關(guān)注：
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的試制過程，提出f今后的工作方向。 1概述由于全球性的能源危機及環(huán)境惡化，人們一直在尋求潔凈的可再生能源的利用。風能作為一種潔凈的可再生能源，隨著其技術(shù)的逐步成熟而越來越具有競f力。風電的投資比價已接近火電和水電。據(jù)估算，地球上的R能資源約200萬億千瓦時，如能利用其中的1%就可滿足人類的電能需求/德國、丹麥、荷‘蘭、美國。等對風能的開發(fā)和利用位于世界前列。，我國可開發(fā)利用的風能資源極為豐富，近年來以每年新增裝機容量100~200MW的速度發(fā)展，其中以新疆、內(nèi)蒙為風電裝機容量最大、發(fā)展最快的省份。風電的迅速發(fā)展，使得市場對風力發(fā)電機的需求日趨旺盛。 根據(jù)市場的需求，上海電機廠有限公司組織力量對風力發(fā)電機的研究和開發(fā)，成功地開發(fā)了YFF系列風力發(fā)電機。其中的YFF355-6 6600/125kW4/6P690V發(fā)電機，經(jīng)過成功試運行后已投入批量生產(chǎn)。 2系列風力發(fā)電機的設(shè)計特點在系列設(shè)計中，充分考慮了風力發(fā)電機運行環(huán)境工況的特殊性，同時兼顧高性能及可靠性。概括起來，系列發(fā)電機具有以下特點：“風力發(fā)電機為戶外高空運行，發(fā)電機雖安裝于機倉內(nèi)，但所處環(huán)境往往較為惡劣，故對發(fā)電機的防護要求較高。該系列發(fā)電機設(shè)計防護等級為IP54.風力發(fā)電機往往是和小電網(wǎng)并聯(lián)運行，易受電網(wǎng)電壓及頻率波動的影響。發(fā)電機的設(shè)計過載能力一般較篼，以避免電網(wǎng)電壓及頻率波動較大時影響發(fā)電機的穩(wěn)定運行隨著風電場風力的變化，發(fā)電機的輸出功率也一直在變化。經(jīng)統(tǒng)計，風力發(fā)電機在97%的時間內(nèi)工作在額定功率以下。 為了提高經(jīng)濟效益，希望發(fā)電機在輕載時也具有較高的效率。這就要求發(fā)電機的不變損耗，即鐵耗與機械耗之和必須控制在較低水平。在設(shè)計時，采取措施盡量減小了鐵耗及冷卻風扇的損耗。以600/125kW風力發(fā)電機為例，其鐵耗與機械耗之和低于進口同類電機。 異步發(fā)電機的勵磁是靠電網(wǎng)的無功功率來提供的。發(fā)電機的功率因數(shù)太低將影響到電網(wǎng)的場率因數(shù)。因此，該系列風力發(fā)電機都具有較高的功率因數(shù)。 在兼顧電機效率及電機溫升的情況下，發(fā)電機的額定滑率控制在較高數(shù)值。風力發(fā)電機在運行過程中，隨風力的變化其功率一直在波動，相應(yīng)發(fā)電機電流也隨著波動。為了減小電流波動，緩沖對系統(tǒng)的沖擊，提高機組壽命及可靠性，往往要求發(fā)電機具有較軟的特性。在同樣大小的功率波動下，額定滑率大的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化較大，風機槳葉、齒輪箱及發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度變化將有一個能量的釋放或吸收過程，這部分吸收或釋放的能量對發(fā)電機功率的波動起到一個補償?shù)淖饔谩?p> 這使得發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電流變化率大大減小，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)電機額定滑率越大，其特性越軟，速度變化范圍越大，這個補償作用也越大。該系列異步發(fā)電機的額定滑率約為一般異步電動機的2倍。 風力發(fā)電機安裝在高空的機倉中，機倉的容積有限。這限制了發(fā)電機的體積，該系列風力發(fā)電機全部設(shè)計成表面冷卻的緊湊型電機，體積大大減小。 3開發(fā)系列風力發(fā)電機解決的幾個課題異步發(fā)電機與異步電動機雖然同是由電網(wǎng)提供勵磁電流，但比較二者的矢量圖可看出有以下差別：異步電動機的電壓f/比其內(nèi)電勢大得較多，而異步發(fā)電機的f/與；則相差較小。