大功率鼠籠異步海上風力發(fā)電機電磁與溫度特性分析

段志強，逯佳寧，何慶峰，項 尚

(1.中車永濟電機有限公司，西安710016；2.西安中車永電捷力風能有限公司，西安710018)

0 引 言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和資源保護日益被重視，風能作為一種清潔能源逐漸受到世界各國的關注。據(jù)統(tǒng)計，世界風能總量約為2.74×109MW，其中可供人類開發(fā)的風能約為2×107MW。而我國可開發(fā)風能潛力亦十分巨大[1-2]，特別是5～25 m的近海區(qū)域，海拔50 m高度處風電機組裝機量可達2×108kW，海拔70 m高度處風電機組裝機量可達5×108kW。相比陸上，海上具有風能資源豐富、單機容量高及噪聲影響小等優(yōu)點，逐漸成為風電領域關注的焦點。

目前，海上風電建設和維護成本高，可用于維護工作時間窗口期短等特殊的應用環(huán)境嚴重制約了海上風電的發(fā)展。針對海上風電發(fā)展中暴露出的問題，采用單機大容量機組可有效降低整機成本，并充分考慮機組可靠性和可維護性以降低后期維護成本。鼠籠異步發(fā)電機因為結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠、使用壽命長、維護方便和適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，成為海上大功率風力發(fā)電機的優(yōu)選解決方案之一[3]。對于大功率籠型異步發(fā)電機，良好的的溫度特性是發(fā)電機能夠穩(wěn)定運行的基礎。文獻[4]以軸向和徑向混合通風結(jié)構(gòu)的4.25 MW籠型異步發(fā)電機作為分析對象，重點研究了發(fā)電機工作時通風流量和溫度分布等傳熱特性，結(jié)果表明良好的冷卻系統(tǒng)及準確的溫度預測對發(fā)電機的穩(wěn)定運行至關重要。文獻[5]針對鼠籠異步發(fā)電機損耗大和溫升高問題展開了分析，根據(jù)電磁力徑向力波確定磁性槽楔的選用，改變轉(zhuǎn)子軸向通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化電機溫升問題。文獻[6-9]對鼠籠異步發(fā)電機的穩(wěn)定運行和功率輸出進行了控制策略的研究。

通過以上國內(nèi)外文獻可知，針對適用于海上運行的大功率鼠籠異步發(fā)電機，其電磁設計特點和冷卻系統(tǒng)等相關研究的文獻尚存在不足。本文以一臺6.1 MW海上籠型異步發(fā)電機作為研究對象，進行了電磁設計與冷卻系統(tǒng)分析。對所設計方案的負載電磁特性進行了有限元分析，同時根據(jù)流體力學理論提出了外部空冷和內(nèi)部風冷相結(jié)合的冷卻方案，在Ansys Maxwell中通過建立3D有限元模型對溫度特性進行了分析，并設計了一臺6.1 MW樣機，通過例行試驗、型式試驗及與變頻器進行聯(lián)調(diào)試驗，驗證了有限元分析的合理性，為海上大功率籠型異步發(fā)電機的產(chǎn)業(yè)化提供了有效的支撐。

1 發(fā)電機設計方案

為便于研究大型鼠籠異步發(fā)電機電磁特性和溫度特性，本文設計了一臺3相4極6.1 MW的鼠籠異步發(fā)電機。該電機由風輪、增速箱通過聯(lián)軸器驅(qū)動，定子通過全功率變頻器控制向電網(wǎng)饋電。6.1 MW鼠籠異步風力發(fā)電機的具體參數(shù)如表1所示。該電機的額定轉(zhuǎn)速為1647 r/min，定子額定電壓1140 V，定子額定電流3120 A，電機為三相四極電機，氣隙小于5 mm，同時采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片。

表1 鼠籠異步發(fā)電機的具體參數(shù)

2 電磁特性分析

成型線圈定型后尺寸不易發(fā)生改變，由于附加絕緣材料，使其絕緣強度高于散繞線圈。考慮到成型線圈的電氣性能和工藝技術(shù)，風力發(fā)電機的定子繞組基本都采用成型繞組，因此本文籠型異步發(fā)電機的定子線圈采用成型繞組。定子槽型的選型同樣影響電機性能，通常閉口槽漏抗較大、啟動轉(zhuǎn)矩和空載因數(shù)低，繞組絕緣包扎和嵌線工藝較為復雜，大型電機槽型通常選用開口槽或半開口槽。本文對定子開口槽和半開口槽的參數(shù)進行對比，如表2所示，可以看出半開口槽相比開口槽的槽口減小，其齒部對主磁通磁阻小，勵磁電流降低，使其空載電流降低19.77%，功率因數(shù)提高1.22%，效率提高0.0133%。

