雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)故障分析

　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)在是網(wǎng)狀風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型之一。 滑環(huán)、電刷是發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中容易發(fā)生問題的構(gòu)成部分，極小的問題會(huì)引起比較大的事故。 分析了滑環(huán)振動(dòng)對(duì)電刷的沖擊和危害，介紹了電刷諧振頻率對(duì)安全的影響，提出了故障預(yù)防措施，減少了電刷、滑環(huán)引起的事故。

　　滑環(huán)、電刷是發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中容易發(fā)生問題的構(gòu)成要素[1]，極小的問題會(huì)引起比較大的事故。 例如，如果碳刷都不接觸，就會(huì)發(fā)生發(fā)電機(jī)失磁的嚴(yán)重現(xiàn)象，出現(xiàn)環(huán)火，另外發(fā)電機(jī)漏氫，容易發(fā)生氫爆炸。 因此，分析了引起雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)刷滑環(huán)故障的主要因素及其重要性。

　　1 .雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁滑環(huán)，電刷設(shè)計(jì)

　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有與a、b、c三相勵(lì)磁滑環(huán)對(duì)應(yīng)的電刷，還設(shè)有與接地滑環(huán)d對(duì)應(yīng)的電刷。 三相電流相對(duì)較大，因此分別設(shè)置了s個(gè)基本平均布刷，d相接的滑環(huán)只有一個(gè)刷。 它可以連接電機(jī)軸或星形勵(lì)磁繞組的中線，方便軸電流和中線電流通過電刷接地。

　　2 .滑環(huán)的損傷和單一電刷摩擦引起的沖擊波形、振動(dòng)與滑環(huán)的故障分布規(guī)律相同。

　　由于D滑環(huán)一般只設(shè)置了一個(gè)刷子，所以刷子和滑環(huán)容易因振動(dòng)而分離，容易引起電弧和損傷。 (1)電刷支架的振動(dòng)沖擊(2)判斷絕緣安裝的外殼對(duì)地/設(shè)備外殼的軸電壓。 如果滑環(huán)有損傷，在摩擦刷的過程中會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，不僅會(huì)使刷磨損，還會(huì)使滑環(huán)的損傷惡化。 滑環(huán)損傷的故障很多，故障分布規(guī)律和數(shù)量通常與撓性聯(lián)軸器爪數(shù)有因果關(guān)系。 在刷滑環(huán)故障的后期，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)、軸電壓，該強(qiáng)度可以隱藏其他故障信息。 有x處平均布損傷時(shí)，具有x次頻率休克譜的特征。 因此滑環(huán)的損傷與單一電刷摩擦引起的振動(dòng)、沖擊波分布規(guī)律和滑環(huán)分布規(guī)律相同。

　　3 .滑環(huán)振動(dòng)對(duì)刷子的沖擊和危害

　　滑環(huán)有磁隙不均勻、轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)、滑環(huán)沒有圓度的電磁振動(dòng)等大振動(dòng)，激發(fā)s個(gè)電刷時(shí)，分?jǐn)?shù)和滑環(huán)暫時(shí)分離。 此時(shí)，d相的單電刷和相應(yīng)的滑環(huán)會(huì)產(chǎn)生電弧和損傷。 其他三相s個(gè)電刷不同步，相繼與對(duì)應(yīng)的滑環(huán)分離接觸，就會(huì)產(chǎn)生相繼的沖擊，該沖擊的特征譜等于頻率變換的s次沖擊譜。

