發(fā)電機原理日常維護

1、發(fā)電機原理及維護沈陽華創(chuàng)風能有限公司2009年2月有刷雙饋式異步發(fā)電機雙饋式異步發(fā)電機實際是異步感應電機的一種變異，雙饋異步發(fā)電機通常為4極或6極，轉速為1500r/min、1000r/min，（n=60f/p,p為極對數）如此高的轉速是通過多級增速齒輪箱來實現的。這種發(fā)電機始于上世紀80年代，日本日立公司、東芝公司和前蘇聯在這種發(fā)電機的研制和開發(fā)中都作出了顯著的貢獻。目前美國GE能源、德國Fuhrländer等公司的很多風力發(fā)電機產品，采用變速雙饋風力發(fā)電的技術方案。我國甘肅蘭州電機有限責任公司、北車集團永濟電機廠、四川東風電機廠有限公司也都先后研制成功了兆瓦級雙饋式異步發(fā)電機。雙

2、饋式電機分鼠籠式和繞線式兩種。但是，鼠籠式感應發(fā)電機因其無法最大限度地利用風能，在風力發(fā)電機組中沒有得到廣泛應用。在風力發(fā)電機組中多選用繞線轉子感應異步發(fā)電機，這種發(fā)電機在結構上與繞線式異步電機相似，由繞線轉子異步發(fā)電機和在轉子電路上帶交流勵磁器組成，定子、轉子均為三相對稱繞組，轉子繞組電流由滑環(huán)導入，這種帶滑環(huán)的雙饋式電機被稱之為有刷雙饋發(fā)電機。（下面是“雙饋發(fā)電機的工作原理講義）設雙饋電機的定轉子繞組均為對稱繞組，電機的極對數為p ,根據旋轉磁場理論，當定子對稱三相繞組施以對稱三相電壓，有對稱三相電流流過時，會在電機的氣隙中形成一個旋轉的磁場，這個旋轉磁場的轉速 n1 稱為同步轉速，它與電

3、網頻率f1及電機的極對數p的關系如下：n1=60f1/p (3-1同樣在轉子三相對稱繞組上通入頻率為f2的三相對稱電流，所產生的旋轉磁場相對于轉子本身的旋轉速度為：n2=60f2/p (3-2由式（3-2）可知，改變頻率 f2，即可改變 n2,而且若改變通入轉子三相電流的相序，還可以改變此轉子旋轉磁場的轉向。因此，若設 n1 為對應于電網頻率為 50Hz 時雙饋發(fā)電機的同步轉速，而 n 為電機轉子本身的旋轉速度，則只要維持 n±n2=n1=常數，見式（3-3），則雙饋電機定子繞組的感應電勢，如同在同步發(fā)電機時一樣，其頻率將始終維持為 f1 不變。n±n2=n1=常數 (3-

4、3雙饋電機的轉差率S=(n1-n/n1 ，則雙饋電機轉子三相繞組內通入的電流頻率應為f2=p*n2/60=p*(n-n1/60=pn1/60*(n1-n/n1=f1*S (3-4公式（3-4）表明，在異步電機轉子以變化的轉速轉動時，只要在轉子的三相對稱繞組中通入轉差頻率（即 f1S）的電流，則在雙饋電機的定子繞組中就能產生50Hz 的恒頻電勢。所以根據上述原理，只要控制好轉子電流的頻率就可以實現變速恒頻發(fā)電了。根據雙饋電機轉子轉速的變化，雙饋發(fā)電機可有以下三種運行狀態(tài)：（1）亞同步運行狀態(tài)。在此種狀態(tài)下 n 由轉差頻率為 f2 的電流產生的旋轉磁場轉速 n2 與轉子的轉速方向相同，因此有 n+

5、n2=n1 。 （2） 超同步運行狀態(tài)。 此種狀態(tài)下 n>n1,改變通入轉子繞組的頻率為 f2 的電流相序，則其所產生的旋轉磁場的轉速 n2 的轉向與轉子的轉向相反，因此有 n-n2=n1。（3）同步運行狀態(tài)。此種狀態(tài)下 n=n1,轉差頻率 f2=0, 這表明此時通入轉子繞組的電流頻率為 0 ，也即直流電流，與普通的同步電機一樣。雙饋發(fā)電機的基本方程、等效電路和向量圖下面從等效電路的角度分析雙饋電機的特性。首先，作如下假定：（1）只考慮定轉子電流的基波分量，忽略諧波分量；（2）只考慮定轉子空間磁勢基波分量 ；（3）忽略磁滯、渦流損耗和鐵耗；（4）變頻電源可為轉子提供能滿足幅值、頻率及功率

