国电联合动力技术（宜兴）有限公司审核案例 SKYE3100/6 双馈异步发电机设计评估评审案例简述材料

推荐机构：中国船级社质量认证公司认证类型：产品设计评估认证

审核时间：2012.05.05-2012.08.03

审核员：张燕红（组长、专业审核员）、张舒扬（实习专业审核员）；

一、案例背景

1.认证领域：风电产品认证

2、受审核组织及产品：国电联合动力技术（宜兴）有限公司

3.认证范围 3MW 风力发电机组配套 SKYE3100/6 双馈异步发电机

4、受审核组织简介

宜兴公司于 2009年8月 14 日注册成立，12 月破土动工，2010 年 11 月正式投产，总投资 10 亿元，占地 100 亩，是专业从事风力发电机及工业电机研发、制造、销售与服务一体化的新能源高新技术企业。

2009 年宜兴公司在引进德国 LDW 公司技术的基础上，不断加大研发力度， 1.5MW、

2MW、3MW 双馈发电机陆续下线投产。截止目前已具备年产 1000 台的生产的能力。

公司现有电机设计人员 9 人，所学专业为电机/电器、电气工程及自动化。工艺人

员 7 人，分别从事机械结构和电机绝缘工艺设计工作，大专以上学历工作时间均在 6 年以上。

5、评估产品简介：

风电机组首先将风能通过风轮转换成机械能，再借助主轴、齿轮箱等传动系统和发电机将机械能转换成电能，从而实现风力发电。3MW风力发电机组一般都设在80～90m 或以上的高空，其工作环境恶劣复杂，机组的受力情况也很复杂。风力发电机组在工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变化。当阵风袭来，叶片受到短暂而频繁的冲击载荷，而这个冲击载荷也会传递到传动链上的各个部件，使得各个部件也受到复杂交变的冲击，对其工作寿命造成极大的影响，使风力机在运行过程中出现各种故障，尤其是风轮以及与其刚性连接的主轴、齿轮箱、发电机等在交变载荷的作用下很容易出现故障，造成机组停机。

发电机是绕线式异步电机，定子直接与电网相连，转子侧通过变流器与电网相连。

当双馈发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流。不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节双馈发电机的功率因数。

为了保持风力发电机发出的频率为50Hz恒定，发电机的转子电流要通过变频器供电，根据决定于风速的叶片转速，调节转子电流的频率。这个工作特点使电机内部的谐波增多，对电机的温升影响很大，所以在设计时也特别注意这个问题。

西班牙纳瓦拉水电能源集团公司(EHN)对2001～2003年风力发电机主要部件的故障比例统计，发电机的故障大约为27%左右；风场维护修理费用也是比较高的，仅将损坏电机拆卸吊下塔架就会花费30万元左右，由此可见发电机的设计至关重要。

二、 审核策划

审核组首先收集MW 级双馈异步电机设计运行相关资料，风场设备维护、风机故障等信息。

审核组长对设计评估进行策划，将风电发电机的设计方案评估工作主要分为两大部分：电机的电磁性能设计方案评估及结构设计方案的评估。并依据《电机设计评估规则》对两大部分应进行的工作、方法及时间进行详细的策划。

电机的电磁性能设计方案评估主要是依据企业提供的图纸（包括定子冲片、定子线圈、定子总成、转子冲片、转子线圈、转子总成、线圈等），利用计算机辅助设计软件计算电机的电磁参数；并与企业提供的电磁计算单中各数据、及实物电机的试验测试数据进行比对；

对电机的温升进行计算校核，分析其结构是否合理；

对电机部件的机械强度进行复核计算（如电机主轴、轴承等）；

由于企业的图纸是核心机密市场竞争较为激烈，故到企业对图纸及核算用参数进行审核；

通过复核计算结果、企业提交设计方案与样机的试验测试数据比较分析，得出设计评估结论。

电磁设计特点

整个运行范围内发电机的温升和效率◻

l 发电机转速范围宽：最大可为同步转速±30％，要注意低速时，发电机的通风散热能力会降低；◻

l 发电机功率因数波动范围较大：-0.9（超前）～1～0.9（滞后）—热负荷；◻

l 电网电压的波动范围较大：额定电压±10%——磁负荷、热负荷；

l 电网电压、功率因数波动范围内的电磁计算、性能计算、温升计算；

l 磁路饱和程度还将影响发电机输出电能质量。

转子采用变频器供电时发电机的谐波影响◻

l 引起转子铁损和定转子绕组铜损增加，引起定转子绕组温升上升；◻将增加发电机噪音和电磁振动，增加转子导条的集肤效应；◻转子铁心应设有轴向通风孔或径向通风 道，保证良好的通风冷却效果。考虑到高次谐波增加将加深磁路的饱和，发电机的磁路应设计成不饱和结构。

电磁设计时，电磁负荷、热负荷、温升应留有一定的裕度。

l 定转子电流密度及线负荷设计均较普通YR型电机低；◻

l 定转子热负荷AJ比YR型电机大约低30％左右，一般900～1300[A2/(cm﹒mm2)]。定、转子热负荷相当（因定转子绕组的对地绝缘厚度相当，转子的最好略低）；同功率空冷比水冷略低（约200～300）；随功率增加而降低。◻

l 发电机磁负荷选取应略低于常规发电机。特别应注意超负荷（如1.1倍、1.15倍额定功率）、高网压、低功率因数时的定转子齿磁密（转子齿磁密Bt2可比定子的Bt1略高，因其只会使功率因数降低，不会导致铁耗增加），气隙磁密Bg不宜过大（影响转轴的临界转速、挠度、轴承寿命和齿谐波）。

