永磁式风力发电机退磁的在线监测

金　瑞

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

永磁式风力发电机退磁的在线监测

金瑞

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：分析了风力发电机采用永磁体励磁时很难避免的退磁故障预防问题。为了能够实现退磁现象的在线监测，曾经探索电流谐波检测分析方法，但是，它无法排除转子偏心等方面的误判。通过仿真有限元分析计算和真机实验研究，提出了采用零序电压分量测试这种新型测量方法，能够精确地诊断退磁故障，而且能够实现在线监测，预防退磁事故。介绍了监测方法和应用实践。

关键词：永磁电机；风力发电；退磁检测

0引言

现风力发电机仍然以双馈式为主，但是它的转子带有价格昂贵、性能敏感的线圈绝缘及电刷、集电环等，其运行可靠性和维护性能都相对较差。它的齿轮箱损坏率是比较高的，而且噪声很大，影响环保、旅游观光。此外，它的低电压穿越能力比较低，可能影响电网运行稳定性。采用永磁式结构的风力发电机就不存在此类问题(见图1)。但必须要解决它的退磁威胁。一旦发生退磁故障，就会影响电机的性能和电网系统的运行稳定性。通过实验和仿真研究结果证明，采用零序电压分量来监测退磁现象，便能够获得关于退磁的可靠信息。应用这种方法能计算出退磁故障及其严重性指标，从而可以实现早期诊断和预防更加严重退磁事故的发生。

1永磁电机优点

永磁同步电机的优点[1]如下：

1)励磁电压恒定；2)转动惯量较小(只有0.1～0.4 s)； 3)同步电抗比较小(只是常规同步发电机的40%～50%)；4)瞬态电抗为0(因为没有励磁绕组)；4)次瞬态电抗也小(只是15%～35%)；5)永磁体内电势为额定电压的100%～130%；6)纵轴电抗与其横轴电抗两者相等；7)能够实施无功功率控制；8)感应电压与转速呈线性关系；9)装有阻尼绕组-可以承受反向电流，并防止短路工况下的局部去磁；10)鲁棒(健壮)性能好、维护成本低、工作效率高；11)不用碳刷和集电环(见图1)，几乎没有需要维护的零件；12)起动力矩大；13)功率因数高；14)电机效率高；15)运行寿命长，在30年以上。

图1　永磁式风力发电机接线示意图

2退磁问题

永磁电机的最大缺点是退磁问题。在运行一段时间后，永磁电机不可避免地遇到退磁问题。退磁是一个随着时间变化的过程。在温度低于居里温度(钕铁硼的温度为310～400℃)时，由于反向磁场的作用就会引起退磁。反向磁场可能是外加的磁场或是永磁体本身的磁场，每一种永磁材料都有自己的退磁特性[2]，即剩余磁通密度和矫顽磁力之间的关系。矫顽磁力即永磁材料抵抗反向磁场作用的能力，它决定了永磁材料退磁的反向磁场强度，在远小于矫顽磁力磁场的情况下，永磁体不会发生永久退磁。如果发生永久退磁，永磁体励磁能力就会永久下降，必须更换。

磁性材料的特性取决于温度[3]。当它的温度超过最大允许值时，就可能会导致永磁体材料的可逆或不可逆失磁。转子永磁体的退磁会使电机性能恶化，减小输出转矩和功率，并引起定子电流中的谐波频率。所以，通过检查和分析定子电流谐波能够监测这类故障。

鉴于磁场强度取决于温度，所以发电机的感应电压便受到温度变化的影响。如果永磁体的工作环境温度和磁场强度是在可控范围内，永磁体的退磁就可以避免。

3退磁检测

近年来在线状态监测已经成为关注的重点，最简单的做法就是收集电机端电压和电流的数据。但由于定子绕组结构和退磁类型不同，还无法最终确认就是退磁故障，因为也可能是其它原因引起的。由于电机的设计和制造都很难确保定子和转子结构[4]在机械和电气方面的对称性，比如不平衡的电阻和电抗，转子偏心或不同心等。这些因素都会在电流中引起更加复杂的谐波成分。此外，如果是采用定子电流分析，对于低速运行的风力发电机来说，只有发现6次和9次谐波，才能判断已经出现退磁现象。但是，在采用傅里叶变换进行分析时，又会丢失时间信息，就不能适用于退磁故障的动态监测。

