雙速電機在并網型風力發電機組中的應用

楊建軍

摘 要：本文主要以單繞組雙速電機為例介紹了風力發電機組中雙速電機的繞組連結方式，基本控制電路并結合實際應用提出一些日常使用中應該注意的問題。

關鍵詞：雙速電機 風力發電機組 加熱帶 可利用率

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0111-02

并網前后都需要電網支持的并網型兆瓦級風力發電機組已經成為目前風力發電組的發展趨勢。兆瓦級以下機組通過三相異步鼠籠電機帶動油泵給齒輪箱冷卻潤滑。但是兆瓦級以上機組用此種方法已經無法滿足齒輪箱正常運轉。為此我們使用雙速電機帶動油泵加速齒輪箱油的循環以及使齒輪箱油經過油冷卻器強制風冷[1]。

1 雙速電機的使用

風力發電機組通過齒輪箱將葉輪的低轉速高扭矩轉換為高轉速低扭矩，帶動發電機發電。雙速電機主要應用在齒輪箱的油泵與油冷卻器上作為動力源，如圖1所示。雙速電機屬于異步電動機變極調速，在結構上定子槽內嵌有兩個不同極對數的共有繞組，通過外部控制線路的切換來改變電機定子繞組的接線方式來實現變更磁極對數，從而改變電動機的轉速[2]。

雙速電機首先用在油泵上，帶動油泵使得齒輪箱中的油不斷的循環；但長時間的機組運行使得油溫居高不下，為了使齒輪箱油溫迅速下降以便更好的冷卻與潤滑齒輪本身，就要在油循環過程中增加油冷卻器，通過雙速電機帶動風扇對通過冷卻器中的油降溫。油泵電機與油冷卻器電機控制過程基本一樣，唯一不同的就是它的運行條件。

在風力發電機組中雙速電機速度變化是以△連接換為YY連接為主，主要是因為電機功率在3KW以上。我們主要以油冷卻電機為主說明的它的控制過程。電機主回路采用電機保護專用小型斷路器以此省去熱繼電器，它具有過載，短路，過流保護以及額定電流可調功能。閉合主回路斷路器，當齒輪箱油溫達到45℃以上，控制系統PLC給出一個指令通過繼電器控制交流接觸器的線圈，接觸器主觸點閉合，如圖2所示U1，V1，W1 接入三相電源，電機在三角形連接下低速運行。

由于風力發電機組的持續滿負荷運行使得油溫持續上升，當油溫大于等于60℃時，控制系統PLC發出指令通過繼電器使第二個交流接觸器將電機定子線圈的三個抽頭短接在一起，如圖2所示U2，V2，W2三個抽頭短接在一起，電機的連接方式變為雙YY連接，極對數P變為三角形連接時的1/2，根據轉速公式可知轉速為原來的2倍，因此電機在高速運轉[3]。

風力發電機組作為一大型的發電系統，它的控制過程與一些工程實際中的雙速電機控制有一些差別，交流接觸器的動作主要靠PLC的邏輯運算，運用24V直流電通過繼電器控制交流接觸器的線圈并非啟動按鈕。

齒輪箱油冷卻電機的控制過程與油泵電機基本一樣，唯一區別的就是邏輯條件，當發電機轉速達到300 rpm時，電機繞組在△連接下低速運轉；當齒輪箱油溫達到35℃時，電機繞組變為YY方式高速運轉。

風力發電機組的油泵電機與油冷卻器電機主要起冷卻與潤滑作用，所帶的負載分別是油泵和風扇屬于恒轉矩調速，采用鼠籠式異步電機，控制電路簡單易維修成本低，無附加差基損耗，效率高[4]。

2 安裝地點的影響

風力發電機組一般安裝在沿海或北方寒冷的高原地帶，電機處于這種環境容易結露、結霜，造成電機絕緣性能下降，易使電機損壞。雖然電機均選用IP55的防護等級，仍然在環繞電機的定子繞組驅動端部安裝防潮加熱帶對電機整體加熱，使電機繞組的溫度始終高于環境溫度5 ℃以上，保護電機軸承。一般選用25 W或40 W的加熱帶，加熱帶的工作是通過PLC控制系統程序控制繼電器的通斷來實現的，主要在長時間停機以及電機工作環境的溫度濕度條件決定的。

