風電變槳電機散熱技術研究

國能信控互聯技術（河北）有限公司 饒木金

1 引言

近幾年，自然氣候變暖成為全球共同關注的緊迫問題，各國的重視程度也在不斷提高，新能源行業迎來快速發展階段。作為新能源的風力發電行業也受到政策的影響，國內各大設備廠家加大技術投入，不斷突破關鍵技術，順利完成由進口方案向全部國產自主化的過渡。并且不斷推出陸上低風速機型，柔性化、輕量化及大葉輪直徑成為主流。在海上風電業務中，不斷推出大兆瓦方案樣機，開拓未來新的發展空間。在通過技術創新過程中，使得制造成本大幅下降，匹配風火同價政策，真正形成風電行業的市場競爭力[1]。技術性突破以及技術性降本，成為風電行業的階段性主題。

新能源行業的快速發展，風力發電機組大兆瓦機組推出速度不斷加快。伴隨著葉片的加長，對變槳系統所需要提供的輸出能力，也提出新的要求。變槳電機是變槳系統的主要輸出執行機構，具有瞬時峰值轉矩大、換向頻繁、額定溫升要求低以及應用環境惡劣等苛刻特征。為此，設備廠家需要對變槳電機輸出轉矩能力提升與溫升優化進行研究，在現有變槳電機自然空冷方案上提出一種聯軸式離心風扇散熱結構的變槳電機，使變槳電機能夠更好地適應未來陸上大兆瓦風電機組及海上風電機組的變槳應用需求。

2 變槳電機載荷需求分析

風電變槳控制系統工作原理是通過變槳電機驅動葉片軸承旋轉，從而改變風電機組葉片攻角，使風力發電機組獲得不同驅動轉矩，即在低風速時保持最佳葉尖速比以實現最大功率跟蹤。在高風速時通過調整葉片攻角，實現風電機組輸出功率穩定在額定設計值。通過動態調節風電機組氣動載荷，實現氣動、機械傳動與輸出功率耦合控制。風電變槳載荷要求具有瞬時峰值轉矩大、緊急順槳轉速高、長期的頻繁正反轉等特征[2]。

目前主流變槳電機為三相永磁同步電機，具有輸出效率高、響應快、電機功率密度大等特點。以上載荷計算輸出需要覆蓋的特征載荷點。某機型載荷序列工作需求點如表1所示。

表1 某機型載荷序列工作需求點

由表1可知，變槳電機長期主要工作點為低速區域，并在短時瞬間峰值輸出轉矩以及高轉速的輸出性能提出兩個工作點要求。行業變槳電機一般將1500～2000r/min 作為額定標定點，但變槳長時間的工作轉速一般在600r/min 左右。根據表1可知,載荷需求選擇一款12.9kW 變槳電機，該電機輸出特性曲線在S1工作制下能夠正好涵蓋風機載荷工作點要求，S2工作制下有較大輸出余量，電機設計規格的大小主要局限在長時額定的輸出性能上。

由于永磁同步電機短時過載能力強，一般能夠達到額定力矩的3～5 倍，目前主流變槳驅動器輸出的峰值電流在80～140A，電機常用轉矩系數Kt一般設計在1.5～2.5(N·m)/A。在變槳電機未進入磁飽和情況下，所能夠輸出的最大轉矩近似等于轉矩系數與驅動所能輸出峰值電流的乘積。同時，由于變槳系統屬于風力發電機組的安全剎車系統，需要在緊急情況下進行快速回槳，使葉片回到安全位置，此時的變槳速度較高，一般在1500～3000r/min 范圍之間[3]。

永磁同步電機固有轉矩常數確定后即決定了反電勢常數，在高速變槳過程中所需要提供的變槳電機輸入電壓較高，當超過驅動所能提供的最高電壓范圍時，一般在能夠滿足最高峰值轉矩輸出情況下，通過設計上降低轉矩系數Kt值，可以在高速時使用較低電壓進行驅動。如果在必要的峰值轉矩輸出下高轉速對應輸出電壓高于驅動能夠輸出電壓時，一般采取高速時的弱磁控制，所以在變槳電機整體選型方案上需要考慮峰值力矩輸出又要兼顧高速驅動能力。一般通過配合驅動器輸出最大電流，調整電機轉矩常數Kt，能夠獲取理想的峰值特性輸出能力。電機所使用的規格型號峰值轉矩仍保留較大輸出余量，但目前主流電機由于采用表面空氣自然對流的冷卻方式，熱交換效率不高，在長時帶載的輸出能力基本定型了變槳電機型號的設計規格。

3 變槳電機結構及溫升分析

變槳電機一般采用磁鋼材料為釹鐵硼，釹鐵硼具有剩磁密、矯頑力和磁能積高及常溫下退磁曲線為線性等特點，在各行業得到了廣泛應用。永磁材料在使用過程中有退磁風險，主要分為可逆與不可逆退磁兩種情況，其中可逆退磁屬于不可避免的情況，對產品應用影響較小。但如果發生不可逆退磁，可能短期內導致永磁電機的性能出現弱化現象，長期將導致剩磁低，永磁電機將無法滿足使用需求[4]。如果因為使用不當，不可逆退磁出現在批量化的變槳電機上，將導致嚴重的經濟損失。其中不可逆退磁主要是由磁鋼受反向磁場及高溫共同作用導致。

