一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

屈 普, 趙美茹, 張龍國(guó)

(1. 中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044599； 2. 永濟(jì)中車電機(jī)電器修配有限公司，山西 永濟(jì) 044599)

一種雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

屈 普1, 趙美茹2, 張龍國(guó)2

(1. 中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044599； 2. 永濟(jì)中車電機(jī)電器修配有限公司，山西 永濟(jì) 044599)

風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生清潔能源，目前受到世界各國(guó)的高度重視。雙饋發(fā)電機(jī)是恒頻發(fā)電機(jī)的一種，發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子直接或間接與電網(wǎng)相連，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在國(guó)內(nèi)外各大風(fēng)電場(chǎng)普遍應(yīng)用，發(fā)電機(jī)的開機(jī)利用率與風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)，因此風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商對(duì)發(fā)電機(jī)的可靠性提出了很高的要求。描述了一種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見的故障類型及其產(chǎn)生原因，通過對(duì)故障原因進(jìn)行分析，分別從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)、端蓋絕緣結(jié)構(gòu)等方面提出了改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī); 轉(zhuǎn)子; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double Fed Induction Generator,DFIG)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心設(shè)備，直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的性能、效率和電能質(zhì)量。因此，適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)。

某風(fēng)場(chǎng)1.5 MW DFIG，批量發(fā)生斷相、過流、轉(zhuǎn)子接地、軸承振動(dòng)等故障。由于原發(fā)電機(jī)廠家已經(jīng)停產(chǎn)，風(fēng)場(chǎng)業(yè)主希望提出一套技術(shù)改進(jìn)方案，徹底解決該型風(fēng)力發(fā)電機(jī)問題，所以進(jìn)行了系統(tǒng)分析并提出改進(jìn)措施，效果良好。

1 1.5 MW DFIG常見故障

1. 1 轉(zhuǎn)子斷相

某風(fēng)場(chǎng)1.5 MW DFIG入廠檢查時(shí)用雙臂電橋測(cè)量轉(zhuǎn)子直流電阻有兩相無窮大，通過發(fā)電機(jī)拆解,故障狀態(tài)為轉(zhuǎn)子零環(huán)斷裂，如圖1所示。

圖1 零環(huán)斷裂

該發(fā)電機(jī)零環(huán)分布在非傳動(dòng)端，采用均布的3個(gè)9334玻璃布板制作的壓線塊用螺栓固定在支架上，零環(huán)和支架均用絕緣材料包扎。

原因分析：零環(huán)采用3點(diǎn)固定，固定面積小，且沒有與支架綁扎為一體，零環(huán)在轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受較大的離心力最終導(dǎo)致零環(huán)斷裂。

1. 2 轉(zhuǎn)子引出線過流燒斷

該電機(jī)轉(zhuǎn)子引出線由非傳動(dòng)端空心軸孔穿入，在轉(zhuǎn)子線圈端部下方的轉(zhuǎn)軸上均布有3個(gè)斜孔，轉(zhuǎn)子引出線從斜孔部位穿出與轉(zhuǎn)子引線頭連接，用3個(gè)9334玻璃布板制作的壓線塊將引出線固定在下方的支撐環(huán)上。

原因分析：發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子引出線通過的電流達(dá)350 A，引出線上包扎的絕緣材料在高速高頻的振動(dòng)下不斷與壓線塊摩擦，最終將引出線電纜絕緣磨破，形成引出線與連接螺栓間爬電而將壓線塊燒損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地、過流。

1. 3 電機(jī)振動(dòng)值大

前期有2臺(tái)該型電機(jī)僅進(jìn)行故障修理，未對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在電機(jī)空載時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)值超[1]。解體后分別對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、配件配合尺寸、轉(zhuǎn)軸軸承位尺寸、端蓋與機(jī)座配合尺寸、更換新軸承等方面查找原因，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。后對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原型機(jī)存在設(shè)計(jì)缺陷。

