风电机组双馈异步发电机滑环室冷却设计论文

[在此处键入][在此处键入][在此处键入]摘要随着环境保护和可持续发展意识的增强，人们对传统能源的依赖度不断下降，风能作为一种清洁、可再生能源得到了广泛应用和发展。双馈异步发电机在风电行业中占据着重要地位。然而，由于风电机组运行过程中热量的积累，导致滑环室温度过高，从而影响发电机的性能和寿命。因此，对风电机组双馈异步发电机滑环室冷却设计进行研究具有重要的实际意义和应用价值。我们设计出的结构简单、通风量大、排碳效果佳的滑环室结构。该滑环室采用轴上加装离心风扇的结构，使得滑环室内通风量大、滑环室温度得到很好控制；同时合理设计滑环室风路，避免了在滑环室内形成涡流、碳粉堆积，减少了滑环碳刷因碳粉堆积造成的打火、烧毁等问题的发生率。该滑环室结构还采取了抽屉式碳粉收集盒设计方式，利于碳粉收集、便于滑环室维护。通过实际滑环室温升试验、风量试验、碳粉收集试验表明，该结构冷却效果好、出风量大、碳粉收集效果好、维护容易。关键词：双馈异步发电机，滑环室，碳粉

AbstractWiththeincreasingawarenessofenvironmentalprotectionandsustainabledevelopment,people'sdependenceontraditionalenergycontinuestodecline,andwindenergyhasbeenwidelyusedanddevelopedasacleanandrenewableenergy.Doubly-fedinductiongeneratorplaysanimportantroleinwindpowerindustry.However,duetotheaccumulationofheatduringtheoperationofthewindturbine,theslipringroomtemperatureistoohigh,whichaffectstheperformanceandlifeofthegenerator.Therefore,itisofgreatpracticalsignificanceandapplicationvaluetostudythecoolingdesignofdouble-fedinductiongeneratorslipringchamber.Wedesignedtheslipringchamberstructurewithsimplestructure,largeventilationandgoodcarbonemissioneffect.Theslipringchamberadoptsthestructureofacentrifugalfaninstalledontheshaft,whichmakestheventilationintheslipringchamberlargeandthetemperatureoftheslipringchamberwellcontrolled.Atthesametime,thereasonabledesignoftheairpathoftheslipringchamberavoidstheformationofeddycurrentsandtheaccumulationoftonerintheslipringchamber,andreducestheincidenceofignitionandburningcausedbytheaccumulationoftonerintheslipringcarbonbrush.Theslipringchamberstructurealsoadoptsadrawertypetonercollectionboxdesign,whichisconducivetotonercollectionandeasymaintenanceofslipringchamber.Theactualslipringroomtemperaturerisetest,airvolumetestandtonercollectiontestshowthatthestructurehasgoodcoolingeffect,largeairoutput,goodtonercollectioneffectandeasymaintenance.Keywords:Double-fedinductiongenerator,slipringchamber,toner

1引言1.1研究背景二十一世纪以来，各国人口的急剧膨胀，经济发展迅速，电力供需矛盾的突出，开发新能源，开发可再生能源，成为了人们的当务之急。对于风能来说，作为一种可再生的、无污染的、能量庞大的绿色能源，大力发展风电设施对改善全球生态环境意义重大，同时解决能源危机问题，能源供应的问题，因环境污染加剧而日趋紧张。我国走出了一条可持续发展之路，通过运用风力发电，可以很好的推动电力结构形成多元化的情况，并且可以有效的改善环境生态，在环境污染日益严重的情况下，能源日益枯竭，我国作为球第三大能源生产国和第二大能源消费国，更应该起着带头作用，充分利用可再生资源，进行可持续发展。国内研究方面，目前已有一些学者对风电机组双馈异步发电机滑环室冷却设计进行了相关研究。例如，例如，有研究者提出了一种基于传统湿式冷却的滑环室冷却方案，能够有效降低滑环室温度，并通过使用水对滑环室进行冷却来提高风力发电机的发电效率。此外，还有学者通过设计滑环室的结构，改善了冷却效果，提高了机组的运行稳定性。国外研究方面，欧洲和美国等发达国家的研究相对较多。一些国外学者通过研究滑环室的流动特性，提出了一种基于气体冷却的滑环室设计方案。这种方案通过将高压气体引入滑环室，使之在滑环室内形成局部气流，从而达到冷却滑环室的目的。1.2研究目的随着环境保护和可持续发展意识的增强，人们对传统能源的依赖度不断下降，风能作为一种清洁、可再生能源得到了广泛应用和发展。在风力发电行业中，风力发电机双馈式异步发电机扮演着重要角色。然而，由于风电机组运行过程中热量的积累，导致滑环室温度过高，从而影响发电机的性能和寿命。重新设计的冷却系统，风量大、冷却效果好，滑环室温度得到了很好的控制；风路设计避免了涡流的形成，顺利的带走了碳粉，避免了碳粉堆积的情况，降低了滑环打火烧毁、碳刷膨胀卡死的可能性；碳粉收集装置可操作性强，容易清理碳粉，在风场维护简单。

