摘要：轴电流会造成电机轴承的严重损坏，特别是对于采用变频器对转子绕组供电的双馈风力发电机，本文分析研究了轴电流产生的原因，并采用合理的措施，减少轴电流对轴承的影响，降低危害，确保双馈风力发电机可靠运行。
关键词：双馈风力发电机；轴电流
Abstract：Shaft current will cause serious damage to motor bearing, especially for the frequency converter is used for doubly-fed wind generator,this paper analyzed the reasons of the shaft current, and adopt reasonable measures to reduce the impact an the damage on bearing, to ensure reliable operation of doubly-fed wind generator
Key words：doubly-fed wind generator；shaft current
前言
风力发电以其清洁、无污染、建设周期短、运营成本低等优点，现已成为发展新能源和可再生绿色能源的重点领域。而采用双馈发电机的风电机组由于具有可以方便地实现变速恒频、灵活地进行有功无功的独立调节、较小的转子励磁容量等优点，目前在风力发电行业得到广泛的应用。但由于其转子绕组采用变频器供电，增加了一种很大的轴电压源，有部分电机因轴电压问题造成轴承电腐蚀甚至损坏。严重的情况下，需将发电机下塔，造成巨大的经济损失。
1双馈风力发电机系统结构
双馈风力发电机系统结构见图1。其中，发电机的定子和电网采用硬耦合，转子经变频器再与电网相连。双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源励磁，采用双向可逆专用变频器（图2背靠背恒压源PWM调制电路）。双馈发电机可以在不同的风速下运行，其转速可以随风速的变化做相应调整，使发电机的运行始终处于最佳状态，提高了风能的利用率。同时，通过控制馈入转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的电压和频率不变，还可以调节输入到电网的功率因数，提高系统的稳定性。
图1 双馈风力发电机系统结构图
图2 背靠背恒压源PWM调制电路
2轴电流产生的原因及危害
轴电压是双馈风力发电机两端轴承或转轴与轴承间所产生的电压，转子轴电压一旦形成回路，就产生了轴电流。轴电流的类型主要有：环路电流、轴对地电流和电容性放电电流。双馈风力发电机由于自身的结构及安装特点，产生轴电压的原因主要有以下两点：
1）由于硅钢片叠装及铁心槽和通风孔等因素存在，造成磁路中存在不平衡，并有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。
2）变频器供电产生轴电压。发电机在变频器供电运行中，由于电源含有高次谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，转轴产生电磁感应，使转轴的电位发生变化从而产生轴电压。
正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，能起到绝缘作用，不会产生轴电流，但当轴电压增加到一定数值时，尤其是发电机刚运行或轴承缺油时，润滑油膜未稳定形成，轴电压将击穿油膜放电而形成回路。轴电流从滚珠与滚道的金属接触点通过，由于该接触点很小，其电流密度很大（可达几百上千安/平方毫米），会导致瞬间高温，使轴承局部烧熔，破坏滚珠与滚道的良好配合，造成轴承无法使用。
图3电流损坏
3轴电压的测量
按GB/T1029第4.3条进行，具体如下:
被试电机应在额定电压、额定转速下空载运行。典型的测量示意图见图4，用高内阻交流电压表先测定轴电压U1，然后将转轴没有绝缘的一端与其轴承座短接(双侧绝缘的转轴短接任意一侧)，测另一端对轴承座的电压U2(即油膜电压)，再测该轴承座对地的电压U3,测点表面与电压表引线应接触良好。试验前应分别检查轴承座与金属垫片、金属垫片与金属底座之间的绝缘电阻。
图4轴电压测量
1一轴承座;2—绝缘垫片;3—金属垫片;4—绝缘垫片;5一转子
目前，国内或IEC还没有对轴电压或轴电流限值的明确规定。只有个别厂家或研究机构对轴电压等提出一些建议规定：如西门子公司规定电机出厂空载轴电压要限制在350mV以下，如果超过该值，轴承必须绝缘。实践中对于滚动与滑动轴承，通常可按表1所列范围适当掌握轴电压限值。测试中要注意变频电机的轴电压是高频脉冲电压，普通的工频表无法准确测量，需要采用响应频率高的表。一旦发现轴电流，可以通过轴承失效分析，掌握轴承损伤发展的情况。对上述电机轴承进行定期振动检测与失效分析，及时发现轴承早期损坏迹象。根据电机运行经验，在轴电流造成的电机轴承损害事例中，电机轴承从早期故障特征频率出现到电机轴承失效一般可以维持1~6个月不等时间。
表1 轴电压对滚动轴承的影响
4预防轴承电流的各种措施及效果
表2预防轴承电流的各种措施及效果
（摘自GB／T21209-2007变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则）
目前双馈风力发电机普遍采用的驱动端联轴器绝缘，发电机两端用接地电刷接地，同时两端均采用绝缘端盖或绝缘轴承的结构型式。虽采用了此结构型式提高了风力发电机的可靠性，但双馈风力发电机轴电压主要存在形式为共模电压，共模电压为高频脉冲电压（额度运行下的脉冲电压波形图见图5），要更有效的抑制轴电流就需提高变频器滤波性能，采用高性能的变频器。
图5额度运行下的轴电压波形图
5结论
随着风力发电的持续发展，双馈风力电机轴电流问题已经不容忽视，有关这方面的研究国内外还不很成熟，也没有明确的标准来规范它。但我们必须采取相应的措施来预防轴电流。在根本上无法杜绝轴电流的前提下，电机采取绝缘措施是目前最简单、有效预防轴电流的方法。此外，通过对发电机轴承的定期振动检测、频普分析等方式，结合轴承失效分析，可帮助发现轴电流造成的轴承早期损坏。
图6空载运行下的轴电压波形图
参考文献
[1]（瑞士)C.Ammanll等：静止励磁的发电机中产生的轴电压一问题和解决方法
[2]高峰,吴亚旗：变频电机轴电流分析及对策电机技术2007年
作者简介
刘志强，男，1981年生，本科，从事双馈风力发电机设计。
论文作者:刘志强
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
标签：电压论文; 电流论文; 轴承论文; 电机论文; 转子论文; 发电机论文; 转轴论文; 《电力设备》2019年第2期论文;