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风力发电机常见类型及其工作原理概述
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1、概述


风力发电机组包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程。传统的风力发电机组中便是以主轴、齿轮箱、弹性联轴节和制动器为传动设备,由增速齿轮箱将风轮输入的较低转速增大到发电机需求的转速,以满意发电机作业特性的需求。


风能具有波动性,而电网要求安稳的并网电压和频率,风力发电机组经过机械和电气操控能够有用解决这一问题。


直驱型机组选用永磁同步发电机或电励磁同步发电机,简化了传动体系,因其转速低,所以极数较多、体积庞大,增大了运输和吊装难度,


2、发电机常见类型


①并网型风力发电机组常用的发电机有异步发电机、双馈异步发电机、永磁或电励磁同步发电机等。


②异步发电机按转子结构分有鼠笼式异步发电机和绕线式异步发电机。


③同步发电机依照励磁办法的不同,有永磁同步发电机和电励磁同步发电机两种,首要用于直驱型和半直驱型风力发电机组。


3、同步发电机的根本结构和过载原理


①感应电势的频率取决于同步电机的转速和极对数,即f=pn1/60,n1:同步转速,p:极对数。额外输出功率:PN=(√3)UNINcosφN。cosφN:额外功率要素。


②同步电机的首要工作办法有三种:发电机、电动机、补偿机。


③从结构特点来看,同步电机分为发电机、电动机。


④同步电机的根本结构由两部分组成:一是停止部分,即电枢称为定子;二是旋转部分,即磁极称为转子。转子磁极由厚为1~5mm的钢板冲片叠成。


⑤励磁机。现在选用的励磁办法分为两大类:一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁体系;另一类是用硅整流设备将沟通转化成直流后供应励磁的整流器励磁体系。首要三种为:直流励磁机励磁、停止整流器励磁、旋转整流器励磁。


4、异步发电机


异步发电机由定子、转子、端盖、轴承等部件组成。定子由定子铁芯、定子三相绕组和机座组成。转子由转子铁芯、转子绕组及转轴组成。绕线式转子的绕组选用波形绕组。双馈异步发电机根本结构与一般绕线式异步电动机相同,一般选用耐电晕绝缘材料和绝缘轴承或绝缘端盖结构。


转差率:s=(n1-n)/n1,式中n1-同步转速,r/min;n-转子转速,r/min。依照转差率的正负、巨细;异步电机可分为电动机0<s<1、发电机s1。正常工作的异步发电机转速在很小的转差规模内改变,一般为2%~5%。异步发电机的输出功率与转速有关,一般在高于同步转速3%~5%时的转速时到达较大值,超越这个转差,感应发电机将进入不安稳工作区,规划制作的异步发电机额外转差值越大表明其抗风扰动的才能越强。


电机作业时内部会发生损耗,包含铁耗、铜耗、机械耗、杂散损耗。


铁耗首要是定子铁芯损耗。


铜耗是电流流经定转子绕组时,因为绕组具有必定电阻所引起的损耗。


机械损耗:电机转子滚动时,存在轴承冲突及风阻等阻力转矩,此阻力转矩消耗的功率称为机械损耗。


杂散损耗:定子及转子绕组中流过电流时,除发生基波磁通外,还发生高次谐波磁通及其他漏磁通,这些磁通穿过导线、定子及转子铁芯、机座、端盖等金属部件时,在其间感应电势和电流并引起损耗,这部分称为杂散损耗。杂散损耗与气隙的巨细、槽配合数、槽口形式及制作工艺等要素有关。


5、双馈异步发电机作业原理


一般讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子发电机,因为其定转子都能向电网馈电,故简称双馈电机。双馈电机的转子绕组具有可调理频率的三相电源激励,一般选用交-交变频器或交-直-交变频器供应低频电流。


与同步电机比较,双馈电机励磁可调量有三个:一是与同步电机相同,能够调理励磁电流的幅值;二是能够改动励磁电流的频率;三是能够改动励磁电流的相位。经过改动励磁频率,可调理转速;经过调理转子励磁电流的幅值和相位,可到达调理有功功率和无功功率的目的。而同步电机的可调量只有一个,即励磁电流的幅值,所以调理同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。