2风电机组双馈异步发电机结构分析2.1风电双馈异步发电机的结构和特点2.1.1风电双馈异步发电机的结构主要应用于风电行业的双馈式异步发电机，是目前主流的风电用发电机类型之一。双馈式异步发电机主要有异步发电机组成，包括定子、旋翼、滑环室、机壳、轴承等。定子的组成是由定子铁芯，定子绕组，机座，定子接线盒。而旋翼由三部分组成：旋轴，旋翼铁心，旋翼绕组。滑环室主要由滑环系统，滑环室冷却系统，集碳粉装置等组成。其中，以导电环、刷尾、刷柄、导电棒、集电环、滑环罩等部件组成的滑环，具有类似于定子绕组、三相绕组连接成星形的导电环和滑绕线式旋翼的绕组形式。在三个铜制滑环上连接每个绕组的起始端，并在转轴上固定这些滑环。

2.1.2风电双馈异步发电机的特点风电机组双馈异步发电机和普通交流电动机相比，其自身的特点也是多种多样的。1、风电机组双馈异步发电机存在四种运行状态，分别是：次同步电动状态、次同步发电状态、超同步电动状态、超同步发电状态；对于风电机组双馈异步发电机来说，他的额定转速相较于同步转速大的多。这就充分的体现了风电机组双馈异步发电机具有稳定性高，适应性强的优点。2、风电机组双馈异步发电机可以实现变速恒频恒压发电。在定子频率恒定的状态下，实现变速恒频发电，需要通过不同的转速下控制转子励磁电流的频率。当电力系统负荷突然变化时可以迅速调整电动机的转速，并且有助于增强电力系统的稳定性，尤其是最大限度地利用转子的动能来释放或吸收负载，并通过迅速调整励磁电流的频率，使电网受到比使用传统同步电动机更小的干扰。3、灵活的有功无功调节能力。有功功率可以根据风速和能量大小进行调节，最大限度地捕捉风力，也能够最大限度地利用小风速的风力能量;也可以调节无为满足电网无功功率需求，提高发电机辅助电网的能力，解决电力系统无功功功率导致的电量过剩的问题。对于双馈异步发电机而言，由于转子电流的相位得到了改变，其目的可以将转子的磁场在气隙空间中产生位移，从而对发电机的电势和电网电压的相对位置进行调整。因此，在保证发电机的功率角度不发生变化的情况下，即使发电机在大量吸收无功功率，也不会造成失步现象的发生。。2.2滑环系统滑环系统主要由集电环、碳刷、刷架等组成。滑环系统的主要作用有两个，一是将从外部引入发电机转子绕组励磁所需要的励磁电流；二是，通过滑环系统将发电机转子发出的电传到变频器，然后并入电网。滑环安装在发电机转子侧的转轴上，为旋转部件，在风力发电机组运行时，碳刷处于静止状态，发电机转子处于旋转状态，旋转的滑环和碳刷通过表面接触摩擦导电。碳刷分为主碳刷和接地碳刷。主碳刷安装在刷盒内，主要是与滑环表面接触摩擦形成氧化膜。接地碳刷安装在发电机轴承座上，主要作用是将发电机轴上的电流（轴电流）引入大地，保护轴承。碳刷架主要由刷握、压簧、刷盒、刷盒座等组成。刷架的主要作用是固定主碳刷，同时还有支撑、导风、汇流和绝缘的作用。

