直流变桨电机过流、温度高典型故障分析及处理

【摘要】随着风电机组运行年限时间越来越长，某风电场1.5MW机组能健/SSB变桨频发变桨电机过流、变桨电机运行温度过高，长期缺陷运行带来变桨电机批量性损坏，严重影响了机组安全稳定运行，给风电场带来极大的备件成本压力，本文通过对变桨电机过流、温度高故障进行分析和研究，给出了一些处理方法和建议，为同类型机组的运行维护提供参考。【关键字】变桨电机测速发电机故障分析处理引言风电场工作环境恶劣复杂，风速和风向经常发生变化，变桨系统故障是风电发电机组运行中最常见又是原因最复杂、最不容易解决的故障之一，其中变桨电机是变桨系统的重要组成部分，也是非常关键的动力输出源，能否稳定工作直接影响风电机组发电量。随着运行年限增加，变桨电机问题呈现“批量性”特征。本文通过对某风电场变桨电机过流、温度高故障的分析和处理，找到了多次更换变桨电机却未能解决机组故障的根本原因，并提出解决方案及维护方向。1.变桨电机故障背景某风电场安装100台某型号1.5MW机组。2019年MOOG变桨电机损坏16台次，能健/SSB变桨电机损坏10台次，风电场2019年解体损坏的变桨电机，解体发现变桨电机如下缺陷：内部碳粉堆积过多、轴承与端盖绝缘击穿内部线圈绝缘及线圈烧损，具有强烈的烧焦气味。2019-2020年对全场变桨电机统一维护，变桨电机维护完成后，MOOG变桨电机2020-2021年仅损坏1台次；能健/SSB变桨电机过流、温度高情况极大缓解，但未得到彻底解决，仅2022年1月-2月风电场出现4台机组变桨电机过流、温度高停机。风电场为尽快消除故障恢复运行，检修人员一般进行变桨电机更换，虽可以暂时解决问题，但因未明确电机故障根源，加大了维修费用和发电量损失。1.1变桨电机简介图1：变桨电机示意图变桨电机在变桨控制系统中驱动桨叶运转，并实时反馈位置和速度信号。具有过载能力强、易调速等特点，典型的变桨电机主要由定子绕组、电枢绕组、电枢主轴、测速发电机（MOOG变桨电机无此部件）、电磁制动器、PT100温度传感器、PTC热敏电阻、冷却风扇等组成（如图1所示）。表1：能健变桨电机主要参数2.问题分析2.1故障逻辑、原因分析故障名称：能健/SSB变桨电机电流过高故障；能健/SSB变桨电机温度高故障触发条件：当变桨电机电流大于50A，触发变桨电机电流过高故障；当变桨电机温度高于140℃，触发变桨电机温度高故障变桨电机运行数据、维修记录、改造记录及现场故障数据是变桨电机故障原因分析的重要信息输入，风电场收集和整理了近2年风机故障记录、变桨电机运行维护策略，并对维修人员进行了访谈和可能原因分析。表2：故障原因分析风电场对#4风机典型机组故障进行分析，当高风速下（8m/s以上），变桨频繁变桨，能健/SSB变桨电机容易报出电流超限或者温度超限，如下所示：图2：#4风机变桨电机电流、温度由上述可以看出，变桨电机3电流偏大时，持续运行变桨电机温度随之升高，若电流超过限值，报出电流超限停机，若未超出限值但是电流比正常值偏大，变桨电机热量不断积聚，最终高温停机，究其根本原因变桨电机电流超过正常值引起。2019-2020年对100台机组变桨电机统一维护，如下所示对变桨电机进行碳粉清理对比效果图：上文提到采取同样维护方式，变桨电机碳粉清理后，MOOG变桨电机效果明显；能健/SSB变桨电机仍有部分机组报出变桨电机电流过大、温度高，导致此种情况具体原因未找出。经对比，能健/SSB变桨电机设计有测速发电机，而MOOG变桨电机无测速发电机，分析可能由于测速发电机引起。2.2能健/SSB变桨控制原理测速发电机：测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。在自动控制系统和计算装置中通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。变桨电机驱动器通过改变电机的电枢电流改变电机转速，并通过电机内置的测速发电机与电机之间形成一个转速闭环控制。图7：控制环变桨系统概述（SSB）对过流、温度高的变桨电机进行拆卸，对测速发电机检查发现，测速发电机碳刷磨损已到达更换极限，个别碳刷已经超过磨损极限。图8：变桨电机内测速发电机碳刷根据直流电机理论，在恒定磁场中，当发电机电枢以转速n切割磁通Φ时，电刷两端产生的感应电动势为在磁极磁通量Φ为常数时，电枢感应电动势为：式中：为电动势系数。空载时，电枢电流Ia=0，直流测速发电机的输出电压和电枢感应电动势相等，测速发电机的输出电压与电机的转速成正比。当变桨电机运行时，由于带负载，因为测速发电机电枢电流Ia≠0，直流测速发电机的输出电压：式中：∆Ub为电刷接触压降；Ra为测速发电机电枢回路电阻。直流测速发电机在负载运行时，输出电压与转速可以近似看作成正比关系。直流测速发电机与变桨电流类似，内部有碳刷与换向器，由于碳刷属于消耗部件，长期运行将会消耗殆尽，碳刷到达磨损极限（甚至露出碳刷刷辫的铜丝）导致碳刷接触电阻变大，碳刷与换向器接触电压升高，从公式可以看出测速发电机反馈电压将会降低，测速发电机电压信号反馈到变桨驱动器（电压信号比实际偏低），此时驱动器输出的励磁电流增大，长时间运行由于电流偏高，变桨电机内部发热，若电流超过限值报过流，若电流未超过限值（但明显偏高），变桨电机温度持续升高，直至高温停机。3.针对分析结果进行验证测速发电机碳刷过短是否与变桨电流过大、温度高有直接原因？除去#4风机，风电场对另外2台机组变桨电机存在缺陷的（过流、温度高）进行验证，主要对存在问题的变桨电机更换测速发电机碳刷，同时清理其内部碳粉。其中#12风机变桨电机2过流、温度高，#65变桨电机3过流、温度高，处理前后的变桨电机电流、温度进行数据采集分析结果如下：图9：#12风机变桨电机二电流、温度（处理前）图10：#12风机变桨电机二电流、温度（处理后）图11：#65风机变桨电机三电流、温度（处理前）图12：#65风机变桨电机三电流、温度（处理后）从图9、图11可以看出#12风机变桨电机2电流、温度均比另外2个变桨电机偏高，#65风机变桨电机3电流、温度均比另外2个变桨电机偏高，对此2台机组存在缺陷的变桨电机更换测速发电机后，此2台机组的变桨电机电流、温度均恢复到正常值，说明测速发电机的碳刷过短是导致变桨电机过流、温度高的直接原因。由于风电场对测速发电机维护重视程度不够，建议加强此方面的维护，主要内容如下：变桨电机主碳刷、测速发电机碳刷定期检查，短于1/3必须进行更换。定期清理变桨电机内部和测速发电机碳粉(每3年清理一次即可)。4.结束语变桨电机过流、温度高故