一般異步電動機發(fā)電機的設(shè)計中，如仍采用電動機的感應(yīng)電勢計算方法，則感應(yīng)電勢及計算出的磁通密度都偏低，這可能造成發(fā)電機在實際運行時磁通過于飽和。 異步電動機的/與五的夾角a較小，而異步發(fā)電機的a角要大一些。但異步電動機設(shè)計程序中的一些計算公式是基于a角很小而近似導出的。如果發(fā)電機的設(shè)計套用僅適用于電動機的設(shè)計公式，將引起較大誤差。要得到比較精確的結(jié)果，異步發(fā)電機的這些計算公式必須采用稍復雜的公式。 電動機的定子電壓與定子電流夾角小于901而發(fā)電機該夾角大于90%故電動機設(shè)計程序中一些項的符號必須改變，否則將引起較大誤差。 對于功率1千瓦以下的異步發(fā)電機，許多用戶直接用一般用途的異步電動機作發(fā)電機方式運行。但對較大容量的風電機組，特別是有一定規(guī)模的風電場而言，這種做法是不合適的。 根據(jù)異步發(fā)電機的矢量圖，我們專門編制了異步發(fā)電機電磁設(shè)計計算機程序，保證了計算的精確性。通過發(fā)電機參數(shù)設(shè)計值與試驗值的對比，進一步驗證了計算程序的精確性。 表面冷卻異步電機溫升計算對全封閉空一空冷卻電機而言，一般有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是帶獨立的冷卻器，另一種就是我們開發(fā)的發(fā)電機系列所采用的表面冷卻方式。相比之下，靠表面冷卻的電機的溫升計算顯得尤為重要。因為對帶冷卻器的冷卻方式而言，如試驗時發(fā)電機溫升過高，還可以通過調(diào)節(jié)冷卻器的冷卻能力來改善。而表面冷卻的電機，一旦發(fā)現(xiàn)電機溫升過高，可以改善的余地將是很小的。如果不進行表面冷卻電機的溫升計算，就不能準確控制電機設(shè)計參數(shù)，這將大大增加開發(fā)風險。 我們專門開發(fā)了表面冷卻電機的溫升計算程序，這對風力發(fā)電機系列的開發(fā)成功起到了重要的作用。 風力發(fā)電機要求在輕載時具有較高的效率，這要求電機的風扇損耗要盡可能地低。為此，我們和高校合作開發(fā)了低損耗的冷卻風扇。在滿足發(fā)電機冷卻要求的基礎(chǔ)上，將電機的風摩耗降到較低值。這使得風力發(fā)電機的效率指標得到了很大的提高，也大大降低了電機的噪聲。 風力發(fā)電機的試制過程試制樣機機座為鋼板滾圓焊接，外圓焊內(nèi)部有冷卻風孔的u形冷卻筋。定子含兩套獨立的4極及6極繞組，F(xiàn)級絕緣。定子繞組采用真空壓力無溶劑浸漆。電機有內(nèi)、外兩個風路，內(nèi)風路通過定、轉(zhuǎn)子氣隙及轉(zhuǎn)子軸向通風孔，線圈端部，U形冷卻筋的內(nèi)部風孔形成回路；外風路風量主要流過U形冷卻筋的外表面。 開始試制時轉(zhuǎn)子采用鑄鋁結(jié)構(gòu)。為了降低電機的實際雜散損耗及鐵耗以達到進一步提高電機效率及降低電機溫升的目的，最終改成為銅排結(jié)構(gòu)。 試制完成后進行了試驗分析，除效率外，發(fā)電機的其他指標均符合用戶要求。試驗報告表明電機的風摩耗達7.2kW.電機風摩耗過大是影響效率的主要因素，要想進一步提高電機效率，必須對冷卻風扇進行優(yōu)化設(shè)計。 我們用發(fā)熱計算程序?qū)?nèi)、外風路風量對發(fā)電機溫升的影響進行分析，確定了電機所需的最小風量，同時計算出了發(fā)電機內(nèi)、外風路的風阻，這樣就得出了內(nèi)、外風路的初步風壓、風量參數(shù)。風扇采用效率較高的后傾葉片式，優(yōu)化的目標是將風摩耗控制在4.5kW以下。最終試驗結(jié)果發(fā)電機風摩耗僅為3.9kW，發(fā)電機的所有指標均達到用戶要求。 樣機試制成功后，對發(fā)電機的試驗結(jié)果進行了詳細的分析，并對發(fā)電機結(jié)構(gòu)作進一步改進，以適應(yīng)批產(chǎn)的需要。 樣機試制時，發(fā)電機機座采用的是鋼板焊接結(jié)構(gòu)。因為若采用鑄鐵機座的話，鑄件木模的費用是十分昂貴的，這在試制階段尚有許多不定因素時，顯然是不得不考慮的。