根据有限元仿真计算结果，发生退磁故障不会在定子电流频谱中产生附加的频率。因为它仅仅减小奇数次谐波(结构性谐波)的幅值。然而，实验结果证明，永磁同步电机在正常工况和发生退磁故障这两种情况下，都存在有分数次谐波。而转子的机械故障，比如，偏心或对中心不准，也会出现这种谐波分量。在这种情况下，很难确认就是退磁故障。

此外，逆变器对电流频谱也有很大影响。如果采用零序电压分量来监测退磁现象，就能将这些影响降低到最小。所以只能采用电压来取代电流实现对退磁故障的监测诊断。如果通过对反电势方法来观测转子永磁体的磁链和监测退磁故障，还能够适用于中速和高速的永磁同步电机。

4零序电压分量

采用一种新的在线监测零序电压(而不是三相定子电流)分量的方法， 来检测转子的初期退磁故障(见图2)时，永磁式同步电机的定子三相电压矩阵表达式如下：

[Vs]=[Rs][is]+[Ls](d/dt)[is]+(d/dt)[λ]+[V0]

(1)

图2　永磁同步电机的波形

式中，[Vs]为定子三相电压矩阵；[Rs]为定子电阻矩阵；[is]为定子三相电流矩阵；[Ls]为定子电感矩阵；[λ]为基波磁通。

[V0]=V0[111]t是由于定子绕组中性点与三相电压源中性点之间的电压差引起的。在忽略结构性谐波情况下，这一部分等于零。如果电机的三相绕组采用星形接线，在中性点处的定子三相绕组电流之和等于零(Ia+Ib+Ic=0)。由此可见，在电机正常运行时的零序电压分量V0的表达式如：

V0=(1/3)(Va+Vb+Vc)-(dλ0/dt)

(2)

式中，Va+Vb+Vc为定子三相绕组电压之和；λ0为永磁体产生的定子零序磁通分量。

然而，在电机非正常运行的退磁故障情况下，就要考虑到电感、电阻以及退磁因数的影响。在这种情况下，零序电压分量V0的表达式应当按照下式计算：

V0=(1/3)(Va+Vb+Vc)-[1-(K/2p)](dλ0/dt)

(3)

式中，K为退磁因数标幺值(退磁磁极中剩余磁密与未退磁磁极磁密的比值)；p为极对数。

为了验证方程式(3)的准确性，曾经对一台极对数为3，共有6个磁极，每个磁极上安装4个永磁体，每相绕组为144匝，每槽48匝，共有18槽的三相永磁同步电机，采用有限元仿真来分析和论证以下两种不同的退磁故障：案例A有一个磁极发生了50%的局部退磁，案例B假设在6极电机中所有磁极都发生了33.33%的横向退磁。为了达到退磁的模拟和仿真效果，可以调整或移动部分永磁体。而实际上的退磁，很可能是发生在所有的磁极上。研究结果表明，方程式(3)中的1-(K/2p)分别等于0.877(案例A)或0.901(案例B)，而该因数的理论值为0.917。

5检测原理

在没有发生退磁的正常情况下，转子上的永磁体会在定子绕组的每一个槽中感应出规则的和周期性的反电势，其幅值几乎随着转子转速而呈现线性增加。但是，根据模型实验取得的结果和利用有限元仿真得到的结果，都证明了：1)如果发生了退磁故障，这个反电动势波形就没有规律，并在波峰上出现缺口(见图3)，而导致波形不对称。正常情况下一个槽中感应出的反电动势波形为正弦波。如果发生50%的退磁，则导致该反电动势波形减少一半。退磁对于反电动势的影响是很大的，这也证明了通过监测反电动势就能够发现退磁现象。 2)在单个槽中所感应磁通的谐波次数，都是电源基波的整数或者分数次倍数。3)与在单个槽中所感应的反电动势不同，在定子三相绕组中的一个相绕组中感应的合成反电动势中，包括退磁故障谐波频率，已经被相互抵消。除了基波以外，没有其他的谐波。由此可见，要想监测退磁现象和诊断退磁故障类型，很难根据电流频谱数据来实现。因为定子电流频谱中没有分数次谐波(见表1)。

