常见风力发电机的类型、故障与维护

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  近年来,随着风电装机容量的不断增加,风力发电机的重要性越来越明显。本文从风力发电机的主流类型着手,对机组结构性能进行比较分析。重点介绍了发电机的工作原理、冷却系统、常见故障及处理方法等,希望对大家有所帮助。

  目前,我国市场上风力发电机的主流机型有双馈异步风力发电机和永磁直驱风力发电机两种。二者运行原理不同,所以在结构性能、生产成本和故障情况方面都各有不同。下面一张表可以看懂两种机型的异同:

  

  双馈机组与永磁直驱机组结构性能比较

  我们知道,风力发电机的工作原理简单地说,就是通过风轮在风力的作用下旋转,把风的动能转变为风轮轴的机械能,从而带动发电机发电,发电机再把机械能转换成电能。

  

  那么发电机到底是怎么工作的呢?下面先以双馈机组为例进行原理介绍:

  

  

  

  我们先来回顾一下高中物理中的电磁感应原理。

  

  发电机是根据电磁感应原理来发电的,发电机首先要有磁场,现在用一对磁铁来产生发电机的磁场,磁力线从北极到南极。在磁场内放入矩形线圈,线圈两端通向两个滑环,滑环通过电刷连接到输出线上,输出线端连有负载电阻。

  当线圈旋转时,根据电磁感应原理,线圈两端将会产生感应电动势;当矩形线圈在均匀的磁场中匀速旋转时,感应电势按正弦规律变化,在负载电阻上有正弦交流电通过。

  在这个模型中磁场是不动的,线圈在磁场中旋转产生感应电势。在实际发电机中产生感应电势的线圈是不运动的,运动的是磁场。产生磁场的是一个可旋转的磁铁,也就是转子,线圈在磁铁外围,与磁铁转轴同一平面。当磁铁旋转时产生旋转磁场,线圈切割磁力线产生感应电动势。

  由于空气的磁导率太低,在旋转磁铁的外围安上环型铁芯,也就是定子,可大大加强磁铁的磁感应强度。在定子铁芯的内圆有一对槽,线圈嵌装在槽内。当磁铁旋转时,线圈切割磁力线感生交流电流。

  是不是想起了当初被高中物理支配的恐惧?不要急,下面会让你感到眩晕。

  

  

  实际应用的都是三相交流发电机,其定子铁芯的内圆均匀分布着6个槽,嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈,分别称之为A相线圈、B相线圈、C相线圈。装上转子就组成了一台三相交流发电机原理模型。图中的三相交流发电机采用星形接法,三个线圈的公共点引出线是中性线,每个线圈的引出线是相线。

  当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线,都会感生交流电动势,其幅度与频率相同。由于三个线圈相互间隔120度,它们感应电势的相位也相差120度。在画面上有每根相线的输出电势波形。

  

  双馈式变速恒频风力发电系统在实际运行中的发电机所使用的转子为交流励磁双馈发电机,这种发电机结构与绕线式异步发电机结构基本一致,发电机内部定转子三相对称,发电机在产生电流之后转子跟随电流与滑环相接触。转子在转动过程中如果速度发生了改变,同时对于功率没有任何需求的情况下,可以通过变频器对于转子电流方向及频率等参数进行调整,进而保证定子实际运行速度能够稳定,不需要功率进行调整。

  正是由于这种变速恒频控制形式在发电机内应用,转子在发电机中运行功率主要是由发电机转速来控制。转子运输转差也由发电机所决定,转差功率也是转子额定功率中的主要组成部分,因此发电机中的双向变频器仅仅是一个小部分,运行所需要的功率仅仅占据发电机四分之一左右。

  

  交流励磁双馈发电机这种控制措施在实际应用中,不仅仅能够对转子进行变速恒频控制,还能够降低变频器对于功率的需要,保证在任何功率状态下都能够灵活运行控制,其对于电网稳定运行具有重要作用。

  

  发电机正常运行离不开其冷却系统的散热功能。发电机散热方式一般分为空空冷却和空水冷却两种。定子绕组每相2个PT100测温元件(一用一备),冷却器进出风口空气温度2个PT100,发电机轴承驱动端、非驱动端各1个PT100。发电机温度测点中,不同机组的出口温度测点个数可能不同。

  

  

  

  风冷系统的工作原理为:发电机上部有通风管道,发电机内部空气不与外部进行循环,发电机外部风扇鼓风使空气通过通风管道将机壳热量带走,从而达到冷却的目的。

  水冷系统的工作原理为:冷却液从发热部件吸热,在低温环境内释放热量是一个热量转移的过程。水泵将管路冷却液送入散热器,散热器把热量散掉后将水送回水冷系统,再次进入水泵进行下一环节。

  

  

  

  

  

  经常性检查:

  发电机与原动机安装固定是否良好,运行是否有异常响声,振动是否超标;

  各可见紧固件和接线螺栓的螺母是否紧固,引出线绝缘是否良好,外部电气连接是否可靠;

  检查接地线。

  定子绕组绝缘电阻测量:

  每半年至一年检查一次定子绕组绝缘电阻。

  轴承的维护、保养及更换:

  发电机在风场安装并网前,每端轴承加注油脂,加注的油脂牌号应正确。

  加油人员不得用手直接接触油脂,防止污染,水汽、灰尘等杂质一旦进入轴承,对轴承寿命影响很大。

  滑环的维护、保养及更换碳刷:

  滑环室及碳灰手机盒必须定期清理表面及周围的碳灰,约半年清理一次。

  碳刷设有自动磨损报警装置,另外巡检人员必须定期检查碳刷及其恒压弹簧,以便及时更换碳刷,保证碳刷与滑环的接触可靠。

  加热器的开启与关闭:

  当发电机停机时间较长,环境湿度较大,环境温度较低时,开启加热器。

  绕组绝缘电阻低于国家标准(10MΩ)时,需要开启电机内加热器。

  当环境温度低于10℃时,滑环加热器通电开启,电机运行2h后可关闭。

  建议每半年至一年检查一次加热器。

  发电机冷却系统维护:

  风冷系统定期检查散热风扇是否正常工作等。

  定期检查散热器过滤棉污损或破损程度,视情况及时清理或更换。

  水冷系统定期检查冷却液是否泄漏,冷却液参数(压力、温度、流量等)是否正常,液体是否变质等。

  检修:

  新机投运一年后必须进行全面检查;

  小修间隔一年,大修间隔四年。

  

  

  在风电场日常工作中发电机若出现异常情况,运行人员不妨对照文章列出的发电机常见故障类型,分析査找故障原因,采取正确的方法及时进行处理,做好发电机的检查、 维护、保养及更换工作。

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