第7章风力发电机组用发电机
7.1 概述
1、风力发电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。
2、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。
3、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。
4、鼠笼式发电机主要用于定桨距风电机组。
5、按正弦曲线规律变化的电流（或电势）就叫正弦交流电。
6、感应电势的频率决定于同步电机的转速和极对数，熟悉公式P176，额定功率因数公式、额定输出功率公式、同步转数计算公式。
7、什么是同步转数：我国规定，交流电的频率为50Hz，因此同步发电机的转速n和电网频率f之间具有严格的关系。当电网频率一定时，同步发电机的转速为一恒定值。为了保证发电机发出恒定频率的交流电，在原动机上都装有机械或电子调速器，实现转速稳定。要使得发电机供给电网50Hz的电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如，2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有以同步转速运转，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称由来。
8、同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。
9、获得励磁电流的方法称为励磁方式。分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源，另一类
是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。
10、发电机的主要参数
额定容量SN(VA，kVA,MVA等)或额定功率PN(W,kW,MW等)－指电机输出功率的保证值。
额定功率PN－在额定运行条件下，发电机能发出的最大功率，单位kW。
额定电压UN－在额定运行条件下，电机定子三相线电压值，单位为V或kV。
额定电流IN－额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位为A或kA。
功率因数－额定运行情况下，有功功率和视在功率的比值。
额定频率f－额定运行情况下输出交流电的频率。
额定转速nN－额定运行时转子的转速，单位为r/min。
相数m－即发电机的相绕组数。常用的是三相交流同步发电机。
11、电机工作时内部会产生损耗，包括铁耗、铜耗、机械耗、杂散损耗，所有上述损耗均以热量的形式通过冷却介质散发。
12、电机的铁耗主要是定子铁芯损耗，铁芯损耗包括基本铁耗和旋转铁耗两部分。
13、铜耗是电流流经定转子绕组时，由于绕组具有一定电阻所引起的损耗。
14、电机转子转动时，存在轴承摩擦及风阻等阻力转矩，此阻力转矩消耗功率称为机械损耗。
15、双馈异步发电机工作原理：通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机。双馈电机结构和基本工作原理与一般异步发电机相同，不同的是双馈电机的转子绕组由双馈变频器控制，由输出电压为Ef的独立交流励磁电源Sf供电，提供的有功功率用作转子铜耗；提供的无功功率用于建立磁场，并在电机定子感应出电压。转子三相电流由转子感应电势E2与E1共同产生。双馈变频器采用矢量控制，通过调节转子三相电流的频率、幅值、相位、相序，有功、无功分量完全解耦，使定子侧感应出恒定频率的三相交流电，还可以灵活控制双馈异步发电机输出超前或滞后的无功功率，改善电网功率因数，稳定电网电压等。
16、与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个：一个是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。
17、通过改变励磁频率，可调节转速。这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。
18、通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的。
19、同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。
20、双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。
21、风力发电机最佳控制是维持最佳叶尖速比。
22、风力发电机的转速随风速及负荷的变化应及时做出相应的调整，依靠转子动能的变化，吸收或释放功率，减少对电网的扰动。通过变频器控制器对逆变电路中功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的，既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。
23、双馈变频器的四象限运行，可使双馈风力发电机运行转速范围大大提高，转速范围增大正负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，转子通过变频器向电网输出有功功率。
24、异步电机是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。因此，转子的转速一定是小于同步转速的（没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流），也因此叫做异步电机。
25、同步电机转子本身产生固定方向的磁场（用永磁铁或直流电流产生），定子旋转磁场“拖着”转子磁场（转子）转动，因此转子的转速一定等于同步转速，因此叫同步电机。
26、双馈异步发电机可以提供超前的无功功率，保持发电机输出电压稳定；但发电机受双馈变频器过载电流影响，只能有有限过载能力；过载能力要次于同步发电机。
