淺析MW級雙饋風力發電機軸承電壓成因

張勝男

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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淺析MW級雙饋風力發電機軸承電壓成因

張勝男

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

軸承電壓是指在軸承的徑向間隙中出現的電容耦合電壓，對于普通電機來說軸承電壓最初是由定子繞組的平均電位與接地的定子鐵心之間的交流電壓引起的，當電機以正弦電壓供電時，實際上軸承電壓是等于零的，而對于MW級雙饋異步風力發電機來說，卻有很大不同，不但成因與上述存在差異，而且其幅值大小及破壞力較上述亦高。同時側重分析了MW級雙饋異步風力發電機在正常運行時軸承電壓的成因，指出了其與普通變頻電機在此方面的區別。并在理論上提出了相應的解決方案，同時進行了實踐驗證。

風力發電機；軸電壓；軸電流；寄生電容；容抗

0　引言

軸承電壓是指在軸承的徑向間隙中出現的電容耦合電壓。軸承電壓最初是由定子繞組的平均電位與接地的定子鐵心之間的交流電壓引起的，當電機以正弦電壓供電時，實際上軸承電壓是等于零的，而采用變頻器供電時它則是固有的[2]。一般來說，電壓大小取決于定子繞組與轉子的電容，轉子與機座的電容和軸承本身的電容，本文從原理上分析了采用PWM提供勵磁的MW級雙饋風力發電機的軸電壓、軸電流成因及相較于普通變頻電機軸電壓、軸電流的區別，同時提出了相應的解決措施并進行了驗證。

1　普通變頻電機軸承電壓、軸承電流成因

經研究，產生電機軸電流的“經典原因”包括：(1)靜電聚集；(2)磁路不對稱。在異步電機中，設備內部的摩擦或設備現場周圍有較多的高壓設備，在強電場的作用下，會產生靜電效應，在轉軸的兩端產生軸電壓，如果沒有設置絕緣單元就會產生流過軸承的電流。該電流通過軸，經過其中的一個軸承，通過機座流過另一個軸承返回軸上。在不同的局部阻抗條件下，這個路徑還可能延伸到被驅動設備的基礎上。

目前，隨著變頻器的大量使用，電動機端子處的高頻共模電壓產生的共模電流所帶來的問題也日益嚴重。現代變頻器控制系統中，每一相信號都包含有高切換頻率的電壓脈沖，相似的電壓傳送特點在共模電壓和電機星點(中性點 )之間發生。如果上述電路中包含有電容，在相電壓V1傳送的每一時刻都會產生電流脈沖I=CdV1/dt。這些電流具有高頻特性，被稱作“dV/dt電流”，該電流會在軸、兩端軸承和機座的環路中流過。圖1 所示即為普通變頻電機系統變頻器感生電流的電路。

圖1中，CSF—定子繞組和機座之間的電容；CSR—定子繞組和轉子(軸)之間的電容；CRF—轉子軸和機座之間的電容，ZB1，ZB2—軸承總阻抗。

1　MW級雙饋風力發電機軸承電壓、軸承電流成因

MW級雙饋風力發電機同普通變頻電機最大的區別就是發電機有三相轉子繞組，而不是籠型導條。發電機的三相轉子繞組通過三個滑環與變頻器進行電氣連接，每一個滑環對應一相繞組；而定子三相繞組通過接線端子直接與主電網相連(鼠籠式變頻電機則是由變頻器為其三相定子供電，定子繞組并不與電網相連)。典型雙饋風力發電機系統見圖2。

三相轉子繞組由變頻器供電，同時根據空間矢量控制原理進行控制。變頻器包括兩個背靠背連接的全控電壓源型逆變器，依照實際轉子轉速以及對有、無功功率的要求，產生三相脈寬調制(PWM)電壓信號，對轉子的繞組施加寬度不同的正、負電壓。

2　普通變頻電機與雙饋風力發電機的區別

如圖3所示，發電機與電動機的差別僅在電路的上半部分。在雙饋發電機中，變頻器與電機轉子相連接，并以 PWM形式對轉子供電，感應出共模電壓；而定子繞組中僅有一個三相正弦電壓信號，共模電壓被抵消。因此，轉子繞組電壓和轉子繞組與轉子(軸)之間的電容CRWF就成了該結構中產生寄生電流的原因。在普通變頻電動機的系統中，變頻器為定子提供 PWM電壓，而其中的籠型繞組并沒有大電壓信號，因此定子繞組的電壓和定子繞組與轉子 (軸)之間的電容就會產生相應的寄生電流。

具體的說，對于雙饋發電機在相電壓V1的傳輸過程中，電流(IRWF=CRWFdV1/dt)從轉子經過寄生電容CRWF流到發電機機座；相應地，電流(IRWF=CRWFdV1/dt)從轉子繞組經過電容CRWF流向轉子(軸)，然后分流，一路經過CRF(IRF)，另外幾路經過電機軸承(IB1,IB2),這些電流與軸承的實際阻抗狀態相關，在轉子(軸)和電機機座之間產生高頻脈沖電壓信號VRF=VB1，2,并跨過軸承，如果兩端軸承潤滑充分，屬于電容狀態VB1，2就可進行如下估計(忽略VPE1,考慮純容性電壓分配,圖2中軸承的總阻抗ZB1,ZB2可以用軸承的電容CB1,CB2替代):VB1, 2/V1≈CRWR/CRWR+CRF+CB1+CB2[1]。

