CN107508514A - 一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法及系统 - Google Patents

一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法及系统，单边磁拉力抑制方法的实施步骤包括：获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力；将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力；单边磁拉力抑制系统包括前述方法的步骤对应的程序单元构成的系统。本发明能够使风机在工作时轴承径向游隙始终保持负游隙状态，提供预紧力来抵消不均匀的径向磁拉力，有效克服电机不均衡磁拉力引起的振动，延长了机组的使用寿命，且大大提高了调节发电机主轴承的游隙的控制精确度。

Description

一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法及系统
技术领域
本发明涉及风电工程，具体涉及一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法及系统。
背景技术
随着风机功率的不断增大，轴承尺寸也随之增大，加上风机运行的恶劣环境，在常年累月下轴承会不断地磨损，转轴可能弯曲，轴承内外圈受热膨胀不一样，造成定转子不对中，带来气隙分布不均匀，这种情况称为电机偏心，会增加电机振动噪声，还会带来不均匀的磁拉力，造成单边偏大的严重后果，把转子拉下一侧，使得轴承单边受力严重，加速轴承的损坏，更可能使得定转子相互摩擦，风机不能运行，直至风机烧毁。
现有的安装技术轴承径向游隙通常是正游隙，无法提供预紧力来抵消不均匀的径向磁拉力,这样,往往会使得风机在工作时产生振动,影响风机的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法及系统，本发明能够使风机在工作时轴承径向游隙始终保持负游隙状态，提供预紧力来抵消不均匀的径向磁拉力，有效克服电机不均衡磁拉力引起的振动，延长了机组的使用寿命，且大大提高了调节发电机主轴承的游隙的控制精确度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一方面，本发明提供一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法，实施步骤包括：
1)获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力；
2)将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
优选地，步骤2)的详细步骤包括：
2.1)将单边磁拉力和给定的单边磁拉力参考值做差后通过PI调节后的输出量作为气隙偏心量的参考值l*；
2.2)将实际偏心量l、气隙偏心量的参考值l*作差值得到偏心差值△l；
2.3)将偏心差值△l经PI调节后得到发电机的轴承内外圈温度差值参考值△t*；
2.4)根据发电机的轴承内圈温度传感器检测到的内圈温度t1、轴承内外圈温度传感器检测到的外圈温度t2做差得到轴承内外圈温度差值△t；
2.5)将发电机的轴承内外圈温度差值参考值△t*、轴承内外圈温度差值△t做差的结果作为控制量，将通过发电机的温差控制器根据输入的控制量调节发电机的轴承内外圈温度差值△t使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气息达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
优选地，步骤1)获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，F为大型风电机组的发电机的单边磁拉力，β为经验系数，D为转子直径，lef为铁心长度，δ为单边平均气隙，Bδ为气隙磁密，μ0为空气磁导率，e0为偏心量。
一方面，本发明还提供一种大型风电机组单边磁拉力抑制系统，包括：
单边磁拉力获取程序单元，用于获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力；
单边磁拉力抑制程序单元，用于将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
优选地，所述单边磁拉力抑制程序单元包括：
气隙偏心量的参考值计算子程序单元，用于将单边磁拉力和给定的单边磁拉力参考值做差后通过PI调节后的输出量作为气隙偏心量的参考值l*；
偏心差值计算子程序单元，用于将实际偏心量l、气隙偏心量的参考值l*作差值得到偏心差值△l；
轴承内外圈温度差值参考值计算子程序单元，用于将偏心差值△l经PI调节后得到发电机的轴承内外圈温度差值参考值△t*；
轴承内外圈温度差值计算子程序单元，用于根据发电机的轴承内圈温度传感器检测到的内圈温度t1、轴承内外圈温度传感器检测到的外圈温度t2做差得到轴承内外圈温度差值△t；
单边磁拉力调节控制子程序单元，用于将发电机的轴承内外圈温度差值参考值△t*、轴承内外圈温度差值△t做差的结果作为控制量，将通过发电机的温差控制器根据输入的控制量调节发电机的轴承内外圈温度差值△t使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气息达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
