風力發電機組主軸承加熱設備的開發

楊兆忠

(中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

隨著風電機組[1]功率等級的不斷提高，主軸承直徑也不斷增加。由于主軸與主軸承之間采用過盈配合，裝配過程中需要對主軸承進行加熱，而主軸承的內圈、滾子及外圈緊密配合，在加熱過程中需要控制好游隙[2]，避免滾子受擠壓。加熱過程中除了控制內外圈各自的加熱溫度外，還要控制內外圈的溫差。

為解決上述問題，研制了一種專用線圈諧振加熱設備，從感應加熱原理、系統構成、運行試驗結果等方面對其進行了闡述。

1 感應加熱方式及其工作原理

1.1 感應加熱方式

目前，風電行業常用的加熱方法有電阻爐加熱和感應加熱(變壓器結構式軛鐵穿過軸承的加熱方式[3]與采用專用線圈的諧振加熱方式[4])。電阻爐加熱耗電量大，加熱速度慢；軛鐵穿過軸承的加熱方式具有適應性強的優點，適用于多尺寸的軸承，但缺點是軛鐵與軸承內外圈距離大，用于大型軸承加熱時速度太慢，且在環境溫度低的工況下無法滿足加熱要求。

另外，為控制游隙，軸承內外圈需要同時加熱且將內外圈溫差控制在一定的范圍。例如240/900軸承[5]，要求內、外圈的加熱目標溫度分別為90，110 ℃，且加熱過程中內外圈溫差不超過20 ℃。若采用軛鐵穿過軸承的加熱方式，內外圈溫差很容易超過20 ℃，溫差過大時需停止加熱，待溫差降低后重新啟動加熱，單套軸承的加熱周期需3 h。

線圈諧振加熱方式能有效控制軸承加熱時內外圈的溫差，縮短軸承加熱時間，在保證質量的前提下提升生產效率，因此采用該方式進行軸承加熱設備的開發。

1.2 線圈諧振加熱原理

線圈諧振加熱遵循的原理是電磁感應、集膚效應和熱傳導，其工作原理為：在被加熱的金屬工件外繞一組感應線圈，線圈流過交流電流時會產生相同頻率的交變磁通，交變磁通在金屬工件上感應出電勢從而產生感應電流，感應電流在金屬工件中形成短路，工件通過一定的電阻產生熱量，從而實現加熱。

2 感應加熱設備的開發

2.1 系統構成

為控制加熱過程內外圈的溫差，提高加熱效率，加熱設備采用一拖二的加熱電源方案，即一臺主機同時輸出2路電源，2路電源之間需要互相通信以了解對方的工作狀態及被加熱對象的溫度，計算溫差是否在設定范圍內。在風電機組主軸的裝配過程中，不僅要加熱軸承，軸承座及軸套也需要加熱，因此，在電源功率計算時按最大工件考慮[6]。

如圖1所示，軸承感應加熱系統由工控機、控制單元、功率單元、諧振單元、隔離單元、加熱器、溫度采集系統、控制軟件等組成。

圖1 軸承感應加熱系統框圖Fig.1 Block diagram of induction heating system of bearing

2.2 控制單元

如圖2所示，控制單元為整個電源的硬件控制部分，由處理器芯片管理輸入輸出信號，能夠與上位機進行實時通信，接收電壓、電流、溫度等信號后交由軟件進行運算處理，控制IGBT開關動作實現功率調節與保護。控制單元板上安裝有各種信息狀態指示燈，調試人員可通過狀態指示燈判斷系統的基本運行情況。

圖2 控制單元Fig.2 Control unit

2.3 功率單元

如圖3所示，功率單元是電源的主電路部分[7]，主要集成了整流電路、IGBT逆變電路、驅動板、電壓傳感器、電流傳感器。

圖3 功率單元主電路圖Fig.3 Main circuit diagram of power unit

整流電路的主要功能是將電網的交流電壓轉換成脈動的直流電壓，再通過電容濾波為平滑的直流電壓。IGBT逆變電路的主要功能是將直流電壓逆變為加熱所需頻率的交流電壓。驅動板負責將主控制板的脈沖轉換成IGBT的驅動信號，并具有短路、上下管互鎖等保護功能。傳感器負責采集電壓、電流信號并送入主控制器，用于電流、電壓控制的參考，也可為過流、過壓保護提供信號。

