双速电机在并网型风力发电机组中的应用

杨建军

摘 要：本文主要以单绕组双速电机为例介绍了风力发电机组中双速电机的绕组连结方式，基本控制电路并结合实际应用提出一些日常使用中应该注意的问题。

关键词：双速电机 风力发电机组 加热带 可利用率

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0111-02

并网前后都需要电网支持的并网型兆瓦级风力发电机组已经成为目前风力发电组的发展趋势。兆瓦级以下机组通过三相异步鼠笼电机带动油泵给齿轮箱冷却润滑。但是兆瓦级以上机组用此种方法已经无法满足齿轮箱正常运转。为此我们使用双速电机带动油泵加速齿轮箱油的循环以及使齿轮箱油经过油冷却器强制风冷[1]。

1 双速电机的使用

风力发电机组通过齿轮箱将叶轮的低转速高扭矩转换为高转速低扭矩，带动发电机发电。双速电机主要应用在齿轮箱的油泵与油冷却器上作为动力源，如图1所示。双速电机属于异步电动机变极调速，在结构上定子槽内嵌有两个不同极对数的共有绕组，通过外部控制线路的切换来改变电机定子绕组的接线方式来实现变更磁极对数，从而改变电动机的转速[2]。

双速电机首先用在油泵上，带动油泵使得齿轮箱中的油不断的循环；但长时间的机组运行使得油温居高不下，为了使齿轮箱油温迅速下降以便更好的冷却与润滑齿轮本身，就要在油循环过程中增加油冷却器，通过双速电机带动风扇对通过冷却器中的油降温。油泵电机与油冷却器电机控制过程基本一样，唯一不同的就是它的运行条件。

在风力发电机组中双速电机速度变化是以△连接换为YY连接为主，主要是因为电机功率在3KW以上。我们主要以油冷却电机为主说明的它的控制过程。电机主回路采用电机保护专用小型断路器以此省去热继电器，它具有过载，短路，过流保护以及额定电流可调功能。闭合主回路断路器，当齿轮箱油温达到45℃以上，控制系统PLC给出一个指令通过继电器控制交流接触器的线圈，接触器主触点闭合，如图2所示U1，V1，W1 接入三相电源，电机在三角形连接下低速运行。

由于风力发电机组的持续满负荷运行使得油温持续上升，当油温大于等于60℃时，控制系统PLC发出指令通过继电器使第二个交流接触器将电机定子线圈的三个抽头短接在一起，如图2所示U2，V2，W2三个抽头短接在一起，电机的连接方式变为双YY连接，极对数P变为三角形连接时的1/2，根据转速公式可知转速为原来的2倍，因此电机在高速运转[3]。

风力发电机组作为一大型的发电系统，它的控制过程与一些工程实际中的双速电机控制有一些差别，交流接触器的动作主要靠PLC的逻辑运算，运用24V直流电通过继电器控制交流接触器的线圈并非启动按钮。

齿轮箱油冷却电机的控制过程与油泵电机基本一样，唯一区别的就是逻辑条件，当发电机转速达到300 rpm时，电机绕组在△连接下低速运转；当齿轮箱油温达到35℃时，电机绕组变为YY方式高速运转。

风力发电机组的油泵电机与油冷却器电机主要起冷却与润滑作用，所带的负载分别是油泵和风扇属于恒转矩调速，采用鼠笼式异步电机，控制电路简单易维修成本低，无附加差基损耗，效率高[4]。

2 安装地点的影响

风力发电机组一般安装在沿海或北方寒冷的高原地带，电机处于这种环境容易结露、结霜，造成电机绝缘性能下降，易使电机损坏。虽然电机均选用IP55的防护等级，仍然在环绕电机的定子绕组驱动端部安装防潮加热带对电机整体加热，使电机绕组的温度始终高于环境温度5 ℃以上，保护电机轴承。一般选用25 W或40 W的加热带，加热带的工作是通过PLC控制系统程序控制继电器的通断来实现的，主要在长时间停机以及电机工作环境的温度湿度条件决定的。

