國能信控互聯(lián)技術(shù)（河北）有限公司 饒木金

1 引言

近幾年，自然氣候變暖成為全球共同關(guān)注的緊迫問題，各國的重視程度也在不斷提高，新能源行業(yè)迎來快速發(fā)展階段。作為新能源的風力發(fā)電行業(yè)也受到政策的影響，國內(nèi)各大設(shè)備廠家加大技術(shù)投入，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)，順利完成由進口方案向全部國產(chǎn)自主化的過渡。并且不斷推出陸上低風速機型，柔性化、輕量化及大葉輪直徑成為主流。在海上風電業(yè)務(wù)中，不斷推出大兆瓦方案樣機，開拓未來新的發(fā)展空間。在通過技術(shù)創(chuàng)新過程中，使得制造成本大幅下降，匹配風火同價政策，真正形成風電行業(yè)的市場競爭力[1]。技術(shù)性突破以及技術(shù)性降本，成為風電行業(yè)的階段性主題。

新能源行業(yè)的快速發(fā)展，風力發(fā)電機組大兆瓦機組推出速度不斷加快。伴隨著葉片的加長，對變槳系統(tǒng)所需要提供的輸出能力，也提出新的要求。變槳電機是變槳系統(tǒng)的主要輸出執(zhí)行機構(gòu)，具有瞬時峰值轉(zhuǎn)矩大、換向頻繁、額定溫升要求低以及應(yīng)用環(huán)境惡劣等苛刻特征。為此，設(shè)備廠家需要對變槳電機輸出轉(zhuǎn)矩能力提升與溫升優(yōu)化進行研究，在現(xiàn)有變槳電機自然空冷方案上提出一種聯(lián)軸式離心風扇散熱結(jié)構(gòu)的變槳電機，使變槳電機能夠更好地適應(yīng)未來陸上大兆瓦風電機組及海上風電機組的變槳應(yīng)用需求。

2 變槳電機載荷需求分析

風電變槳控制系統(tǒng)工作原理是通過變槳電機驅(qū)動葉片軸承旋轉(zhuǎn)，從而改變風電機組葉片攻角，使風力發(fā)電機組獲得不同驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，即在低風速時保持最佳葉尖速比以實現(xiàn)最大功率跟蹤。在高風速時通過調(diào)整葉片攻角，實現(xiàn)風電機組輸出功率穩(wěn)定在額定設(shè)計值。通過動態(tài)調(diào)節(jié)風電機組氣動載荷，實現(xiàn)氣動、機械傳動與輸出功率耦合控制。風電變槳載荷要求具有瞬時峰值轉(zhuǎn)矩大、緊急順槳轉(zhuǎn)速高、長期的頻繁正反轉(zhuǎn)等特征[2]。

目前主流變槳電機為三相永磁同步電機，具有輸出效率高、響應(yīng)快、電機功率密度大等特點。以上載荷計算輸出需要覆蓋的特征載荷點。某機型載荷序列工作需求點如表1所示。

表1 某機型載荷序列工作需求點

由表1可知，變槳電機長期主要工作點為低速區(qū)域，并在短時瞬間峰值輸出轉(zhuǎn)矩以及高轉(zhuǎn)速的輸出性能提出兩個工作點要求。行業(yè)變槳電機一般將1500～2000r/min 作為額定標定點，但變槳長時間的工作轉(zhuǎn)速一般在600r/min 左右。根據(jù)表1可知,載荷需求選擇一款12.9kW 變槳電機，該電機輸出特性曲線在S1工作制下能夠正好涵蓋風機載荷工作點要求，S2工作制下有較大輸出余量，電機設(shè)計規(guī)格的大小主要局限在長時額定的輸出性能上。

由于永磁同步電機短時過載能力強，一般能夠達到額定力矩的3～5 倍，目前主流變槳驅(qū)動器輸出的峰值電流在80～140A，電機常用轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt一般設(shè)計在1.5～2.5(N·m)/A。在變槳電機未進入磁飽和情況下，所能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩近似等于轉(zhuǎn)矩系數(shù)與驅(qū)動所能輸出峰值電流的乘積。同時，由于變槳系統(tǒng)屬于風力發(fā)電機組的安全剎車系統(tǒng)，需要在緊急情況下進行快速回槳，使葉片回到安全位置，此時的變槳速度較高，一般在1500～3000r/min 范圍之間[3]。

