張勝男

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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淺析MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電壓成因

張勝男

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

軸承電壓是指在軸承的徑向間隙中出現(xiàn)的電容耦合電壓，對(duì)于普通電機(jī)來(lái)說(shuō)軸承電壓最初是由定子繞組的平均電位與接地的定子鐵心之間的交流電壓引起的，當(dāng)電機(jī)以正弦電壓供電時(shí)，實(shí)際上軸承電壓是等于零的，而對(duì)于MW級(jí)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，卻有很大不同，不但成因與上述存在差異，而且其幅值大小及破壞力較上述亦高。同時(shí)側(cè)重分析了MW級(jí)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)軸承電壓的成因，指出了其與普通變頻電機(jī)在此方面的區(qū)別。并在理論上提出了相應(yīng)的解決方案，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；軸電壓；軸電流；寄生電容；容抗

0　引言

軸承電壓是指在軸承的徑向間隙中出現(xiàn)的電容耦合電壓。軸承電壓最初是由定子繞組的平均電位與接地的定子鐵心之間的交流電壓引起的，當(dāng)電機(jī)以正弦電壓供電時(shí)，實(shí)際上軸承電壓是等于零的，而采用變頻器供電時(shí)它則是固有的[2]。一般來(lái)說(shuō)，電壓大小取決于定子繞組與轉(zhuǎn)子的電容，轉(zhuǎn)子與機(jī)座的電容和軸承本身的電容，本文從原理上分析了采用PWM提供勵(lì)磁的MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸電壓、軸電流成因及相較于普通變頻電機(jī)軸電壓、軸電流的區(qū)別，同時(shí)提出了相應(yīng)的解決措施并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　普通變頻電機(jī)軸承電壓、軸承電流成因

經(jīng)研究，產(chǎn)生電機(jī)軸電流的“經(jīng)典原因”包括：(1)靜電聚集；(2)磁路不對(duì)稱(chēng)。在異步電機(jī)中，設(shè)備內(nèi)部的摩擦或設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)周?chē)休^多的高壓設(shè)備，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生靜電效應(yīng)，在轉(zhuǎn)軸的兩端產(chǎn)生軸電壓，如果沒(méi)有設(shè)置絕緣單元就會(huì)產(chǎn)生流過(guò)軸承的電流。該電流通過(guò)軸，經(jīng)過(guò)其中的一個(gè)軸承，通過(guò)機(jī)座流過(guò)另一個(gè)軸承返回軸上。在不同的局部阻抗條件下，這個(gè)路徑還可能延伸到被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)上。

目前，隨著變頻器的大量使用，電動(dòng)機(jī)端子處的高頻共模電壓產(chǎn)生的共模電流所帶來(lái)的問(wèn)題也日益嚴(yán)重。現(xiàn)代變頻器控制系統(tǒng)中，每一相信號(hào)都包含有高切換頻率的電壓脈沖，相似的電壓傳送特點(diǎn)在共模電壓和電機(jī)星點(diǎn)(中性點(diǎn) )之間發(fā)生。如果上述電路中包含有電容，在相電壓V1傳送的每一時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生電流脈沖I=CdV1/dt。這些電流具有高頻特性，被稱(chēng)作“dV/dt電流”，該電流會(huì)在軸、兩端軸承和機(jī)座的環(huán)路中流過(guò)。圖1 所示即為普通變頻電機(jī)系統(tǒng)變頻器感生電流的電路。

圖1中，CSF—定子繞組和機(jī)座之間的電容；CSR—定子繞組和轉(zhuǎn)子(軸)之間的電容；CRF—轉(zhuǎn)子軸和機(jī)座之間的電容，ZB1，ZB2—軸承總阻抗。

1　MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電壓、軸承電流成因

MW級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)同普通變頻電機(jī)最大的區(qū)別就是發(fā)電機(jī)有三相轉(zhuǎn)子繞組，而不是籠型導(dǎo)條。發(fā)電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)三個(gè)滑環(huán)與變頻器進(jìn)行電氣連接，每一個(gè)滑環(huán)對(duì)應(yīng)一相繞組；而定子三相繞組通過(guò)接線(xiàn)端子直接與主電網(wǎng)相連(鼠籠式變頻電機(jī)則是由變頻器為其三相定子供電，定子繞組并不與電網(wǎng)相連)。典型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

