風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)室冷卻設(shè)計論文

[在此處鍵入][在此處鍵入][在此處鍵入]摘要隨著環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識的增強，人們對傳統(tǒng)能源的依賴度不斷下降，風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。雙饋異步發(fā)電機在風(fēng)電行業(yè)中占據(jù)著重要地位。然而，由于風(fēng)電機組運行過程中熱量的積累，導(dǎo)致滑環(huán)室溫度過高，從而影響發(fā)電機的性能和壽命。因此，對風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)室冷卻設(shè)計進行研究具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。我們設(shè)計出的結(jié)構(gòu)簡單、通風(fēng)量大、排碳效果佳的滑環(huán)室結(jié)構(gòu)。該滑環(huán)室采用軸上加裝離心風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，使得滑環(huán)室內(nèi)通風(fēng)量大、滑環(huán)室溫度得到很好控制；同時合理設(shè)計滑環(huán)室風(fēng)路，避免了在滑環(huán)室內(nèi)形成渦流、碳粉堆積，減少了滑環(huán)碳刷因碳粉堆積造成的打火、燒毀等問題的發(fā)生率。該滑環(huán)室結(jié)構(gòu)還采取了抽屜式碳粉收集盒設(shè)計方式，利于碳粉收集、便于滑環(huán)室維護。通過實際滑環(huán)室溫升試驗、風(fēng)量試驗、碳粉收集試驗表明，該結(jié)構(gòu)冷卻效果好、出風(fēng)量大、碳粉收集效果好、維護容易。關(guān)鍵詞：雙饋異步發(fā)電機，滑環(huán)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研究背景二十一世紀以來，各國人口的急劇膨脹，經(jīng)濟發(fā)展迅速，電力供需矛盾的突出，開發(fā)新能源，開發(fā)可再生能源，成為了人們的當(dāng)務(wù)之急。對于風(fēng)能來說，作為一種可再生的、無污染的、能量龐大的綠色能源，大力發(fā)展風(fēng)電設(shè)施對改善全球生態(tài)環(huán)境意義重大，同時解決能源危機問題，能源供應(yīng)的問題，因環(huán)境污染加劇而日趨緊張。我國走出了一條可持續(xù)發(fā)展之路，通過運用風(fēng)力發(fā)電，可以很好的推動電力結(jié)構(gòu)形成多元化的情況，并且可以有效的改善環(huán)境生態(tài)，在環(huán)境污染日益嚴重的情況下，能源日益枯竭，我國作為球第三大能源生產(chǎn)國和第二大能源消費國，更應(yīng)該起著帶頭作用，充分利用可再生資源，進行可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)研究方面，目前已有一些學(xué)者對風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)室冷卻設(shè)計進行了相關(guān)研究。例如，例如，有研究者提出了一種基于傳統(tǒng)濕式冷卻的滑環(huán)室冷卻方案，能夠有效降低滑環(huán)室溫度，并通過使用水對滑環(huán)室進行冷卻來提高風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率。此外，還有學(xué)者通過設(shè)計滑環(huán)室的結(jié)構(gòu)，改善了冷卻效果，提高了機組的運行穩(wěn)定性。國外研究方面，歐洲和美國等發(fā)達國家的研究相對較多。一些國外學(xué)者通過研究滑環(huán)室的流動特性，提出了一種基于氣體冷卻的滑環(huán)室設(shè)計方案。這種方案通過將高壓氣體引入滑環(huán)室，使之在滑環(huán)室內(nèi)形成局部氣流，從而達到冷卻滑環(huán)室的目的。1.2研究目的隨著環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意識的增強，人們對傳統(tǒng)能源的依賴度不斷下降，風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中，風(fēng)力發(fā)電機雙饋式異步發(fā)電機扮演著重要角色。然而，由于風(fēng)電機組運行過程中熱量的積累，導(dǎo)致滑環(huán)室溫度過高，從而影響發(fā)電機的性能和壽命。重新設(shè)計的冷卻系統(tǒng)，風(fēng)量大、冷卻效果好，滑環(huán)室溫度得到了很好的控制；風(fēng)路設(shè)計避免了渦流的形成，順利的帶走了碳粉，避免了碳粉堆積的情況，降低了滑環(huán)打火燒毀、碳刷膨脹卡死的可能性；碳粉收集裝置可操作性強，容易清理碳粉，在風(fēng)場維護簡單。