在風力發電機組中油冷卻電機以及油泵電機的運行邏輯條件會根據風力風電機組的容量安裝地點的不同有所差異。比如以內蒙古這種高海拔風資源豐富的高寒地區，風能利用小時數高于其他地區，油冷卻電機和油泵電機采用雙速電機以保證齒輪箱以最佳工況運行。在南方地區雖然年平均氣溫比較高，但風能年利用小時數低，油冷卻電機及油泵電機△連接方式即低速運轉。如果機組容量在2 MW及以上且安裝在風能利用小時數高地區，單獨一個油冷卻器仍然無法迅速降溫，可以采用兩個油冷卻器串聯，由兩個電機對其降溫處理。

3 日常維護

根據風場一年中齒輪箱油泵及油冷卻系統故障類型統計如表1所示，在實際應用中我們需要注意以下幾點。

（1）定期維護時我們應該檢查電機的固定情況以及通過控制系統給其指令檢查其運轉情況，電機轉向聲音是否正常，防患于未然。

（2）電機出現故障大多數是因為后端蓋軸承缺油導致轉子掃膛，定期檢查轉子軸承固定情況并及時添加潤滑油。

（3）在調試階段，最好對該風場該機型雙速電機接線情況檢查一下，確定是否雙速都接，設計時都是采用雙速電機，但因各地環境差異導致接線方式不一樣，主要是以控制系統PLC程序為主；曾經在南方某風場在臺風前夕，風機一直報齒輪箱油壓低故障，油冷卻器電機只接低速，油溫太高，潤滑油比較稀，通過油管的油壓低于設定值機組一直報故障；當將油冷卻電機改為高速運轉不久故障消除。這種臺風過境下情況是很少見的，所以當時PLC程序設計時未考慮這一特殊情況導致這一故障發生，作為現場運維人員必須了解并記錄這一特殊情況。

（4）雙速電機更換時一定要對新電機軸承的固定運轉及電機轉向做一檢查，高低速不能接反，因為有時在低風速下風力發電機組欠功率運行齒輪箱油溫上升慢，即使接反有可能也不會報故障，但在高風速時就會出現油溫高的停機故障，影響發電量。

（5）做好故障電機統計工作建立設備檔案，對于電機存在的批次問題可以高效地解決，對新問題可以及時發現早作預警，提高風機可利用率。

4 結論

雙速電機在兆瓦級風力發電機組中的應用主要是隨著風力發電機組容量增加導致齒輪箱變比提高而產生的，雖然它的控制過程相對簡單，但其作用不容忽視，正確及時的維護對提高風電機組可利用率意義重大。

參考文獻

[1] [美]Ahmad Hemami，著.風力發電機組技術與應用[M].張春朋，譯.北京：機械工業出版社，2013：152-153.

[2] 李發海，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2012：298-299.

[3] 萬芳瑛.電機拖動與控制設計[M].北京：北京大學出版社，2013：87-88.

[4] 戴文進，肖倩華.電機與電力拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2012：159.endprint

摘 要：本文主要以單繞組雙速電機為例介紹了風力發電機組中雙速電機的繞組連結方式，基本控制電路并結合實際應用提出一些日常使用中應該注意的問題。

關鍵詞：雙速電機 風力發電機組 加熱帶 可利用率

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0111-02

并網前后都需要電網支持的并網型兆瓦級風力發電機組已經成為目前風力發電組的發展趨勢。兆瓦級以下機組通過三相異步鼠籠電機帶動油泵給齒輪箱冷卻潤滑。但是兆瓦級以上機組用此種方法已經無法滿足齒輪箱正常運轉。為此我們使用雙速電機帶動油泵加速齒輪箱油的循環以及使齒輪箱油經過油冷卻器強制風冷[1]。

1 雙速電機的使用

風力發電機組通過齒輪箱將葉輪的低轉速高扭矩轉換為高轉速低扭矩，帶動發電機發電。雙速電機主要應用在齒輪箱的油泵與油冷卻器上作為動力源，如圖1所示。雙速電機屬于異步電動機變極調速，在結構上定子槽內嵌有兩個不同極對數的共有繞組，通過外部控制線路的切換來改變電機定子繞組的接線方式來實現變更磁極對數，從而改變電動機的轉速[2]。