永磁同步電機固有轉(zhuǎn)矩常數(shù)確定后即決定了反電勢常數(shù)，在高速變槳過程中所需要提供的變槳電機輸入電壓較高，當超過驅(qū)動所能提供的最高電壓范圍時，一般在能夠滿足最高峰值轉(zhuǎn)矩輸出情況下，通過設(shè)計上降低轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt值，可以在高速時使用較低電壓進行驅(qū)動。如果在必要的峰值轉(zhuǎn)矩輸出下高轉(zhuǎn)速對應(yīng)輸出電壓高于驅(qū)動能夠輸出電壓時，一般采取高速時的弱磁控制，所以在變槳電機整體選型方案上需要考慮峰值力矩輸出又要兼顧高速驅(qū)動能力。一般通過配合驅(qū)動器輸出最大電流，調(diào)整電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt，能夠獲取理想的峰值特性輸出能力。電機所使用的規(guī)格型號峰值轉(zhuǎn)矩仍保留較大輸出余量，但目前主流電機由于采用表面空氣自然對流的冷卻方式，熱交換效率不高，在長時帶載的輸出能力基本定型了變槳電機型號的設(shè)計規(guī)格。

3 變槳電機結(jié)構(gòu)及溫升分析

變槳電機一般采用磁鋼材料為釹鐵硼，釹鐵硼具有剩磁密、矯頑力和磁能積高及常溫下退磁曲線為線性等特點，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。永磁材料在使用過程中有退磁風險，主要分為可逆與不可逆退磁兩種情況，其中可逆退磁屬于不可避免的情況，對產(chǎn)品應(yīng)用影響較小。但如果發(fā)生不可逆退磁，可能短期內(nèi)導(dǎo)致永磁電機的性能出現(xiàn)弱化現(xiàn)象，長期將導(dǎo)致剩磁低，永磁電機將無法滿足使用需求[4]。如果因為使用不當，不可逆退磁出現(xiàn)在批量化的變槳電機上，將導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。其中不可逆退磁主要是由磁鋼受反向磁場及高溫共同作用導(dǎo)致。

在變槳電機應(yīng)用過程中，一般很少在高速過弱磁情況下工作，主要受高溫退磁的影響。以目前主流使用的UH及SH磁鋼為例，磁鋼允許最高運行溫度分別為150℃和180℃，考慮到變槳系統(tǒng)電機內(nèi)部溫度差以及測量誤差，采用了130℃的保護溫度，在變槳最高應(yīng)用環(huán)境溫度40℃下，電機溫升試驗理不應(yīng)超過90K。

變槳電機轉(zhuǎn)子磁鋼分為內(nèi)嵌式和表貼式兩種結(jié)構(gòu)，除了電機本體外，配備制動器及旋轉(zhuǎn)編碼器兩個重要附件。制動器有前置和后置兩種安裝方式，旋變主要安裝在變槳電機后端軸伸尾部。

以12.9kW 電機結(jié)構(gòu)為例，電機在端部繞組上安裝KTY進行測溫，電機采用后置式制動器，制動器后安裝旋轉(zhuǎn)變壓器進行測速。根據(jù)電機輸出特性曲線，選取900r/min、95N·m 進行帶載溫升測試，試驗結(jié)果12.9kW電機帶載溫升數(shù)據(jù)如表2所示，溫升為85.8K。

表2 12.9kW電機帶載溫升數(shù)據(jù)

由于采用空氣自然對流散熱，電機熱源主要在電機繞組部分，通過鋁機殼進行向外空氣輻射，以及電機前后端非熱源部分溫度差的金屬傳導(dǎo)。故此電機表面溫度最高點集中在繞組中心位置。