　　假設(shè)電刷設(shè)計(jì)合理，而且構(gòu)成其按壓彈簧和機(jī)械二次系統(tǒng)，產(chǎn)生固有的共振頻率FS，比滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)頻率FN高得多，假設(shè)滑環(huán)出現(xiàn)不平衡、不圓度的問題，正弦“滑環(huán)振動(dòng)” 我們建立了圖1所示力學(xué)模型的示意圖，分析了滑環(huán)振動(dòng)和電刷振動(dòng)的相互作用，箭頭表示運(yùn)用正方向。 刷子的正向位移不能小于滑環(huán)的正向位移。 否則，滑環(huán)會(huì)強(qiáng)制刷子運(yùn)動(dòng)。 刷子比滑環(huán)的正向位移大，可以從滑環(huán)上分離。 刷子的負(fù)方向位移的絕對(duì)值必須大于滑環(huán)的負(fù)方向位移。 否則，滑環(huán)可能會(huì)妨礙刷子的運(yùn)轉(zhuǎn)。 刷子可以在滑環(huán)的負(fù)方向上位移，與滑環(huán)分離。4 .電刷諧振頻率對(duì)安全的影響

　　二次系統(tǒng)的共振頻率由電刷及其按壓彈簧構(gòu)成，通過設(shè)計(jì)成比滑環(huán)高的轉(zhuǎn)速FN乘以該軸的最高激勵(lì)源數(shù)z倍的FNZ，不僅有效地降低電刷振動(dòng)，還降低電刷振動(dòng)及其滑環(huán)的沖擊

　　一個(gè)經(jīng)典的振動(dòng)理論指出[2]當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率高于系統(tǒng)的諧振頻率時(shí)，系統(tǒng)的振幅受到影響，振幅降低。 有這樣的共振頻率FS=10Hz，二次系統(tǒng)的共振增益是G=10倍，進(jìn)行25Hz的強(qiáng)制振動(dòng)時(shí)，此時(shí)的振幅響應(yīng)應(yīng)該降低到-1439dB，即強(qiáng)制振動(dòng)的19%。 這個(gè)理論不適用于設(shè)計(jì)刷子及其按壓彈簧構(gòu)成的二次系統(tǒng)。 因?yàn)楹芸赡芎鲆曊駝?dòng)相位響應(yīng)和強(qiáng)制振動(dòng)相差177的現(xiàn)實(shí)，所以振動(dòng)滑環(huán)相對(duì)于刷子運(yùn)動(dòng)的同時(shí)刷子也相對(duì)于滑環(huán)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，必然意味著強(qiáng)烈的沖擊。

　　由于滑環(huán)存在三菱度和圓度，因此滑環(huán)的振動(dòng)頻率不僅是其最高轉(zhuǎn)速頻率，而且具有爪數(shù)z的(1-2)倍的時(shí)變剛性，在齒輪嚙合臺(tái)推力大的情況下，如果輕負(fù)荷旋轉(zhuǎn)頻率為FN的電動(dòng)機(jī)軸，則一定會(huì)產(chǎn)生fj=例如，最高旋轉(zhuǎn)頻率為FN=24的撓性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，Z=6時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)頻率為FJ=288Hz。 我個(gè)人建議最好把500Hz-1000Hz的刷諧振頻率設(shè)計(jì)成FS。

　　我是2FJ。 如果將撓性聯(lián)軸器變更為幾十齒套聯(lián)軸器，則時(shí)變剛性得到改善，振動(dòng)大幅降低，因此無需提高刷子共振頻率。 也許有人認(rèn)為通過提高按壓彈簧的剛性可以提高FS的路徑，增加刷環(huán)摩擦?xí)r的摩擦力和正壓，加速磨損，但這是柔軟的連續(xù)接觸摩擦，強(qiáng)烈沖擊造成的損害相當(dāng)小。

　　5 .總結(jié)

　　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的滑環(huán)、刷子是發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中容易發(fā)生問題的構(gòu)成部分，進(jìn)行維護(hù)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)： (1)提高循環(huán)檢查力，通過防塵罩觀察窗確認(rèn)有無串火現(xiàn)象。 (2)用紅外線溫度計(jì)對(duì)刷子表面、集電環(huán)表面和銅辮進(jìn)行測(cè)溫，有異常刷子時(shí)必須立即處理、更換。 (3)定期維護(hù)刷子、滑環(huán)(4)在高濕條件下可能發(fā)生電化學(xué)作用，腐蝕石墨氧化膜，因此，在發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停止的情況下，最好去除刷子，防止電解蝕刻痕跡的生成。