一种双馈异步风力发电机的改进优化设计

屈 普, 赵美茹, 张龙国

(1. 中车永济电机有限公司，山西 永济 044599； 2. 永济中车电机电器修配有限公司，山西 永济 044599)

一种双馈异步风力发电机的改进优化设计

屈 普1, 赵美茹2, 张龙国2

(1. 中车永济电机有限公司，山西 永济 044599； 2. 永济中车电机电器修配有限公司，山西 永济 044599)

风力发电作为一种可再生清洁能源，目前受到世界各国的高度重视。双馈发电机是恒频发电机的一种，发电机的定子和转子直接或间接与电网相连，并将风能转换为电能。双馈异步风力发电机在国内外各大风电场普遍应用，发电机的开机利用率与风电场的经济效益直接相关，因此风电运营商对发电机的可靠性提出了很高的要求。描述了一种双馈风力发电机常见的故障类型及其产生原因，通过对故障原因进行分析，分别从转子结构、轴承结构、端盖绝缘结构等方面提出了改进优化设计方案。

双馈异步风力发电机; 转子; 优化设计

0 引 言

双馈异步风力发电机(Double Fed Induction Generator,DFIG)是将风能转化为电能的核心设备，直接影响着风力发电机组运行的性能、效率和电能质量。因此，适用于风电转换的高可靠性、高效率控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的重点。

某风场1.5 MW DFIG，批量发生断相、过流、转子接地、轴承振动等故障。由于原发电机厂家已经停产，风场业主希望提出一套技术改进方案，彻底解决该型风力发电机问题，所以进行了系统分析并提出改进措施，效果良好。

1 1.5 MW DFIG常见故障

1. 1 转子断相

某风场1.5 MW DFIG入厂检查时用双臂电桥测量转子直流电阻有两相无穷大，通过发电机拆解,故障状态为转子零环断裂，如图1所示。

图1 零环断裂

该发电机零环分布在非传动端，采用均布的3个9334玻璃布板制作的压线块用螺栓固定在支架上，零环和支架均用绝缘材料包扎。

原因分析：零环采用3点固定，固定面积小，且没有与支架绑扎为一体，零环在转子高速运转过程中承受较大的离心力最终导致零环断裂。

1. 2 转子引出线过流烧断

该电机转子引出线由非传动端空心轴孔穿入，在转子线圈端部下方的转轴上均布有3个斜孔，转子引出线从斜孔部位穿出与转子引线头连接，用3个9334玻璃布板制作的压线块将引出线固定在下方的支撑环上。

原因分析：发电机在运行过程中转子引出线通过的电流达350 A，引出线上包扎的绝缘材料在高速高频的振动下不断与压线块摩擦，最终将引出线电缆绝缘磨破，形成引出线与连接螺栓间爬电而将压线块烧损，导致转子接地、过流。

1. 3 电机振动值大

前期有2台该型电机仅进行故障修理，未对电机结构进行改进，在电机空载时发现电机振动值超[1]。解体后分别对转子动平衡、配件配合尺寸、转轴轴承位尺寸、端盖与机座配合尺寸、更换新轴承等方面查找原因，未发现明显异常。后对电机系统进行分析，发现原型机存在设计缺陷。

1. 4 发电机故障统计分析

从风电场电机的故障状态统计可以看出(见表1)，轴承振动占该风场发电机的故障32.3%，转子接地占44.1%，转子卡死占5.88%，转子开路占5.88%，以上4种故障类型占发电机总故障数量的88.2%，转子卡死产生的原因多为轴承抱死或零环甩断造成定转子扫膛，转子开路产生的原因多为引出线烧断或零环断裂。因此，要降低发电机的故障率，必须从转子结构和轴承结构入手。

表1 故障统计分析

2 改进方法

此电机应客户要求做结构改进。电机定子部分保持原结构，针对上述问题，对转子结构做整体可靠性改进，主要针对转子装配、转子引出线结构、零环结构、轴承、润滑结构做改进。

2. 1 设计新转轴

通过对转轴结构及静力、动力分析，设计制作新转轴，将转轴的轴承位直径由传动端φ140 mm、非传动端130 mm改为两端φ150 mm，如图2所示。

图2 新转轴

根据动力学分析，转子一阶临界转速为2 507 r/min，振型主要表现为轴向左右摆振；二阶临界转速为5 382 r/min，振型主要表现为铁心位的上下摆振。三阶临界转速为8 130 r/min，振型主要表现为滑环端轴伸位的摆振。电机工作转速1 000～2 000 r/min，最高超速转速为2 400 r/min，因此新设计符合要求。