6、因數要求的電源，不計其阻抗與損耗。發(fā)電機定子側電壓電流的正方向按發(fā)電機慣例，轉子側電壓電流的正方向按電動機慣例，電磁轉矩與轉向相反為正，轉差率 s 按轉子轉速小于同步轉速為正 ，參照異步電機的分析方法，可得雙饋發(fā)電機的等效電路，如圖（3-1） 所示根據等效電路圖，可得雙饋發(fā)電機的基本方程式：式中， 分別為定子側的電阻與漏抗分別為轉子折算到定子側的電阻和漏抗Xm為激磁電抗分別為定子側電壓、感應電勢和電流分別為轉子側感應電勢，轉子電流經過頻率和繞組折算后折算到定子側的值轉子勵磁電壓經過繞組折算后的值，為再經過頻率折算后的值根據基爾霍夫電壓電流定律可以寫出普通繞線式轉子電機的基本方程式從等值電路和兩

7、組方程的對比中可以看出，雙饋電機就是在普通繞線式轉子電機的轉子回路中增加了一個勵磁電源，恰恰是這個交流勵磁電源的加入大大改善了雙饋電機的調節(jié)特性，使雙饋電機表現出較其它電機更優(yōu)越的一些特性。 下面我們根據兩種電機的基本方程是畫出各自的相量圖，從相量圖中說明引入轉子勵磁電源對有功和無功的影響。（以后具體詳情請見雙饋風力發(fā)電機工作原理講義）對于轉子本身的旋轉速度為：雙饋式電機的定子接入電網，通過PWM(脈寬調制AC-DC-AC變頻器向發(fā)電機的轉子繞組提供勵磁電流，為了獲得較好的輸出電壓電流波形，輸出頻率一般不超過輸入頻率的1/3。其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%，通常只需配置一臺1/4功率的

8、變頻器。其原理圖如圖1所示。雙饋式異步發(fā)電機向電網輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過變頻器從轉子輸出的功率。風力機的機械速度是允許隨著風速而變化的。通過對發(fā)電機的控制使風力機運行在最佳葉尖速比（葉尖速比：為了表示風輪在不同的風速中的狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來衡量，稱之為葉尖速比。=2Rn/v=R/v n風輪的轉速，風輪校頻率R風輪半徑，v上游風速）從而使整個運行速度的范圍內均有最佳功率系數。雙饋式異步發(fā)電機的變速運行是建立在異步電機基礎上的，眾所周知異步電機既可作為電動機運行，也可作為發(fā)電機運行。我們將轉子轉速n與同步轉速ns的差值定義為轉差，轉差與同步轉速之比的

9、百分值定義為轉差率。在作電動機運行時，異步電動機轉子的轉速只能是略低于同步轉速，此時產生的電磁轉矩與轉向相同，轉差率0。而作發(fā)電機運行時，轉速總是略高于同步轉速，其電磁轉矩的方向與旋轉方向相反，轉差率0，發(fā)電機的功率隨該負轉差率絕對值的增大而提高。當雙饋發(fā)電機的轉子繞組通過三相低頻電流時，在轉子中會形成一個低速旋轉磁場，這個磁場的旋轉速度（應該是相應的頻率跟電流有一個運算關系）與轉子的機械轉速（由發(fā)電機編碼器測得）相疊加？，使其等于定子的同步轉速，從而在發(fā)電機定子繞組中感應出相應于同步轉速的工頻電壓。當風速變化時，轉速隨之而變化，相應地改變轉子電流的頻率和旋轉磁場的速度，就會使定子輸出頻率保持

10、恒定。當發(fā)電機的轉速低于氣隙旋轉磁場的轉速時，發(fā)電機處于亞同步速運行，為了保證發(fā)電機發(fā)出的頻率與電網頻率一致，需要變頻器向發(fā)電機轉子提供正相序勵磁，給轉子繞組輸入一個其旋轉磁場方向與轉子機械方向相同的勵磁電流，此時，轉子的制動轉矩與轉子的機械轉向相反，轉子的電流必須與轉子的感應反電動勢反方向，轉差率減小，定子向電網饋送電功率，而變頻器向轉子繞組輸入功率；當發(fā)電機的轉速高于氣隙旋轉磁場的轉速時，發(fā)電機處于超同步速運行，為了保證發(fā)電機發(fā)出的頻率與電網頻率一致，需要給轉子繞組輸入一個其旋轉磁場方向與轉子機械方向相反的勵磁電流，此時變頻器向發(fā)電機轉子提供負相序勵磁，以加大轉差率，變頻器從轉子繞組吸收功

