雙饋風力發電機冷卻計算方法研究

方世蓉，吳桂珍，任勝偉

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雙饋風力發電機冷卻計算方法研究

方世蓉，吳桂珍，任勝偉

（北京三一電機系統有限責任公司，北京 102206）

在開發高、中速系列雙饋風力發電機的過程中，應用流體力學、傳熱學、電磁學等多個學科的知識，本文對雙饋風力發電機采用的通風冷卻結構進行研究，歸納總結出一套計算雙饋風力發電機溫升的方法。試驗證明，該方法是行之有效的，可以指導冷卻系統設計。

雙饋；風力發電機；冷卻；溫升

1 前言

近幾年，隨著風電行業的發展，裝機容量不斷擴大，單機功率也不斷增加。雙饋風力發電機作為目前風電行業的主流發電機，開發應用時間并不長，電機的冷卻設計與計算沒有成型方法，加之電機運行環境惡劣，經常出現繞組溫升過高的現象，影響電機的穩定運行。

為解決上述問題，使電機設計階段的計算溫升更準確，本文在大型電機冷卻計算方法的基礎上，參考了國內外有關通風系統計算分析的方法，對雙饋發電機采用的通風冷卻結構進行研究，歸納總結出一套計算該類型電機溫升的方法，用來指導雙饋發電機冷卻系統設計以及新型冷卻結構的開發。

2 理論研究

該計算方法主要分為通風計算、損耗加載、溫升計算三部分，其中通風計算采用通風網絡計算的基本原理，電機的損耗根據雙饋發電機的損耗分布特點進行加載，溫升計算采用的是等效熱網絡法。下文將分別進行詳細的分析和說明。

2.1 通風計算

首先，假設通風系統內的冷卻空氣處于穩定、連續的循環流動狀態；由于系統內的冷卻空氣流速不高，認為其具有不可壓縮性。

（1）等值風路

通風冷卻系統內冷卻空氣的過流通道可以簡化為由集中參數構成的類似于電路的支路，如圖1所示，其為通風網絡的基礎[1]。

圖1 等值風路

流體流過該風路時有：

——風阻值；

——流過風阻的流量；

——過流面積；

——壓源。

（2）等效風阻

式中——流體在工程單位制中的密度；

——流道的沿程阻力系數；

——流道的長度；

——流道的水力直徑/當量直徑。

（3）壓源

等值風路中的壓源來自于風扇或等效風扇旋轉引起的壓力升高，軸流風扇葉片提供的壓頭計算公式為：

式中——氣流合成速度；

——葉片數目；

——葉片寬度；

D——風扇直徑；

C——升力系；

x——阻力系；

——氣流流入角；

轉子旋轉產生的理論壓頭可參照離心風扇的計算方法得到：

（4）通風網絡計算

在通風系統內，流入和流出同一流道的冷卻氣體，流量應該相等。于是，對應于通風計算網絡中的每個節點均應有：

式中：q——流入或流出節點的流量。

根據能量守恒定律及流體伯努利方程，對于通風計算網絡中的任意閉合回路，冷卻流體的流動壓力變化總和均應為零，即：

對整個網絡選定好基本回路就可以列出基本回路方程和節點流量方程，解出電機各點的冷卻空氣流量[1]。關于該元二次方程的求解，隨著數值計算軟件的發展已不是難題。

2.2 損耗加載

電機的損耗即為發熱源，包括：定、轉子鐵耗、定、轉子銅耗、機械損耗、雜散損耗等，損耗值均由電磁計算得到。

根據雙饋發電機的特點，將定子銅耗分為兩部分分別加載于定子繞組的直線部分和端部；定子鐵耗根據材料用量分為齒部鐵耗和軛部鐵耗，分別加載于定子齒部和軛部；轉子齒諧波和轉子磁場高次諧波在定子表面產生的損耗加載于定子齒頂部。轉子損耗的加載方式與定子類似。風摩損耗根據通風結構及各處的風速合理分配于各流道面。