2風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)分析2.1風(fēng)電雙饋異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和特點2.1.1風(fēng)電雙饋異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)的雙饋式異步發(fā)電機，是目前主流的風(fēng)電用發(fā)電機類型之一。雙饋式異步發(fā)電機主要有異步發(fā)電機組成，包括定子、旋翼、滑環(huán)室、機殼、軸承等。定子的組成是由定子鐵芯，定子繞組，機座，定子接線盒。而旋翼由三部分組成：旋軸，旋翼鐵心，旋翼繞組。滑環(huán)室主要由滑環(huán)系統(tǒng)，滑環(huán)室冷卻系統(tǒng)，集碳粉裝置等組成。其中，以導(dǎo)電環(huán)、刷尾、刷柄、導(dǎo)電棒、集電環(huán)、滑環(huán)罩等部件組成的滑環(huán)，具有類似于定子繞組、三相繞組連接成星形的導(dǎo)電環(huán)和滑繞線式旋翼的繞組形式。在三個銅制滑環(huán)上連接每個繞組的起始端，并在轉(zhuǎn)軸上固定這些滑環(huán)。

2.1.2風(fēng)電雙饋異步發(fā)電機的特點風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機和普通交流電動機相比，其自身的特點也是多種多樣的。1、風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機存在四種運行狀態(tài)，分別是：次同步電動狀態(tài)、次同步發(fā)電狀態(tài)、超同步電動狀態(tài)、超同步發(fā)電狀態(tài)；對于風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機來說，他的額定轉(zhuǎn)速相較于同步轉(zhuǎn)速大的多。這就充分的體現(xiàn)了風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機具有穩(wěn)定性高，適應(yīng)性強的優(yōu)點。2、風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機可以實現(xiàn)變速恒頻恒壓發(fā)電。在定子頻率恒定的狀態(tài)下，實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，需要通過不同的轉(zhuǎn)速下控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率。當(dāng)電力系統(tǒng)負荷突然變化時可以迅速調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，并且有助于增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是最大限度地利用轉(zhuǎn)子的動能來釋放或吸收負載，并通過迅速調(diào)整勵磁電流的頻率，使電網(wǎng)受到比使用傳統(tǒng)同步電動機更小的干擾。3、靈活的有功無功調(diào)節(jié)能力。有功功率可以根據(jù)風(fēng)速和能量大小進行調(diào)節(jié)，最大限度地捕捉風(fēng)力，也能夠最大限度地利用小風(fēng)速的風(fēng)力能量;也可以調(diào)節(jié)無為滿足電網(wǎng)無功功率需求，提高發(fā)電機輔助電網(wǎng)的能力，解決電力系統(tǒng)無功功功率導(dǎo)致的電量過剩的問題。對于雙饋異步發(fā)電機而言，由于轉(zhuǎn)子電流的相位得到了改變，其目的可以將轉(zhuǎn)子的磁場在氣隙空間中產(chǎn)生位移，從而對發(fā)電機的電勢和電網(wǎng)電壓的相對位置進行調(diào)整。