优选地，所述单边磁拉力获取程序单元获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，F为大型风电机组的发电机的单边磁拉力，β为经验系数，D为转子直径，lef为铁心长度，δ为单边平均气隙，Bδ为气隙磁密，μ0为空气磁导率，e0为偏心量。
本发明大型风电机组单边磁拉力抑制方法具有下述优点：
1、本发明大型风电机组单边磁拉力抑制方法通过获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力，将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力，本发明能够使风机在工作时轴承径向游隙始终保持负游隙状态，提供预紧力来抵消不均匀的径向磁拉力，有效克服电机不均衡磁拉力引起的振动，延长了机组的使用寿命。
2、目前大型风电机组多通过需要的轴承径向负游隙值来控制轴承内外圈温差,从而使得轴承内圈向外膨胀产生一个预紧力,达到克服由于电机不均匀的径向磁拉力引起的振动的目的。缺点是所需要的负游隙值很难去确定，而且只通过轴承内外圈温度来调节单边磁拉力，不够精确。本发明大型风电机组单边磁拉力抑制方法通过获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力，将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，且大大提高了调节发电机主轴承的游隙的控制精确度。
本发明大型风电机组单边磁拉力抑制系统为本发明大型风电机组单边磁拉力抑制方法的步骤完全对应程序单元构成的系统，因此其同样也具有本发明大型风电机组单边磁拉力抑制方法的前述优点，故在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例的基本控制流程示意图。
图2为本发明实施例的控制详细原理示意图。
图3为应用本发明实施例方法的大型风电机组的系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例大型风电机组单边磁拉力抑制方法的实施步骤包括：
1)获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力；
2)将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
转子相对于定子偏心是产生不平衡磁拉力的主要原因。偏心主要是由加工和安装误差、轴承磨损、转子挠度等原因引起。当转子具有初始垂直向下偏心量e0时,本实施例中步骤1)获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力的函数表达式如式(1)所示；
式(1)中，F为大型风电机组的发电机的单边磁拉力，β为经验系数，凸极同步电机和直流电机β＝0.5；D为转子直径，单位m；lef为铁心长度，单位m；δ为单边平均气隙，单位m；Bδ为气隙磁密，单位T；μ0为空气磁导率，μ0＝4π×10-7，单位H/m；e0为偏心量，单位m；由气隙偏心量到单边磁拉力的传递函数如式(2)所示；
式(2)中，G(s)和K为传递函数，F(s)为单边磁拉力，e(s)为气隙偏心量，其余参量的含义与式(1)中完全相同。
如图2所示，步骤2)的详细步骤包括：
2.1)将单边磁拉力和给定的单边磁拉力参考值做差后通过PI调节后的输出量作为气隙偏心量的参考值l*；
2.2)将实际偏心量l、气隙偏心量的参考值l*作差值得到偏心差值△l；
2.3)将偏心差值△l经PI调节后得到发电机的轴承内外圈温度差值参考值△t*；
2.4)根据发电机的轴承内圈温度传感器检测到的内圈温度t1、轴承内外圈温度传感器检测到的外圈温度t2做差得到轴承内外圈温度差值△t；
2.5)将发电机的轴承内外圈温度差值参考值△t*、轴承内外圈温度差值△t做差的结果作为控制量，将通过发电机的温差控制器根据输入的控制量调节发电机的轴承内外圈温度差值△t使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气息达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
如图3所示，现有的大型风电机组包括变频风机1、发电机2、冷却系统3和控制器4，发电机2的轴承外圈21上靠近径向滚子附近设有轴承外圈温度传感器211，发电机2的轴承内圈22上靠近径向滚子附近设有轴承内圈温度传感器221，冷却系统3布置于发电机2的一侧，且冷却系统3通过冷却管路31与变频风机1相连，通过发电机的轴承内圈温度传感器221检测到的内圈温度t1、轴承内外圈温度传感器222检测到的外圈温度t2。
本实施例大型风电机组单边磁拉力抑制方法以磁拉力作外环，内外圈温度为内环的双闭环控制策略，通过检测发电机的单边磁拉力(控制框图中给定为0)作为控制外圈，通过PI后作为作为气隙偏心量的参考值，与实际偏心量作差值，经PI调节后作为轴承内外圈温度差值参考值，调节发电机主轴承的游隙，使风机在工作时轴承径向游隙始终保持负游隙状态，提供预紧力来抵消不均匀的径向磁拉力，有效克服电机不均衡磁拉力引起的振动，延长了机组的使用寿命。目前大型风电机组多通过需要的轴承径向负游隙值来控制轴承内外圈温差,从而使得轴承内圈向外膨胀产生一个预紧力,达到克服由于电机不均匀的径向磁拉力引起的振动的目的。缺点是所需要的负游隙值很难去确定，而且只通过轴承内外圈温度来调节单边磁拉力，不够精确。本实施例大型风电机组单边磁拉力抑制方法通过检测发电机的单边磁拉力作为控制外圈，通过PI后作为气隙偏心量的参考值，对实际检测游隙作差值，经PI调节后作为轴承内外圈温度差值参考值，调节发电机主轴承的游隙大大提高了控制的精确度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型风电机组单边磁拉力抑制方法，其特征在于实施步骤包括：