在风力发电机组中油冷却电机以及油泵电机的运行逻辑条件会根据风力风电机组的容量安装地点的不同有所差异。比如以内蒙古这种高海拔风资源丰富的高寒地区，风能利用小时数高于其他地区，油冷却电机和油泵电机采用双速电机以保证齿轮箱以最佳工况运行。在南方地区虽然年平均气温比较高，但风能年利用小时数低，油冷却电机及油泵电机△连接方式即低速运转。如果机组容量在2 MW及以上且安装在风能利用小时数高地区，单独一个油冷却器仍然无法迅速降温，可以采用两个油冷却器串联，由两个电机对其降温处理。

3 日常维护

根据风场一年中齿轮箱油泵及油冷却系统故障类型统计如表1所示，在实际应用中我们需要注意以下几点。

（1）定期维护时我们应该检查电机的固定情况以及通过控制系统给其指令检查其运转情况，电机转向声音是否正常，防患于未然。

（2）电机出现故障大多数是因为后端盖轴承缺油导致转子扫膛，定期检查转子轴承固定情况并及时添加润滑油。

（3）在调试阶段，最好对该风场该机型双速电机接线情况检查一下，确定是否双速都接，设计时都是采用双速电机，但因各地环境差异导致接线方式不一样，主要是以控制系统PLC程序为主；曾经在南方某风场在台风前夕，风机一直报齿轮箱油压低故障，油冷却器电机只接低速，油温太高，润滑油比较稀，通过油管的油压低于设定值机组一直报故障；当将油冷却电机改为高速运转不久故障消除。这种台风过境下情况是很少见的，所以当时PLC程序设计时未考虑这一特殊情况导致这一故障发生，作为现场运维人员必须了解并记录这一特殊情况。

（4）双速电机更换时一定要对新电机轴承的固定运转及电机转向做一检查，高低速不能接反，因为有时在低风速下风力发电机组欠功率运行齿轮箱油温上升慢，即使接反有可能也不会报故障，但在高风速时就会出现油温高的停机故障，影响发电量。

（5）做好故障电机统计工作建立设备档案，对于电机存在的批次问题可以高效地解决，对新问题可以及时发现早作预警，提高风机可利用率。

4 结论

双速电机在兆瓦级风力发电机组中的应用主要是随着风力发电机组容量增加导致齿轮箱变比提高而产生的，虽然它的控制过程相对简单，但其作用不容忽视，正确及时的维护对提高风电机组可利用率意义重大。

参考文献

[1] [美]Ahmad Hemami，著.风力发电机组技术与应用[M].张春朋，译.北京：机械工业出版社，2013：152-153.

[2] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2012：298-299.

[3] 万芳瑛.电机拖动与控制设计[M].北京：北京大学出版社，2013：87-88.

[4] 戴文进，肖倩华.电机与电力拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2012：159.endprint

摘 要：本文主要以单绕组双速电机为例介绍了风力发电机组中双速电机的绕组连结方式，基本控制电路并结合实际应用提出一些日常使用中应该注意的问题。

关键词：双速电机 风力发电机组 加热带 可利用率

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0111-02

并网前后都需要电网支持的并网型兆瓦级风力发电机组已经成为目前风力发电组的发展趋势。兆瓦级以下机组通过三相异步鼠笼电机带动油泵给齿轮箱冷却润滑。但是兆瓦级以上机组用此种方法已经无法满足齿轮箱正常运转。为此我们使用双速电机带动油泵加速齿轮箱油的循环以及使齿轮箱油经过油冷却器强制风冷[1]。

1 双速电机的使用

风力发电机组通过齿轮箱将叶轮的低转速高扭矩转换为高转速低扭矩，带动发电机发电。双速电机主要应用在齿轮箱的油泵与油冷却器上作为动力源，如图1所示。双速电机属于异步电动机变极调速，在结构上定子槽内嵌有两个不同极对数的共有绕组，通过外部控制线路的切换来改变电机定子绕组的接线方式来实现变更磁极对数，从而改变电动机的转速[2]。