11、率；當發(fā)電機的轉速等于氣隙旋轉磁場的轉速時，發(fā)電機處于同步速運行，變頻器應向轉子提供直流勵磁，此時，轉子的制動轉矩與轉子的機械轉向相反，與轉子感生電流產生的轉矩同方向，定子和轉子都向電網饋送電功率。綜上可知，在變速恒頻風力發(fā)電中，由于風能的不穩(wěn)定性和捕獲最大風能的要求，發(fā)電機轉速在不斷的變化，而且經常在同步速上、下波動，這就要求轉子交流勵磁電源不僅要有良好的變頻輸入、輸出特性，而且要有能量雙向流動的能力。在目前電力電子技術條件下，可采用IGBT器件(絕緣柵雙極晶體管構成的PWM整流PWM逆變型式的AC-DC-AC變頻器作為其勵磁電源。為了實現風力機組的最大能量的追蹤和捕獲，滿足電網對輸入電力的

12、要求，風力發(fā)電機必須變速恒頻運行；為了控制發(fā)電機轉速和輸出的功率因數，必須對發(fā)電機有功功率、無功功率進行解耦控制。這一過程是采用磁場定向的矢量變換控制技術，通過對用于勵磁的PWM變頻器各分量電壓、電流的調節(jié)來實現。調節(jié)勵磁電流的幅值、頻率、相序，確保電發(fā)電機輸出功率恒壓。同時采用矢量換控制技術，實現發(fā)電機有功功率、無功功率的獨立調節(jié)（提高功率因數，詳見E:學習資料下載tubine wind wheel information中的諧波的危害 不平衡電流的危害）。調節(jié)有功功率可調節(jié)風力機轉速，進而實現最大風能捕獲追蹤控制；調節(jié)無功功率可調節(jié)電網功率因數，提高風電機組及所并電網系統(tǒng)的動、靜態(tài)動行穩(wěn)定

13、性。根據雙饋式異步發(fā)電機數學模型和發(fā)電機的功率方程可知：有功功率、無功功率分別與定子電流在m、t軸上的分量成正比，調節(jié)轉矩電流分量和勵磁電流分量可分別獨立調節(jié)有功功率和無功功率。根據雙饋式異步發(fā)電機數學模型和交流電機矢量變換控制原理，可設計出交流勵磁變速恒頻發(fā)電機定子磁鏈定向的矢量變換抑制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結構，外環(huán)為功率控制環(huán)，內環(huán)為電流控制環(huán)。整個控制系統(tǒng)可分為三個單元，它們分別接受風速和轉速信號，有功功率指令和無功功率指令，并產生一個綜合信號送至勵磁控制裝置，改變勵磁電流的大小，頻率和相位滿足系統(tǒng)控制的需要。在風機 的 控制系統(tǒng)中，主控只是給變流器發(fā)送轉矩命令（具體發(fā)送多大的轉矩，根據

14、轉矩表來發(fā)送。相應的轉速發(fā)相應的轉矩。p=T*n/9549.297，根據這一公式，尋求最優(yōu)的功率）。變頻器根據主控下達的轉矩指令，根據發(fā)電機編碼器進行 直接轉矩控制（DTC），進行有功功率和無功功率的解耦控制（詳見變流器控制資料）。中有功功率指令和無功功率指令的產生步驟是：分別設定有功功率和無功功率的參考值，并與轉子電流反饋量比較或獲得轉子電壓指令，經旋轉變換就得到發(fā)電機轉子三相電壓控制量?，F有的雙饋式異步發(fā)電機發(fā)出的電能都是經變壓器升壓后直接與電網并聯，加之在轉速控制系統(tǒng)中采用了電力電子裝置，會產生電力諧波。同時發(fā)電機在向電網輸出有功功率的同時，還必須從電網吸收滯后的無功功率，使功率因數惡化，加重了電網的負擔。因此必須進行無功補償