)之間的電壓差引起的。在忽略結(jié)構(gòu)性諧波情況下，這一部分等于零。如果電機(jī)的三相繞組采用星形接線，在中性點(diǎn)處的定子三相繞組電流之和等于零(Ia+Ib+Ic=0)。由此可見，在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的零序電壓分量V0的表達(dá)式如：

V0=(1/3)(Va+Vb+Vc)-(dλ0/dt)

(2)

式中，Va+Vb+Vc為定子三相繞組電壓之和；λ0為永磁體產(chǎn)生的定子零序磁通分量。

然而，在電機(jī)非正常運(yùn)行的退磁故障情況下，就要考慮到電感、電阻以及退磁因數(shù)的影響。在這種情況下，零序電壓分量V0的表達(dá)式應(yīng)當(dāng)按照下式計(jì)算：

V0=(1/3)(Va+Vb+Vc)-[1-(K/2p)](dλ0/dt)

(3)

式中，K為退磁因數(shù)標(biāo)幺值(退磁磁極中剩余磁密與未退磁磁極磁密的比值)；p為極對(duì)數(shù)。

為了驗(yàn)證方程式(3)的準(zhǔn)確性，曾經(jīng)對(duì)一臺(tái)極對(duì)數(shù)為3，共有6個(gè)磁極，每個(gè)磁極上安裝4個(gè)永磁體，每相繞組為144匝，每槽48匝，共有18槽的三相永磁同步電機(jī)，采用有限元仿真來分析和論證以下兩種不同的退磁故障：案例A有一個(gè)磁極發(fā)生了50%的局部退磁，案例B假設(shè)在6極電機(jī)中所有磁極都發(fā)生了33.33%的橫向退磁。為了達(dá)到退磁的模擬和仿真效果，可以調(diào)整或移動(dòng)部分永磁體。而實(shí)際上的退磁，很可能是發(fā)生在所有的磁極上。研究結(jié)果表明，方程式(3)中的1-(K/2p)分別等于0.877(案例A)或0.901(案例B)，而該因數(shù)的理論值為0.917。

5檢測(cè)原理

在沒有發(fā)生退磁的正常情況下，轉(zhuǎn)子上的永磁體會(huì)在定子繞組的每一個(gè)槽中感應(yīng)出規(guī)則的和周期性的反電勢(shì)，其幅值幾乎隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而呈現(xiàn)線性增加。但是，根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果和利用有限元仿真得到的結(jié)果，都證明了：1)如果發(fā)生了退磁故障，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)波形就沒有規(guī)律，并在波峰上出現(xiàn)缺口(見圖3)，而導(dǎo)致波形不對(duì)稱。正常情況下一個(gè)槽中感應(yīng)出的反電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波。如果發(fā)生50%的退磁，則導(dǎo)致該反電動(dòng)勢(shì)波形減少一半。退磁對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)的影響是很大的，這也證明了通過監(jiān)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)就能夠發(fā)現(xiàn)退磁現(xiàn)象。 2)在單個(gè)槽中所感應(yīng)磁通的諧波次數(shù)，都是電源基波的整數(shù)或者分?jǐn)?shù)次倍數(shù)。3)與在單個(gè)槽中所感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)不同，在定子三相繞組中的一個(gè)相繞組中感應(yīng)的合成反電動(dòng)勢(shì)中，包括退磁故障諧波頻率，已經(jīng)被相互抵消。除了基波以外，沒有其他的諧波。由此可見，要想監(jiān)測(cè)退磁現(xiàn)象和診斷退磁故障類型，很難根據(jù)電流頻譜數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槎ㄗ与娏黝l譜中沒有分?jǐn)?shù)次諧波(見表1)。

圖3　發(fā)生退磁時(shí)單個(gè)槽中感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)波形波峰出現(xiàn)缺口并使波形幅值減半

dB

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)字為故障電機(jī)與正常電機(jī)之間的電流幅值差

