2.4 發電機

風力發電機組的發電機按照發電機型式可分為籠型異步發電機、雙饋異步發電機和永磁型同步發電機。雙饋異步風力發電機是目前應用最為廣泛的風力發電機。由定子繞組直連定頻三相電網的繞線式異步發電機和安裝在轉子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。雙饋異步風力發電機是一種繞線式感應發電機，是變速恒頻風力發電機組的核心部件，也是風力發電機組國產化的關鍵部件之一。發電機本體主要由定子、轉子和軸承系統組成。為了避免由于潮濕、結露而對發電機造成損害，發電機繞組內埋有加熱線圈，此外，在發電機內裝有溫度傳感器，檢測發電機繞組的溫度和發電機軸承的溫度。風力發電機組或系統結構簡圖如圖2-14所示。

雙饋異步發電機將定子、轉子三相繞組分別接入獨立的三相對稱電源，定子繞組直接和電網連接，轉子繞組通過變流器與電網連接，轉子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運行要求由變頻器自動調節，機組可以在不同的轉速下實現恒頻發電，滿足用電負載和并網的要求。由于采用了交流勵磁，發電機和電力系統構成了“柔性連接”，即可以根據電網電壓、電流和發電機的轉速來調節勵磁電流，精確地調節發電機輸出電壓，使其能滿足要求。變頻器采用交—直—交的形式與電網連接，控制發電機在亞同步和超同步轉速下都保持發電狀態并隨著風速的變化調節發電機的轉速，進行能量交換。發電機的轉速范圍是1000～2000r/min，同步轉速是1500r/min。電壓頻率和轉子電流與轉速差（實際轉速和同步轉速之差）相對應。在正常情況下，異步發電機的轉子轉速總是略高或低于旋轉磁場的轉速（同步轉速ns），因此稱為異步電機。轉子轉速n與旋轉磁場的轉速ns之差稱為轉差，轉差Δn與同步轉速ns的比值稱為轉差率，轉差率是表征異步發電機運行狀態的一個基本變量。

定子電壓等于電網電壓，轉子電壓與轉差率及堵轉電壓成正比，堵轉電壓取決于定子與轉子的匝數比。當發電機以同步轉速轉動時，轉差率為零，這就意味著轉子的電壓為零。集電環系統用了4個集電環，其中3個是轉子的U、V、W相集電環，第4個集電環是用于泄放軸電流的集電環。集電環系統有磨損電刷和監控電刷壽命的微電子開關。

某變速恒頻風力發電機發電系統結構如圖2-15所示，其中省略了變壓器、濾波器等構件。其中定子接入電網，轉子繞組由頻率、相位、幅值都可以調節的三相低頻交流電流勵磁。

發電機的主要組成部分有定子、轉子、靜止加熱器、抗磨滾珠軸承端蓋及軸承、冷卻和通風系統、炭刷及滑環室、測速編碼器、端子接線盒、溫度傳感器。

1．定子

機座為焊接結構，內部鐵芯疊壓后由軸向扣片拉緊；定子線圈為三相成型線圈，嵌線后整體真空壓力浸漆，絕緣等級H；三相繞組由電纜線引固定在機座上的大接線盒內。

2．轉子

轉子為繞線式，轉子鐵芯采用壓力安裝在軸上；轉子繞組為波形繞組，繞組K、L、M端頭通過軸孔引出與非傳動端滑環連接；軸接地采用接地炭刷，炭刷裝在滑環室，并有炭刷磨損報警單元；編碼器安裝于軸的非傳動端。

3．靜止加熱器

電機裝配有4個加熱器，與高壓電機用防潮加熱帶通過輔助接線盒與控制系統連接。

4．抗磨滾珠軸承端蓋及軸承

抗磨滾珠軸承端蓋采用鑄造結構，軸承采用兩個絕緣深溝球軸承。軸承通過圓形端罩支撐安裝在機座正中。一個深溝球軸承安裝在定位軸承的軸承端蓋上；另一個深溝軸承安裝在非定位軸承的軸承端蓋上。兩個軸承完全絕緣并帶預緊，主要作用是降低運行噪聲，并在主軸鎖緊后傳遞鎖緊力。油脂排出口位于兩個軸承端蓋處，可以收集從軸承端蓋內排出的多余油脂。軸承端蓋的底部有多個開口和一個油脂收集裝置。

5．冷卻和通風系統

發電機采用機殼水內冷卻。發電機內部風扇使空氣循環流動，把熱量傳到發電機機殼，機殼中循環的冷卻水將熱量帶走；滑環室內部空氣自然流動，熱量傳遞給滑環室，再經過頂部裝的水冷機構進行冷卻。

6．炭刷及滑環室

滑環室裝在電機外部的非傳動端，防護等級IP23；滑環裝在軸上，刷架系統裝配于滑環室內，然后固定在非傳動端端蓋上，用傳感器監控主炭刷和軸接地炭刷磨損，外接信號電纜固定于輔助接線盒內。

滑環室內有3個獨立滑環和1個非獨立滑環（用于主軸接地的連接）。滑環室內連接電纜直接接至罩體上的轉子接線盒內。通過一個微型開關監視炭刷磨損情況（包括主炭刷和主軸接地炭刷），兩個用于監測炭刷磨損的信號通過輔助接線盒連接到PLC主控制器。

7．測速編碼器

在主軸的非驅動端安裝有一個雙通道轉速編碼器，用于監測發電機軸的轉速，一是為變頻器提供轉速信號，二是為PLC提供轉速信號。圖2-16所示即為測速編碼器。

8．端子接線盒

發電機上一共有3個端子接線盒（定子、轉子、輔助接線盒）。電機定子、轉子三相繞組由外接電纜引出固定于接線盒內。大接線盒位于電機傳動端頂部，接線盒從右側出線（從傳動端看）。

9．溫度傳感器

溫度傳感器用于監測發電機的外部溫度。