三相轉(zhuǎn)子繞組由變頻器供電，同時(shí)根據(jù)空間矢量控制原理進(jìn)行控制。變頻器包括兩個(gè)背靠背連接的全控電壓源型逆變器，依照實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及對(duì)有、無(wú)功功率的要求，產(chǎn)生三相脈寬調(diào)制(PWM)電壓信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)子的繞組施加寬度不同的正、負(fù)電壓。

2　普通變頻電機(jī)與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的區(qū)別

如圖3所示，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的差別僅在電路的上半部分。在雙饋發(fā)電機(jī)中，變頻器與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接，并以 PWM形式對(duì)轉(zhuǎn)子供電，感應(yīng)出共模電壓；而定子繞組中僅有一個(gè)三相正弦電壓信號(hào)，共模電壓被抵消。因此，轉(zhuǎn)子繞組電壓和轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子(軸)之間的電容CRWF就成了該結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生寄生電流的原因。在普通變頻電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中，變頻器為定子提供 PWM電壓，而其中的籠型繞組并沒(méi)有大電壓信號(hào)，因此定子繞組的電壓和定子繞組與轉(zhuǎn)子 (軸)之間的電容就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的寄生電流。

具體的說(shuō)，對(duì)于雙饋發(fā)電機(jī)在相電壓V1的傳輸過(guò)程中，電流(IRWF=CRWFdV1/dt)從轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)寄生電容CRWF流到發(fā)電機(jī)機(jī)座；相應(yīng)地，電流(IRWF=CRWFdV1/dt)從轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過(guò)電容CRWF流向轉(zhuǎn)子(軸)，然后分流，一路經(jīng)過(guò)CRF(IRF)，另外幾路經(jīng)過(guò)電機(jī)軸承(IB1,IB2),這些電流與軸承的實(shí)際阻抗?fàn)顟B(tài)相關(guān)，在轉(zhuǎn)子(軸)和電機(jī)機(jī)座之間產(chǎn)生高頻脈沖電壓信號(hào)VRF=VB1，2,并跨過(guò)軸承，如果兩端軸承潤(rùn)滑充分，屬于電容狀態(tài)VB1，2就可進(jìn)行如下估計(jì)(忽略VPE1,考慮純?nèi)菪噪妷悍峙?圖2中軸承的總阻抗ZB1,ZB2可以用軸承的電容CB1,CB2替代):VB1, 2/V1≈CRWR/CRWR+CRF+CB1+CB2[1]。

總電流(IPE1=IRWF+IRWR=IRWF+IRF)從機(jī)座經(jīng)由PE線(xiàn)流回變頻器。根據(jù)VPE1=LPE1dIPE1/dt,跨過(guò)線(xiàn)上的固有電感LPE1即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓VPE1,電壓的峰值VPE1經(jīng)過(guò)CRF與轉(zhuǎn)子(軸)耦合。

由于軸電流能量的大小與寄生電容值(或比率)機(jī)密相關(guān)。而這些電容值在不同類(lèi)型的電機(jī)中各不相同，并且受到不同零部件幾何布置的影響，需要指出的是與定子供電的普通變頻電機(jī)相比，轉(zhuǎn)子供電的發(fā)電機(jī)軸上的共模電壓耦合電容會(huì)大很多，因而產(chǎn)生的寄生電流和相應(yīng)的影響(如軸電壓和軸承失效)也更大。

3　解決措施

根據(jù)上述分析的原因可以看出，由于寄生電容的存在,雙饋發(fā)電機(jī)的軸電壓、軸電流是亦是必然存在的，而減小軸電壓、軸電流的措施，主要就是減小電機(jī)系統(tǒng)的寄生電容，增加系統(tǒng)的容抗與感抗。