图3　发生退磁时单个槽中感应的反电动势波形波峰出现缺口并使波形幅值减半

dB

注：括号内数字为故障电机与正常电机之间的电流幅值差

由于几何形状的影响，实际上永磁同步电机的磁通频谱中，含有三次谐波以及三的倍数的次谐波分量。因此，气隙磁通中就含有明显的三次谐波分量。这个分量在旋转中，便在定子绕组中感应出来三次谐波电压(见图2)。

如果电机定子绕组采用星形接线，在电流中就没有零序分量。所以，就不能通过电流来监测退磁现象。在这种情况下，只能考虑电压分量这个因素。如果发生局部退磁，表达零序电压分量V0的方程式(3)中，退磁因数1-(K/2p)主要取决于退磁的类型。然而，必须注意到，所有的退磁类型都会使零序电压分量减小。因此，这种减小的幅值，便可以用来作为诊断退磁程度的指标。这就是监测退磁的基本原理(见图4)

6测试方法

6.1测试系统

采用上述退磁监测原理的监测定子绕组零序电压分量的方法具有很多优点，比如方法简单、计算量小、灵敏度高等特点。由于采用这种方法需要通过定子绕组的中性点，所以，特别有利于处理容错系统问题。但是，在实施检测以前，首先在永磁同步电机的系统接线图(图1)以外，附加一个人工中性点(C)，和三相电阻的平衡线路网(图4)。应当指出的是，虽然V0=Voc+Vcm，相比于测量零序电压分量V0时，还不如直接测量发电机定子绕组本身的零序电压分量Voc，更加有利。因为这样就可以排除了逆变器部分Vcm的干扰，达到测量结果更加精确的目的。

在测试实验过程中，采用了交流/直流探针和额定电压为50Vrms的电压传感器来测量定子电流和零序电压分量。数据的获取则采用具有16个通道和16位分辨率的多功能数据采集卡来实现。实践证明，这些测量工具是非常有效的。

图4　永磁同步电机退磁故障的零序电压监测示意图

6.2检测实例

在一台容量为1.2 MW、电压为660 V、频率为9.5 Hz的大型永磁风力发电机上应用这种零序电压监测方法。结果发现，个别永磁体在经过定子绕组A相的线槽时，所感应的反电动势波形的幅值端部出现缺口，这就证明了分数次谐波的存在。拆机检查结果证明，这个永磁体已经退磁，便进行了更换。应用经验表明，直接监测电压V0c，要比监测V0更有好处，因为电压V0c仅仅受到电机本身谐波的影响。

7结语

永磁式风力发电机转子上面镶嵌的永磁体，在长期运行过程中，很难防止退磁故障的发生。然而一旦发生，就会影响电机的性能和电网系统的运行稳定性[5]。 所以，必须采取预防措施。通常采用的状态监测诊断途径，主要是针对电流和电压。 实验和仿真研究结果证明，采用定子电流频谱分析方法，是很难区分正常情况和退磁故障的。 但是发现，通过零序电压分量来监测退磁现象，便能够获得关于退磁的可靠信息。 这种方法很容易计算出来退磁故障及其严重性指标，从而可以实现早期诊断和预防更加严重退磁事故的发生。

参考文献

[1]永磁风力发电机结构特点，大中型风力发电机文集[C].哈尔滨：哈尔滨大电机研究所，1996.

[2]常九健，马文礼，黄金龙.永磁同步电机永磁体形状分析与优化[J]，大电机技术，2012(2)：15-18.

[3]丁树业，3MW永磁风力发电机传热特性研究[J]，大电机技术，2012(3)：1-4.

[4]李伟力，磁极不等厚对MW级永磁直驱风力发电机的影响[J]，大电机技术，2011(4)：30-33.

[5]戴庆忠，超高压永磁发电机，超高压电机文集[C].哈尔滨：哈尔滨电机厂有限责任公司，2004.