因此，在保證發(fā)電機的功率角度不發(fā)生變化的情況下，即使發(fā)電機在大量吸收無功功率，也不會造成失步現(xiàn)象的發(fā)生。。2.2滑環(huán)系統(tǒng)滑環(huán)系統(tǒng)主要由集電環(huán)、碳刷、刷架等組成。滑環(huán)系統(tǒng)的主要作用有兩個，一是將從外部引入發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組勵磁所需要的勵磁電流；二是，通過滑環(huán)系統(tǒng)將發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)出的電傳到變頻器，然后并入電網(wǎng)?；h(huán)安裝在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)軸上，為旋轉(zhuǎn)部件，在風(fēng)力發(fā)電機組運行時，碳刷處于靜止?fàn)顟B(tài)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)和碳刷通過表面接觸摩擦導(dǎo)電。碳刷分為主碳刷和接地碳刷。主碳刷安裝在刷盒內(nèi)，主要是與滑環(huán)表面接觸摩擦形成氧化膜。接地碳刷安裝在發(fā)電機軸承座上，主要作用是將發(fā)電機軸上的電流（軸電流）引入大地，保護軸承。碳刷架主要由刷握、壓簧、刷盒、刷盒座等組成。刷架的主要作用是固定主碳刷，同時還有支撐、導(dǎo)風(fēng)、匯流和絕緣的作用。

3滑環(huán)室發(fā)熱原因分析3.1發(fā)熱過程在風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機的運行下，滑環(huán)室內(nèi)的溫度正常運行的情況下是50℃～80℃（溫升40℃左右），并且在正常情況下，碳刷的工作電流一般是在20A～100A。其中，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)將碳刷運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的大部分熱量帶走時，風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機的發(fā)熱與散熱就可以達到基本的平衡。但是，由于長時間的運行，導(dǎo)致碳刷磨損后變短，碳刷的接觸電阻和附加電阻就會隨著碳刷變短變大，進而導(dǎo)致刷握彈簧所受到碳刷的壓力變小，當(dāng)滑環(huán)室內(nèi)的溫度身高時，碳刷的工作電流增大，風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機部分系統(tǒng)的平衡能力降低，進而造成部分碳刷溫度升高，從而使系統(tǒng)的整體溫度上升。3.2發(fā)熱原因及分析1、滑環(huán)室冷卻裝置故障。一般情況下，由于冷卻風(fēng)扇故障停止轉(zhuǎn)動，滑環(huán)風(fēng)孔堵塞，循環(huán)風(fēng)管路斷裂等原因，由于冷卻系統(tǒng)停止或效率降低，導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)之間產(chǎn)生的熱量無法及時排出，造成滑環(huán)溫度升高。2、碳刷與滑環(huán)接觸不良導(dǎo)致滑環(huán)溫度過高：①由于碳刷過短，彈簧片張力不夠，使碳刷與滑環(huán)接觸不良，在長時間的運轉(zhuǎn)中，碳刷會出現(xiàn)不同程度的磨損；②碳素刷子在刷子的握持中會產(chǎn)生卡、澀的現(xiàn)象；③碳刷與滑環(huán)接觸不良，引起碳刷與滑環(huán)間打火，引起滑環(huán)電蝕，磨損增大，是由于碳刷壓緊彈簧片本身過熱老化松動，失去彈性。3、碳刷和滑環(huán)室產(chǎn)生機械摩擦。正常情況下，碳刷在刷握內(nèi)的間隙可以進行上下的自由移動，我們必須保證刷握內(nèi)的間隙應(yīng)符合產(chǎn)品的規(guī)定，同時我們也需要保證碳刷外形要方正，在一般情況下，刷握與滑環(huán)表面間隙存在一定的允許范圍，其中這個允許范圍為0.10～0.20mm之內(nèi)。風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機正常運行時，碳刷不能與滑環(huán)整體接觸，如果接觸不良，就會導(dǎo)致機械摩擦，從而就會引起滑環(huán)室內(nèi)過熱。4、油污和碳粉會對滑環(huán)室的環(huán)境造成危害。