双馈风力发电机冷却计算方法研究

方世蓉，吴桂珍，任胜伟



双馈风力发电机冷却计算方法研究

方世蓉，吴桂珍，任胜伟

（北京三一电机系统有限责任公司，北京 102206）

在开发高、中速系列双馈风力发电机的过程中，应用流体力学、传热学、电磁学等多个学科的知识，本文对双馈风力发电机采用的通风冷却结构进行研究，归纳总结出一套计算双馈风力发电机温升的方法。试验证明，该方法是行之有效的，可以指导冷却系统设计。

双馈；风力发电机；冷却；温升

1 前言

近几年，随着风电行业的发展，装机容量不断扩大，单机功率也不断增加。双馈风力发电机作为目前风电行业的主流发电机，开发应用时间并不长，电机的冷却设计与计算没有成型方法，加之电机运行环境恶劣，经常出现绕组温升过高的现象，影响电机的稳定运行。

为解决上述问题，使电机设计阶段的计算温升更准确，本文在大型电机冷却计算方法的基础上，参考了国内外有关通风系统计算分析的方法，对双馈发电机采用的通风冷却结构进行研究，归纳总结出一套计算该类型电机温升的方法，用来指导双馈发电机冷却系统设计以及新型冷却结构的开发。

2 理论研究

该计算方法主要分为通风计算、损耗加载、温升计算三部分，其中通风计算采用通风网络计算的基本原理，电机的损耗根据双馈发电机的损耗分布特点进行加载，温升计算采用的是等效热网络法。下文将分别进行详细的分析和说明。

2.1 通风计算

首先，假设通风系统内的冷却空气处于稳定、连续的循环流动状态；由于系统内的冷却空气流速不高，认为其具有不可压缩性。

（1）等值风路

通风冷却系统内冷却空气的过流通道可以简化为由集中参数构成的类似于电路的支路，如图1所示，其为通风网络的基础[1]。

图1 等值风路

流体流过该风路时有：

——风阻值；

——流过风阻的流量；

——过流面积；

——压源。

（2）等效风阻

式中——流体在工程单位制中的密度；

——流道的沿程阻力系数；

——流道的长度；

——流道的水力直径/当量直径。

（3）压源

等值风路中的压源来自于风扇或等效风扇旋转引起的压力升高，轴流风扇叶片提供的压头计算公式为：

式中——气流合成速度；

——叶片数目；

——叶片宽度；

D——风扇直径；

C——升力系；

x——阻力系；

——气流流入角；

转子旋转产生的理论压头可参照离心风扇的计算方法得到：

（4）通风网络计算

在通风系统内，流入和流出同一流道的冷却气体，流量应该相等。于是，对应于通风计算网络中的每个节点均应有：

式中：q——流入或流出节点的流量。

根据能量守恒定律及流体伯努利方程，对于通风计算网络中的任意闭合回路，冷却流体的流动压力变化总和均应为零，即：

对整个网络选定好基本回路就可以列出基本回路方程和节点流量方程，解出电机各点的冷却空气流量[1]。关于该元二次方程的求解，随着数值计算软件的发展已不是难题。

2.2 损耗加载

电机的损耗即为发热源，包括：定、转子铁耗、定、转子铜耗、机械损耗、杂散损耗等，损耗值均由电磁计算得到。

根据双馈发电机的特点，将定子铜耗分为两部分分别加载于定子绕组的直线部分和端部；定子铁耗根据材料用量分为齿部铁耗和轭部铁耗，分别加载于定子齿部和轭部；转子齿谐波和转子磁场高次谐波在定子表面产生的损耗加载于定子齿顶部。转子损耗的加载方式与定子类似。风摩损耗根据通风结构及各处的风速合理分配于各流道面。

2.3 温升计算

热网络法是一种以“路”代场的计算方法，它以傅里叶导热公式和牛顿对流换热定律及稳态导热微分方程为基础，将热源和热阻集中表示，运用网络理论计算温度场[3]。

由傅立叶导热公式，有：

Q——总热量，传热功率；

1——导热面积；

由牛顿对流换热定律，有：

2——对流换热面积。

绘制好热路图和计算完热源和热阻后，就可以根据节点热量平衡关系列出热流方程，联立某点的热平衡方程，即可解出各点的温升值。

3 实例分析

以我公司生产并已在风场运行的1.5MW高速双馈电机和2.0MW中速双馈电机为例，分别将计算结果与试验值进行对比分析。

1.5MW高速双馈风力发电机的额定转速为1800r/min，采用背包式冷却器。内风路采用两边进风的径向通风结构，电机两端装有轴流风扇，定转子在轴向相对应的位置上开有12道径向通风沟，形成通过定、转子径向风沟的主风路和通过定子端部的辅风路。其通风网络图如图2所示。