雙速電機首先用在油泵上，帶動油泵使得齒輪箱中的油不斷的循環；但長時間的機組運行使得油溫居高不下，為了使齒輪箱油溫迅速下降以便更好的冷卻與潤滑齒輪本身，就要在油循環過程中增加油冷卻器，通過雙速電機帶動風扇對通過冷卻器中的油降溫。油泵電機與油冷卻器電機控制過程基本一樣，唯一不同的就是它的運行條件。

在風力發電機組中雙速電機速度變化是以△連接換為YY連接為主，主要是因為電機功率在3KW以上。我們主要以油冷卻電機為主說明的它的控制過程。電機主回路采用電機保護專用小型斷路器以此省去熱繼電器，它具有過載，短路，過流保護以及額定電流可調功能。閉合主回路斷路器，當齒輪箱油溫達到45℃以上，控制系統PLC給出一個指令通過繼電器控制交流接觸器的線圈，接觸器主觸點閉合，如圖2所示U1，V1，W1 接入三相電源，電機在三角形連接下低速運行。

由于風力發電機組的持續滿負荷運行使得油溫持續上升，當油溫大于等于60℃時，控制系統PLC發出指令通過繼電器使第二個交流接觸器將電機定子線圈的三個抽頭短接在一起，如圖2所示U2，V2，W2三個抽頭短接在一起，電機的連接方式變為雙YY連接，極對數P變為三角形連接時的1/2，根據轉速公式可知轉速為原來的2倍，因此電機在高速運轉[3]。

風力發電機組作為一大型的發電系統，它的控制過程與一些工程實際中的雙速電機控制有一些差別，交流接觸器的動作主要靠PLC的邏輯運算，運用24V直流電通過繼電器控制交流接觸器的線圈并非啟動按鈕。

齒輪箱油冷卻電機的控制過程與油泵電機基本一樣，唯一區別的就是邏輯條件，當發電機轉速達到300 rpm時，電機繞組在△連接下低速運轉；當齒輪箱油溫達到35℃時，電機繞組變為YY方式高速運轉。

風力發電機組的油泵電機與油冷卻器電機主要起冷卻與潤滑作用，所帶的負載分別是油泵和風扇屬于恒轉矩調速，采用鼠籠式異步電機，控制電路簡單易維修成本低，無附加差基損耗，效率高[4]。

2 安裝地點的影響

風力發電機組一般安裝在沿海或北方寒冷的高原地帶，電機處于這種環境容易結露、結霜，造成電機絕緣性能下降，易使電機損壞。雖然電機均選用IP55的防護等級，仍然在環繞電機的定子繞組驅動端部安裝防潮加熱帶對電機整體加熱，使電機繞組的溫度始終高于環境溫度5 ℃以上，保護電機軸承。一般選用25 W或40 W的加熱帶，加熱帶的工作是通過PLC控制系統程序控制繼電器的通斷來實現的，主要在長時間停機以及電機工作環境的溫度濕度條件決定的。

在風力發電機組中油冷卻電機以及油泵電機的運行邏輯條件會根據風力風電機組的容量安裝地點的不同有所差異。比如以內蒙古這種高海拔風資源豐富的高寒地區，風能利用小時數高于其他地區，油冷卻電機和油泵電機采用雙速電機以保證齒輪箱以最佳工況運行。在南方地區雖然年平均氣溫比較高，但風能年利用小時數低，油冷卻電機及油泵電機△連接方式即低速運轉。如果機組容量在2 MW及以上且安裝在風能利用小時數高地區，單獨一個油冷卻器仍然無法迅速降溫，可以采用兩個油冷卻器串聯，由兩個電機對其降溫處理。

3 日常維護

根據風場一年中齒輪箱油泵及油冷卻系統故障類型統計如表1所示，在實際應用中我們需要注意以下幾點。

（1）定期維護時我們應該檢查電機的固定情況以及通過控制系統給其指令檢查其運轉情況，電機轉向聲音是否正常，防患于未然。

（2）電機出現故障大多數是因為后端蓋軸承缺油導致轉子掃膛，定期檢查轉子軸承固定情況并及時添加潤滑油。

（3）在調試階段，最好對該風場該機型雙速電機接線情況檢查一下，確定是否雙速都接，設計時都是采用雙速電機，但因各地環境差異導致接線方式不一樣，主要是以控制系統PLC程序為主；曾經在南方某風場在臺風前夕，風機一直報齒輪箱油壓低故障，油冷卻器電機只接低速，油溫太高，潤滑油比較稀，通過油管的油壓低于設定值機組一直報故障；當將油冷卻電機改為高速運轉不久故障消除。這種臺風過境下情況是很少見的，所以當時PLC程序設計時未考慮這一特殊情況導致這一故障發生，作為現場運維人員必須了解并記錄這一特殊情況。