由于幾何形狀的影響，實(shí)際上永磁同步電機(jī)的磁通頻譜中，含有三次諧波以及三的倍數(shù)的次諧波分量。因此，氣隙磁通中就含有明顯的三次諧波分量。這個(gè)分量在旋轉(zhuǎn)中，便在定子繞組中感應(yīng)出來三次諧波電壓(見圖2)。

如果電機(jī)定子繞組采用星形接線，在電流中就沒有零序分量。所以，就不能通過電流來監(jiān)測(cè)退磁現(xiàn)象。在這種情況下，只能考慮電壓分量這個(gè)因素。如果發(fā)生局部退磁，表達(dá)零序電壓分量V0的方程式(3)中，退磁因數(shù)1-(K/2p)主要取決于退磁的類型。然而，必須注意到，所有的退磁類型都會(huì)使零序電壓分量減小。因此，這種減小的幅值，便可以用來作為診斷退磁程度的指標(biāo)。這就是監(jiān)測(cè)退磁的基本原理(見圖4)

6測(cè)試方法

6.1測(cè)試系統(tǒng)

采用上述退磁監(jiān)測(cè)原理的監(jiān)測(cè)定子繞組零序電壓分量的方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、靈敏度高等特點(diǎn)。由于采用這種方法需要通過定子繞組的中性點(diǎn)，所以，特別有利于處理容錯(cuò)系統(tǒng)問題。但是，在實(shí)施檢測(cè)以前，首先在永磁同步電機(jī)的系統(tǒng)接線圖(圖1)以外，附加一個(gè)人工中性點(diǎn)(C)，和三相電阻的平衡線路網(wǎng)(圖4)。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然V0=Voc+Vcm，相比于測(cè)量零序電壓分量V0時(shí)，還不如直接測(cè)量發(fā)電機(jī)定子繞組本身的零序電壓分量Voc，更加有利。因?yàn)檫@樣就可以排除了逆變器部分Vcm的干擾，達(dá)到測(cè)量結(jié)果更加精確的目的。

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程中，采用了交流/直流探針和額定電壓為50Vrms的電壓傳感器來測(cè)量定子電流和零序電壓分量。數(shù)據(jù)的獲取則采用具有16個(gè)通道和16位分辨率的多功能數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，這些測(cè)量工具是非常有效的。

圖4　永磁同步電機(jī)退磁故障的零序電壓監(jiān)測(cè)示意圖

6.2檢測(cè)實(shí)例

在一臺(tái)容量為1.2 MW、電壓為660 V、頻率為9.5 Hz的大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)上應(yīng)用這種零序電壓監(jiān)測(cè)方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，個(gè)別永磁體在經(jīng)過定子繞組A相的線槽時(shí)，所感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)波形的幅值端部出現(xiàn)缺口，這就證明了分?jǐn)?shù)次諧波的存在。拆機(jī)檢查結(jié)果證明，這個(gè)永磁體已經(jīng)退磁，便進(jìn)行了更換。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，直接監(jiān)測(cè)電壓V0c，要比監(jiān)測(cè)V0更有好處，因?yàn)殡妷篤0c僅僅受到電機(jī)本身諧波的影響。

7結(jié)語

永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上面鑲嵌的永磁體，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，很難防止退磁故障的發(fā)生。然而一旦發(fā)生，就會(huì)影響電機(jī)的性能和電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[5]。 所以，必須采取預(yù)防措施。通常采用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷途徑，主要是針對(duì)電流和電壓。 實(shí)驗(yàn)和仿真研究結(jié)果證明，采用定子電流頻譜分析方法，是很難區(qū)分正常情況和退磁故障的。 但是發(fā)現(xiàn)，通過零序電壓分量來監(jiān)測(cè)退磁現(xiàn)象，便能夠獲得關(guān)于退磁的可靠信息。 這種方法很容易計(jì)算出來退磁故障及其嚴(yán)重性指標(biāo)，從而可以實(shí)現(xiàn)早期診斷和預(yù)防更加嚴(yán)重退磁事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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