双馈电机的操控体系可分为三个单元:速调整单元、有功功率调整单元、电压调整单元(无功功率调整)


双馈电机与同步机交-直-交体系比较,还有变频设备容量小(一般为发电机额外容量的10%-20%)、重量轻的长处,更适合于风力发电机组使一起也下降了造价。


与鼠笼型异步发电机比较,经过双馈变频器的四象限工作,可使双馈风力发电机工作转速规模大大提高,转速规模增大±30%左右,电机转子旋转速度在低于同步转速时,变频器向电机转子输出有功功率;转子旋转速度高于同步转速,转子经过向变频器向电网输出有功功率。


6、同步电机与异步电机的区别


同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的沟通发电机以同步电机为主。同步发电机具有主动电压调整功用(AVR),主动调理励磁电流,保持发电机输出电压安稳;具有极强短时热过载才能;其强励才能较强。


双馈异步发电机转速工作规模大,只要双馈变频器容量不受经济限制,双馈异步发电机转速工作规模能够是0~2倍同步转速。双馈变频器选用矢量操控,有功、无功重量彻底解耦,能够使双馈异步发电机灵敏输出超前、滞后无功功率,能够改进电网功率因数,安稳电网电压。


异步发电机外网电压毛病瞬间,与同步发电机相同有极强过载才能,但因为没有励磁绕组,短路电流很快衰减,必须依靠无功补偿设备,或选用主动时速。削减滞后无功功率,但一起有功功率会减小,其强励才能较差。


7、直驱型同步发电机


①电励磁同步发电机的特点是转子由直流励磁绕组构成,选用凸极或隐极结构,经过励磁操控器调理发电机的励磁电流,从而完成变速工作时频率安稳,并可满意电网低电压穿越的要求。


②永磁同步发电机选用永磁体励磁的优点:消除了励磁损耗,提高了功率,完成了发电机无刷化;而且工作时,不需求从电网吸收无功功率来树立磁场,能够改进电网的功率因数;选用风力机对发电机之间驱动的办法,取消了齿轮箱,提高了风力发电机组的功率和可靠性,下降了设备的保护量。对风力发电机作业点的操控是经过操控逆变器送到电网的电流完成对直流环节电压的操控,从而操控风轮的转速。


③永磁直驱同步发电机体系存在的缺点是:对永磁材料的功用安稳性要求高,对永磁体失磁现象和下降电机重量等问题还短少有用的应对办法。另外,还存在谐波电流对电网的污染问题。IGBT逆变器的容量较大,一般要选发电机额外功率的120%以上。


可是用IGBT逆变器也带来一些优点:a、运用脉宽调制(PWM)取得正弦形转子电流,电机内不会发生低次谐波转矩,改进了谐波功用;b、有功功率和无功功率的操控更为便利;c、大功率IGBT容易驱动;d、IGBT有很好的的电流共享性,这关于要到达风力发电机所需求的功率水平,进行并联运用十分必要的;e、开关时刻短,导通时刻不到1ms,关断时刻小于6ms,使得管子功耗小。


⑤转子此路结构,一般依照永磁体磁化方向和转子旋转方向的相互关系,分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种。


⑥永磁发电机的磁场不可调,需求全功率整流,本钱较高。


⑦永磁电机的磁钢一般选用钕铁硼这类高导磁材料,具有较高的磁场。磁滞回线宽、剩磁和矫顽力等参数都很大的铁磁材料称为硬磁材料,又称为永磁材料,其磁功用指标一般指剩磁、矫顽力和较大磁能积。


⑧常用的永磁材料有铸造型铝镍钴、粉末型铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼等。


⑨第三代稀土永磁钕铁硼是今世磁铁中功用较强的永磁铁。它的BHMAX值是铁氧体磁铁的5~12倍,是铝镍钴磁铁的3~10倍;它的矫顽力相当于铁氧体磁铁的5~10倍,铝镍钴磁铁的5~15倍。,其潜在的磁功用极高,能吸起相当于自身重量640倍的重物。钕铁硼磁铁的缺乏之处是其温度功用欠安,在高温下运用磁损失较大,较高作业温度较低。一般为80℃左右,在经过特殊处理的磁铁,其较高作业温度可达200℃。


