的試制過程，提出f今后的工作方向。 1概述由于全球性的能源危機及環境惡化，人們一直在尋求潔凈的可再生能源的利用。風能作為一種潔凈的可再生能源，隨著其技術的逐步成熟而越來越具有競f力。風電的投資比價已接近火電和水電。據估算，地球上的R能資源約200萬億千瓦時，如能利用其中的1%就可滿足人類的電能需求/德國、丹麥、荷‘蘭、美國。等對風能的開發和利用位于世界前列。，我國可開發利用的風能資源極為豐富，近年來以每年新增裝機容量100~200MW的速度發展，其中以新疆、內蒙為風電裝機容量最大、發展最快的省份。風電的迅速發展，使得市場對風力發電機的需求日趨旺盛。 根據市場的需求，上海電機廠有限公司組織力量對風力發電機的研究和開發，成功地開發了YFF系列風力發電機。其中的YFF355-6 6600/125kW4/6P690V發電機，經過成功試運行后已投入批量生產。 2系列風力發電機的設計特點在系列設計中，充分考慮了風力發電機運行環境工況的特殊性，同時兼顧高性能及可靠性。概括起來，系列發電機具有以下特點：“風力發電機為戶外高空運行，發電機雖安裝于機倉內，但所處環境往往較為惡劣，故對發電機的防護要求較高。該系列發電機設計防護等級為IP54.風力發電機往往是和小電網并聯運行，易受電網電壓及頻率波動的影響。發電機的設計過載能力一般較篼，以避免電網電壓及頻率波動較大時影響發電機的穩定運行隨著風電場風力的變化，發電機的輸出功率也一直在變化。經統計，風力發電機在97%的時間內工作在額定功率以下。 為了提高經濟效益，希望發電機在輕載時也具有較高的效率。這就要求發電機的不變損耗，即鐵耗與機械耗之和必須控制在較低水平。在設計時，采取措施盡量減小了鐵耗及冷卻風扇的損耗。以600/125kW風力發電機為例，其鐵耗與機械耗之和低于進口同類電機。 異步發電機的勵磁是靠電網的無功功率來提供的。發電機的功率因數太低將影響到電網的場率因數。因此，該系列風力發電機都具有較高的功率因數。 在兼顧電機效率及電機溫升的情況下，發電機的額定滑率控制在較高數值。風力發電機在運行過程中，隨風力的變化其功率一直在波動，相應發電機電流也隨著波動。為了減小電流波動，緩沖對系統的沖擊，提高機組壽命及可靠性，往往要求發電機具有較軟的特性。在同樣大小的功率波動下，額定滑率大的發電機轉速變化較大，風機槳葉、齒輪箱及發電機轉子速度變化將有一個能量的釋放或吸收過程，這部分吸收或釋放的能量對發電機功率的波動起到一個補償的作用。 這使得發電機與電網之間的電流變化率大大減小，增加了系統的穩定性。發電機額定滑率越大，其特性越軟，速度變化范圍越大，這個補償作用也越大。該系列異步發電機的額定滑率約為一般異步電動機的2倍。 風力發電機安裝在高空的機倉中，機倉的容積有限。這限制了發電機的體積，該系列風力發電機全部設計成表面冷卻的緊湊型電機，體積大大減小。 3開發系列風力發電機解決的幾個課題異步發電機與異步電動機雖然同是由電網提供勵磁電流，但比較二者的矢量圖可看出有以下差別：異步電動機的電壓f/比其內電勢大得較多，而異步發電機的f/與；則相差較小。一般異步電動機發電機的設計中，如仍采用電動機的感應電勢計算方法，則感應電勢及計算出的磁通密度都偏低，這可能造成發電機在實際運行時磁通過于飽和。 異步電動機的/與五的夾角a較小，而異步發電機的a角要大一些。但異步電動機設計程序中的一些計算公式是基于a角很小而近似導出的。如果發電機的設計套用僅適用于電動機的設計公式，將引起較大誤差。要得到比較精確的結果，異步發電機的這些計算公式必須采用稍復雜的公式。 電動機的定子電壓與定子電流夾角小于901而發電機該夾角大于90%故電動機設計程序中一些項的符號必須改變，否則將引起較大誤差。 對于功率1千瓦以下的異步發電機，許多用戶直接用一般用途的異步電動機作發電機方式運行。但對較大容量的風電機組，特別是有一定規模的風電場而言，這種做法是不合適的。 根據異步發電機的矢量圖，我們專門編制了異步發電機電磁設計計算機程序，保證了計算的精確性。通過發電機參數設計值與試驗值的對比，進一步驗證了計算程序的精確性。 表面冷卻異步電機溫升計算對全封閉空一空冷卻電機而言，一般有兩種結構形式：一種是帶獨立的冷卻器，另一種就是我們開發的發電機系列所采用的表面冷卻方式。相比之下，靠表面冷卻的電機的溫升計算顯得尤為重要。因為對帶冷卻器的冷卻方式而言，如試驗時發電機溫升過高，還可以通過調節冷卻器的冷卻能力來改善。而表面冷卻的電機，一旦發現電機溫升過高，可以改善的余地將是很小的。如果不進行表面冷卻電機的溫升計算，就不能準確控制電機設計參數，這將大大增加開發風險。 我們專門開發了表面冷卻電機的溫升計算程序，這對風力發電機系列的開發成功起到了重要的作用。 