2.4 諧振單元

諧振單元(圖4)主要包括諧振電容與諧振電感，當諧振電容放電時諧振電感有一個逆向的反沖電流，諧振電感充電；當諧振電感的電壓達到最大時諧振電容放電完畢，之后諧振電感開始放電，諧振電容開始充電；在此過程中諧振電感由于不斷的充放電而產生電磁波。諧振電感即感應加熱線圈，其具有等效電感與等效電阻，當等效電感時即發生諧振。

2.5 隔離單元

隔離變壓器(圖4)的主要作用是阻抗匹配與安全隔離，軸承加熱器等效電阻較小，如果將逆變電壓直接接入到兩端，電流就會超過IGBT正常工作電流，因此需要通過變壓器將電壓降低。

圖4 諧振回路等效電路Fig.4 Equivalent circuit of resonant circuit

2.6 加熱器及溫度采集和控制

如圖5所示，加熱器主要由導線、結構骨架、連接器等構成，通過加熱線圈的交變電流轉換為交變磁通，磁通在穿過被加熱的金屬體時產生感應電流，電流在流過金屬體時會產生熱量，從而對工件進行加熱。

圖5 軸承加熱器Fig.5 Heater of bearing

加熱過程中，需要控制軸承內外圈的溫差，確定內圈多個點位的溫度以防止局部過熱。因此，采用多路溫度采集，分別在端面、圓弧面上布置磁吸式熱電偶探頭。溫度信號采集后送入工控機及主控制板，通過與軟件預設數值的對比確定電源輸出功率并提供保護，溫度保護邏輯如圖6所示。

圖6 溫度保護邏輯圖Fig.6 Temperature protection logic diagram

加熱系統采用常規的PID控制算法，溫度控制屬于滯后控制系統，可采用工業控制中常用的滯后控制參數整定模型，系統控制框圖如圖7所示。為合理處理系統響應速度(即加熱速度)與系統穩定性之間的關系，將溫度控制分為如圖8所示的2個階段。

圖7 電磁感應加熱溫度控制框圖Fig.7 Temperature control block diagram of electromagnetic induction heating

圖8 溫度控制動態響應過程Fig.8 Dynamic response process of temperature control

3 試驗分析

結合風電機組主軸承的參數進行膨脹量計算，確定軸承內外圈的加熱溫度和溫差。加熱前在工控機顯示屏上設置內外圈的目標溫度(圖9)。通過設置內外圈2組電源的功率百分比控制內外圈的加熱速度，使外圈升溫速度更快，避免因內圈加熱過快而使滾子受到擠壓。

圖9 電源參數設置Fig.9 Parameter setting of power supply

根據軸承型號及其參數設置控制算法與保護策略，如某些不確定因素導致內外圈溫度過高時電源停止加熱。達到設定目標溫度時，電源控制系統就會進入保溫控制，通過PID恒溫控制算法使實際加熱溫度始終保持在目標溫度(圖10)。

圖10 240/900 軸承加熱溫度曲線圖Fig.10 Heating temperature curve of 240/900 bearing

對240/900軸承進行加熱試驗，軸承內外圈上各設置3個溫感探頭，監測加熱過程中內外圈的溫度變化，記錄的溫度數據見表1。該設備能同時對內外圈進行加熱，溫度控制精確，軸承加熱僅需15 min，效率提升明顯，而且加熱過程中沒有出現擠壓滾子的情況。

表1 240/900軸承加熱過程中的溫度數據Tab.1 Temperature data during heating process of 240/900 bearing ℃

4 結束語

研制了一種專用線圈諧振加熱設備，通過人機界面設置加熱過程與目標參數后，啟動電源可自動運行對軸承進行加熱。屏幕上能夠顯示溫度曲線及功率、頻率、電流、加熱時間、保溫時間等數據。若出現溫度過高，溫差過大等問題能夠及時停止加熱并報警，避免出現軸承損壞的情況。采用一拖二的智能化IGBT數字感應加熱電源，能夠同時對內外圈進行加熱，可大大提高加熱效率；采用PID恒溫控制算法則能夠保證加熱目標溫度的精度，從而提高軸承裝配精度，降低因軸承裝配工藝給整機帶來的可靠性與壽命問題。