双馈异步风力发电机的结构和特点

风力发电机组的发电机按照发电机型式可分为笼型异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机。双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。由定子绕组直连定频三相电网的绕线式异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。发电机本体主要由定子、转子和轴承系统组成。为了避免由于潮湿、结露而对发电机造成损害，发电机绕组内埋有加热线圈，此外，在发电机内装有温度传感器，检测发电机绕组的温度和发电机轴承的温度。风力发电机组或系统结构简图如图2-14所示。

图2-14　风力发电机组或系统结构简图

1—联轴器；2—发电机；3—磁粉过滤器；4—弹性支承

双馈异步发电机将定子、转子三相绕组分别接入独立的三相对称电源，定子绕组直接和电网连接，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，使其能满足要求。变频器采用交—直—交的形式与电网连接，控制发电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态并随着风速的变化调节发电机的转速，进行能量交换。发电机的转速范围是1000～2000r/min，同步转速是1500r/min。电压频率和转子电流与转速差（实际转速和同步转速之差）相对应。在正常情况下，异步发电机的转子转速总是略高或低于旋转磁场的转速（同步转速ns），因此称为异步电机。转子转速n与旋转磁场的转速ns之差称为转差，转差Δn与同步转速ns的比值称为转差率，转差率是表征异步发电机运行状态的一个基本变量。

定子电压等于电网电压，转子电压与转差率及堵转电压成正比，堵转电压取决于定子与转子的匝数比。当发电机以同步转速转动时，转差率为零，这就意味着转子的电压为零。集电环系统用了4个集电环，其中3个是转子的U、V、W相集电环，第4个集电环是用于泄放轴电流的集电环。集电环系统有磨损电刷和监控电刷寿命的微电子开关。

某变速恒频风力发电机发电系统结构如图2-15所示，其中省略了变压器、滤波器等构件。其中定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可以调节的三相低频交流电流励磁。

图2-15　某变速恒频风力发电机发电系统结构

发电机的主要组成部分有定子、转子、静止加热器、抗磨滚珠轴承端盖及轴承、冷却和通风系统、炭刷及滑环室、测速编码器、端子接线盒、温度传感器。

1.定子

机座为焊接结构，内部铁芯叠压后由轴向扣片拉紧；定子线圈为三相成型线圈，嵌线后整体真空压力浸漆，绝缘等级H；三相绕组由电缆线引固定在机座上的大接线盒内。

2.转子

转子为绕线式，转子铁芯采用压力安装在轴上；转子绕组为波形绕组，绕组K、L、M端头通过轴孔引出与非传动端滑环连接；轴接地采用接地炭刷，炭刷装在滑环室，并有炭刷磨损报警单元；编码器安装于轴的非传动端。

3.静止加热器

电机装配有4个加热器，与高压电机用防潮加热带通过辅助接线盒与控制系统连接。(www.xing528.com)

4.抗磨滚珠轴承端盖及轴承

抗磨滚珠轴承端盖采用铸造结构，轴承采用两个绝缘深沟球轴承。轴承通过圆形端罩支撑安装在机座正中。一个深沟球轴承安装在定位轴承的轴承端盖上；另一个深沟轴承安装在非定位轴承的轴承端盖上。两个轴承完全绝缘并带预紧，主要作用是降低运行噪声，并在主轴锁紧后传递锁紧力。油脂排出口位于两个轴承端盖处，可以收集从轴承端盖内排出的多余油脂。轴承端盖的底部有多个开口和一个油脂收集装置。

5.冷却和通风系统

发电机采用机壳水内冷却。发电机内部风扇使空气循环流动，把热量传到发电机机壳，机壳中循环的冷却水将热量带走；滑环室内部空气自然流动，热量传递给滑环室，再经过顶部装的水冷机构进行冷却。

6.炭刷及滑环室

滑环室装在电机外部的非传动端，防护等级IP23；滑环装在轴上，刷架系统装配于滑环室内，然后固定在非传动端端盖上，用传感器监控主炭刷和轴接地炭刷磨损，外接信号电缆固定于辅助接线盒内。

滑环室内有3个独立滑环和1个非独立滑环（用于主轴接地的连接）。滑环室内连接电缆直接接至罩体上的转子接线盒内。通过一个微型开关监视炭刷磨损情况（包括主炭刷和主轴接地炭刷），两个用于监测炭刷磨损的信号通过辅助接线盒连接到PLC主控制器。

7.测速编码器

在主轴的非驱动端安装有一个双通道转速编码器，用于监测发电机轴的转速，一是为变频器提供转速信号，二是为PLC提供转速信号。图2-16所示即为测速编码器。

图2-16　测速编码器

8.端子接线盒

发电机上一共有3个端子接线盒（定子、转子、辅助接线盒）。电机定子、转子三相绕组由外接电缆引出固定于接线盒内。大接线盒位于电机传动端顶部，接线盒从右侧出线（从传动端看）。

9.温度传感器

温度传感器用于监测发电机的外部温度。