3滑环室发热原因分析3.1发热过程在风电机组双馈异步发电机的运行下，滑环室内的温度正常运行的情况下是50℃～80℃（温升40℃左右），并且在正常情况下，碳刷的工作电流一般是在20A～100A。其中，当通风系统将碳刷运转时所产生的大部分热量带走时，风电机组双馈异步发电机的发热与散热就可以达到基本的平衡。但是，由于长时间的运行，导致碳刷磨损后变短，碳刷的接触电阻和附加电阻就会随着碳刷变短变大，进而导致刷握弹簧所受到碳刷的压力变小，当滑环室内的温度身高时，碳刷的工作电流增大，风电机组双馈异步发电机部分系统的平衡能力降低，进而造成部分碳刷温度升高，从而使系统的整体温度上升。3.2发热原因及分析1、滑环室冷却装置故障。一般情况下，由于冷却风扇故障停止转动，滑环风孔堵塞，循环风管路断裂等原因，由于冷却系统停止或效率降低，导致碳刷与滑环之间产生的热量无法及时排出，造成滑环温度升高。2、碳刷与滑环接触不良导致滑环温度过高：①由于碳刷过短，弹簧片张力不够，使碳刷与滑环接触不良，在长时间的运转中，碳刷会出现不同程度的磨损；②碳素刷子在刷子的握持中会产生卡、涩的现象；③碳刷与滑环接触不良，引起碳刷与滑环间打火，引起滑环电蚀，磨损增大，是由于碳刷压紧弹簧片本身过热老化松动，失去弹性。3、碳刷和滑环室产生机械摩擦。正常情况下，碳刷在刷握内的间隙可以进行上下的自由移动，我们必须保证刷握内的间隙应符合产品的规定，同时我们也需要保证碳刷外形要方正，在一般情况下，刷握与滑环表面间隙存在一定的允许范围，其中这个允许范围为0.10～0.20mm之内。风电机组双馈异步发电机正常运行时，碳刷不能与滑环整体接触，如果接触不良，就会导致机械摩擦，从而就会引起滑环室内过热。4、油污和碳粉会对滑环室的环境造成危害。由于不能有效地清除碳粉，造成碳粉在滑环、碳刷、刷握上堆积，从而对滑环室内的散热造成影响。当油液渗漏发生在受油器及其管路连接部位时，油雾会进入滑环室，在高温和快速旋转的环境下，油液和碳粉混合形成油泥，对滑环室的运行环境造成影响。5、碳刷的质量问题，造成温度上升。由于碳刷材质质量差、导电效果差、所选型号不合适、更换后产生的压力不同等原因，导致各碳刷之间存在导电性能不均的现象，这就造成了碳刷在高温下发热的现象。因此，在进行碳刷更换时，在保证碳刷总量不超过原笔数五分之一的情况下，应确保所更换的碳刷与原使用的碳刷为同一品牌、同一型号。另外，需要先将碳刷的接触面磨平，然后再对碳刷和滑圈的弧度进行调整后进行更换。6、机组运行状况不佳，在机组运行时，由于滑环与碳刷磨擦不均匀，导致温度升高，导致了机组中主轴偏心或震动过大。

