浅析MW级双馈风力发电机轴承电压成因

张胜男

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)



浅析MW级双馈风力发电机轴承电压成因

张胜男

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

轴承电压是指在轴承的径向间隙中出现的电容耦合电压，对于普通电机来说轴承电压最初是由定子绕组的平均电位与接地的定子铁心之间的交流电压引起的，当电机以正弦电压供电时，实际上轴承电压是等于零的，而对于MW级双馈异步风力发电机来说，却有很大不同，不但成因与上述存在差异，而且其幅值大小及破坏力较上述亦高。同时侧重分析了MW级双馈异步风力发电机在正常运行时轴承电压的成因，指出了其与普通变频电机在此方面的区别。并在理论上提出了相应的解决方案，同时进行了实践验证。

风力发电机；轴电压；轴电流；寄生电容；容抗

0　引言

轴承电压是指在轴承的径向间隙中出现的电容耦合电压。轴承电压最初是由定子绕组的平均电位与接地的定子铁心之间的交流电压引起的，当电机以正弦电压供电时，实际上轴承电压是等于零的，而采用变频器供电时它则是固有的[2]。一般来说，电压大小取决于定子绕组与转子的电容，转子与机座的电容和轴承本身的电容，本文从原理上分析了采用PWM提供励磁的MW级双馈风力发电机的轴电压、轴电流成因及相较于普通变频电机轴电压、轴电流的区别，同时提出了相应的解决措施并进行了验证。

1　普通变频电机轴承电压、轴承电流成因

经研究，产生电机轴电流的“经典原因”包括：(1)静电聚集；(2)磁路不对称。在异步电机中，设备内部的摩擦或设备现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，会产生静电效应，在转轴的两端产生轴电压，如果没有设置绝缘单元就会产生流过轴承的电流。该电流通过轴，经过其中的一个轴承，通过机座流过另一个轴承返回轴上。在不同的局部阻抗条件下，这个路径还可能延伸到被驱动设备的基础上。

目前，随着变频器的大量使用，电动机端子处的高频共模电压产生的共模电流所带来的问题也日益严重。现代变频器控制系统中，每一相信号都包含有高切换频率的电压脉冲，相似的电压传送特点在共模电压和电机星点(中性点 )之间发生。如果上述电路中包含有电容，在相电压V1传送的每一时刻都会产生电流脉冲I=CdV1/dt。这些电流具有高频特性，被称作“dV/dt电流”，该电流会在轴、两端轴承和机座的环路中流过。图1 所示即为普通变频电机系统变频器感生电流的电路。

图1中，CSF—定子绕组和机座之间的电容；CSR—定子绕组和转子(轴)之间的电容；CRF—转子轴和机座之间的电容，ZB1，ZB2—轴承总阻抗。

1　MW级双馈风力发电机轴承电压、轴承电流成因

MW级双馈风力发电机同普通变频电机最大的区别就是发电机有三相转子绕组，而不是笼型导条。发电机的三相转子绕组通过三个滑环与变频器进行电气连接，每一个滑环对应一相绕组；而定子三相绕组通过接线端子直接与主电网相连(鼠笼式变频电机则是由变频器为其三相定子供电，定子绕组并不与电网相连)。典型双馈风力发电机系统见图2。

三相转子绕组由变频器供电，同时根据空间矢量控制原理进行控制。变频器包括两个背靠背连接的全控电压源型逆变器，依照实际转子转速以及对有、无功功率的要求，产生三相脉宽调制(PWM)电压信号，对转子的绕组施加宽度不同的正、负电压。

2　普通变频电机与双馈风力发电机的区别

如图3所示，发电机与电动机的差别仅在电路的上半部分。在双馈发电机中，变频器与电机转子相连接，并以 PWM形式对转子供电，感应出共模电压；而定子绕组中仅有一个三相正弦电压信号，共模电压被抵消。因此，转子绕组电压和转子绕组与转子(轴)之间的电容CRWF就成了该结构中产生寄生电流的原因。在普通变频电动机的系统中，变频器为定子提供 PWM电压，而其中的笼型绕组并没有大电压信号，因此定子绕组的电压和定子绕组与转子 (轴)之间的电容就会产生相应的寄生电流。

具体的说，对于双馈发电机在相电压V1的传输过程中，电流(IRWF=CRWFdV1/dt)从转子经过寄生电容CRWF流到发电机机座；相应地，电流(IRWF=CRWFdV1/dt)从转子绕组经过电容CRWF流向转子(轴)，然后分流，一路经过CRF(IRF)，另外几路经过电机轴承(IB1,IB2),这些电流与轴承的实际阻抗状态相关，在转子(轴)和电机机座之间产生高频脉冲电压信号VRF=VB1，2,并跨过轴承，如果两端轴承润滑充分，属于电容状态VB1，2就可进行如下估计(忽略VPE1,考虑纯容性电压分配,图2中轴承的总阻抗ZB1,ZB2可以用轴承的电容CB1,CB2替代):VB1, 2/V1≈CRWR/CRWR+CRF+CB1+CB2[1]。

