關(guān)注：
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(jī)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(fēng)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(fēng)電的投資比價(jià)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(shí)，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(fēng)能的開發(fā)和利用位于世界前列。，我國可開發(fā)利用的風(fēng)能資源極為豐富，近年來以每年新增裝機(jī)容量100~200MW的速度發(fā)展，其中以新疆、內(nèi)蒙為風(fēng)電裝機(jī)容量最大、發(fā)展最快的省份。風(fēng)電的迅速發(fā)展，使得市場對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的需求日趨旺盛。 根據(jù)市場的需求，上海電機(jī)廠有限公司組織力量對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和開發(fā)，成功地開發(fā)了YFF系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中的YFF355-6 6600/125kW4/6P690V發(fā)電機(jī)，經(jīng)過成功試運(yùn)行后已投入批量生產(chǎn)。 2系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在系列設(shè)計(jì)中，充分考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境工況的特殊性，同時(shí)兼顧高性能及可靠性。概括起來，系列發(fā)電機(jī)具有以下特點(diǎn)：“風(fēng)力發(fā)電機(jī)為戶外高空運(yùn)行，發(fā)電機(jī)雖安裝于機(jī)倉內(nèi)，但所處環(huán)境往往較為惡劣，故對發(fā)電機(jī)的防護(hù)要求較高。該系列發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)防護(hù)等級為IP54.風(fēng)力發(fā)電機(jī)往往是和小電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，易受電網(wǎng)電壓及頻率波動的影響。發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過載能力一般較篼，以避免電網(wǎng)電壓及頻率波動較大時(shí)影響發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行隨著風(fēng)電場風(fēng)力的變化，發(fā)電機(jī)的輸出功率也一直在變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在97%的時(shí)間內(nèi)工作在額定功率以下。 為了提高經(jīng)濟(jì)效益，希望發(fā)電機(jī)在輕載時(shí)也具有較高的效率。這就要求發(fā)電機(jī)的不變損耗，即鐵耗與機(jī)械耗之和必須控制在較低水平。在設(shè)計(jì)時(shí)，采取措施盡量減小了鐵耗及冷卻風(fēng)扇的損耗。以600/125kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其鐵耗與機(jī)械耗之和低于進(jìn)口同類電機(jī)。 異步發(fā)電機(jī)的勵磁是靠電網(wǎng)的無功功率來提供的。發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)都具有較高的功率因數(shù)。 在兼顧電機(jī)效率及電機(jī)溫升的情況下，發(fā)電機(jī)的額定滑率控制在較高數(shù)值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，隨風(fēng)力的變化其功率一直在波動，相應(yīng)發(fā)電機(jī)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(jī)組壽命及可靠性，往往要求發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速變化較大，風(fēng)機(jī)槳葉、齒輪箱及發(fā)電機(jī)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(jī)功率的波動起到一個補(bǔ)償?shù)淖饔谩?p> 這使得發(fā)電機(jī)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(jī)額定滑率越大，其特性越軟，速度變化范圍越大，這個補(bǔ)償作用也越大。該系列異步發(fā)電機(jī)的額定滑率約為一般異步電動機(jī)的2倍。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在高空的機(jī)倉中，機(jī)倉的容積有限。這限制了發(fā)電機(jī)的體積，該系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)全部設(shè)計(jì)成表面冷卻的緊湊型電機(jī)，體積大大減小。 