基于风力发电机电刷滑环的故障分析和相关措施研究

基于风力发电机电刷滑环的故障分析和相关措施研究

王勇1姜明权2曾庆刚3

王勇1姜明权2曾庆刚3

大连宜顺机电有限公司

摘要：可再生能源可以保护环境、促进社会和经济可持续发展，所以正在逐步取代有污染、有公害的不可再生能源。风电作为可再生能源的一种，逐渐在新能源中能脱颖而出。双馈式风力发电机目前已是网型风力发电机主流发电机型之一。电刷是发电机运行中极易出现问题的组成部分，其极小的问题都会引发较大的事故。本文就此做出相应分析和论述。

[关键词]信息特征滑环风力发电机损伤振动

一、电刷滑环故障特征

由于风电能源的不断开发，研究风力发电技术成为了当今能源开发的热门。双馈发电机电刷/滑环（如右图所示）的主要作用是为转子提供附加旋转磁场。典型的永磁发电机的转子上安装了固定磁铁，其对于发电机转子的旋转频率控制提出了很高的要求。

双馈发电机则不同。若转子的转速频率FN小于25Hz，例如FN=20Hz，对转子的励磁电压由直流改为导前于转速的频率为FD=FC–FN=5Hz交流励磁，则机械转速频率FN=20Hz与FD=5Hz叠加的电磁场旋转频率就等于所需的磁场旋转频率FC=FN+FD=25Hz，定子上的发电绕组就能发出FG=50Hz的电压。这就需要对转子的电磁铁输入可以控制频率的交流电，所以需要滑环和电刷。

双馈式风力发电机采用3相励磁，有A、B、C三相励磁滑环和对应的电刷，还设有接地滑环D和对应的电刷。由于3相电流大，所以设计了S个基本均布的电刷，而接地滑环D则可以接星形励磁绕组的中线或者接（通过绝缘安装轴承支撑的）电机轴，以便将磁隙不均匀等因素导致的中线电流，特别是轴电流通过电刷接地，D滑环对应的电刷一般只设置1个。如右图所示。

如果（如D相的）滑环存在均布X处损伤，它运转时与其电刷（D相通常只有1个）摩擦的振动、冲击波形分布与滑环的故障分布有相同的规律，存在转频X阶冲击谱。另外，假使滑环存在较大的振动，例如滑环不圆度和转子不平衡振动，它们激励S个电刷的后果均将使电刷与滑环发生短暂分离，该分离是导致单电刷与对应滑环发生电弧和损伤的根源。S个均布电刷与对应的滑环相继（不是同时）分离后的接触，将导致相继冲击，该击的特征频谱是转频S阶冲击谱。最后，电刷与其压紧弹簧构成的二阶系统的共振频率，应当设计为高于滑环的转速频率FN乘该轴最高激振源数Z倍的频率Z×FN，以降低电刷振动及其与滑环的冲击。

二、滑环损伤故障分析

D相滑环因为只有单个电刷，容易在运行中因振动引起电刷与滑环分离而发生电弧和损伤。其检测途径之一是电刷座的振动冲击，途径之二是绝缘安装的轴承座对地（机器外壳）的轴电压。滑环一旦出现损伤，就必然在与电刷摩擦时产生振动和冲击，既磨损电刷，也加剧滑环损伤。滑环一旦发生损伤，其故障通常有多个，其数量及分布规律与柔性联轴器的爪数可能存在因果关系，也将在后文证明。电刷滑环故障的后期，将在运转时产生强烈的振动、冲击和因滑环与接地电刷瞬时脱离而在轴承座上体现出来的轴电压，其强度足以掩盖其他的故障信息。其特征是：滑环损伤与其单个电刷摩擦的振动、冲击波形与滑环的故障分布有相同的规律。存在均布X处损伤，则存在转频X阶冲击谱。

右图是对一个故障滑环的损伤分布尺寸的测量记录及计算分析。根据“计算各段的采样点数”，在波形图的一个转动周期（160采样点）中，画出故障的分布如图，可见无论电刷端还是联轴器端上，因电刷故障引发的振动、冲击信息特别是轴电压信息的脉冲宽度与故障长度是一一对应的。传感器对轴承座绝缘安装时检测单纯的振动冲击，不绝缘时则检测振动冲击和轴电压叠加信息，具有轴每转动一周时，冲击簇为4簇均布缺1的特征。

三、滑环振动导致的电刷冲击研究

如果滑环存在较大的振动，例如滑环不圆度、转子不平衡振动和磁隙不均匀的电磁振动，它们激励S个电刷的后果均将使电刷与滑环发生短暂分离，该分离是导致D相单电刷与对应滑环发生电弧和损伤的根源，其他相S个电刷与对应的滑环相继（不是同时）分离后的接触，将导致相继冲击，该冲击的特征频谱等于转频的S阶冲击谱。

我们假设合理设计的电刷与其压紧弹簧组成机械二阶系统的固有共振频率FS远高于滑环的转动频率FN。设滑环由于不圆度或不平衡引起的正弦“滑环振动”幅度A=1mm，对电刷的强迫作用。建立如右图的力学模型分析滑环振动与电刷的振动相互作用，箭头所指为运动的正方向。显然，电刷的正向位移不能小于滑环的正向位移，否则，滑环将强迫电刷运动，但电刷可以大于滑环的正向位移，与滑环发生分离；电刷的负向位移不能负于（绝对值大于）滑环的负向位移，否则，滑环将阻止电刷的运动，但电刷可以正于（绝对值小于）滑环的负向位移，与滑环发生分离。

基于上述物理规则，建立如右图仿真模型，设电刷的共振频率为FS=100Hz，谐振增益G=10，开关SW1–SW3的开启门限为10n，关闭门限为0，目的在于取得正的振幅；开关SW4–SW6的开启门限为–10n，关闭门限为0，目的在于取得负的振幅；SW1取出电刷的正运动，SW2取出滑环的正运动，用U2作比较：滑环的正运动减去电刷的正运动，若为正，则通过SW3取出该正运动，经过SW7、U4、SW9和U6（强迫放大100倍），再经过U1加速驱动电刷运

动，以便令电刷强迫向正方向运动，直至它与滑环同步（没有滞后）作正向运动；SW4取出电刷的负运动，SW5取出滑环的负运动，用U3作比较：电刷的负运动减去滑环的负运动，若为负，则通过SW6取出该负运动，经U6反相，经过SW8、U4、SW9和U6（强迫放大），再经过U1加速驱动电刷运动，以便令电刷强迫减小负方向运动，直至它与滑环同步（没有超前）作负向运动。

当电刷滑环在振动时出现了分离时，如果滑环对应的电刷只有一个，则这种分离就必然导致励磁中线电流特别是轴电流断电、拉弧、电刷滑环的烧伤。

这就是双馈发电机励磁组件的D相滑环发生故障的机理，这也就是必须在滑环圆周均布3个及以上电刷的原理。因为多个均布于滑环圆周的电刷与滑环的分离虽不可免，却是分时发生的，其中一个电刷与滑环分离时，还有其他与之并联的电刷与滑环接通，电路并没有截断，拉弧便无由发生，电刷滑环便不会因此损伤。电刷滑环在接触时发生再冲击，既有滑环驱动电刷的冲击，也有滑环阻挡电刷的冲击。

四、小结

总之，电刷是发电机运行中极易出现问题的组成部分，其极小的问题都会引发较大的事故。相关人员在工作中应该认真了解其运行本质和特征，不断积累工作经验，防微杜渐。避免事故发生，为社会带来更好的经济效益。