双馈风力发电机电刷滑环故障分析

　　双馈风力发电机现在是网状风力发电机的主流机型之一。 滑环、电刷是发电机运转中容易发生问题的构成部分，极小的问题会引起比较大的事故。 分析了滑环振动对电刷的冲击和危害，介绍了电刷谐振频率对安全的影响，提出了故障预防措施，减少了电刷、滑环引起的事故。

　　滑环、电刷是发电机运转中容易发生问题的构成要素[1]，极小的问题会引起比较大的事故。 例如，如果碳刷都不接触，就会发生发电机失磁的严重现象，出现环火，另外发电机漏氢，容易发生氢爆炸。 因此，分析了引起双馈风力发电机刷滑环故障的主要因素及其重要性。

　　1 .双馈风力发电机磁滑环，电刷设计

　　双馈风力发电机具有与a、b、c三相励磁滑环对应的电刷，还设有与接地滑环d对应的电刷。 三相电流相对较大，因此分别设置了s个基本平均布刷，d相接的滑环只有一个刷。 它可以连接电机轴或星形励磁绕组的中线，方便轴电流和中线电流通过电刷接地。

　　2 .滑环的损伤和单一电刷摩擦引起的冲击波形、振动与滑环的故障分布规律相同。

　　由于D滑环一般只设置了一个刷子，所以刷子和滑环容易因振动而分离，容易引起电弧和损伤。 (1)电刷支架的振动冲击(2)判断绝缘安装的外壳对地/设备外壳的轴电压。 如果滑环有损伤，在摩擦刷的过程中会产生冲击振动，不仅会使刷磨损，还会使滑环的损伤恶化。 滑环损伤的故障很多，故障分布规律和数量通常与挠性联轴器爪数有因果关系。 在刷滑环故障的后期，运行时会产生强烈的冲击、振动、轴电压，该强度可以隐藏其他故障信息。 有x处平均布损伤时，具有x次频率休克谱的特征。 因此滑环的损伤与单一电刷摩擦引起的振动、冲击波分布规律和滑环分布规律相同。

　　3 .滑环振动对刷子的冲击和危害

　　滑环有磁隙不均匀、转子不平衡振动、滑环没有圆度的电磁振动等大振动，激发s个电刷时，分数和滑环暂时分离。 此时，d相的单电刷和相应的滑环会产生电弧和损伤。 其他三相s个电刷不同步，相继与对应的滑环分离接触，就会产生相继的冲击，该冲击的特征谱等于频率变换的s次冲击谱。

　　假设电刷设计合理，而且构成其按压弹簧和机械二次系统，产生固有的共振频率FS，比滑环的旋转频率FN高得多，假设滑环出现不平衡、不圆度的问题，正弦“滑环振动” 我们建立了图1所示力学模型的示意图，分析了滑环振动和电刷振动的相互作用，箭头表示运用正方向。 刷子的正向位移不能小于滑环的正向位移。 否则，滑环会强制刷子运动。 刷子比滑环的正向位移大，可以从滑环上分离。 刷子的负方向位移的绝对值必须大于滑环的负方向位移。 否则，滑环可能会妨碍刷子的运转。 刷子可以在滑环的负方向上位移，与滑环分离。4 .电刷谐振频率对安全的影响

　　二次系统的共振频率由电刷及其按压弹簧构成，通过设计成比滑环高的转速FN乘以该轴的最高激励源数z倍的FNZ，不仅有效地降低电刷振动，还降低电刷振动及其滑环的冲击

　　一个经典的振动理论指出[2]当强迫振动的频率高于系统的谐振频率时，系统的振幅受到影响，振幅降低。 有这样的共振频率FS=10Hz，二次系统的共振增益是G=10倍，进行25Hz的强制振动时，此时的振幅响应应该降低到-1439dB，即强制振动的19%。 这个理论不适用于设计刷子及其按压弹簧构成的二次系统。 因为很可能忽视振动相位响应和强制振动相差177的现实，所以振动滑环相对于刷子运动的同时刷子也相对于滑环进行相应的运动，必然意味着强烈的冲击。

　　由于滑环存在三菱度和圆度，因此滑环的振动频率不仅是其最高转速频率，而且具有爪数z的(1-2)倍的时变刚性，在齿轮啮合台推力大的情况下，如果轻负荷旋转频率为FN的电动机轴，则一定会产生fj=例如，最高旋转频率为FN=24的挠性联轴器驱动发电机，Z=6时，旋转轴的振动频率为FJ=288Hz。 我个人建议最好把500Hz-1000Hz的刷谐振频率设计成FS。

　　我是2FJ。 如果将挠性联轴器变更为几十齿套联轴器，则时变刚性得到改善，振动大幅降低，因此无需提高刷子共振频率。 也许有人认为通过提高按压弹簧的刚性可以提高FS的路径，增加刷环摩擦时的摩擦力和正压，加速磨损，但这是柔软的连续接触摩擦，强烈冲击造成的损害相当小。

　　5 .总结

　　双馈风力发电机的滑环、刷子是发电机运转中容易发生问题的构成部分，进行维护时需要注意以下几点： (1)提高循环检查力，通过防尘罩观察窗确认有无串火现象。 (2)用红外线温度计对刷子表面、集电环表面和铜辫进行测温，有异常刷子时必须立即处理、更换。 (3)定期维护刷子、滑环(4)在高湿条件下可能发生电化学作用，腐蚀石墨氧化膜，因此，在发电机长时间停止的情况下，最好去除刷子，防止电解蚀刻痕迹的生成。