图2 1.5MW高速双馈电机通风网络图

图中，Z1至Z25为冷却空气过流通道中的等效风阻，H1为轴流风扇压头，H2为转子端部线圈压头，H3为转子风沟压头。根据内风路进、出风温差小于30K的要求，假定内风路流量：

——电机总损耗；

以此为基础得到各风阻值，并假定轴流风扇的工作点。由于电机结构对称，可以半电机为对象列方程组求解。将得到的内风路流量替代之前的假定值重新求解，依此循环迭代。当计算电机总流量与假设风扇工作点流量重合时，即为最终的结果。

电机的温升计算把定、转子分开，首先假设电机铁心在同一圆周上的温度是相对的，也即电机铁心内不进行周向传热，所以可以选取一个齿和一个齿对应的轭部为计算单元[1]。据此做出电机的等效热路图，如图3所示。

图3中，四处“接地端”分别表示定子背部、定子内表面、定子齿部、定子轭部与冷却空气接触，向空气散发热量。冷却空气从转子径向风沟流出后，依次流过气隙、定子径向风沟、定子背部。根据损耗及其分布，由式（9）可求出流经这四个点处风的平均温升值。随即由图3列节点热流方程和热平衡方程分别求出绕组、齿部、轭部、内表面、外表面的平均温升。

图3 定子计算单元等效热路图

转子的温升计算类似。

将采用以上方法计算出的电机内部风量和绕组温升值与试验值进行对比，如表1所示。

2.0MW中速双馈风力发电机的额定转速为675r/min，定转子在轴向相对应的位置上开有9道径向通风沟，冷却结构与1.5MW类似，只是取消了电机两端的轴流风扇，内风路压头仅由转子旋转产生。

表1 1.5MW高速双馈发电机通风冷却的相关数据对比

将电机的通风计算和温升计算的结果与试验值进行对比，列于表2中。

通过比较发现，两台电机计算的总风量、定子绕组温升、转子绕组温升值与试验值的误差均在10%以内，并且不同工况下、不同电机的测量值通常在5%范围内浮动。

表2 2.0MW中速双馈发电机通风冷却的相关数据对比

4 结论

本文总结了双馈风力发电机的温升计算方法，即采用通风网络法计算通风，根据电机结构加载损耗，采用热网络法计算温升。使用该方法计算1.5MW高速双馈电机和2.0MW中速双馈电机，分析结果表明，计算值与试验值非常接近，并且目前双馈系列风力发电机的现场运行情况也比较稳定。

因此，这种双馈风力发电机的温升计算方法是行之有效的，可用于考察该系列电机的温升是否满足绝缘要求，进而验证冷却结构是否合理和有效。

[1] 丁舜年. 大型电机的发热与冷却[M]. 北京: 科学出版社, 1992.

[2] 白延年. 水轮发电机设计与计算[M]. 北京: 机械工业出版社, 1982.

[3] 王松, 王新军, 俞茂铮. 燃气轮机空气冷却系统建模及计算分析[J]. 燃气轮机技术, 2010, (4).

Research of the Method to Calculate the Temperature in Double-fed Wind Power Generator

FANG Shirong, WU Guizhen, REN Shengwei

(Beijing Sany Electric Motor & System Co., Ltd, Beijing 102206, China)

Through the research and development of serials of double fed generator, based on the theory of hydrodynamics, diathermanous and electromagnetism. This paper studies the cooling system of double-fed generator used in wind power system and concludes a method to calculate the temperature in it. According to the results of a lot of experimentations, this method is proved to be effective and can be used to direct the design of cooling system in double-fed generator.

double-fed; wind power generator; cooling; temperature rise

TM315

A

1000-3983(2013)05-0001-04

2013-09-16

方世蓉（1985-），2007年毕业于华中科技大学机电工程专业，硕士，现从事电机冷却设计与研究方面的工作，工程师。

审稿人：李广德