由于不能有效地清除碳粉，造成碳粉在滑環(huán)、碳刷、刷握上堆積，從而對滑環(huán)室內(nèi)的散熱造成影響。當(dāng)油液滲漏發(fā)生在受油器及其管路連接部位時，油霧會進入滑環(huán)室，在高溫和快速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境下，油液和碳粉混合形成油泥，對滑環(huán)室的運行環(huán)境造成影響。5、碳刷的質(zhì)量問題，造成溫度上升。由于碳刷材質(zhì)質(zhì)量差、導(dǎo)電效果差、所選型號不合適、更換后產(chǎn)生的壓力不同等原因，導(dǎo)致各碳刷之間存在導(dǎo)電性能不均的現(xiàn)象，這就造成了碳刷在高溫下發(fā)熱的現(xiàn)象。因此，在進行碳刷更換時，在保證碳刷總量不超過原筆數(shù)五分之一的情況下，應(yīng)確保所更換的碳刷與原使用的碳刷為同一品牌、同一型號。另外，需要先將碳刷的接觸面磨平，然后再對碳刷和滑圈的弧度進行調(diào)整后進行更換。6、機組運行狀況不佳，在機組運行時，由于滑環(huán)與碳刷磨擦不均勻，導(dǎo)致溫度升高，導(dǎo)致了機組中主軸偏心或震動過大。

4滑環(huán)室結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1滑環(huán)室設(shè)計結(jié)合雙饋式異步發(fā)電機和風(fēng)力發(fā)電機的運行特點，針對滑環(huán)室的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，我們設(shè)計了改進后的滑環(huán)室結(jié)構(gòu)，采用離心式風(fēng)扇和收集碳粉的裝置，并且我們將滑環(huán)室的外罩端板和端蓋之間的連接采用過渡連接，對于非驅(qū)動端的軸承和滑環(huán)室，我們采用了止口配合的方式，并且保證了非驅(qū)動端的軸承與滑環(huán)的工作空間之間保持著隔離的狀態(tài)，同樣我們保證了滑環(huán)室與轉(zhuǎn)軸之間的同心度。對于碳刷，我們將其固定在滑環(huán)外罩端板與滑環(huán)外罩壁板之間，用于傳導(dǎo)電流。對于滑環(huán)外罩，我們將其外觀設(shè)計為成多邊形結(jié)構(gòu)，滑環(huán)外罩的多個方向都開有通風(fēng)窗，降低風(fēng)阻，以便提高散熱。4.2離心式風(fēng)扇設(shè)計滑環(huán)室冷卻風(fēng)路的設(shè)計過程中，滑環(huán)室內(nèi)必須保證風(fēng)路流暢并且可以順利帶走碳粉，不能出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。離心風(fēng)扇的安裝位置與機殼距離適宜設(shè)計，距離過小容易產(chǎn)生笛音，距離過大會形成渦流。風(fēng)路設(shè)計方向是軸向進風(fēng)，徑向出風(fēng)。在實際運用中，發(fā)電機多與變頻器并列排布，變頻器的出風(fēng)口位于發(fā)電機滑環(huán)室的右邊(從發(fā)電機的傳動端看)，如在右邊設(shè)計進風(fēng)口，則離心風(fēng)扇極易將變頻器的出風(fēng)吸入，造成滑環(huán)室冷卻效果差。因此，進風(fēng)口位置不易設(shè)計在發(fā)電機右邊(從發(fā)電機的傳動端看)。且進風(fēng)口采取葉窗式設(shè)計，避免吸入雜物。4.3碳粉收集裝置設(shè)計4.3.1構(gòu)造及其工作原理在雙饋式異步發(fā)電機運行過程中，碳粉會隨著風(fēng)路運動方向運動，滑環(huán)室內(nèi)的碳粉會隨著主風(fēng)機的運轉(zhuǎn)被吸入箱體中，并且會通過布袋過濾器進行過濾，在此期間，碳粉被阻斷在布袋過濾器的外面，被進化后的氣體會隨著風(fēng)機運轉(zhuǎn)時候產(chǎn)生的風(fēng)路進行運動。隨著過濾時間的增加，布袋過濾器外部表面的灰塵會越積越多，滑環(huán)室內(nèi)的風(fēng)會因為濾袋表面碳粉的堆積存在阻力，此時，主風(fēng)機自動停止，震打風(fēng)機開始運轉(zhuǎn)，濾袋表面碳粉的堆積會隨著震打風(fēng)機的運動而被震落，碳粉就會進入到碳粉收集裝置中，然后由人工定期清理碳粉收集裝置里面的碳粉，并且我們也可以根據(jù)實際情況，對于布袋過濾器上堆積的碳粉進行手動收集。4.3.2碳粉收集裝置設(shè)計碳粉收集裝置的設(shè)計由于風(fēng)力發(fā)電機組中發(fā)電機滑環(huán)室的維護空間有限，碳粉收集裝置的設(shè)計需要考慮維護性和操作性。