雙饋風力發(fā)電機電刷滑環(huán)故障分析

　　雙饋風力發(fā)電機現(xiàn)在是網(wǎng)狀風力發(fā)電機的主流機型之一。 滑環(huán)、電刷是發(fā)電機運轉(zhuǎn)中容易發(fā)生問題的構(gòu)成部分，極小的問題會引起比較大的事故。 分析了滑環(huán)振動對電刷的沖擊和危害，介紹了電刷諧振頻率對安全的影響，提出了故障預(yù)防措施，減少了電刷、滑環(huán)引起的事故。

　　滑環(huán)、電刷是發(fā)電機運轉(zhuǎn)中容易發(fā)生問題的構(gòu)成要素[1]，極小的問題會引起比較大的事故。 例如，如果碳刷都不接觸，就會發(fā)生發(fā)電機失磁的嚴重現(xiàn)象，出現(xiàn)環(huán)火，另外發(fā)電機漏氫，容易發(fā)生氫爆炸。 因此，分析了引起雙饋風力發(fā)電機刷滑環(huán)故障的主要因素及其重要性。

　　1 .雙饋風力發(fā)電機磁滑環(huán)，電刷設(shè)計

　　雙饋風力發(fā)電機具有與a、b、c三相勵磁滑環(huán)對應(yīng)的電刷，還設(shè)有與接地滑環(huán)d對應(yīng)的電刷。 三相電流相對較大，因此分別設(shè)置了s個基本平均布刷，d相接的滑環(huán)只有一個刷。 它可以連接電機軸或星形勵磁繞組的中線，方便軸電流和中線電流通過電刷接地。

　　2 .滑環(huán)的損傷和單一電刷摩擦引起的沖擊波形、振動與滑環(huán)的故障分布規(guī)律相同。

　　由于D滑環(huán)一般只設(shè)置了一個刷子，所以刷子和滑環(huán)容易因振動而分離，容易引起電弧和損傷。 (1)電刷支架的振動沖擊(2)判斷絕緣安裝的外殼對地/設(shè)備外殼的軸電壓。 如果滑環(huán)有損傷，在摩擦刷的過程中會產(chǎn)生沖擊振動，不僅會使刷磨損，還會使滑環(huán)的損傷惡化。 滑環(huán)損傷的故障很多，故障分布規(guī)律和數(shù)量通常與撓性聯(lián)軸器爪數(shù)有因果關(guān)系。 在刷滑環(huán)故障的后期，運行時會產(chǎn)生強烈的沖擊、振動、軸電壓，該強度可以隱藏其他故障信息。 有x處平均布損傷時，具有x次頻率休克譜的特征。 因此滑環(huán)的損傷與單一電刷摩擦引起的振動、沖擊波分布規(guī)律和滑環(huán)分布規(guī)律相同。

　　3 .滑環(huán)振動對刷子的沖擊和危害

　　滑環(huán)有磁隙不均勻、轉(zhuǎn)子不平衡振動、滑環(huán)沒有圓度的電磁振動等大振動，激發(fā)s個電刷時，分數(shù)和滑環(huán)暫時分離。 此時，d相的單電刷和相應(yīng)的滑環(huán)會產(chǎn)生電弧和損傷。 其他三相s個電刷不同步，相繼與對應(yīng)的滑環(huán)分離接觸，就會產(chǎn)生相繼的沖擊，該沖擊的特征譜等于頻率變換的s次沖擊譜。

　　假設(shè)電刷設(shè)計合理，而且構(gòu)成其按壓彈簧和機械二次系統(tǒng)，產(chǎn)生固有的共振頻率FS，比滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)頻率FN高得多，假設(shè)滑環(huán)出現(xiàn)不平衡、不圓度的問題，正弦“滑環(huán)振動” 我們建立了圖1所示力學模型的示意圖，分析了滑環(huán)振動和電刷振動的相互作用，箭頭表示運用正方向。 刷子的正向位移不能小于滑環(huán)的正向位移。 否則，滑環(huán)會強制刷子運動。 刷子比滑環(huán)的正向位移大，可以從滑環(huán)上分離。 刷子的負方向位移的絕對值必須大于滑環(huán)的負方向位移。 否則，滑環(huán)可能會妨礙刷子的運轉(zhuǎn)。 刷子可以在滑環(huán)的負方向上位移，與滑環(huán)分離。4 .電刷諧振頻率對安全的影響

　　二次系統(tǒng)的共振頻率由電刷及其按壓彈簧構(gòu)成，通過設(shè)計成比滑環(huán)高的轉(zhuǎn)速FN乘以該軸的最高激勵源數(shù)z倍的FNZ，不僅有效地降低電刷振動，還降低電刷振動及其滑環(huán)的沖擊

　　一個經(jīng)典的振動理論指出[2]當強迫振動的頻率高于系統(tǒng)的諧振頻率時，系統(tǒng)的振幅受到影響，振幅降低。 有這樣的共振頻率FS=10Hz，二次系統(tǒng)的共振增益是G=10倍，進行25Hz的強制振動時，此時的振幅響應(yīng)應(yīng)該降低到-1439dB，即強制振動的19%。 這個理論不適用于設(shè)計刷子及其按壓彈簧構(gòu)成的二次系統(tǒng)。 因為很可能忽視振動相位響應(yīng)和強制振動相差177的現(xiàn)實，所以振動滑環(huán)相對于刷子運動的同時刷子也相對于滑環(huán)進行相應(yīng)的運動，必然意味著強烈的沖擊。

　　由于滑環(huán)存在三菱度和圓度，因此滑環(huán)的振動頻率不僅是其最高轉(zhuǎn)速頻率，而且具有爪數(shù)z的(1-2)倍的時變剛性，在齒輪嚙合臺推力大的情況下，如果輕負荷旋轉(zhuǎn)頻率為FN的電動機軸，則一定會產(chǎn)生fj=例如，最高旋轉(zhuǎn)頻率為FN=24的撓性聯(lián)軸器驅(qū)動發(fā)電機，Z=6時，旋轉(zhuǎn)軸的振動頻率為FJ=288Hz。 我個人建議最好把500Hz-1000Hz的刷諧振頻率設(shè)計成FS。

　　我是2FJ。 如果將撓性聯(lián)軸器變更為幾十齒套聯(lián)軸器，則時變剛性得到改善，振動大幅降低，因此無需提高刷子共振頻率。 也許有人認為通過提高按壓彈簧的剛性可以提高FS的路徑，增加刷環(huán)摩擦時的摩擦力和正壓，加速磨損，但這是柔軟的連續(xù)接觸摩擦，強烈沖擊造成的損害相當小。

　　5 .總結(jié)

　　雙饋風力發(fā)電機的滑環(huán)、刷子是發(fā)電機運轉(zhuǎn)中容易發(fā)生問題的構(gòu)成部分，進行維護時需要注意以下幾點： (1)提高循環(huán)檢查力，通過防塵罩觀察窗確認有無串火現(xiàn)象。 (2)用紅外線溫度計對刷子表面、集電環(huán)表面和銅辮進行測溫，有異常刷子時必須立即處理、更換。 (3)定期維護刷子、滑環(huán)(4)在高濕條件下可能發(fā)生電化學作用，腐蝕石墨氧化膜，因此，在發(fā)電機長時間停止的情況下，最好去除刷子，防止電解蝕刻痕跡的生成。