總電流(IPE1=IRWF+IRWR=IRWF+IRF)從機座經由PE線流回變頻器。根據VPE1=LPE1dIPE1/dt,跨過線上的固有電感LPE1即會產生一個電壓VPE1,電壓的峰值VPE1經過CRF與轉子(軸)耦合。

由于軸電流能量的大小與寄生電容值(或比率)機密相關。而這些電容值在不同類型的電機中各不相同，并且受到不同零部件幾何布置的影響，需要指出的是與定子供電的普通變頻電機相比，轉子供電的發電機軸上的共模電壓耦合電容會大很多，因而產生的寄生電流和相應的影響(如軸電壓和軸承失效)也更大。

3　解決措施

根據上述分析的原因可以看出，由于寄生電容的存在,雙饋發電機的軸電壓、軸電流是亦是必然存在的，而減小軸電壓、軸電流的措施，主要就是減小電機系統的寄生電容，增加系統的容抗與感抗。

式中，C—電容；f—頻率。

式中，ε—介電常數；S—極板正對導電面積；k—靜電力常量；d—極板間距離。

從公式上可以看出增大電機的容抗就是要減小寄生電容，減小頻率。在工程應用中，可以通過下列方式改變。

3.1增加轉子繞組的絕緣厚度

在保證散熱條件的情況下，可盡量增加轉子線圈的絕緣厚度，因厚度增加，即相當于轉子導條與鐵心之間的距離增加，繼而減小了寄生電容，增加了容抗。相應的，寄生電流亦會減小。

3.2改變定、轉子槽配合

如有些公司4極1.5M雙饋風力發電機采用72/96槽配合，轉子的每槽導體數為2，但有的公司的槽配合為72/60，轉子的每槽導體數為4，經計算，采用72/60槽配合的轉子繞組每相串聯導體數要高于72/96槽配合。由于感抗正比于每相串聯導體數，因此電機的容抗與感抗也相應的高于72/96槽配合。

3.3轉子斜槽

轉子斜槽后，經計算轉子的斜槽漏抗增加，總漏抗增加，轉子的感抗增加，其濾波能力相應增加。

3.4改變軸承電流回路，在軸承處設置絕緣(采用端蓋絕緣結構或絕緣軸承)；并設置接地碳刷等。

此時需要注意的是，由于軸電壓頻率過高，因此軸承絕緣的厚度要比普通變頻電機的厚，如現在某些公司已將絕緣層厚度做到了3mm，這在另一方面也是減小了電機回路的寄生電容。

表1是某公司試驗的數據對比。試驗時，前后軸承全部采用絕緣處理，并設置接地碳刷。從數據中可以看出采用斜槽及改變槽配合確實降低了軸電壓。

表1　數據對比

4　結語

由于MW雙饋風力發電機特殊的轉子結構及控制原理，其軸承電壓及軸承電流相比于普通電機可以說是不可避免的，并且由于其共模電壓耦合電容更大，因此產生的寄生電流更高，破壞能力更強。本文在深入闡述了MW雙饋風力發電機軸承電壓產生的原理同時，結合多年的理論實踐，提出了諸多解決措施，是MW雙饋風力發電機軸承電壓抑制方面工作的科學總結。

[1]Zika Thomas，Buschbeck Frank，Preisinger Gerwin，Martin Groschl.風力發電機中軸承的過電流問題.電機與控制應用，2008,35(9).

[2]GB/T 21 209—2007變頻器供電籠型感應電動機設計和性能導則 .

Brief Analysis on Bearing Voltage Cause of MW Grade Doubly-Fed Wind Power Generator

Zhang Shengnan

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

The bearing voltage refers to the capacitance coupling voltage appeared in radial clearance of bearing. For a common generator, bearing voltage is originally caused by average potential of stator windings and ac voltage of the earthed stator core. When the generator is supplied with sinusoidal voltage, the bearing voltage is equal to zero in fact. But MW grade doubly-fed asynchronous wind power generator is quite different from it. Not only the causes have differences from the above, but also the amplitude and breakdown force are higher than the above. This paper focuses on analyzing the bearing voltage cause of MW grade doubly-fed asynchronous wind power generator at normal operation, points out its difference from that of common variable-frequency generator, and puts forward the corresponding solutions in theory. At the same time, practical verification was carried out on the generator.

Wind power generator；shaft voltage；shaft current；parasitic capacitance；capacitive reactance

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.06

TM315

A

1008-7281(2016)04-0018-003

張勝男男1982年生；畢業于佳木斯大學電機專業，現從事高壓電機風力發電機設計研發工作.

2016-05-26