式中，C—電容；f—頻率。

式中，ε—介電常數(shù)；S—極板正對(duì)導(dǎo)電面積；k—靜電力常量；d—極板間距離。

從公式上可以看出增大電機(jī)的容抗就是要減小寄生電容，減小頻率。在工程應(yīng)用中，可以通過(guò)下列方式改變。

3.1增加轉(zhuǎn)子繞組的絕緣厚度

在保證散熱條件的情況下，可盡量增加轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈的絕緣厚度，因厚度增加，即相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與鐵心之間的距離增加，繼而減小了寄生電容，增加了容抗。相應(yīng)的，寄生電流亦會(huì)減小。

3.2改變定、轉(zhuǎn)子槽配合

如有些公司4極1.5M雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用72/96槽配合，轉(zhuǎn)子的每槽導(dǎo)體數(shù)為2，但有的公司的槽配合為72/60，轉(zhuǎn)子的每槽導(dǎo)體數(shù)為4，經(jīng)計(jì)算，采用72/60槽配合的轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)要高于72/96槽配合。由于感抗正比于每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，因此電機(jī)的容抗與感抗也相應(yīng)的高于72/96槽配合。

3.3轉(zhuǎn)子斜槽

轉(zhuǎn)子斜槽后，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)子的斜槽漏抗增加，總漏抗增加，轉(zhuǎn)子的感抗增加，其濾波能力相應(yīng)增加。

3.4改變軸承電流回路，在軸承處設(shè)置絕緣(采用端蓋絕緣結(jié)構(gòu)或絕緣軸承)；并設(shè)置接地碳刷等。

此時(shí)需要注意的是，由于軸電壓頻率過(guò)高，因此軸承絕緣的厚度要比普通變頻電機(jī)的厚，如現(xiàn)在某些公司已將絕緣層厚度做到了3mm，這在另一方面也是減小了電機(jī)回路的寄生電容。

表1是某公司試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比。試驗(yàn)時(shí)，前后軸承全部采用絕緣處理，并設(shè)置接地碳刷。從數(shù)據(jù)中可以看出采用斜槽及改變槽配合確實(shí)降低了軸電壓。

表1　數(shù)據(jù)對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

由于MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及控制原理，其軸承電壓及軸承電流相比于普通電機(jī)可以說(shuō)是不可避免的，并且由于其共模電壓耦合電容更大，因此產(chǎn)生的寄生電流更高，破壞能力更強(qiáng)。本文在深入闡述了MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電壓產(chǎn)生的原理同時(shí)，結(jié)合多年的理論實(shí)踐，提出了諸多解決措施，是MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承電壓抑制方面工作的科學(xué)總結(jié)。

[1]Zika Thomas，Buschbeck Frank，Preisinger Gerwin，Martin Groschl.風(fēng)力發(fā)電機(jī)中軸承的過(guò)電流問(wèn)題.電機(jī)與控制應(yīng)用，2008,35(9).

[2]GB/T 21 209—2007變頻器供電籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能導(dǎo)則 .

Brief Analysis on Bearing Voltage Cause of MW Grade Doubly-Fed Wind Power Generator

Zhang Shengnan

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

The bearing voltage refers to the capacitance coupling voltage appeared in radial clearance of bearing. For a common generator, bearing voltage is originally caused by average potential of stator windings and ac voltage of the earthed stator core. When the generator is supplied with sinusoidal voltage, the bearing voltage is equal to zero in fact. But MW grade doubly-fed asynchronous wind power generator is quite different from it. Not only the causes have differences from the above, but also the amplitude and breakdown force are higher than the above. This paper focuses on analyzing the bearing voltage cause of MW grade doubly-fed asynchronous wind power generator at normal operation, points out its difference from that of common variable-frequency generator, and puts forward the corresponding solutions in theory. At the same time, practical verification was carried out on the generator.

Wind power generator；shaft voltage；shaft current；parasitic capacitance；capacitive reactance

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.06

TM315

A

1008-7281(2016)04-0018-003

張勝男男1982年生；畢業(yè)于佳木斯大學(xué)電機(jī)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事高壓電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作.

2016-05-26