双速电机首先用在油泵上，带动油泵使得齿轮箱中的油不断的循环；但长时间的机组运行使得油温居高不下，为了使齿轮箱油温迅速下降以便更好的冷却与润滑齿轮本身，就要在油循环过程中增加油冷却器，通过双速电机带动风扇对通过冷却器中的油降温。油泵电机与油冷却器电机控制过程基本一样，唯一不同的就是它的运行条件。

在风力发电机组中双速电机速度变化是以△连接换为YY连接为主，主要是因为电机功率在3KW以上。我们主要以油冷却电机为主说明的它的控制过程。电机主回路采用电机保护专用小型断路器以此省去热继电器，它具有过载，短路，过流保护以及额定电流可调功能。闭合主回路断路器，当齿轮箱油温达到45℃以上，控制系统PLC给出一个指令通过继电器控制交流接触器的线圈，接触器主触点闭合，如图2所示U1，V1，W1 接入三相电源，电机在三角形连接下低速运行。

由于风力发电机组的持续满负荷运行使得油温持续上升，当油温大于等于60℃时，控制系统PLC发出指令通过继电器使第二个交流接触器将电机定子线圈的三个抽头短接在一起，如图2所示U2，V2，W2三个抽头短接在一起，电机的连接方式变为双YY连接，极对数P变为三角形连接时的1/2，根据转速公式可知转速为原来的2倍，因此电机在高速运转[3]。

风力发电机组作为一大型的发电系统，它的控制过程与一些工程实际中的双速电机控制有一些差别，交流接触器的动作主要靠PLC的逻辑运算，运用24V直流电通过继电器控制交流接触器的线圈并非启动按钮。

齿轮箱油冷却电机的控制过程与油泵电机基本一样，唯一区别的就是逻辑条件，当发电机转速达到300 rpm时，电机绕组在△连接下低速运转；当齿轮箱油温达到35℃时，电机绕组变为YY方式高速运转。

风力发电机组的油泵电机与油冷却器电机主要起冷却与润滑作用，所带的负载分别是油泵和风扇属于恒转矩调速，采用鼠笼式异步电机，控制电路简单易维修成本低，无附加差基损耗，效率高[4]。

2 安装地点的影响

风力发电机组一般安装在沿海或北方寒冷的高原地带，电机处于这种环境容易结露、结霜，造成电机绝缘性能下降，易使电机损坏。虽然电机均选用IP55的防护等级，仍然在环绕电机的定子绕组驱动端部安装防潮加热带对电机整体加热，使电机绕组的温度始终高于环境温度5 ℃以上，保护电机轴承。一般选用25 W或40 W的加热带，加热带的工作是通过PLC控制系统程序控制继电器的通断来实现的，主要在长时间停机以及电机工作环境的温度湿度条件决定的。

在风力发电机组中油冷却电机以及油泵电机的运行逻辑条件会根据风力风电机组的容量安装地点的不同有所差异。比如以内蒙古这种高海拔风资源丰富的高寒地区，风能利用小时数高于其他地区，油冷却电机和油泵电机采用双速电机以保证齿轮箱以最佳工况运行。在南方地区虽然年平均气温比较高，但风能年利用小时数低，油冷却电机及油泵电机△连接方式即低速运转。如果机组容量在2 MW及以上且安装在风能利用小时数高地区，单独一个油冷却器仍然无法迅速降温，可以采用两个油冷却器串联，由两个电机对其降温处理。

3 日常维护

根据风场一年中齿轮箱油泵及油冷却系统故障类型统计如表1所示，在实际应用中我们需要注意以下几点。

（1）定期维护时我们应该检查电机的固定情况以及通过控制系统给其指令检查其运转情况，电机转向声音是否正常，防患于未然。

（2）电机出现故障大多数是因为后端盖轴承缺油导致转子扫膛，定期检查转子轴承固定情况并及时添加润滑油。

（3）在调试阶段，最好对该风场该机型双速电机接线情况检查一下，确定是否双速都接，设计时都是采用双速电机，但因各地环境差异导致接线方式不一样，主要是以控制系统PLC程序为主；曾经在南方某风场在台风前夕，风机一直报齿轮箱油压低故障，油冷却器电机只接低速，油温太高，润滑油比较稀，通过油管的油压低于设定值机组一直报故障；当将油冷却电机改为高速运转不久故障消除。这种台风过境下情况是很少见的，所以当时PLC程序设计时未考虑这一特殊情况导致这一故障发生，作为现场运维人员必须了解并记录这一特殊情况。