表2 定子開口槽與半開口槽的參數(shù)對比

綜合考慮定子繞組成型線圈的嵌線工藝需求和為滿足鼠籠異步發(fā)電機的性能要求，該發(fā)電機的定子槽型采用半開口槽，其槽型如圖1所示。

圖1 定子半開口槽型

為了獲得所設計鼠籠異步發(fā)電機的電磁特性，本文在電磁場仿真軟件中建立了發(fā)電機的2D有限元模型。在建模時假設：

(1)忽略發(fā)電機機殼外磁場；

(2)忽略集膚效應對導體上電流密度影響，假設其呈均勻分布；

(3)不考慮磁滯效應對鐵心渦流效應的影響[10]；

(4)假設發(fā)電機鐵心的軸向方向為無限長，磁場方向垂直于軸向。

通過有限元分析可以得到鼠籠異步發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子磁通密度分布如圖2所示。通過圖中分析可以知道，定子的齒部磁密Bis約為1.5 T，定子的軛部磁密Bfs約為1.6T，轉(zhuǎn)子的齒部磁密Bir約為1.2 T，轉(zhuǎn)子的軛部磁密Bfr約為0.7 T，均低于鐵心的磁通飽和密度1.9 T。

圖2 負載磁密云圖

氣隙磁密波形如圖3所示，基波最大磁密為0.79 T。定子齒部磁密曲線如圖4所示，最大磁密為1.56 T。轉(zhuǎn)子齒部磁密曲線如圖5所示，磁密最大值為1.33 T。

圖3 氣隙磁密波形圖

圖4 定子齒部磁密曲線

圖5 轉(zhuǎn)子齒部磁密曲線

同時，建立2D有限元模型，分析了在額定負載條件下籠型異步發(fā)電機的損耗和效率，如表3所示。從表3中可以看出，銅耗占總損耗的25%以上，鐵心損耗所占的總損耗比例約為24%，考慮變頻器的影響，附加損耗占總損耗的比例最大，約為52%。本電機的總損耗為145.51 kW，效率為97.66%。

表3 額定工況下運行的損耗分布

發(fā)電機空載仿真實驗中空載感應電勢U0為1126.7 V，如圖6所示。圖中波形比較光滑，無明顯鋸齒現(xiàn)象，說明諧波分量較小。

圖6 空載感應電勢

3 冷卻系統(tǒng)設計及溫度場分析

大功率籠型異步發(fā)電機功率密度高、損耗大，為了使定轉(zhuǎn)子保持理想的工作溫度，本文設計了電機上部安裝空空冷卻器結(jié)合轉(zhuǎn)子上安裝混流內(nèi)風扇的冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)包含2個通風結(jié)構(gòu)，一個是如圖7(a)所示的轉(zhuǎn)子上混流風扇，主要在轉(zhuǎn)子軸向上進行流動散熱；另一個是如圖7(b)所示的發(fā)電機頂部空空冷卻器，冷卻器無頂驅(qū)，采用雙路循環(huán)徑向通風結(jié)構(gòu)，頂部空冷器由機艙外直接進風，完成內(nèi)部熱交換后通過出風道排除機艙外?？傮w設計方案如圖7(c)所示。

圖7 冷卻方案

冷卻系統(tǒng)工作時，風在發(fā)電機內(nèi)部進行冷卻時呈現(xiàn)為湍流風特性，空氣從進風口的冷風到出風口的熱風這一過程滿足能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，可得湍流風的數(shù)學模型為

(1)

(2)

式中，ρ為空氣密度；ε為單位質(zhì)量的空氣湍流時脈動動能的耗散率；t為時間；vk為單位質(zhì)量的空氣速度矢量；η、ηt依次為空氣黏性系數(shù)、湍流黏性系數(shù)；σk、σε為常數(shù)，通常分別取1、1.3；c1、c2為常數(shù)，通常c1≈1.44、c2≈1.92；k為單位質(zhì)量的空氣湍流時脈動動能；X為空間直角坐標系下x軸；i、j、k依次為x、y、z三個方向的矢量方向。