1. 4 發(fā)電機(jī)故障統(tǒng)計(jì)分析

從風(fēng)電場(chǎng)電機(jī)的故障狀態(tài)統(tǒng)計(jì)可以看出(見表1)，軸承振動(dòng)占該風(fēng)場(chǎng)發(fā)電機(jī)的故障32.3%，轉(zhuǎn)子接地占44.1%，轉(zhuǎn)子卡死占5.88%，轉(zhuǎn)子開路占5.88%，以上4種故障類型占發(fā)電機(jī)總故障數(shù)量的88.2%，轉(zhuǎn)子卡死產(chǎn)生的原因多為軸承抱死或零環(huán)甩斷造成定轉(zhuǎn)子掃膛，轉(zhuǎn)子開路產(chǎn)生的原因多為引出線燒斷或零環(huán)斷裂。因此，要降低發(fā)電機(jī)的故障率，必須從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸承結(jié)構(gòu)入手。

表1 故障統(tǒng)計(jì)分析

2 改進(jìn)方法

此電機(jī)應(yīng)客戶要求做結(jié)構(gòu)改進(jìn)。電機(jī)定子部分保持原結(jié)構(gòu)，針對(duì)上述問題，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)做整體可靠性改進(jìn)，主要針對(duì)轉(zhuǎn)子裝配、轉(zhuǎn)子引出線結(jié)構(gòu)、零環(huán)結(jié)構(gòu)、軸承、潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)做改進(jìn)。

2. 1 設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)軸

通過對(duì)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)及靜力、動(dòng)力分析，設(shè)計(jì)制作新轉(zhuǎn)軸，將轉(zhuǎn)軸的軸承位直徑由傳動(dòng)端φ140 mm、非傳動(dòng)端130 mm改為兩端φ150 mm，如圖2所示。

圖2 新轉(zhuǎn)軸

根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為2 507 r/min，振型主要表現(xiàn)為軸向左右擺振；二階臨界轉(zhuǎn)速為5 382 r/min，振型主要表現(xiàn)為鐵心位的上下擺振。三階臨界轉(zhuǎn)速為8 130 r/min，振型主要表現(xiàn)為滑環(huán)端軸伸位的擺振。電機(jī)工作轉(zhuǎn)速1 000～2 000 r/min，最高超速轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，因此新設(shè)計(jì)符合要求。

2. 2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過新制轉(zhuǎn)子與原定子的電磁參數(shù)匹配計(jì)算，對(duì)轉(zhuǎn)子線圈改進(jìn)，目的是降低電磁振動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)子引出線、零環(huán)固定方式進(jìn)行改進(jìn)，主要解決零環(huán)斷裂和引出線燒損問題[2]。轉(zhuǎn)子線圈用銅母線成型后嵌入轉(zhuǎn)子槽中，采用H級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，嵌線完成后用中頻感應(yīng)焊接、包絕緣，端部用高強(qiáng)度無緯帶綁扎并固化，轉(zhuǎn)子真空壓浸和普浸各一次并旋轉(zhuǎn)烘焙。轉(zhuǎn)子過橋線與下層線圈綁扎牢固，浸漆后成一體。將原轉(zhuǎn)子零環(huán)在傳動(dòng)端改為非傳動(dòng)端，在轉(zhuǎn)軸上加工一凹槽，并用無緯帶綁扎，將零環(huán)套在轉(zhuǎn)軸上，零環(huán)與轉(zhuǎn)軸的間隙處塞適形氈，浸漆后成一體。優(yōu)化轉(zhuǎn)子引線頭結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子引出線與引線頭采用銅母線焊接，絕緣包扎后用絕緣塊壓緊，斜孔孔口涂密封膠，軸孔內(nèi)灌膠，提高其可靠性。改進(jìn)后如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2. 3 軸承結(jié)構(gòu)與端蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了降低軸承振動(dòng)故障和軸電流對(duì)軸承的損傷，減少更換軸承的成本，用戶提出對(duì)軸承和端蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)組合。