4滑环室结构设计4.1滑环室设计结合双馈式异步发电机和风力发电机的运行特点，针对滑环室的结构设计缺陷，我们设计了改进后的滑环室结构，采用离心式风扇和收集碳粉的装置，并且我们将滑环室的外罩端板和端盖之间的连接采用过渡连接，对于非驱动端的轴承和滑环室，我们采用了止口配合的方式，并且保证了非驱动端的轴承与滑环的工作空间之间保持着隔离的状态，同样我们保证了滑环室与转轴之间的同心度。对于碳刷，我们将其固定在滑环外罩端板与滑环外罩壁板之间，用于传导电流。对于滑环外罩，我们将其外观设计为成多边形结构，滑环外罩的多个方向都开有通风窗，降低风阻，以便提高散热。4.2离心式风扇设计滑环室冷却风路的设计过程中，滑环室内必须保证风路流畅并且可以顺利带走碳粉，不能出现涡流现象。离心风扇的安装位置与机壳距离适宜设计，距离过小容易产生笛音，距离过大会形成涡流。风路设计方向是轴向进风，径向出风。在实际运用中，发电机多与变频器并列排布，变频器的出风口位于发电机滑环室的右边(从发电机的传动端看)，如在右边设计进风口，则离心风扇极易将变频器的出风吸入，造成滑环室冷却效果差。因此，进风口位置不易设计在发电机右边(从发电机的传动端看)。且进风口采取叶窗式设计，避免吸入杂物。4.3碳粉收集装置设计4.3.1构造及其工作原理在双馈式异步发电机运行过程中，碳粉会随着风路运动方向运动，滑环室内的碳粉会随着主风机的运转被吸入箱体中，并且会通过布袋过滤器进行过滤，在此期间，碳粉被阻断在布袋过滤器的外面，被进化后的气体会随着风机运转时候产生的风路进行运动。随着过滤时间的增加，布袋过滤器外部表面的灰尘会越积越多，滑环室内的风会因为滤袋表面碳粉的堆积存在阻力，此时，主风机自动停止，震打风机开始运转，滤袋表面碳粉的堆积会随着震打风机的运动而被震落，碳粉就会进入到碳粉收集装置中，然后由人工定期清理碳粉收集装置里面的碳粉，并且我们也可以根据实际情况，对于布袋过滤器上堆积的碳粉进行手动收集。4.3.2碳粉收集装置设计碳粉收集装置的设计由于风力发电机组中发电机滑环室的维护空间有限，碳粉收集装置的设计需要考虑维护性和操作性。为节省滑环室至机架之间的空间，将碳粉收集装置与滑环室集成设计。这种设计给滑环室维护和清理碳粉留出足够的空间。碳粉收集装置本身采用抽屉式设计，并选取搭扣固定方式，固定滤网的设备则采用夹板，均不采用螺栓固定。碳粉收集装置位于出风口上方，利于收集碳粉。5设计前后的改进5.1设计前的缺点1、对于风电机组双馈异步发电机的滑环室和轴承组存在于同一个区域里面，所以当风电机组双馈异步发电机运转时，滑环室内的温度会随着轴承的散热而温度升高。由于风力发电机主要采用双馈式异步发电机，因此在风电机组机舱各个部件都受着风路的影响，所以电机在运行过程中，其内部情况比较复杂。在风电机组双馈异步发电机中，对于其滑环的碳刷装置和轴承，所需要的环境不同，对于轴承来说，如果滑环室的温度超过70℃，就会导致轴承难以承受高温，进而报警。但对于滑环的碳刷装置来说，超过70℃仍然可以使用，所以对于很多情况下，都是当滑环室内的温度偏高，进而导致了轴承频繁报警。2、风电机组双馈异步发电机滑环室内部由于碳粉的堆积，导致风路存在较大的阻力，不利于滑环室内的碳刷装置的冷却。在风电机组双馈异步发电机运行过程中，风路路径会经过许多的地方，包括引线、碳刷装置和滑环、碳粉过滤装置等，由于风路中存在碳粉，就会导致整个风路风阻很大，风压逐级降低，从而造成通风不畅，造成滑环室温度较高。3、风电机组双馈异步发电机的滑环室排碳效果较差。对于双馈异步发电机来说，长时间的运行会导致碳粉的堆积，但是对于排出碳粉较为困难，在长时间的运行下，滑环室的碳粉堆积较多，导致风路存在风阻，进而滑环室内的温度升高，降低了风电机组双馈异步发电机的使用寿命。5.2设计后的优势1、风电机组双馈异步发电机的滑环室进行风路设计，改变了风路，对于滑环室的散热效果有了很好的提升。对于带有离心风扇和碳粉收集盒的滑环室结构，其中我们采用了一个轴带的离心式风机，斌且我们将其放置于滑环室的末端，正对滑环室的出风口。其作用是可以避免由于碳粉过滤盒风阻大使滑环室风量减小的缺陷，同时我们运用了电机转速高和离心式风扇风压大的特点，将滑环室内设计成多个进风口，其目的是为了减小滑环室内的进风风阻，一定程度提高了双馈异步发电机运转过程中，某一部件温度过高对滑环室内的环境造成的影响，进而有效的降低了滑环室的温度，提高了双馈异步发电机的使用寿命。2、过渡式的滑环外罩连接结构避免了滑环室温度对轴承的影响。带有离心风扇和碳粉收集盒的滑环室结构中，滑环室的外罩端板和端盖采用了过渡式的连接结构，使滑环室与轴承组在空间上分隔开来，使轴