永磁同步发电机的特点可归纳如下:选用永磁体励磁;多级、低速、容量大;无需直流电励磁;无需无功励磁;无需集电环、电刷等设备;需求配置全功率变频器。


8、在定桨距风力发电机组上运用的鼠笼式异步发电机


并网特点:①鼠笼式异步发电机由定子励磁树立磁场时,需求消耗无功功率,一般大型风力发电机组在操控柜内加装并联电容,削减从电网吸收的无功功率,改进风力发电机出口的功率要素。②并网瞬间存在很大的冲击电流,应在挨近同步转速时并网,一般都加装专用的软起动限流设备。


9、在变桨距变频风电机组中运用的双馈异步发电机


1)双馈异步发电机定子的结构与一般的鼠笼式发电机定子相同,转子部分则各不相同。双馈异步发电机转子绕组选用波形绕组,转子线圈一般选用星形衔接。


2)滑环设备与转子同轴设置,变频器经过电刷和滑环设备给转子供给沟通电流为双馈异步发电机供给励磁。


3)转子非传动端装置丈量转子角速度的传感器,用于丈量转子角速度,以反馈给操控体系进行转速的调理。


4)为确保发电机的正常工作,一般还在电机上选用下列监控办法:①定子线圈的温度监控;②轴承的温度监控;③内部热空气的温度监控;④电刷磨损监控。


5)国内现在市场占有率较高的1.5MW变速恒频风力发电机组选用的电机是1.5MW双馈异步电机。定子机壳的结构形式依据冷却办法确定,或选用箱式焊接结构;或选用水夹层结构。


6)转子非传动端装有速度传感器,速度传感器小轴的径向跳动应不超越0.05mm。


7)双馈异步发电机的冷却办法一般采纳空-空冷却或机壳水冷两种办法。


8)无刷双馈异步电机,取消了电刷和滑环体系,该类型电机定子侧具有两套极对数不同的绕组,别离是功率绕组和操控绕组。操控绕组接双向能量活动变频器,既作沟通励磁绕组,也可经过双向能量活动变频器向电网输出功率。功率绕组用于向电网输出功率。转子选用自行闭合的环路结构,两套定子绕组在电路和磁路方面是解耦的,取消了滑环、电刷,弥补了双馈异步发电机的缺乏。


9)双馈异步发电机变频器选用矢量操控技术,在发电机侧变频器选用定子磁场定向矢量操控,电网侧变频器选用电网电压定向矢量操控,一起经过电磁转矩操控环和电流操控环,完成有功、无功重量彻底解耦操控。


10)依据风速的巨细及发电机的转速,及时调整转子绕组三相电流的频率、幅值、相位、相)序,调理风电机组的转速、有功功率和无功功率输出。定子侧可感应出安稳频率的三相沟通电,还能够灵敏操控双馈异步发电机输出超前或滞后的无功功率,调理发电机功率因数。


11)双馈异步发电机经过变频器的操控调理能够完成大滑差工作,转子机械转速与定子同步转速的转差一般可到达±33%,远高于一般的鼠笼发电机,双馈异步发电机能够有用的提高风资源的利用率。


12)依据双馈异步发电机转子转速的改变,双馈异步发电机可有一下三种工作状况:


①亚同步工作状况(也称为次同步或欠同步)。此状况下n<n1,0<s0,转子吸收电源功率。


②超同步状况。n>n1,s<0,改动通入转子绕组的沟通频率f2的相序,则其所发生的旋转磁场n2与转子的转向相反,因为由n-n2=n1。转子励磁功率spem<0,转子吸处于发电状况向电源送电,定子发电。


③同步工作状况。N=n1,转差s=0,spem=0,此时经过转子绕组的电流频率为0,也便是直流电流,因而与同步发电机相同。


13)双馈异步发电机并网特点:


①双馈异步发电机可完成连续变速工作,风能转换功率高;


②变频器只参加部分功率转换,变流器本钱相对较低;


③并网简略,无冲击电流,电能质量好;


④输出功率平滑,功率因数高,一般为0.95(滞后)~0.95(超前);


⑤可有用下降变桨距操控的动态响应要求,改进作用在风轮桨叶上机械应力状况,一般在桨叶只需求在高风速时才参加功率操控;


⑥双向变流器结构和操控较杂乱;


⑦电刷与滑环间存在机械磨损,需求经常保护。


90、风力发电机组体系对发电机的总体要求:


风力发电机组要求电机输出50Hz,690V三相沟通电(网侧电压:3AC690V+10%,电网频率50Hz-2.5Hz/+1.5Hz),首要功用指标如下:


①电气功用(如电机类型、额外功率、额外电压、极数、相数、额外转速、发电机转速规模、额外功率、功率因数、定子接线办法)。


②绝缘及防护功用(如绝缘等级、温升、发电机防护等级、环境作业温度等,双馈电机还包含滑环外壳防护等级)。


③机械功用(如电机装置办法、发电机倾斜角、旋转方向、总声压级、滚动惯量、平衡精度、冷却办法、光滑办法、光滑脂商标、光滑间隔时刻等)。


上述三类功用指标一般写在发电机铭牌上。


④监控信号及保护:a、温度监测。绕组保护PTC(有的双馈电机设置);b、速度监测。丈量转子角速度的编码器,一般固定在电机转子非传动端力矩支架上,将测得的电机转速信号传输给变频器。编码器小轴的径向跳动要求不超越0.05mm。变频器具有对发电机定子和转子短路值和浪涌保护的功用。一般变频器供给的电压改变率dV/dt<1.5kV/us、来自变换器(转子绕组侧)的较大电压为1800V。


11、工作环境对发电机供给的外部条件及电机应采纳的办法。


①环境温度。风力发电机组有或许经受运用期间-40℃~50℃的环境温度,温度越低,油的黏度越大,活动性差,需求光滑的部位或许得不到充分的光滑油供应,影响油膜形成。


②湿度。湿度大的环境使电机绝缘材料的机械强度和耐电强度大大下降,加速绝缘材料的老化。


③盐雾。盐雾对金属物的腐蚀破坏首要与浓度、温度、含氧量、腐蚀电位有关。盐雾与设备电器元件的金属物物件发生化学反应后使原有的载流面积减小,生成氧化合物使电气触点触摸不良,它们将导致电气设备毛病或毁坏。


④海拔。风电机组工作海拔高度一般低于1000m,关于装置在海拔1000m以上的电机,海拔每增加100m,功率下降1%运用,或者温升限值降1%。


⑤飓风。飓风往后应对电机对中、地脚和轴承做相应查看。


12、发电机的装置与保护。


1)发电机的适用环境条件为:①海拔高度应不超越1000m;②环境空气温度:-30℃~+50℃;③环境空气相对湿度为95%±3%。


2)装置时用1000V兆欧表丈量发电机定子绕组对机壳的冷态绝缘电阻不该低于50MΩ。


3)保护与保养:日常巡检时应留意查看发电机:电机地脚及与联轴器之间衔接螺栓是否紧固;电机接线盒内接线柱与电缆衔接螺栓是否紧固;绝缘电阻是否满意要求;滚动部件周围应有保护设备;通风罩上不能放置任何物体,避免因触摸形成事故;轴承保护和光滑;滑环和电刷保护;清洁电机和过滤器等。对电机进行保护作业之前确保电机主回路及辅佐体系供电尤其是加热器、辅佐风机电源等已处于断电状况。首要包含以下内容:


①机械衔接;


②电气衔接;


③绝缘电阻:每半年至一年查看一次定子绕组绝缘电阻,如不符合标准规定,可按如下办法处理》办法一:用循环热空气吹。办法二:别离将定子绕组通以25%额外电流的单相或直流电源加热,或用加热带进行加热。用以上办法对定子绕组加热时,应使各定子绕组各部位不要超越90℃,干燥过程应连续,直到绝缘电阻保持安稳至少4h。