修理的1.5 MW DFIG傳動(dòng)端軸承6328M/C3，非傳動(dòng)端軸承6326M/C3，兩端均為內(nèi)圈絕緣軸承，在傳動(dòng)端采用彈簧鋼板制作的波形彈簧墊圈對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊。絕緣軸承一般采用內(nèi)圈氧化鋁涂層，由于受到軸承密封結(jié)構(gòu)及安裝條件的限制，絕緣端蓋較絕緣軸承在爬、放電距離及濕熱影響都有明顯優(yōu)勢(shì)，故絕緣的可靠性及穩(wěn)定性較好。前/后端蓋裝配完成后進(jìn)行耐壓檢測(cè)，接口刷密封膠，防止吸潮。通過對(duì)軸承失效模式進(jìn)行分析，選用6330M/C4軸承和絕緣端蓋配套的軸承絕緣結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 軸承結(jié)構(gòu)與端蓋結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2. 4 轉(zhuǎn)子支架改進(jìn)

原轉(zhuǎn)子支架有6個(gè)通風(fēng)孔，而轉(zhuǎn)軸有4個(gè)筋板，這樣筋板會(huì)擋住冷卻風(fēng)路，影響電機(jī)冷卻效果；新制支架將通風(fēng)孔更改為4個(gè)，對(duì)新結(jié)構(gòu)做受力分析，如圖5所示。從云圖上可以看出最大應(yīng)力為37.7 MPa，支架材料為Q235-A，材料的屈服強(qiáng)度為235 MPa，結(jié)論可靠。

圖5 新結(jié)構(gòu)受力分析

2. 5 軸承潤(rùn)滑油路結(jié)構(gòu)改進(jìn)

原電機(jī)兩端的軸承內(nèi)蓋前均有內(nèi)油封，非傳動(dòng)端軸承內(nèi)蓋與軸承的距離僅10 mm，拆卸軸承時(shí)只能用工裝拉軸承內(nèi)蓋，而且軸承內(nèi)蓋直接與軸承外圈接觸，拉軸承時(shí)滾珠受力，易損傷軸承滾道。更換設(shè)計(jì)封環(huán)及外軸承蓋結(jié)構(gòu)，增加合理的擋油和甩油結(jié)構(gòu)，確保油路(潤(rùn)滑系統(tǒng))暢通，軸承潤(rùn)滑良好。將軸承的安裝預(yù)緊力設(shè)計(jì)在非傳動(dòng)端。采用的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)和目前ABB及西門子電機(jī)上的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)一致，甩油環(huán)的設(shè)計(jì)采用SKF軸承廠家推薦的經(jīng)典結(jié)構(gòu)。將曲路密封改為向內(nèi)圓延伸，防止油脂滲出；將出油孔改為直孔，同時(shí)加大油孔，使油脂排出更為順暢。

3 結(jié) 語

電機(jī)組裝完成后進(jìn)行型式試驗(yàn)，各項(xiàng)電氣參數(shù)與原機(jī)型一致，電機(jī)的振動(dòng)值比原電機(jī)明顯下降，均在限值1.8 mm/s以內(nèi)，發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)溫升比原機(jī)型下降10 K。目前，經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)的DFIG在風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)運(yùn)行未發(fā)生異常情況，風(fēng)場(chǎng)業(yè)主很滿意。

[1] 王正茂,閻治安,崔新藝,等.電機(jī)學(xué)[M].西安: 西安交通大學(xué)出版社，2000.

[2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

An Improved and Optimized Design of Doubly Fed Induction Generator

QUPu1,ZHAOMeiru2,ZHANGLongguo2

(1. CRRC Yongji Electric Co., Ltd., Yongji 044599, China; 2. CRRC Yonge Electric Machina Overhaul Co., Ltd., Yongji 044599, China)

Wind power is highly valued by the world as a renewable clean energy. Doubly-fed generators are one of constant-frequency generators whose stator and rotor are connected directly or indirectly to the grid. Doubly-fed induction generators are widely used in wind farms at home and abroad,and their power efficiency is directly related to the economic benefits of wind farms. Therefore, wind power operations have put forward high demands on the reliability of generator. A common fault type and its cause of the generator was described. Through the analysis of the fault, the improved optimization design scheme was put forward form the aspects of rotor structure, bearing structure and cover insulation structure.

doubly fed induction generator; rotor; optimized design

屈 普(1970—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)修理技術(shù)。 趙美菇(1973—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)修理技術(shù)。 張龍國(guó)(1979—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)修理技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)04- 0039- 04

2016 -09 -11