（4）双速电机更换时一定要对新电机轴承的固定运转及电机转向做一检查，高低速不能接反，因为有时在低风速下风力发电机组欠功率运行齿轮箱油温上升慢，即使接反有可能也不会报故障，但在高风速时就会出现油温高的停机故障，影响发电量。

（5）做好故障电机统计工作建立设备档案，对于电机存在的批次问题可以高效地解决，对新问题可以及时发现早作预警，提高风机可利用率。

4 结论

双速电机在兆瓦级风力发电机组中的应用主要是随着风力发电机组容量增加导致齿轮箱变比提高而产生的，虽然它的控制过程相对简单，但其作用不容忽视，正确及时的维护对提高风电机组可利用率意义重大。

参考文献

[1] [美]Ahmad Hemami，著.风力发电机组技术与应用[M].张春朋，译.北京：机械工业出版社，2013：152-153.

[2] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2012：298-299.

[3] 万芳瑛.电机拖动与控制设计[M].北京：北京大学出版社，2013：87-88.

[4] 戴文进，肖倩华.电机与电力拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2012：159.endprint

摘 要：本文主要以单绕组双速电机为例介绍了风力发电机组中双速电机的绕组连结方式，基本控制电路并结合实际应用提出一些日常使用中应该注意的问题。

关键词：双速电机 风力发电机组 加热带 可利用率

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0111-02

并网前后都需要电网支持的并网型兆瓦级风力发电机组已经成为目前风力发电组的发展趋势。兆瓦级以下机组通过三相异步鼠笼电机带动油泵给齿轮箱冷却润滑。但是兆瓦级以上机组用此种方法已经无法满足齿轮箱正常运转。为此我们使用双速电机带动油泵加速齿轮箱油的循环以及使齿轮箱油经过油冷却器强制风冷[1]。

1 双速电机的使用

风力发电机组通过齿轮箱将叶轮的低转速高扭矩转换为高转速低扭矩，带动发电机发电。双速电机主要应用在齿轮箱的油泵与油冷却器上作为动力源，如图1所示。双速电机属于异步电动机变极调速，在结构上定子槽内嵌有两个不同极对数的共有绕组，通过外部控制线路的切换来改变电机定子绕组的接线方式来实现变更磁极对数，从而改变电动机的转速[2]。

双速电机首先用在油泵上，带动油泵使得齿轮箱中的油不断的循环；但长时间的机组运行使得油温居高不下，为了使齿轮箱油温迅速下降以便更好的冷却与润滑齿轮本身，就要在油循环过程中增加油冷却器，通过双速电机带动风扇对通过冷却器中的油降温。油泵电机与油冷却器电机控制过程基本一样，唯一不同的就是它的运行条件。

在风力发电机组中双速电机速度变化是以△连接换为YY连接为主，主要是因为电机功率在3KW以上。我们主要以油冷却电机为主说明的它的控制过程。电机主回路采用电机保护专用小型断路器以此省去热继电器，它具有过载，短路，过流保护以及额定电流可调功能。闭合主回路断路器，当齿轮箱油温达到45℃以上，控制系统PLC给出一个指令通过继电器控制交流接触器的线圈，接触器主触点闭合，如图2所示U1，V1，W1 接入三相电源，电机在三角形连接下低速运行。

由于风力发电机组的持续满负荷运行使得油温持续上升，当油温大于等于60℃时，控制系统PLC发出指令通过继电器使第二个交流接触器将电机定子线圈的三个抽头短接在一起，如图2所示U2，V2，W2三个抽头短接在一起，电机的连接方式变为双YY连接，极对数P变为三角形连接时的1/2，根据转速公式可知转速为原来的2倍，因此电机在高速运转[3]。