27、永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，对永磁体失磁现象和降低电机重量等问题还缺少有效的应对办法。
28、常用的稀土材料有铸造型铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼等。
29、第三代稀土永磁钕铁硼是当代磁铁中性能最强的永磁体。
30、鼠笼式异步风力发电机控制方式较为简单，并网时不需要同步装置，无失步现象，运行时只
需适当限制负荷，并网时需要采取限流措施。通常采用双速异步电机，即双绕组电机。
31、鼠笼式异步发电机由定子励磁建立磁场时，需要消耗无功功率，一般大型风力发电机组在控制柜内加装并联电容，减少从电网吸收的无功功率，改善出口功率因素。
32、双馈异步发电机转子绕组采用波形绕组，线圈结构和制造工艺复杂，转子线圈一般采用星形连接。绕组丰相引出线从轴孔引出，连接到转子上加装的电刷滑环装置。滑环装置与转子同轴设置，变频器通过电刷和滑环装置给转子提供交流电流为双馈异步发电机提供励磁。
33、为确保发电机的正常运行，一般还在电机上采用下列监控设施：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。
34、双馈风力发电机定子机壳的结构形式根据冷却方式确定，或采用箱式焊接结构；或采用水夹层结构。定子铁芯由轴向拉杆或扣片紧固。定子线圈多采用H级铜扁线并绕而成，嵌线后进行真空压力浸漆。定子三相绕组由外接电缆引出固定于接线盒内，直接与电网相连。转子采用绕线式结构，线圈为H级成型波绕组，通过轴孔引出与滑环连接，三相绕相输出电缆连接到滑环室顶部或侧面的接线盒内。变频器将频率、电压可调的三相交流电通过电刷和滑环向电机提供三相励磁电流。转子绝缘采用耐电晕结构。变流器以近三分之一发电机的额定功率，就可以实现发电机的全功率输出，通过改变励磁电流的幅值和相位就可实现发电机有功、无功功率的独立调节。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过0.05mm。
35、双馈异步风力发电机通过变频器的控制调节可以实现大滑差运行，转子机械转速与定子同步转速的转差一般可达到正负33%。
36、双馈异步发电机有三种运行状态：1.亚同步运行状态，转子吸收电源功率，定子发电；2.超同步运行状态，转子处于发电状态向电源送电，定子发电；3.同步运行状态，与同步发电机一样。
37、双馈发电机并网特点：1.可实现连续变速运行，风能转换率高；2.变频器只参与部分功率变换，变流器成本相对较低；3.并网简单，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.可有效降低桨距控制的动态响应要求，改善作用于风轮桨叶上机械应力善，一般在桨叶只需要在高风速时才参与功率控制；6.双向变流器结构和控制较复杂；7.电刷与滑环间存在机械磨损，需要经常维护。
38、双馈异步发电机还设置用于测量转子角速度的编码器，一般固定于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，此信号是变频器进行转速调节的重要参考量。编码器小轴的径向跳动要求不超过0.05mm。
39、日常巡检时应注意检查发电机：电机地脚及与联轴器之间连接螺栓是否紧固；电机接线盒内接线柱与电缆连接螺栓是否紧固；绝缘电阻是否满足要求；转动部件周围应有保护装置；通风罩上不能放置任何物体，避免因接触造成事故；轴承维护和润滑；滑环和电刷维护；清洁电机和过滤器等。对电机进行维护工作前确保电机主回路及辅助系统供电尤其是加热器、辅助风机电源等已处于断电状态。
40、滑环室内碳粉应及时清理，编码器支撑架上严禁放置重物；碳刷报警单元在电机盒或主控柜内接线应正确；在更换新碳刷时要进行碳刷与滑环接触面的研磨，接触面积达到80%以上；不同型号、不同厂家的同尺寸规格的碳刷不可混在一起使用；设置了接地装置的不可无接地刷运行；接地电刷设计为碳银材质的应安装正确（滑环转动时应磨碳后磨银）；接地弹簧无拉伸变形。
41、电机两端深沟轴承分别装配于机座两端前后端盖的轴承室内，轴承盖中设迷宫式油封或有甩油环，将多余的油脂从轴承盖中甩出。轴承盖底部开口，装配泄油口和集油器。传动端为定位轴承，非传动端为游动轴承，装配预紧力弹簧，使轴向压紧，这样可以保证轴承能够低噪声运行。定位轴承的位置保证其能承受来自于电机的轴向和径向力（5%的倾斜位置，轴向磁拉力），不能承受附加的外部轴向力。
42、轴承的故障常见的是轴承轨道表面被剥离，变得非常粗糙；轨道表面变色；刮痕；生锈和腐蚀；轴承内、外圈以及滚动体部分破损和破裂，初期会造成轴承过热。长时间过热运行，将导致轴承烧死，保持架破裂。
43、滑环正常运行时会留下电刷的刷痕，滑环的表面质量反映出电刷的运行特性。一般维护周期为6个月。在更换电刷时，电机应处于静止状态，用软刷子仔细清洁滑环的槽和中间空间，用不带纤维的软布或沾温丙酮清洁所有部件，用工业真空吸尘器彻底清洁滑环室，清洁之后检查滑环绝缘（大于500兆欧）。目测滑环面，如果表面粗糙、有毛刺、锈蚀，或检测滑环的径向跳动超差（大于0.05mm），要求重新磨滑环；如果表面有烧结点，大面积烧伤或烧痕，滑环径向跳动超差，必须用专用的与滑环的实际弯曲一致的研磨工具重磨滑环，重磨时尽可能不要磨掉光泽层，光泽层可使电刷接触良好。修磨时要注意不要超过用户手册要求的滑环最小直径。
44、在电机停机静止时打开滑环室侧盖，检查电刷状态，逐个取下，检查电刷的摩擦面是否光滑，正常运行状态下的电刷摩擦面光洁，为了更好地判断电刷的状况，应同时检查滑环的状况。更换所有损坏和磨损到线（剩余新电刷高度的三分之一）而不能正常运行的电刷，用同一型号规格的新电刷代替，新电刷需要在电机外预磨，磨出滑环面的弧度。
45、发电机振动过大应从以下几方面分析处理：1.对中检测、电机转轴跳动情况、电机转子动平衡情况。
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