在變槳電機應用過程中，一般很少在高速過弱磁情況下工作，主要受高溫退磁的影響。以目前主流使用的UH及SH磁鋼為例，磁鋼允許最高運行溫度分別為150℃和180℃，考慮到變槳系統電機內部溫度差以及測量誤差，采用了130℃的保護溫度，在變槳最高應用環境溫度40℃下，電機溫升試驗理不應超過90K。

變槳電機轉子磁鋼分為內嵌式和表貼式兩種結構，除了電機本體外，配備制動器及旋轉編碼器兩個重要附件。制動器有前置和后置兩種安裝方式，旋變主要安裝在變槳電機后端軸伸尾部。

以12.9kW 電機結構為例，電機在端部繞組上安裝KTY進行測溫，電機采用后置式制動器，制動器后安裝旋轉變壓器進行測速。根據電機輸出特性曲線，選取900r/min、95N·m 進行帶載溫升測試，試驗結果12.9kW電機帶載溫升數據如表2所示，溫升為85.8K。

表2 12.9kW電機帶載溫升數據

由于采用空氣自然對流散熱，電機熱源主要在電機繞組部分，通過鋁機殼進行向外空氣輻射，以及電機前后端非熱源部分溫度差的金屬傳導。故此電機表面溫度最高點集中在繞組中心位置。

4 變槳電機聯軸風扇設計

由于變槳電機具有繞組中部溫度高、頻繁正反轉特征，在電機設計規格上主要受限于長時的輸出帶載能力，對此提出一種連軸式離心風扇設計方案，通過風冷方式加快電機表面向外熱傳導速度。聯軸風扇變槳電機在制動器與旋轉變壓器中間位置設置了聯軸離心風扇，能夠與電機轉子同步旋轉，通過風道設計，空氣在風扇罩中從后向前流動散熱[5]。

將離心風扇設置在制動器與旋轉變壓器之間目的主要在于旋轉變壓器后端安裝采用頂絲螺栓進行裝配，不便于后端再增加器件的安裝。同時旋轉變壓器后端軸徑較細，離心風扇在聯軸頻繁正反換向旋轉過程中，由于自身慣量作用容易對旋轉變壓器產生裝配影響。為適應變槳現場應用工況，將離心風扇安裝在制動器與旋轉變壓器中間的粗軸上，在制動器及旋轉變壓器兩部件上做了密封處理，使其電機原有IP 等級不變。12.9kW 電機聯軸風扇結構如圖1所示。

圖1 12.9kW電機聯軸風扇結構

5 變槳電機優化溫升對比分析

使用聯軸風扇結構的變槳電機進行相同工況的900r/min、95N·m 下進行帶載溫升測試，記錄數據。12.9kW 聯軸風扇電機帶載溫升數據如表3所示。

表3 12.9kW聯軸風扇電機帶載溫升數據

通過帶載溫升試驗數據可以明顯看到電機增加聯軸散熱風扇后溫升降低了23.3K，散熱得到大幅改善。由于變槳工作轉速范圍可能比600r/min低，而且處于正反轉頻繁切換狀態，為此提出使用正弦速度指令進行帶載溫升的綜合考核對比。最高轉速控制在400r/min，每4.5s 為一周期，采用雙向負載100N·m 進行模擬現場應用場景進行測試。試驗結果表明在低速下風扇仍起到一定散熱功效，未出現風扇負載導致低速下聯軸風扇溫升較原方案高的情況。因此可以確定除了正反轉風扇增加電機輸出功耗外，對電機表面形成小幅空氣對流，電機溫升降幅在9K，溫升效果亦得到一定改善。

6 結語

通過變槳電機散熱結構及試驗可以看出，在原自然空氣對流散熱狀態下溫升效果并不理想，電機設計上峰值力矩有較大余量，但長時帶載溫升限制了電機輸出能力，電機材料未能充分地進行利用。試驗中增加聯軸風扇后，整體低速、高速溫升均得到有效改善，能夠在變槳應用工況中更好的發揮電機選型余量。使用現有方案兼容更大的載荷輸出需求，同時，使用小規格電機帶聯軸風扇替代現有載荷需求，為后續風電變槳電機降低成本，提供材料利用率提供了思路。文中重點對溫升性能進行展開說明，但變槳實際應用工況中仍有許多關鍵技術問題需要解決，如聯軸風扇散熱風道的設計、風扇在制動器與旋變間裝配可靠性及耐高速制動及頻繁換向風扇慣量帶來的影響等，需要在實際應用過程中結合風力發電機組載荷要求選擇合適的風扇匹配設計，使變槳電機長時帶載輸出性能夠得到更好的優化。