但對比發(fā)電機的溫升計算與試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，計算溫升為78K，而實際樣機溫升達92.5K，兩者相差較大。分析主要原因如下：（a）焊接機座易變形（特別在周期較短的情況下），這可能造成機座內(nèi)圓有一定的1圓度，影響定子鐵心外圓與機座的配合，從而影響了電機散熱；（b）散熱筋與機壁的接觸面積直接影響傳熱能力。計算中考慮的是理想狀態(tài)，而實際焊接時很難保證散熱筋與機座100%面積的連接。采用鑄鐵機座可避免以上兩種情況�？紤]到批產(chǎn)時如采用鑄鐵機座還可大大縮短成本和生產(chǎn)周期，最終決定維持的設(shè)計其他不變的基礎(chǔ)上，將機座由焊接結(jié)構(gòu)改成鑄鐵機座。 改成鑄鐵機座后，計算溫升為67.6K.試驗溫升為68.5K，比原來的92.5K降低了14K 600/125kW發(fā)電機的最終試驗值與用戶規(guī)定值及原德國電機參數(shù)對比如表1：表用戶要求德國進口電機上電廠產(chǎn)品效率功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)速溫升從以上對比可看出，發(fā)電機的各項參數(shù)均達到了要求，特別是效率及功率因數(shù)值，都超過了規(guī)定值，由于電機的風摩耗通過優(yōu)化設(shè)計控制在較低水平，發(fā)電機鐵耗也只有3.62kW（同容量電動機為6kW左右），發(fā)電機在輕載時也獲得了高效率。 率因數(shù)一-負載曲線見下圖：由該曲線可看出，該發(fā)電機是特別適合風力發(fā)電時輕載運行較多工況的。 5最終確定的系列風力發(fā)電機的設(shè)計參數(shù)（如表2）6今后的研究方向前面提到，為使發(fā)電機的輸出功率波動較小，需使發(fā)電機的特性相對軟一些，這就要求發(fā)電機的額定滑率要比一般電動機大得多。對鼠籠式異步發(fā)電機而言，要增加滑率，只能增加轉(zhuǎn)子銅排的電阻，同時也增加了轉(zhuǎn)子銅耗，使得發(fā)電機的總損耗大大增加。而受轉(zhuǎn)子發(fā)熱及定子繞組溫升的限制，發(fā)電機額定滑率必須控制在一定范圍內(nèi)。據(jù)我們所掌握的國內(nèi)、外異步發(fā)電機的資料，250kW以上的鼠籠型異步發(fā)電機的額定滑率基本上沒有超過2%的11表2YFF系列風力發(fā)電機技術(shù)數(shù)據(jù)型號額定功率（千瓦）額定電壓（伏）定子電流（安）額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）效率功率因數(shù)（cos令）最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩堵轉(zhuǎn)電流額定電流絕緣等級/溫升等級重量（千克）采用繞線式異步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)外部電阻，這就解決了發(fā)電機內(nèi)部的發(fā)熱問題。 丹麥的Vestas公司生產(chǎn)的繞線式轉(zhuǎn)子異步風力發(fā)電機，通過電子開關(guān)元件調(diào)節(jié)串人的同軸外接轉(zhuǎn)子電阻，可使滑率在1% ~10%內(nèi)調(diào)節(jié)。這大大改變了發(fā)電機組的性能。這種結(jié)構(gòu)的風力發(fā)電機的另外一個優(yōu)點是轉(zhuǎn)子回路的損耗絕大部分在電機外部，不會使電機過熱采用雙饋調(diào)速的繞線式異步風力發(fā)電機，還可以將發(fā)電機調(diào)速范圍擴大到更大的范圍。另外如不帶齒輪箱的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機等，這些較為新型的風力發(fā)電機目前國內(nèi)也已開始了這方面的研究。 我們下一步的工作將是開發(fā)繞線型或其他新型的風力發(fā)電機以更好地滿足市場的各種需要。 �。航煌ù髮W電子及計算機工程系電機專業(yè)。長期從事交直流電機的設(shè)計L作，現(xiàn)任上海電機廠副總工程師，技術(shù)開發(fā)中心主任。
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