3開發(fā)系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)解決的幾個課題異步發(fā)電機(jī)與異步電動機(jī)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(jī)的電壓f/比其內(nèi)電勢大得較多，而異步發(fā)電機(jī)的f/與；則相差較小。一般異步電動機(jī)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，如仍采用電動機(jī)的感應(yīng)電勢計(jì)算方法，則感應(yīng)電勢及計(jì)算出的磁通密度都偏低，這可能造成發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)磁通過于飽和。 異步電動機(jī)的/與五的夾角a較小，而異步發(fā)電機(jī)的a角要大一些。但異步電動機(jī)設(shè)計(jì)程序中的一些計(jì)算公式是基于a角很小而近似導(dǎo)出的。如果發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)套用僅適用于電動機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)的這些計(jì)算公式必須采用稍復(fù)雜的公式。 電動機(jī)的定子電壓與定子電流夾角小于901而發(fā)電機(jī)該夾角大于90%故電動機(jī)設(shè)計(jì)程序中一些項(xiàng)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(jī)，許多用戶直接用一般用途的異步電動機(jī)作發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行。但對較大容量的風(fēng)電機(jī)組，特別是有一定規(guī)模的風(fēng)電場而言，這種做法是不合適的。 根據(jù)異步發(fā)電機(jī)的矢量圖，我們專門編制了異步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序，保證了計(jì)算的精確性。通過發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值的對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算程序的精確性。 表面冷卻異步電機(jī)溫升計(jì)算對全封閉空一空冷卻電機(jī)而言，一般有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是帶獨(dú)立的冷卻器，另一種就是我們開發(fā)的發(fā)電機(jī)系列所采用的表面冷卻方式。相比之下，靠表面冷卻的電機(jī)的溫升計(jì)算顯得尤為重要。因?yàn)閷Ю鋮s器的冷卻方式而言，如試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)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(jī)，一旦發(fā)現(xiàn)電機(jī)溫升過高，可以改善的余地將是很小的。如果不進(jìn)行表面冷卻電機(jī)的溫升計(jì)算，就不能準(zhǔn)確控制電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，這將大大增加開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。 我們專門開發(fā)了表面冷卻電機(jī)的溫升計(jì)算程序，這對風(fēng)力發(fā)電機(jī)系列的開發(fā)成功起到了重要的作用。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求在輕載時(shí)具有較高的效率，這要求電機(jī)的風(fēng)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(fēng)扇。在滿足發(fā)電機(jī)冷卻要求的基礎(chǔ)上，將電機(jī)的風(fēng)摩耗降到較低值。這使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率指標(biāo)得到了很大的提高，也大大降低了電機(jī)的噪聲。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的試制過程試制樣機(jī)機(jī)座為鋼板滾圓焊接，外圓焊內(nèi)部有冷卻風(fēng)孔的u形冷卻筋。定子含兩套獨(dú)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(jī)有內(nèi)、外兩個風(fēng)路，內(nèi)風(fēng)路通過定、轉(zhuǎn)子氣隙及轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔，線圈端部，U形冷卻筋的內(nèi)部風(fēng)孔形成回路；外風(fēng)路風(fēng)量主要流過U形冷卻筋的外表面。 開始試制時(shí)轉(zhuǎn)子采用鑄鋁結(jié)構(gòu)。為了降低電機(jī)的實(shí)際雜散損耗及鐵耗以達(dá)到進(jìn)一步提高電機(jī)效率及降低電機(jī)溫升的目的，最終改成為銅排結(jié)構(gòu)。 試制完成后進(jìn)行了試驗(yàn)分析，除效率外，發(fā)電機(jī)的其他指標(biāo)均符合用戶要求。試驗(yàn)報(bào)告表明電機(jī)的風(fēng)摩耗達(dá)7.2kW.