2.3 溫升計算

熱網絡法是一種以“路”代場的計算方法，它以傅里葉導熱公式和牛頓對流換熱定律及穩態導熱微分方程為基礎，將熱源和熱阻集中表示，運用網絡理論計算溫度場[3]。

由傅立葉導熱公式，有：

Q——總熱量，傳熱功率；

1——導熱面積；

由牛頓對流換熱定律，有：

2——對流換熱面積。

繪制好熱路圖和計算完熱源和熱阻后，就可以根據節點熱量平衡關系列出熱流方程，聯立某點的熱平衡方程，即可解出各點的溫升值。

3 實例分析

以我公司生產并已在風場運行的1.5MW高速雙饋電機和2.0MW中速雙饋電機為例，分別將計算結果與試驗值進行對比分析。

1.5MW高速雙饋風力發電機的額定轉速為1800r/min，采用背包式冷卻器。內風路采用兩邊進風的徑向通風結構，電機兩端裝有軸流風扇，定轉子在軸向相對應的位置上開有12道徑向通風溝，形成通過定、轉子徑向風溝的主風路和通過定子端部的輔風路。其通風網絡圖如圖2所示。

圖2 1.5MW高速雙饋電機通風網絡圖

圖中，Z1至Z25為冷卻空氣過流通道中的等效風阻，H1為軸流風扇壓頭，H2為轉子端部線圈壓頭，H3為轉子風溝壓頭。根據內風路進、出風溫差小于30K的要求，假定內風路流量：

——電機總損耗；

以此為基礎得到各風阻值，并假定軸流風扇的工作點。由于電機結構對稱，可以半電機為對象列方程組求解。將得到的內風路流量替代之前的假定值重新求解，依此循環迭代。當計算電機總流量與假設風扇工作點流量重合時，即為最終的結果。

電機的溫升計算把定、轉子分開，首先假設電機鐵心在同一圓周上的溫度是相對的，也即電機鐵心內不進行周向傳熱，所以可以選取一個齒和一個齒對應的軛部為計算單元[1]。據此做出電機的等效熱路圖，如圖3所示。

圖3中，四處“接地端”分別表示定子背部、定子內表面、定子齒部、定子軛部與冷卻空氣接觸，向空氣散發熱量。冷卻空氣從轉子徑向風溝流出后，依次流過氣隙、定子徑向風溝、定子背部。根據損耗及其分布，由式（9）可求出流經這四個點處風的平均溫升值。隨即由圖3列節點熱流方程和熱平衡方程分別求出繞組、齒部、軛部、內表面、外表面的平均溫升。

圖3 定子計算單元等效熱路圖

轉子的溫升計算類似。

將采用以上方法計算出的電機內部風量和繞組溫升值與試驗值進行對比，如表1所示。

2.0MW中速雙饋風力發電機的額定轉速為675r/min，定轉子在軸向相對應的位置上開有9道徑向通風溝，冷卻結構與1.5MW類似，只是取消了電機兩端的軸流風扇，內風路壓頭僅由轉子旋轉產生。

表1 1.5MW高速雙饋發電機通風冷卻的相關數據對比

將電機的通風計算和溫升計算的結果與試驗值進行對比，列于表2中。

通過比較發現，兩臺電機計算的總風量、定子繞組溫升、轉子繞組溫升值與試驗值的誤差均在10%以內，并且不同工況下、不同電機的測量值通常在5%范圍內浮動。

表2 2.0MW中速雙饋發電機通風冷卻的相關數據對比

4 結論

本文總結了雙饋風力發電機的溫升計算方法，即采用通風網絡法計算通風，根據電機結構加載損耗，采用熱網絡法計算溫升。使用該方法計算1.5MW高速雙饋電機和2.0MW中速雙饋電機，分析結果表明，計算值與試驗值非常接近，并且目前雙饋系列風力發電機的現場運行情況也比較穩定。

因此，這種雙饋風力發電機的溫升計算方法是行之有效的，可用于考察該系列電機的溫升是否滿足絕緣要求，進而驗證冷卻結構是否合理和有效。

[1] 丁舜年. 大型電機的發熱與冷卻[M]. 北京: 科學出版社, 1992.

[2] 白延年. 水輪發電機設計與計算[M]. 北京: 機械工業出版社, 1982.

[3] 王松, 王新軍, 俞茂錚. 燃氣輪機空氣冷卻系統建模及計算分析[J]. 燃氣輪機技術, 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年畢業于華中科技大學機電工程專業，碩士，現從事電機冷卻設計與研究方面的工作，工程師。

審稿人：李廣德