2. 2 转子结构改进

通过新制转子与原定子的电磁参数匹配计算，对转子线圈改进，目的是降低电磁振动，对转子引出线、零环固定方式进行改进，主要解决零环断裂和引出线烧损问题[2]。转子线圈用铜母线成型后嵌入转子槽中，采用H级绝缘结构，嵌线完成后用中频感应焊接、包绝缘，端部用高强度无纬带绑扎并固化，转子真空压浸和普浸各一次并旋转烘焙。转子过桥线与下层线圈绑扎牢固，浸漆后成一体。将原转子零环在传动端改为非传动端，在转轴上加工一凹槽，并用无纬带绑扎，将零环套在转轴上，零环与转轴的间隙处塞适形毡，浸漆后成一体。优化转子引线头结构，转子引出线与引线头采用铜母线焊接，绝缘包扎后用绝缘块压紧，斜孔孔口涂密封胶，轴孔内灌胶，提高其可靠性。改进后如图3所示。

图3 转子结构改进

2. 3 轴承结构与端盖结构改进

为了降低轴承振动故障和轴电流对轴承的损伤，减少更换轴承的成本，用户提出对轴承和端盖改进设计组合。

修理的1.5 MW DFIG传动端轴承6328M/C3，非传动端轴承6326M/C3，两端均为内圈绝缘轴承，在传动端采用弹簧钢板制作的波形弹簧垫圈对轴承进行预紧。绝缘轴承一般采用内圈氧化铝涂层，由于受到轴承密封结构及安装条件的限制，绝缘端盖较绝缘轴承在爬、放电距离及湿热影响都有明显优势，故绝缘的可靠性及稳定性较好。前/后端盖装配完成后进行耐压检测，接口刷密封胶，防止吸潮。通过对轴承失效模式进行分析，选用6330M/C4轴承和绝缘端盖配套的轴承绝缘结构，如图4所示。

图4 轴承结构与端盖结构的改进

2. 4 转子支架改进

原转子支架有6个通风孔，而转轴有4个筋板，这样筋板会挡住冷却风路，影响电机冷却效果；新制支架将通风孔更改为4个，对新结构做受力分析，如图5所示。从云图上可以看出最大应力为37.7 MPa，支架材料为Q235-A，材料的屈服强度为235 MPa，结论可靠。

图5 新结构受力分析

2. 5 轴承润滑油路结构改进

原电机两端的轴承内盖前均有内油封，非传动端轴承内盖与轴承的距离仅10 mm，拆卸轴承时只能用工装拉轴承内盖，而且轴承内盖直接与轴承外圈接触，拉轴承时滚珠受力，易损伤轴承滚道。更换设计封环及外轴承盖结构，增加合理的挡油和甩油结构，确保油路(润滑系统)畅通，轴承润滑良好。将轴承的安装预紧力设计在非传动端。采用的润滑结构和目前ABB及西门子电机上的润滑结构一致，甩油环的设计采用SKF轴承厂家推荐的经典结构。将曲路密封改为向内圆延伸，防止油脂渗出；将出油孔改为直孔，同时加大油孔，使油脂排出更为顺畅。

3 结 语

电机组装完成后进行型式试验，各项电气参数与原机型一致，电机的振动值比原电机明显下降，均在限值1.8 mm/s以内，发电机的长时温升比原机型下降10 K。目前，经过改进设计的DFIG在风电场装机运行未发生异常情况，风场业主很满意。

[1] 王正茂,阎治安,崔新艺,等.电机学[M].西安: 西安交通大学出版社，2000.

[2] 徐灏.机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社,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，高级工程师，研究方向为电机修理技术。 赵美菇(1973—)，女，高级工程师，研究方向为电机修理技术。 张龙国(1979—)，男，高级工程师，研究方向为电机修理技术。

TM 301.2

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1673-6540(2017)04- 0039- 04

2016 -09 -11