在保證計算精度、計算耗時及穩(wěn)定性的前提下，考慮發(fā)電機的運行工況，根據(jù)發(fā)電機的工作特性，邊界條件設置如下：

(1)由于發(fā)電機的工作位置在海拔1000 m以下的海上，空冷器進風直接為機艙外的海上空氣，其環(huán)境溫度為50℃；

(2)空冷器一次側(cè)總質(zhì)量流量為3.6 kg/s，二次側(cè)流量為8.1 m3/s；

(3)電機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1647 r/min；

(4)銅耗和鐵耗分別選用表3所示的電磁損耗結(jié)果。

圖8為發(fā)電機整機截面溫度場圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機高溫主要集中在定子繞組、定子鐵心、轉(zhuǎn)子導條和鐵心中部偏非傳動端位置處。

圖8 整機截面溫度場

圖9為定子鐵心溫度分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn)最高溫度位于定子鐵心2號至8號徑向通風槽之間，最低溫度位于定子鐵心17號至18號徑向通風槽之間。

圖9 定子鐵心溫度

圖10為定子繞組溫度分布，從定子繞組溫度分布上可以發(fā)現(xiàn)定子繞組兩端溫度低，槽內(nèi)繞組部分溫度高且呈梯度變化，與定子鐵心溫度變化規(guī)律相同。表明兩端散熱條件較好，其溫度低于槽內(nèi)繞組部分溫度。

圖10 定子繞組溫度

對比圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，定子繞組最高溫度低于相對應的定子鐵心最高溫度，最低溫度高于相對應的定子鐵心溫度。表明由于材料不同使繞組和鐵心導熱系數(shù)不同，定子鐵心疊片組間相互獨立，通過通風槽在徑向方向上進行散熱。

經(jīng)過統(tǒng)計得到表4所示的電機各區(qū)域位置的主要溫度分布結(jié)果。從表中可以知道，定子繞組的最高溫度為122.3℃，溫升最大值72 K；定子鐵心的最高溫度126.9℃，溫升最大值77 K；轉(zhuǎn)子導條的最高溫度119.6℃，溫升最大值70 K；轉(zhuǎn)子鐵心的最高溫度120.2℃，溫升最大值70 K。從仿真計算數(shù)據(jù)結(jié)果可知定子溫升不超過100 K，定子和轉(zhuǎn)子R電阻法溫升不超過90 K，預估溫升不超過80 K，電機各部分溫升均能滿足設計要求。

表4 電機各部分溫度分布

4 實驗分析

以上述分析為依托，設計的6.1 MW鼠籠異步發(fā)電機樣機如圖11所示。發(fā)電機由拖動機拖動，變頻器供電進行實驗，利用功率分析儀測得樣機的電磁性能參數(shù)，如表5所示。

圖11 鼠籠異步發(fā)電機樣機

表5 發(fā)電機試驗參數(shù)

經(jīng)測得試驗數(shù)據(jù)符合有限元分析結(jié)果。樣機實驗中電磁特性數(shù)據(jù)和溫度特性數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果基本吻合。樣機實驗測試結(jié)果表明，本文對大功率鼠籠異步發(fā)電機的設計符合實際應用的需求，且所設計的樣機具有良好的電磁特性和溫度特性。

5 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有海上籠型異步發(fā)電機功率密度低的問題，提出了一種適用于海上的6.1 MW大功率鼠籠異步發(fā)電機，介紹了發(fā)電機的基本設計方案，對其進行了電磁特性分析和溫度特性分析。根據(jù)仿真分析和計算結(jié)果設計了一臺6.1 MW的鼠籠異步發(fā)電機樣機，通過拖動實驗驗證了前期的電磁和溫度特性分析結(jié)果，并得到以下結(jié)論：

(1)定子槽型將開口槽調(diào)整為半開口槽的設計，使定子鐵心齒部對主磁通磁阻減小，勵磁電流減小，可有效降低空載電流且使功率因數(shù)提高了1.22%，提高了發(fā)電機的電能輸出質(zhì)量。

(2)對于大功率籠型空空冷異步發(fā)電機，采用空空冷卻器和內(nèi)部轉(zhuǎn)子上安裝的混流風扇的冷卻方案，可滿足電機一、二次風路所需的冷卻空氣流量，可以使發(fā)電機的溫升保持在一個合理的溫升范圍，從而實現(xiàn)了大功率籠型異步發(fā)電機在海上高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行

(3)本文采用的雙路對稱的徑向通風結(jié)構(gòu)，根據(jù)試驗結(jié)果來看，電機兩端進風溫度溫度差值為12℃，兩端軸承溫度差值為9℃，避免了非傳動端軸承受冷卻空氣影響導致溫升過高的風險。