④轴承的保护、保养及替换:a、电机已由制作厂加注了正确商标和正确数量的光滑脂,因而建议累计工作2000~3000h后加注一次光滑脂;b、轴承常见的毛病是:过热、噪声过大或从轴承室可感到轴承工作不平稳,拆下轴承盖后如在光滑脂中稠浊有从轴承上掉下的金属颗粒,必须替换轴承。c、当必须替换光滑脂时,轴承室内应加满约2/3的光滑脂。d、在替换新碳刷时要进行碳刷与滑环触摸面的研磨,基础面积到达80%以上。e、存放:发电机应该存放在环境空气温度-10~40℃,相对湿度不该超越85%、清洁、通风杰出的库房内,空气中不得含有腐蚀性气体,包装箱与地面、墙壁应该保持必定的间隔。


13、发电机常见毛病处理


1)绝缘电阻


①毛病现象:发电机噪声太大。毛病原因:装置不好、轴承损坏、定子线圈绝缘损坏或硅钢片松动、旋转部分松动。处理办法:从头装置、替换轴承、替换定子或从头绝缘、查看,对症处理。


②毛病现象:电机过热。毛病原因:轴承毛病、通风毛病、电机过载、体系振荡过大、定子绕组部分短路、冷却空气流量太小。处理办法:查看轴承,对症处理、扫除通风毛病、减小负载、对症处理、扫除短路点、加大流量。


14、轴承与光滑。


笼型电机两头均选用非绝缘深沟球轴承,双馈电机两头均选用绝缘深沟球轴承。常见的用于直驱或半直驱的永磁同步发电机有内转子和外转子两种办法。


①前后两头端盖均装置有锥型光滑油嘴或主动注油器,用于加注油脂。


②一般风力发电机轴承规划寿数20年,毛病条件概率10%,均匀保护间隔时刻6个月,一般状况下轴承滚动灵敏无异音,温升不超越55℃。常见轴承毛病包含轴承温升过高、轴承异音、轴承烧死等。


③如果发现轴承温升突然快速上升,但还未超越允许值55℃,体系没有报警时,应及时找出原因予以处理。一般原因有:加油过多或过少,油质不纯,变质,轴承径向游隙太小,轴承窜油,轴承质量不良,油封冲突以及内部不干净等。此类问题一般应及早按用户手册要求处置,避免使问题扩大化。温升超越55℃,体系报警,应立刻停机,全面查看。


④轴承质量毛病常见有的是轴承轨滚道外表被剥离,变得十分粗糙;轨迹外表变色;刮痕;生锈和腐蚀;轴承内、外圈以及滚动体部分破损和决裂,初期会形成轴承过热。长时刻过热工作,将导致轴承烧死,保持架决裂,


⑤查看电机地脚固定点是否与地基存在间隙运用塞尺。


⑥绝缘轴承的电气绝缘一般要求耐受3kV工频电压1min。


⑦电机光滑办法包含:手动注油和主动注油两种办法。


⑧、滑环室装置在电机外部的非传动端,防护等级IP23。滑环由三个绝缘滑环和一个没有绝缘的轴接地滑环组成。滑环室过滤器一般应每年替换一次。滑环的一般保护周期为6个月。清洁之后查看滑环绝缘(>500MΩ)。目测滑环面,如果外表粗糙、有毛刺、锈蚀,或检测滑环的径向跳动超差(大于0.05mm),要求从头磨滑环。电刷保护,电刷要定期查看,一般替换周期为6个月,替换所有损坏和磨损到线(剩余新电刷高度的1/3)而不能正常工作的电刷,用同一型号规格的新电刷替代。新电刷需求在电机外预磨,电刷触摸面积须到达80%以上。刷握保护一般每年进行一次。


⑨电机振荡大的原因:螺栓和地脚装置螺栓是否松动、对中检测、电机转轴跳动、电机转子动平衡状况。


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