（4）雙速電機更換時一定要對新電機軸承的固定運轉及電機轉向做一檢查，高低速不能接反，因為有時在低風速下風力發電機組欠功率運行齒輪箱油溫上升慢，即使接反有可能也不會報故障，但在高風速時就會出現油溫高的停機故障，影響發電量。

（5）做好故障電機統計工作建立設備檔案，對于電機存在的批次問題可以高效地解決，對新問題可以及時發現早作預警，提高風機可利用率。

4 結論

雙速電機在兆瓦級風力發電機組中的應用主要是隨著風力發電機組容量增加導致齒輪箱變比提高而產生的，雖然它的控制過程相對簡單，但其作用不容忽視，正確及時的維護對提高風電機組可利用率意義重大。

參考文獻

[1] [美]Ahmad Hemami，著.風力發電機組技術與應用[M].張春朋，譯.北京：機械工業出版社，2013：152-153.

[2] 李發海，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2012：298-299.

[3] 萬芳瑛.電機拖動與控制設計[M].北京：北京大學出版社，2013：87-88.

[4] 戴文進，肖倩華.電機與電力拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2012：159.endprint

摘 要：本文主要以單繞組雙速電機為例介紹了風力發電機組中雙速電機的繞組連結方式，基本控制電路并結合實際應用提出一些日常使用中應該注意的問題。

關鍵詞：雙速電機 風力發電機組 加熱帶 可利用率

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（c）-0111-02

并網前后都需要電網支持的并網型兆瓦級風力發電機組已經成為目前風力發電組的發展趨勢。兆瓦級以下機組通過三相異步鼠籠電機帶動油泵給齒輪箱冷卻潤滑。但是兆瓦級以上機組用此種方法已經無法滿足齒輪箱正常運轉。為此我們使用雙速電機帶動油泵加速齒輪箱油的循環以及使齒輪箱油經過油冷卻器強制風冷[1]。

1 雙速電機的使用

風力發電機組通過齒輪箱將葉輪的低轉速高扭矩轉換為高轉速低扭矩，帶動發電機發電。雙速電機主要應用在齒輪箱的油泵與油冷卻器上作為動力源，如圖1所示。雙速電機屬于異步電動機變極調速，在結構上定子槽內嵌有兩個不同極對數的共有繞組，通過外部控制線路的切換來改變電機定子繞組的接線方式來實現變更磁極對數，從而改變電動機的轉速[2]。

雙速電機首先用在油泵上，帶動油泵使得齒輪箱中的油不斷的循環；但長時間的機組運行使得油溫居高不下，為了使齒輪箱油溫迅速下降以便更好的冷卻與潤滑齒輪本身，就要在油循環過程中增加油冷卻器，通過雙速電機帶動風扇對通過冷卻器中的油降溫。油泵電機與油冷卻器電機控制過程基本一樣，唯一不同的就是它的運行條件。

在風力發電機組中雙速電機速度變化是以△連接換為YY連接為主，主要是因為電機功率在3KW以上。我們主要以油冷卻電機為主說明的它的控制過程。電機主回路采用電機保護專用小型斷路器以此省去熱繼電器，它具有過載，短路，過流保護以及額定電流可調功能。閉合主回路斷路器，當齒輪箱油溫達到45℃以上，控制系統PLC給出一個指令通過繼電器控制交流接觸器的線圈，接觸器主觸點閉合，如圖2所示U1，V1，W1 接入三相電源，電機在三角形連接下低速運行。

由于風力發電機組的持續滿負荷運行使得油溫持續上升，當油溫大于等于60℃時，控制系統PLC發出指令通過繼電器使第二個交流接觸器將電機定子線圈的三個抽頭短接在一起，如圖2所示U2，V2，W2三個抽頭短接在一起，電機的連接方式變為雙YY連接，極對數P變為三角形連接時的1/2，根據轉速公式可知轉速為原來的2倍，因此電機在高速運轉[3]。

風力發電機組作為一大型的發電系統，它的控制過程與一些工程實際中的雙速電機控制有一些差別，交流接觸器的動作主要靠PLC的邏輯運算，運用24V直流電通過繼電器控制交流接觸器的線圈并非啟動按鈕。