结构：

l 发电机转子接变流器，会增大转子损坏的危险；◻发电机转速变化范围最大可为同步转速±30％，一般在同步转速70％～130％内调节调速；◻

l 转子绕组端部必须有牢固的支撑，以适应机械旋转和发电机内部的温度环境要求。转子绕组端部的固定与防护是一个难点，既要能经受飞逸工况下的最大离心力不被损坏，又能保证适宜的通风；◻转子引线连接和固定，确保运行可靠；

定、转子槽

l 采用开口槽、半开口槽、半闭口槽；◻

l 定子或转子铁心采用斜槽结构；◻

l 短距绕组形式；◻

l 适当增大电机气隙。

l 减小发电机的气隙磁密谐波、改善感应电势的波形，达到以下目的。

l 降低电压波形正弦性畸变率；◻

l 减小发电机损耗和提高效率；◻

l 降低定转子绕组温升。

三主要的审核发现、沟通过程

审核发现一

对企业提供的技术要求，用户手册等技术资料审核时发现：企业在上述技术文档中对发电机的绝缘等级的描述均为 H 级，但提供的样机温升试验报告中温升数值满足 F

（155 度）级要求未达到 H 级数据；查阅《SKYF3100 通风计算书》第 7 条款：“定子绕组的设计温度为 107℃”

审核组成员马上与企业联系询问企业是否有进行H级绝缘的温升（180度）性能测试的试验设备，如果有，请马上进行H及绝缘的温升试验；如果没有请对技术资料进行更改，降低对外宣称的绝缘等级；

企业答复：其在设计时采用的主绝缘材料为能满足 H 及要求的材料；

审核员马上指出：GB755-2008《旋转电机 额定和性能》中”8.1 热分级”的注：“不应该把新绝缘结构的热分级与所使用的单一材料的热性能相等同”，“8.10.4无论与绝缘是否接触的结构件（轴承除外）、铁心和永久短路的绕组温升或温度应不损坏改部件本身或任何与其相邻部件的绝缘.”,所以只是在设计选型时采用高等级的绝缘材料，不能代表发电机本身就满足高热分级的要求，必须有证据证明其确实能满足 H 级绝缘的要求

—即进行样机试验，证明其各部件在 180℃的温度时能够正常工作且无损坏。

采用邮件与设计人员沟通，交流评审中在风场发生的各种情况，风场运行人员在风况好时，为了经济效益多发电经常将发电功率数值上调，如果电机的绝缘等级标的过高，运行人员认为电机的设计裕度较大在监测时容易忽略对温升数值的监控；电机的使用寿命会大大减少，是企业在保修期内的返修费用大大增加。并加大了火灾的风险

企业最终同意审核组意见，将此数值调整到经试验验证的绝缘等级 F 级；审核发现二

双馈发电机转子绕组的特点是裸铜排加包绝缘，发电机转子的开路电压可达到 2kV，正常在 600V 以下。转子电流由变频器供电，转子的绝缘结构就要考虑到变频器供电谐波（重复脉冲）引起的局部放电造成的绝缘损坏，还要考虑高速旋转对转子端部的机械强度的要求；

转子绕组端部必须有牢固的支撑，以适应机械旋转和发电机内部的温度环境要求。

转子绕组端部的固定与防护是一个难点，既要能经受飞逸工况下的最大离心力不被损坏，又能保证适宜的通风；

审核组还考虑到此企业是新建企业，新员工较多，电机生产中的转子端部的处理大部分是手工操作，端部能承受强度的大小与员工的技能密切相关。所以相同的结构，不同的厂家差别可能会很大；

基于上述原因，审核组对转子的结构进行了详细的评估，在图纸审核时发现：发电机的转子线圈端部固定结构强度稍弱。

依据近年来收集的电机故障情况，对企业设计人员提出更改结构，加强端部的固定与防护建议。

四、受审核方主要改进方法及绩效

一、绝缘等级

企业接受审核组的建议，修改用户手册等技术数据，使发电机在运行过程中，现场人员在合理设置发电机温升报警限值，提高了发电机运行的可靠性；

二、转子端部改进

企业对转子端部结构进行了加强，在端部的线圈间加入绝缘块，使端部的转子线圈之间相互固定，转子端部最外层再用无纬带绑扎，经过浸漆处理后绝缘垫块与端部线圈成为一体，大大加强了转子的机械强度，使转子在飞逸工况下1800转/分（转速范围 665-1344转/分）的最大离心力不被损坏。

企业针对新工人较多的情况，多次组织培训，从理论上告知员工，每道工序在结构强度中所起的重要作用，并观摩老工人的实际操作。

3MW风机做了结构更改后，至今为止未发生由于转子端部的处理不当引发的质量事故。降低了企业在维保期的成本，提高了企业在业界的声誉。

介绍设计评估的重要性

电机原理不用过多的介绍，主要是介绍设计评估的工作；主要介绍工作环境恶劣；突出温度与强度的重要性；

前面：过程性的内容过多；

强度问题：新厂强度，介绍问题提出背景。其实是预防措施的提出；