為節(jié)省滑環(huán)室至機架之間的空間，將碳粉收集裝置與滑環(huán)室集成設(shè)計。這種設(shè)計給滑環(huán)室維護和清理碳粉留出足夠的空間。碳粉收集裝置本身采用抽屜式設(shè)計，并選取搭扣固定方式，固定濾網(wǎng)的設(shè)備則采用夾板，均不采用螺栓固定。碳粉收集裝置位于出風(fēng)口上方，利于收集碳粉。5設(shè)計前后的改進5.1設(shè)計前的缺點1、對于風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機的滑環(huán)室和軸承組存在于同一個區(qū)域里面，所以當(dāng)風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，滑環(huán)室內(nèi)的溫度會隨著軸承的散熱而溫度升高。由于風(fēng)力發(fā)電機主要采用雙饋式異步發(fā)電機，因此在風(fēng)電機組機艙各個部件都受著風(fēng)路的影響，所以電機在運行過程中，其內(nèi)部情況比較復(fù)雜。在風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機中，對于其滑環(huán)的碳刷裝置和軸承，所需要的環(huán)境不同，對于軸承來說，如果滑環(huán)室的溫度超過70℃，就會導(dǎo)致軸承難以承受高溫，進而報警。但對于滑環(huán)的碳刷裝置來說，超過70℃仍然可以使用，所以對于很多情況下，都是當(dāng)滑環(huán)室內(nèi)的溫度偏高，進而導(dǎo)致了軸承頻繁報警。2、風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)室內(nèi)部由于碳粉的堆積，導(dǎo)致風(fēng)路存在較大的阻力，不利于滑環(huán)室內(nèi)的碳刷裝置的冷卻。在風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機運行過程中，風(fēng)路路徑會經(jīng)過許多的地方，包括引線、碳刷裝置和滑環(huán)、碳粉過濾裝置等，由于風(fēng)路中存在碳粉，就會導(dǎo)致整個風(fēng)路風(fēng)阻很大，風(fēng)壓逐級降低，從而造成通風(fēng)不暢，造成滑環(huán)室溫度較高。3、風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機的滑環(huán)室排碳效果較差。對于雙饋異步發(fā)電機來說，長時間的運行會導(dǎo)致碳粉的堆積，但是對于排出碳粉較為困難，在長時間的運行下，滑環(huán)室的碳粉堆積較多，導(dǎo)致風(fēng)路存在風(fēng)阻，進而滑環(huán)室內(nèi)的溫度升高，降低了風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機的使用壽命。5.2設(shè)計后的優(yōu)勢1、風(fēng)電機組雙饋異步發(fā)電機的滑環(huán)室進行風(fēng)路設(shè)計，改變了風(fēng)路，對于滑環(huán)室的散熱效果有了很好的提升。對于帶有離心風(fēng)扇和碳粉收集盒的滑環(huán)室結(jié)構(gòu)，其中我們采用了一個軸帶的離心式風(fēng)機，斌且我們將其放置于滑環(huán)室的末端，正對滑環(huán)室的出風(fēng)口。其作用是可以避免由于碳粉過濾盒風(fēng)阻大使滑環(huán)室風(fēng)量減小的缺陷，同時我們運用了電機轉(zhuǎn)速高和離心式風(fēng)扇風(fēng)壓大的特點，將滑環(huán)室內(nèi)設(shè)計成多個進風(fēng)口，其目的是為了減小滑環(huán)室內(nèi)的進風(fēng)風(fēng)阻，一定程度提高了雙饋異步發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程中，某一部件溫度過高對滑環(huán)室內(nèi)的環(huán)境造成的影響，進而有效的降低了滑環(huán)室的溫度，提高了雙饋異步發(fā)電機的使用壽命。2、過渡式的滑環(huán)外罩連接結(jié)構(gòu)避免了滑環(huán)室溫度對軸承的影響。帶有離心風(fēng)扇和碳粉收集盒的滑環(huán)室結(jié)構(gòu)中，滑環(huán)室的外罩端板和端蓋采用了過渡式的連接結(jié)構(gòu)，使滑環(huán)室與軸承組在空間上分隔開來，使軸