总电流(IPE1=IRWF+IRWR=IRWF+IRF)从机座经由PE线流回变频器。根据VPE1=LPE1dIPE1/dt,跨过线上的固有电感LPE1即会产生一个电压VPE1,电压的峰值VPE1经过CRF与转子(轴)耦合。

由于轴电流能量的大小与寄生电容值(或比率)机密相关。而这些电容值在不同类型的电机中各不相同，并且受到不同零部件几何布置的影响，需要指出的是与定子供电的普通变频电机相比，转子供电的发电机轴上的共模电压耦合电容会大很多，因而产生的寄生电流和相应的影响(如轴电压和轴承失效)也更大。

3　解决措施

根据上述分析的原因可以看出，由于寄生电容的存在,双馈发电机的轴电压、轴电流是亦是必然存在的，而减小轴电压、轴电流的措施，主要就是减小电机系统的寄生电容，增加系统的容抗与感抗。

式中，C—电容；f—频率。

式中，ε—介电常数；S—极板正对导电面积；k—静电力常量；d—极板间距离。

从公式上可以看出增大电机的容抗就是要减小寄生电容，减小频率。在工程应用中，可以通过下列方式改变。

3.1增加转子绕组的绝缘厚度

在保证散热条件的情况下，可尽量增加转子线圈的绝缘厚度，因厚度增加，即相当于转子导条与铁心之间的距离增加，继而减小了寄生电容，增加了容抗。相应的，寄生电流亦会减小。

3.2改变定、转子槽配合

如有些公司4极1.5M双馈风力发电机采用72/96槽配合，转子的每槽导体数为2，但有的公司的槽配合为72/60，转子的每槽导体数为4，经计算，采用72/60槽配合的转子绕组每相串联导体数要高于72/96槽配合。由于感抗正比于每相串联导体数，因此电机的容抗与感抗也相应的高于72/96槽配合。

3.3转子斜槽

转子斜槽后，经计算转子的斜槽漏抗增加，总漏抗增加，转子的感抗增加，其滤波能力相应增加。

3.4改变轴承电流回路，在轴承处设置绝缘(采用端盖绝缘结构或绝缘轴承)；并设置接地碳刷等。

此时需要注意的是，由于轴电压频率过高，因此轴承绝缘的厚度要比普通变频电机的厚，如现在某些公司已将绝缘层厚度做到了3mm，这在另一方面也是减小了电机回路的寄生电容。

表1是某公司试验的数据对比。试验时，前后轴承全部采用绝缘处理，并设置接地碳刷。从数据中可以看出采用斜槽及改变槽配合确实降低了轴电压。

表1　数据对比

4　结语

由于MW双馈风力发电机特殊的转子结构及控制原理，其轴承电压及轴承电流相比于普通电机可以说是不可避免的，并且由于其共模电压耦合电容更大，因此产生的寄生电流更高，破坏能力更强。本文在深入阐述了MW双馈风力发电机轴承电压产生的原理同时，结合多年的理论实践，提出了诸多解决措施，是MW双馈风力发电机轴承电压抑制方面工作的科学总结。

[1]Zika Thomas，Buschbeck Frank，Preisinger Gerwin，Martin Groschl.风力发电机中轴承的过电流问题.电机与控制应用，2008,35(9).

[2]GB/T 21 209—2007变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则 .

Brief Analysis on Bearing Voltage Cause of MW Grade Doubly-Fed Wind Power Generator

Zhang Shengnan

(JiamusiElectricMachineCo.,Ltd.,Jiamusi154002,China)

The bearing voltage refers to the capacitance coupling voltage appeared in radial clearance of bearing. For a common generator, bearing voltage is originally caused by average potential of stator windings and ac voltage of the earthed stator core. When the generator is supplied with sinusoidal voltage, the bearing voltage is equal to zero in fact. But MW grade doubly-fed asynchronous wind power generator is quite different from it. Not only the causes have differences from the above, but also the amplitude and breakdown force are higher than the above. This paper focuses on analyzing the bearing voltage cause of MW grade doubly-fed asynchronous wind power generator at normal operation, points out its difference from that of common variable-frequency generator, and puts forward the corresponding solutions in theory. At the same time, practical verification was carried out on the generator.

Wind power generator；shaft voltage；shaft current；parasitic capacitance；capacitive reactance

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.04.06

TM315

A

1008-7281(2016)04-0018-003

张胜男男1982年生；毕业于佳木斯大学电机专业，现从事高压电机风力发电机设计研发工作.

2016-05-26