双馈风力发电机转子槽楔强度的校核分析

2022-12-16王建良

微特电机 2022年12期

关键词：离心力槽内低电压

吴冰，王建良

(1.湖南铁道职业技术学院，株洲 412001；2.中国中车株洲电机有限公司，株洲 412001)

0 引言

随着风力发电的快速发展以及其在电力需求中所占比例的提升，风力发电也遭遇到了风电制造技术、电力输出、市场等瓶颈，其中风电制造技术中亟需解决的重大技术问题之一就是风电机组的低电压穿越问题。

低电压穿越是指风力发电机在电网电压降低到一定程度的情况下，不脱离电网而继续维持并网运行，甚至还可为电网提供一定的无功功率，以帮助系统恢复电压，从而度过这个低电压故障时段。

根据双馈风力发电机组低压穿越技术研究报告[1]，其中一种低电压的原因是电网突发两相或三相短路而引起网压陡降。此时，通过风力发电机转子线圈的电流约为额定电流的10倍，这可能会导致发电机某些机械部件的损坏或机械寿命的缩短[2]。因此，有必要对发电机在低电压穿越时的本体机械强度进行研究。

对于发电机而言，转子槽楔与转子冲片配合处是机械强度较薄弱的环节。同时，该处应力分布复杂，需要借助专用软件才能进行较准确的机械强度分析，从而找出潜在的危险部位。

本文以某型号1.5 MW双馈风力发电机为例，利用Workbench软件，对其转子槽楔机械结构强度进行静强度分析，以验证转子槽楔结构强度是否满足发电机低电压穿越的要求。

1 理论分析

转子结构包括转子铁心冲片、转子导条及外包绝缘、槽楔、垫条等。发电机在旋转工作时，槽楔的受力来自两个方面：一是由槽内载流导体所受电磁力传导过来的一部分力，上层为F1，下层为F2，如图1所示；二是槽内导体(包括层件垫条及绝缘等)及槽楔本身由于发电机旋转产生的作用在槽楔上的离心力。本文对安培电磁力及离心力分别进行了分析。

图1 槽楔及导条受安培电磁力示意图

1)安培电磁力

在不同的工况下，电磁力的作用是不同的。如发电机在低电压穿越(三相对称跌落)时，转子绕组三相电流约为额定电流的2倍；当转子绕组发生两相、三相短路时，会产生约额定电流10倍大小的冲击电流。

下面以某型号双馈风力发电机为例，其额定转子电流I=782 A，则Ip=7 820 A，槽宽bN=0.013 5 m，则电磁力Fsm=1 138 N/m=11.38 N/cm。

2)槽内导体等离心力

转子槽形及槽楔尺寸如图2、图3所示。

图2 转子槽形(单位：mm)

图3 转子槽楔尺寸图(单位：mm)

转子导条的规格为4.7 mm×40 mm，每槽为4根，则槽内导条截面积A1=752 mm2=7.52 cm2。

槽内(不包括槽楔及槽口部位)其余的部分统一视为绝缘材料，其所占面积为A2，则A2=456.25 mm2=4.56 cm2。

每厘米轴向长度导条质量：

G1=ρ1·A1=66.9 g=66.9×10-3kg/cm

每厘米轴向长度绝缘材料(包括层间垫条、楔下垫条及槽绝缘等)质量：

G2=ρ2·A2=11.4 g=11.4×10-3kg/cm

每厘米轴向长度槽楔的质量(槽楔截面积A3=0.642 cm2)

G3=ρ3·A3=1.28 g=1.28×10-3kg/cm

将G1、G2和G3合计在一起，发电机额定转速为1 200 r/min，过速取1 440 r/min(1.2倍额定转速)，则每厘米转子线圈离心力[4]：

Fsm+G≈657 N/cm

综合以上分析，作用到转子槽楔上的最大力约为657 N/cm。

2 模型的选取及简化

发电机转子冲片共81槽，每槽分布1根槽楔。分析槽楔强度，只需对其中一个槽内的槽楔进行分析即可。在冲片的每个槽内，导条外包绝缘后与槽楔接触，转子在旋转时，导条及绝缘等将受离心力而朝槽楔一侧挤紧，在这一过程中，导条也会受到槽内两侧的摩擦力，绝缘材料近似于非线性弹性材料，所以外包绝缘的导条与冲片的摩擦关系非常复杂。此外，槽楔本身也是一种非线性材料，其与槽口部位冲片的接触也是一种非线性接触。

综上所述，槽楔实际的结构非常复杂，电机旋转时，转子导条在槽内的受力情况也非常复杂。为了便于研究，我们对槽楔及与槽楔相关零部件的结构进行了简化处理，忽略影响较小的因素，只研究电机在低电压穿越时，对转子导条影响比较大的槽楔结构。

模型简化后，将槽楔视作线性材料，转子铁心视作一个整体，不再是由一块块厚0.5 mm的硅钢片叠压而成，同时将导条及绝缘等的离心力直接施加到转子槽楔上，分析槽楔的受力情况。简化后的模型如图4所示，模型中冲片厚度取10 mm。