電機(jī)風(fēng)摩耗過大是影響效率的主要因素，要想進(jìn)一步提高電機(jī)效率，必須對冷卻風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 我們用發(fā)熱計(jì)算程序?qū)?nèi)、外風(fēng)路風(fēng)量對發(fā)電機(jī)溫升的影響進(jìn)行分析，確定了電機(jī)所需的最小風(fēng)量，同時(shí)計(jì)算出了發(fā)電機(jī)內(nèi)、外風(fēng)路的風(fēng)阻，這樣就得出了內(nèi)、外風(fēng)路的初步風(fēng)壓、風(fēng)量參數(shù)。風(fēng)扇采用效率較高的后傾葉片式，優(yōu)化的目標(biāo)是將風(fēng)摩耗控制在4.5kW以下。最終試驗(yàn)結(jié)果發(fā)電機(jī)風(fēng)摩耗僅為3.9kW，發(fā)電機(jī)的所有指標(biāo)均達(dá)到用戶要求。 樣機(jī)試制成功后，對發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)，以適應(yīng)批產(chǎn)的需要。 樣機(jī)試制時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)座采用的是鋼板焊接結(jié)構(gòu)。因?yàn)槿舨捎描T鐵機(jī)座的話，鑄件木模的費(fèi)用是十分昂貴的，這在試制階段尚有許多不定因素時(shí)，顯然是不得不考慮的。但對比發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，計(jì)算溫升為78K，而實(shí)際樣機(jī)溫升達(dá)92.5K，兩者相差較大。分析主要原因如下：（a）焊接機(jī)座易變形（特別在周期較短的情況下），這可能造成機(jī)座內(nèi)圓有一定的1圓度，影響定子鐵心外圓與機(jī)座的配合，從而影響了電機(jī)散熱；（b）散熱筋與機(jī)壁的接觸面積直接影響傳熱能力。計(jì)算中考慮的是理想狀態(tài)，而實(shí)際焊接時(shí)很難保證散熱筋與機(jī)座100%面積的連接。采用鑄鐵機(jī)座可避免以上兩種情況�？紤]到批產(chǎn)時(shí)如采用鑄鐵機(jī)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(jì)其他不變的基礎(chǔ)上，將機(jī)座由焊接結(jié)構(gòu)改成鑄鐵機(jī)座。 改成鑄鐵機(jī)座后，計(jì)算溫升為67.6K.試驗(yàn)溫升為68.5K，比原來的92.5K降低了14K 600/125kW發(fā)電機(jī)的最終試驗(yàn)值與用戶規(guī)定值及原德國電機(jī)參數(shù)對比如表1：表用戶要求德國進(jìn)口電機(jī)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(jī)的各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)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(jī)的風(fēng)摩耗通過優(yōu)化設(shè)計(jì)控制在較低水平，發(fā)電機(jī)鐵耗也只有3.62kW（同容量電動機(jī)為6kW左右），發(fā)電機(jī)在輕載時(shí)也獲得了高效率。 率因數(shù)一-負(fù)載曲線見下圖：由該曲線可看出，該發(fā)電機(jī)是特別適合風(fēng)力發(fā)電時(shí)輕載運(yùn)行較多工況的。 5最終確定的系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)（如表2）6今后的研究方向前面提到，為使發(fā)電機(jī)的輸出功率波動較小，需使發(fā)電機(jī)的特性相對軟一些，這就要求發(fā)電機(jī)的額定滑率要比一般電動機(jī)大得多。對鼠籠式異步發(fā)電機(jī)而言，要增加滑率，只能增加轉(zhuǎn)子銅排的電阻，同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)子銅耗，使得發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的資料，250kW以上的鼠籠型異步發(fā)電機(jī)的額定滑率基本上沒有超過2%的11表2YFF系列風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)，轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)外部電阻，這就解決了發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(jī)組的性能。這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的另外一個優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子回路的損耗絕大部分在電機(jī)外部，不會使電機(jī)過熱采用雙饋調(diào)速的繞線式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，還可以將發(fā)電機(jī)調(diào)速范圍擴(kuò)大到更大的范圍。另外如不帶齒輪箱的低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)等，這些較為新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)以更好地滿足市場的各種需要。 �。航煌ù髮W(xué)電子及計(jì)算機(jī)工程系電機(jī)專業(yè)。長期從事交直流電機(jī)的設(shè)計(jì)L作，現(xiàn)任上海電機(jī)廠副總工程師，技術(shù)開發(fā)中心主任。
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