4 變槳電機聯(lián)軸風扇設(shè)計

由于變槳電機具有繞組中部溫度高、頻繁正反轉(zhuǎn)特征，在電機設(shè)計規(guī)格上主要受限于長時的輸出帶載能力，對此提出一種連軸式離心風扇設(shè)計方案，通過風冷方式加快電機表面向外熱傳導(dǎo)速度。聯(lián)軸風扇變槳電機在制動器與旋轉(zhuǎn)變壓器中間位置設(shè)置了聯(lián)軸離心風扇，能夠與電機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，通過風道設(shè)計，空氣在風扇罩中從后向前流動散熱[5]。

將離心風扇設(shè)置在制動器與旋轉(zhuǎn)變壓器之間目的主要在于旋轉(zhuǎn)變壓器后端安裝采用頂絲螺栓進行裝配，不便于后端再增加器件的安裝。同時旋轉(zhuǎn)變壓器后端軸徑較細，離心風扇在聯(lián)軸頻繁正反換向旋轉(zhuǎn)過程中，由于自身慣量作用容易對旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生裝配影響。為適應(yīng)變槳現(xiàn)場應(yīng)用工況，將離心風扇安裝在制動器與旋轉(zhuǎn)變壓器中間的粗軸上，在制動器及旋轉(zhuǎn)變壓器兩部件上做了密封處理，使其電機原有IP 等級不變。12.9kW 電機聯(lián)軸風扇結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 12.9kW電機聯(lián)軸風扇結(jié)構(gòu)

5 變槳電機優(yōu)化溫升對比分析

使用聯(lián)軸風扇結(jié)構(gòu)的變槳電機進行相同工況的900r/min、95N·m 下進行帶載溫升測試，記錄數(shù)據(jù)。12.9kW 聯(lián)軸風扇電機帶載溫升數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 12.9kW聯(lián)軸風扇電機帶載溫升數(shù)據(jù)

通過帶載溫升試驗數(shù)據(jù)可以明顯看到電機增加聯(lián)軸散熱風扇后溫升降低了23.3K，散熱得到大幅改善。由于變槳工作轉(zhuǎn)速范圍可能比600r/min低，而且處于正反轉(zhuǎn)頻繁切換狀態(tài)，為此提出使用正弦速度指令進行帶載溫升的綜合考核對比。最高轉(zhuǎn)速控制在400r/min，每4.5s 為一周期，采用雙向負載100N·m 進行模擬現(xiàn)場應(yīng)用場景進行測試。試驗結(jié)果表明在低速下風扇仍起到一定散熱功效，未出現(xiàn)風扇負載導(dǎo)致低速下聯(lián)軸風扇溫升較原方案高的情況。因此可以確定除了正反轉(zhuǎn)風扇增加電機輸出功耗外，對電機表面形成小幅空氣對流，電機溫升降幅在9K，溫升效果亦得到一定改善。

6 結(jié)語

通過變槳電機散熱結(jié)構(gòu)及試驗可以看出，在原自然空氣對流散熱狀態(tài)下溫升效果并不理想，電機設(shè)計上峰值力矩有較大余量，但長時帶載溫升限制了電機輸出能力，電機材料未能充分地進行利用。試驗中增加聯(lián)軸風扇后，整體低速、高速溫升均得到有效改善，能夠在變槳應(yīng)用工況中更好的發(fā)揮電機選型余量。使用現(xiàn)有方案兼容更大的載荷輸出需求，同時，使用小規(guī)格電機帶聯(lián)軸風扇替代現(xiàn)有載荷需求，為后續(xù)風電變槳電機降低成本，提供材料利用率提供了思路。文中重點對溫升性能進行展開說明，但變槳實際應(yīng)用工況中仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，如聯(lián)軸風扇散熱風道的設(shè)計、風扇在制動器與旋變間裝配可靠性及耐高速制動及頻繁換向風扇慣量帶來的影響等，需要在實際應(yīng)用過程中結(jié)合風力發(fā)電機組載荷要求選擇合適的風扇匹配設(shè)計，使變槳電機長時帶載輸出性能夠得到更好的優(yōu)化。