大型變頻感應(yīng)鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)仿真

覃四珍，劉勇輝，尹曾鋒，嚴(yán)世洪

(海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南湘潭411101)

0 引言

在能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，風(fēng)能作為最重要的替代能源之一引起了越來越多的重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了巨大的發(fā)展。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的主要發(fā)電機(jī)機(jī)型有：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)、變頻鼠籠異步發(fā)電機(jī)。其中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)占據(jù)主導(dǎo)地位，但是隨著大功率電力電子設(shè)備的發(fā)展，全功率變換型風(fēng)力發(fā)電也不斷向大功率等級(jí)發(fā)展。其中鼠籠電機(jī)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，使得基于鼠籠異步的全功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注。下文以近期開發(fā)的3MW鼠籠發(fā)電機(jī)為例，對(duì)其設(shè)計(jì)過程及溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

3 MW鼠籠式發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

2 工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程中以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系列中的 3 MW繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)為參照進(jìn)行3 MW鼠籠式發(fā)電機(jī)的方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中吸收原有成功經(jīng)驗(yàn)并針對(duì)現(xiàn)有問題進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 整體設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)機(jī)座采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)機(jī)座的鋼性，冷卻器布置在發(fā)電機(jī)頂部，出線盒在發(fā)電機(jī)側(cè)面，出線均采用填料函引出。發(fā)電機(jī)為單軸伸，采用二個(gè)6338M/C3滾動(dòng)軸承，軸承絕緣采用絕緣端蓋，潤(rùn)滑方式采用脂潤(rùn)滑。

2.2 機(jī)座

發(fā)電機(jī)機(jī)座采用整體式鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由軸向排列的四塊厚鋼板與徑向圓周排列的八塊厚鋼板焊接而成。

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借鑒 3 MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)座進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)后續(xù)溫度場(chǎng)分析在機(jī)座上增加了背部通風(fēng)，機(jī)座上開有通風(fēng)窗口，與冷卻器聯(lián)接。

2.3 端蓋

采用絕緣端蓋，并根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，增加軸伸端接地刷碳，可更有效的防止軸承發(fā)生電腐蝕的現(xiàn)象。

2.4 定子

2.4.1 定子鐵心

定子鐵心是整圓硅鋼片沖制，由扣片、通風(fēng)槽板和壓圈等零部件組成。定子沖片采用50W的W600冷軋硅鋼板，沖片沖出16扣片槽，先將沖片全部疊壓后扭斜，用扣片拉緊焊牢，疊壓時(shí)沿軸向分成數(shù)個(gè)疊片段，段間放置導(dǎo)風(fēng)片，形成徑向通風(fēng)溝。

2.4.2 定子繞組

定子繞組為雙疊繞組，線圈設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，如達(dá)到要求尺寸，則線圈間隙為 4 mm，相互串聯(lián)的線圈間連接用并頭套，線圈組與導(dǎo)電環(huán)間用銀銅焊，在爬電距離不夠的地方半疊包云母帶兩層、半疊包玻璃絲帶兩層。端部則分別采用玻璃絲芯滌綸套管和空心滌綸套管將繞組與固定件和端箍等綁牢，后再經(jīng)真空整體壓力浸漆，使繞組端部具有足夠的強(qiáng)度和剛度，匯流排之間有專門的夾板相互隔離。既保證了電氣絕緣強(qiáng)度，又滿足電機(jī)三倍過載狀態(tài)時(shí)的繞組端部受力不至于損壞的要求。

2.5 轉(zhuǎn)子

2.5.1 轉(zhuǎn)子總體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、轉(zhuǎn)子端環(huán)等零部件組成，轉(zhuǎn)軸參照3 MW繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并根據(jù)以前生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，先對(duì)轉(zhuǎn)軸單獨(dú)去重校動(dòng)平衡，要求為G1.0，避免轉(zhuǎn)軸不平衡量過大造成轉(zhuǎn)子校動(dòng)平衡困難。

2.5.2 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條

轉(zhuǎn)子短路方式參照我公司以前生產(chǎn)的小功率鼠籠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的短路方法采用銅端環(huán)。該方法安裝方便，固定簡(jiǎn)單。

2.6 軸承結(jié)構(gòu)

軸承結(jié)構(gòu)按我公司3MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，原軸承型號(hào)為6338/C3,在此次設(shè)計(jì)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子重量減小，考慮將軸承型號(hào)改為6336/C3。經(jīng)計(jì)算，6336/C3軸承滿足使用要求，但6338/C3具有更高的可靠性，考慮到端蓋能與3 MW繞線式雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)通用，將軸承型號(hào)定為6338/C3。

3 流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析

3.1 風(fēng)路設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)風(fēng)路采用空水冷形式。利用閉式循環(huán)、雙邊進(jìn)風(fēng)的軸徑向通風(fēng)系統(tǒng)。冷卻空氣經(jīng)離心風(fēng)扇分三路吸入電機(jī)內(nèi)部，一路經(jīng)氣隙，進(jìn)入定子鐵心徑向風(fēng)溝，再進(jìn)入機(jī)殼與鐵心的空檔出風(fēng)；另一路通過轉(zhuǎn)子焊筋軸中間通風(fēng)孔，經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心徑向風(fēng)溝、氣隙再進(jìn)入定子鐵心徑向通風(fēng)溝，再經(jīng)機(jī)殼與鐵心的空檔出風(fēng)；第三路過定子繞組端部，進(jìn)入機(jī)殼與鐵心的空擋出風(fēng)，這三路風(fēng)匯合后，經(jīng)電機(jī)機(jī)座上面的冷卻器冷卻，再進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，形成閉式循環(huán)。

3.2 流固耦合仿真邊界條件

采用流固耦合計(jì)算方法，在Fluent仿真軟件平臺(tái)上對(duì)3 MW鼠籠轉(zhuǎn)子異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在圓周方向的周期對(duì)稱性和軸向?qū)ΨQ性，取電機(jī)軸向一半，周向1/6作為仿真區(qū)域。仿真邊界條件設(shè)定如下：1)入口空氣溫度：設(shè)定的發(fā)電機(jī)入口空氣溫度 45℃。2)入口空氣流速：根據(jù)發(fā)電機(jī)總風(fēng)量（單邊風(fēng)量為 2.5 m3/s）和進(jìn)口流通面積計(jì)算得到為8.48 m/s。

3.3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

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電機(jī)各部分溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)見表3。

經(jīng)溫度場(chǎng)計(jì)算，在入口空氣45℃、三路通風(fēng)的情況下，電機(jī)的最高溫度出現(xiàn)在定子繞組上，其最高溫度為111.3℃，滿足溫升考核要求。

4 結(jié)語

鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)與繞線式雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本相似，但其對(duì)比之下又具有較多優(yōu)勢(shì)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)，且不帶滑環(huán)，降低的電機(jī)制造成本并減少了故障點(diǎn)。本文根據(jù)我公司在繞線式雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行方案及工程設(shè)計(jì)，改進(jìn)了導(dǎo)致雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行中易發(fā)生故障的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其溫度場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果符合電機(jī)溫升考核要求。

通過樣機(jī)試制及試驗(yàn)結(jié)果來看，鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)能達(dá)到現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)主力機(jī)型的性能指標(biāo)，并具有自身的優(yōu)勢(shì)，在未來風(fēng)電發(fā)展中，具備較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。尤其在環(huán)境惡劣，難以定期維護(hù)的海上，可優(yōu)先考慮使用免維護(hù)的變頻鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

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