風力發電機要求在輕載時具有較高的效率，這要求電機的風扇損耗要盡可能地低。為此，我們和高校合作開發了低損耗的冷卻風扇。在滿足發電機冷卻要求的基礎上，將電機的風摩耗降到較低值。這使得風力發電機的效率指標得到了很大的提高，也大大降低了電機的噪聲。 風力發電機的試制過程試制樣機機座為鋼板滾圓焊接，外圓焊內部有冷卻風孔的u形冷卻筋。定子含兩套獨立的4極及6極繞組，F級絕緣。定子繞組采用真空壓力無溶劑浸漆。電機有內、外兩個風路，內風路通過定、轉子氣隙及轉子軸向通風孔，線圈端部，U形冷卻筋的內部風孔形成回路；外風路風量主要流過U形冷卻筋的外表面。 開始試制時轉子采用鑄鋁結構。為了降低電機的實際雜散損耗及鐵耗以達到進一步提高電機效率及降低電機溫升的目的，最終改成為銅排結構。 試制完成后進行了試驗分析，除效率外，發電機的其他指標均符合用戶要求。試驗報告表明電機的風摩耗達7.2kW.電機風摩耗過大是影響效率的主要因素，要想進一步提高電機效率，必須對冷卻風扇進行優化設計。 我們用發熱計算程序對內、外風路風量對發電機溫升的影響進行分析，確定了電機所需的最小風量，同時計算出了發電機內、外風路的風阻，這樣就得出了內、外風路的初步風壓、風量參數。風扇采用效率較高的后傾葉片式，優化的目標是將風摩耗控制在4.5kW以下。最終試驗結果發電機風摩耗僅為3.9kW，發電機的所有指標均達到用戶要求。 樣機試制成功后，對發電機的試驗結果進行了詳細的分析，并對發電機結構作進一步改進，以適應批產的需要。 樣機試制時，發電機機座采用的是鋼板焊接結構。因為若采用鑄鐵機座的話，鑄件木模的費用是十分昂貴的，這在試制階段尚有許多不定因素時，顯然是不得不考慮的。但對比發電機的溫升計算與試驗結果可發現，計算溫升為78K，而實際樣機溫升達92.5K，兩者相差較大。分析主要原因如下：（a）焊接機座易變形（特別在周期較短的情況下），這可能造成機座內圓有一定的1圓度，影響定子鐵心外圓與機座的配合，從而影響了電機散熱；（b）散熱筋與機壁的接觸面積直接影響傳熱能力。計算中考慮的是理想狀態，而實際焊接時很難保證散熱筋與機座100%面積的連接。采用鑄鐵機座可避免以上兩種情況。考慮到批產時如采用鑄鐵機座還可大大縮短成本和生產周期，最終決定維持的設計其他不變的基礎上，將機座由焊接結構改成鑄鐵機座。 改成鑄鐵機座后，計算溫升為67.6K.試驗溫升為68.5K，比原來的92.5K降低了14K 600/125kW發電機的最終試驗值與用戶規定值及原德國電機參數對比如表1：表用戶要求德國進口電機上電廠產品效率功率因數額定轉速溫升從以上對比可看出，發電機的各項參數均達到了要求，特別是效率及功率因數值，都超過了規定值，由于電機的風摩耗通過優化設計控制在較低水平，發電機鐵耗也只有3.62kW（同容量電動機為6kW左右），發電機在輕載時也獲得了高效率。 率因數一-負載曲線見下圖：由該曲線可看出，該發電機是特別適合風力發電時輕載運行較多工況的。 5最終確定的系列風力發電機的設計參數（如表2）6今后的研究方向前面提到，為使發電機的輸出功率波動較小，需使發電機的特性相對軟一些，這就要求發電機的額定滑率要比一般電動機大得多。對鼠籠式異步發電機而言，要增加滑率，只能增加轉子銅排的電阻，同時也增加了轉子銅耗，使得發電機的總損耗大大增加。而受轉子發熱及定子繞組溫升的限制，發電機額定滑率必須控制在一定范圍內。據我們所掌握的國內、外異步發電機的資料，250kW以上的鼠籠型異步發電機的額定滑率基本上沒有超過2%的11表2YFF系列風力發電機技術數據型號額定功率（千瓦）額定電壓（伏）定子電流（安）額定轉速（轉/分）效率功率因數（cos令）最大轉矩額定轉矩堵轉轉矩額定轉矩堵轉電流額定電流絕緣等級/溫升等級重量（千克）采用繞線式異步發電機，轉子回路串聯外部電阻，這就解決了發電機內部的發熱問題。 丹麥的Vestas公司生產的繞線式轉子異步風力發電機，通過電子開關元件調節串人的同軸外接轉子電阻，可使滑率在1% ~10%內調節。這大大改變了發電機組的性能。這種結構的風力發電機的另外一個優點是轉子回路的損耗絕大部分在電機外部，不會使電機過熱采用雙饋調速的繞線式異步風力發電機，還可以將發電機調速范圍擴大到更大的范圍。另外如不帶齒輪箱的低轉速發電機等，這些較為新型的風力發電機目前國內也已開始了這方面的研究。 我們下一步的工作將是開發繞線型或其他新型的風力發電機以更好地滿足市場的各種需要。 ：交通大學電子及計算機工程系電機專業。長期從事交直流電機的設計L作，現任上海電機廠副總工程師，技術開發中心主任。
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