风力发电机组作为一大型的发电系统，它的控制过程与一些工程实际中的双速电机控制有一些差别，交流接触器的动作主要靠PLC的逻辑运算，运用24V直流电通过继电器控制交流接触器的线圈并非启动按钮。

齿轮箱油冷却电机的控制过程与油泵电机基本一样，唯一区别的就是逻辑条件，当发电机转速达到300 rpm时，电机绕组在△连接下低速运转；当齿轮箱油温达到35℃时，电机绕组变为YY方式高速运转。

风力发电机组的油泵电机与油冷却器电机主要起冷却与润滑作用，所带的负载分别是油泵和风扇属于恒转矩调速，采用鼠笼式异步电机，控制电路简单易维修成本低，无附加差基损耗，效率高[4]。

2 安装地点的影响

风力发电机组一般安装在沿海或北方寒冷的高原地带，电机处于这种环境容易结露、结霜，造成电机绝缘性能下降，易使电机损坏。虽然电机均选用IP55的防护等级，仍然在环绕电机的定子绕组驱动端部安装防潮加热带对电机整体加热，使电机绕组的温度始终高于环境温度5 ℃以上，保护电机轴承。一般选用25 W或40 W的加热带，加热带的工作是通过PLC控制系统程序控制继电器的通断来实现的，主要在长时间停机以及电机工作环境的温度湿度条件决定的。

在风力发电机组中油冷却电机以及油泵电机的运行逻辑条件会根据风力风电机组的容量安装地点的不同有所差异。比如以内蒙古这种高海拔风资源丰富的高寒地区，风能利用小时数高于其他地区，油冷却电机和油泵电机采用双速电机以保证齿轮箱以最佳工况运行。在南方地区虽然年平均气温比较高，但风能年利用小时数低，油冷却电机及油泵电机△连接方式即低速运转。如果机组容量在2 MW及以上且安装在风能利用小时数高地区，单独一个油冷却器仍然无法迅速降温，可以采用两个油冷却器串联，由两个电机对其降温处理。

3 日常维护

根据风场一年中齿轮箱油泵及油冷却系统故障类型统计如表1所示，在实际应用中我们需要注意以下几点。

（1）定期维护时我们应该检查电机的固定情况以及通过控制系统给其指令检查其运转情况，电机转向声音是否正常，防患于未然。

（2）电机出现故障大多数是因为后端盖轴承缺油导致转子扫膛，定期检查转子轴承固定情况并及时添加润滑油。

（3）在调试阶段，最好对该风场该机型双速电机接线情况检查一下，确定是否双速都接，设计时都是采用双速电机，但因各地环境差异导致接线方式不一样，主要是以控制系统PLC程序为主；曾经在南方某风场在台风前夕，风机一直报齿轮箱油压低故障，油冷却器电机只接低速，油温太高，润滑油比较稀，通过油管的油压低于设定值机组一直报故障；当将油冷却电机改为高速运转不久故障消除。这种台风过境下情况是很少见的，所以当时PLC程序设计时未考虑这一特殊情况导致这一故障发生，作为现场运维人员必须了解并记录这一特殊情况。

（4）双速电机更换时一定要对新电机轴承的固定运转及电机转向做一检查，高低速不能接反，因为有时在低风速下风力发电机组欠功率运行齿轮箱油温上升慢，即使接反有可能也不会报故障，但在高风速时就会出现油温高的停机故障，影响发电量。

（5）做好故障电机统计工作建立设备档案，对于电机存在的批次问题可以高效地解决，对新问题可以及时发现早作预警，提高风机可利用率。

4 结论

双速电机在兆瓦级风力发电机组中的应用主要是随着风力发电机组容量增加导致齿轮箱变比提高而产生的，虽然它的控制过程相对简单，但其作用不容忽视，正确及时的维护对提高风电机组可利用率意义重大。

参考文献

[1] [美]Ahmad Hemami，著.风力发电机组技术与应用[M].张春朋，译.北京：机械工业出版社，2013：152-153.

[2] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2012：298-299.

[3] 万芳瑛.电机拖动与控制设计[M].北京：北京大学出版社，2013：87-88.

[4] 戴文进，肖倩华.电机与电力拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2012：159.endprint