1)获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力；
2)将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
2.根据权利要求1所述的大型风电机组单边磁拉力抑制方法，其特征在于，步骤2)的详细步骤包括：
2.1)将单边磁拉力和给定的单边磁拉力参考值做差后通过PI调节后的输出量作为气隙偏心量的参考值l*；
2.2)将实际偏心量l、气隙偏心量的参考值l*作差值得到偏心差值Δl；
2.3)将偏心差值Δl经PI调节后得到发电机的轴承内外圈温度差值参考值Δt*；
2.4)根据发电机的轴承内圈温度传感器检测到的内圈温度t1、轴承内外圈温度传感器检测到的外圈温度t2做差得到轴承内外圈温度差值Δt；
2.5)将发电机的轴承内外圈温度差值参考值Δt*、轴承内外圈温度差值Δt做差的结果作为控制量，将通过发电机的温差控制器根据输入的控制量调节发电机的轴承内外圈温度差值Δt使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气息达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
3.根据权利要求1或2所述的大型风电机组单边磁拉力抑制方法，其特征在于，步骤1)获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力的函数表达式如式(1)所示；
<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;beta;&amp;pi;Dl</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;delta;</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>e</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中，F为大型风电机组的发电机的单边磁拉力，β为经验系数，D为转子直径，lef为铁心长度，δ为单边平均气隙，Bδ为气隙磁密，μ0为空气磁导率，e0为偏心量。
4.一种大型风电机组单边磁拉力抑制系统，其特征在于包括：
单边磁拉力获取程序单元，用于获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力；
单边磁拉力抑制程序单元，用于将单边磁拉力作为外环的反馈控制量、发电机的轴承内外圈温度差值作为内环的反馈控制量，采用双闭环控制策略调节发电机的轴承内外圈温度差值使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气隙达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
5.根据权利要求4所述的大型风电机组单边磁拉力抑制系统，其特征在于，所述单边磁拉力抑制程序单元包括：
气隙偏心量的参考值计算子程序单元，用于将单边磁拉力和给定的单边磁拉力参考值做差后通过PI调节后的输出量作为气隙偏心量的参考值l*；
偏心差值计算子程序单元，用于将实际偏心量l、气隙偏心量的参考值l*作差值得到偏心差值Δl；
轴承内外圈温度差值参考值计算子程序单元，用于将偏心差值Δl经PI调节后得到发电机的轴承内外圈温度差值参考值Δt*；
轴承内外圈温度差值计算子程序单元，用于根据发电机的轴承内圈温度传感器检测到的内圈温度t1、轴承内外圈温度传感器检测到的外圈温度t2做差得到轴承内外圈温度差值Δt；
单边磁拉力调节控制子程序单元，用于将发电机的轴承内外圈温度差值参考值Δt*、轴承内外圈温度差值Δt做差的结果作为控制量，将通过发电机的温差控制器根据输入的控制量调节发电机的轴承内外圈温度差值Δt使得发电机的轴承内圈向外膨胀，使得定转子气息达到均匀以克服发电机的单边磁拉力。
6.根据权利要求4或5所述的大型风电机组单边磁拉力抑制系统，其特征在于，所述单边磁拉力获取程序单元获取大型风电机组的发电机的单边磁拉力的函数表达式如式(1)所示；
<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;beta;&amp;pi;Dl</mi> <mrow> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;delta;</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>&amp;delta;</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>e</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中，F为大型风电机组的发电机的单边磁拉力，β为经验系数，D为转子直径，lef为铁心长度，δ为单边平均气隙，Bδ为气隙磁密，μ0为空气磁导率，e0为偏心量。
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