齒輪箱油冷卻電機的控制過程與油泵電機基本一樣，唯一區別的就是邏輯條件，當發電機轉速達到300 rpm時，電機繞組在△連接下低速運轉；當齒輪箱油溫達到35℃時，電機繞組變為YY方式高速運轉。

風力發電機組的油泵電機與油冷卻器電機主要起冷卻與潤滑作用，所帶的負載分別是油泵和風扇屬于恒轉矩調速，采用鼠籠式異步電機，控制電路簡單易維修成本低，無附加差基損耗，效率高[4]。

2 安裝地點的影響

風力發電機組一般安裝在沿海或北方寒冷的高原地帶，電機處于這種環境容易結露、結霜，造成電機絕緣性能下降，易使電機損壞。雖然電機均選用IP55的防護等級，仍然在環繞電機的定子繞組驅動端部安裝防潮加熱帶對電機整體加熱，使電機繞組的溫度始終高于環境溫度5 ℃以上，保護電機軸承。一般選用25 W或40 W的加熱帶，加熱帶的工作是通過PLC控制系統程序控制繼電器的通斷來實現的，主要在長時間停機以及電機工作環境的溫度濕度條件決定的。

在風力發電機組中油冷卻電機以及油泵電機的運行邏輯條件會根據風力風電機組的容量安裝地點的不同有所差異。比如以內蒙古這種高海拔風資源豐富的高寒地區，風能利用小時數高于其他地區，油冷卻電機和油泵電機采用雙速電機以保證齒輪箱以最佳工況運行。在南方地區雖然年平均氣溫比較高，但風能年利用小時數低，油冷卻電機及油泵電機△連接方式即低速運轉。如果機組容量在2 MW及以上且安裝在風能利用小時數高地區，單獨一個油冷卻器仍然無法迅速降溫，可以采用兩個油冷卻器串聯，由兩個電機對其降溫處理。

3 日常維護

根據風場一年中齒輪箱油泵及油冷卻系統故障類型統計如表1所示，在實際應用中我們需要注意以下幾點。

（1）定期維護時我們應該檢查電機的固定情況以及通過控制系統給其指令檢查其運轉情況，電機轉向聲音是否正常，防患于未然。

（2）電機出現故障大多數是因為后端蓋軸承缺油導致轉子掃膛，定期檢查轉子軸承固定情況并及時添加潤滑油。

（3）在調試階段，最好對該風場該機型雙速電機接線情況檢查一下，確定是否雙速都接，設計時都是采用雙速電機，但因各地環境差異導致接線方式不一樣，主要是以控制系統PLC程序為主；曾經在南方某風場在臺風前夕，風機一直報齒輪箱油壓低故障，油冷卻器電機只接低速，油溫太高，潤滑油比較稀，通過油管的油壓低于設定值機組一直報故障；當將油冷卻電機改為高速運轉不久故障消除。這種臺風過境下情況是很少見的，所以當時PLC程序設計時未考慮這一特殊情況導致這一故障發生，作為現場運維人員必須了解并記錄這一特殊情況。

（4）雙速電機更換時一定要對新電機軸承的固定運轉及電機轉向做一檢查，高低速不能接反，因為有時在低風速下風力發電機組欠功率運行齒輪箱油溫上升慢，即使接反有可能也不會報故障，但在高風速時就會出現油溫高的停機故障，影響發電量。

（5）做好故障電機統計工作建立設備檔案，對于電機存在的批次問題可以高效地解決，對新問題可以及時發現早作預警，提高風機可利用率。

4 結論

雙速電機在兆瓦級風力發電機組中的應用主要是隨著風力發電機組容量增加導致齒輪箱變比提高而產生的，雖然它的控制過程相對簡單，但其作用不容忽視，正確及時的維護對提高風電機組可利用率意義重大。

參考文獻

[1] [美]Ahmad Hemami，著.風力發電機組技術與應用[M].張春朋，譯.北京：機械工業出版社，2013：152-153.

[2] 李發海，王巖.電機與拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2012：298-299.

[3] 萬芳瑛.電機拖動與控制設計[M].北京：北京大學出版社，2013：87-88.

[4] 戴文進，肖倩華.電機與電力拖動基礎[M].北京：清華大學出版社，2012：159.endprint