劉瑞芳 任雪嬌 陳嘉垚
1 導語
雙饋異步發電機是目前主流風力發電機型之一，然（rán）而變流器產生（shēng）的共模電壓通過電機雜散電容在電（diàn）機轉軸上感應出軸電壓並產生軸電流，使得軸承產生早期失效，造成風（fēng）電機組停機、燒毀，影響著風力發電（diàn）係統的安全穩定運行。預測雙饋異步風力發電機軸電流並尋找抑製方法對（duì）降低此（cǐ）類故障（zhàng）的發生率具有重（chóng）要意義。
本文建立了雙饋異步風力發電機（jī）軸電流分析模型，並給（gěi）出了發電機雜散電容的數值計算和測量方法。對一台（tái）1.5MW雙饋異步發電機進行分析，發現僅需考慮轉子側共模電壓對軸電壓的（de）影（yǐng）響，可得出簡化軸電流模型。軸電壓靈敏度分析表明減小轉子繞組和轉子鐵心（xīn）之間的雜散電容Crwr是抑製軸電（diàn）壓和軸電流的有（yǒu）效途徑。
2 研究背景
軸承（chéng）內、外滾道之間的軸承電壓超過（guò）其潤（rùn）滑油膜（mó）閾值（zhí）電壓（yā）而（ér）發生擊穿時，會產生放電電流。瞬（shùn）間放電釋放的熱量會造成潤滑脂（zhī）成分變性、惡化並使軸承表麵產（chǎn）生坑蝕，引起（qǐ）軸承失效。變頻供電交流電動機的軸電流問題在工業應用中很早就被認識到了。在新能源（yuán）發電領域（yù），隨著雙饋異步風力發電機的廣泛應用，其軸電流問（wèn）題也不斷出現，通過統計發現雙饋風力發（fā）電機中軸承電蝕問題（tí）Z為嚴重（chóng）。
3 論文所解決的問題及（jí）意義
據統計，1~2MW風力發電機中軸承故（gù）障占比為70%，而且風力發電機都（dōu）安裝在離地麵很高的地方，其維護和檢修複雜且費用高昂。因此預測軸電壓和軸電流對雙饋風力發電機的軸承電腐蝕問題的研究有（yǒu）重要意義。
為了準確預測（cè）軸電壓和軸電流，需要建立準確（què）的電機軸（zhóu）電（diàn）流分析模型。本（běn）文首先建立了雙饋異步風力發電機的軸電流等效分析模（mó）型，並提（tí）出基於電（diàn）磁場數值計算和測試的電機雜（zá）散電容參數提取（qǔ）方法。通過測試導出簡（jiǎn）化的軸電流分析模型，並對（duì）各電容參數對（duì）軸電壓（yā）的影響進（jìn）行靈敏度分析，提出一種抑（yì）製雙饋異步發電機軸電流的（de）新方案。
4 論文的方（fāng）法及創新點
1）由（yóu）雙饋風力發電機內部雜散電容的（de）分布，提出雙（shuāng）饋異步（bù）發電機分析完整模型（xíng），如圖1所（suǒ）示。
圖1 雙饋異步發電（diàn）機（jī）軸電流分析完整模型
2）提出了雙饋電機雜散電容計算和測量方法。從電場的（de）角度（dù）看（kàn），電機內存在四部分導體，分別為定子繞組、轉子繞組、轉子鐵芯/轉軸（zhóu）和定（dìng）子鐵（tiě）芯/機殼。基於多導體部分（fèn）電容理（lǐ）論，采用有限（xiàn）元數值計算可（kě）以獲得電機內雜散電容。實際測試時，采用電（diàn）容表的兩個表筆接四個等效導（dǎo）體的中任意兩個，測量它們之（zhī）間的等效電容。由電機（jī）雜散電容分布電路得出6個等效電容與電機內雜散電容關係，進行聯立求解可以獲得電機內的（de）雜散電容（róng）。
3）針對一台1.5MW雙饋異步發電機進行分析（xī），發現雙饋異步發電機定子側共模電（diàn）壓引起的軸電壓很小，可以忽略。因此可將圖1模型簡（jiǎn）化，僅考（kǎo）慮轉子（zǐ）側共（gòng）模電壓，如圖2所示。
圖2 雙饋異步發電（diàn）機軸電流簡化模型
4）通過雜散電容對軸電壓靈敏度分析，發現轉子繞組和轉子（zǐ）鐵心間的電容Crwr是影響軸承分壓比的關鍵參數，如圖3所示。減小Crwr可以抑製軸電壓和（hé）軸電流。
圖3Crwr和Crf變化（huà）對於軸承分（fèn）壓比的影響
5 結（jié）論（lùn）
本文針對雙饋異步發（fā）電機建立了完（wán）整的軸（zhóu）電流等效模型，並給出了電（diàn）機雜散電容參數的計算和測試方法。對具體算例進（jìn）行分析，發現（xiàn）模型僅需考慮轉子側共模電壓對軸電壓的（de）影響，可采用簡化等效電路（lù）分析軸電流。軸電壓（yā）的靈敏度分析結果（guǒ）表明，減小轉（zhuǎn）子繞組和轉子鐵心間的電容Crwr是抑製軸電壓和軸電流的一個有（yǒu）效（xiào）途徑。
本文（wén）引用：劉瑞芳，任雪嬌，陳嘉垚.雙饋異（yì）步風力發電機的軸（zhóu）電（diàn）流分析[J].電工技術學報，2018，33(19):4517-4525.
作者簡介（jiè）：北京交通大學電氣工程學院軸電流研究組由劉瑞芳副教授指導，課題組目前承擔（dān）國家自然科學基金項目——軸電流對雙饋（kuì）異（yì）步風力發電機軸承破壞度與發展趨（qū）勢及抑製策略研究（51777008）。
劉瑞（ruì）芳 女（nǚ），1971年生，副教授，博士生導（dǎo）師，研究方（fāng）向為電力電子與電機係統集（jí）成分析、電磁場理論與數值（zhí）計算。
任雪嬌 女，1991年（nián）生，碩士研究生，研究方向為電力電子與電機係統集成分析。
來源：《電工技術學報》
