基于熱電耦合的雙饋發電機集電環系統三維溫度場研究

楊 強，余 冰，陳飛虎，李 偉，劉志強

（國電聯合動力技術(宜興)有限公司，江蘇 宜興 214203）

基于熱電耦合的雙饋發電機集電環系統三維溫度場研究

楊 強，余 冰，陳飛虎，李 偉，劉志強

（國電聯合動力技術(宜興)有限公司，江蘇 宜興 214203）

提出“集電環溫度交通燈”的概念，集電環溫度設計應遵守“溫度交通燈”法則；建立了基于熱電直接耦合的雙饋發電機集電環（DFGS）系統仿真模型，利用有限元軟件對DFGS系統進行三維瞬態溫度場仿真計算，得到了DFGS系統的溫度場分布規律；采用紅外熱成像儀進行DFGS系統的溫度紅外云圖試驗測試，試驗結果與仿真結果非常吻合，為DFGS系統的溫度場優化及故障診斷提供了參考指導。

雙饋發電機；熱電耦合；集電環；三維溫度場

0 引言

集電環電刷系統既是雙饋風力發電機的關鍵部件，也是機組的薄弱環節之一。近年來從風場反饋的故障統計數據表明，集電環打火燒損故障依然非常嚴重，而其中一個重要原因是集電環的溫度過高[1]。集電環電刷的運行對溫度有嚴格要求，過高的運行溫度或過低的運行溫度都對集電環電刷運行性能產生不良影響，危及機組的安全運行。因此確定集電環電刷溫度設計準則、準確地進行集電環電刷系統溫度場計算及測試研究具有一定的工程理論價值。

文獻[2-3]針對集電環發熱故障進行定性分析，為集電環電刷的運行維護提供了參考；文獻[4]給出了滑環溫度紅外檢測系統的軟件硬件組成，為開發溫度紅外測試系統提供了參考，但僅限于溫度測試設備的框圖原理分析，未對集電環溫度進行試驗測試；文獻[5]研究了集電環表面氧化膜的特性及氣壓對集電環電刷運行性能的影響等；文獻[6]建立基于熱電類比的動態熱路模型，并進行了有限元仿真分析，而基于熱電類比的熱電方程組為非線性微分方程組，求解過程非常復雜耗時。從公開發表的文獻看，目前關于發電機集電環電刷系統的三維瞬態溫度場仿真及試驗研究的文獻仍然不多。

本文首先在介紹雙饋風力發電機集電環（DFGS）系統結構原理的基礎上，給出了“集電環溫度交通燈”的概念，集電環溫度應遵守“溫度交通燈”法則是DFGS系統的基本設計原則；然后詳細分析DFGS系統損耗類型及產生機理，提出了基于熱電直接耦合的集電環電刷系統的分析模型，利用有限元法對DFGS系統進行三維瞬態溫度場仿真，詳細分析了DFGS系統的溫度場分布規律，通過采用合理的通風冷卻方式，使集電環電刷溫度運行在最佳溫度范圍內；最后利用紅外熱成像儀對MW級雙饋風力發電機集電環電刷系統的溫度云圖進行試驗測試，通過試驗研究，不僅驗證了仿真模型的正確性，同時也為大容量集電環電刷系統的溫度場優化設計、產品故障診斷分析提供了參考。

1 DFGS系統結構原理及溫度交通燈

1.1 DFGS系統結構原理

圖1為雙饋發電集電環電刷系統圖。雙饋發電機的定子和電網直接耦合，轉子三相繞組通過集電環三個相環K、L、M與電刷接觸，引出轉子電量，然后通過轉子側變流器、直流電容、網側變流器等再與電網相連。集電環電刷系統把發電機三相轉子交流電量從旋轉轉子繞組部件引出到靜止部件。集電環與發電機轉軸同軸連接，運行時高速旋轉，電刷與旋轉的集電環表面構成摩擦副。靜止的電刷通過頂部彈簧施加穩定的壓力，與旋轉摩擦力平衡。整個集電環電刷系統是一個復雜的機電耦合系統。

圖1 集電環電刷系統圖

1.2 集電環溫度交通燈

集電環電刷的可靠運行需要在滑動接觸面上形成一層均勻、厚度適中、有光澤的氧化膜。在一定溫度和濕度條件下，銅石墨電刷被磨削后，Cu與擴散在大氣中的氧氣進行反應形成分子狀的氧化物（Cu2O或CuO）。日本學者通過研究溫度與銅的氧化物生成量的關系表明[7]，過高的溫度（超過150℃）會加快表面金屬氧化物的生成，形成過厚的氧化膜，使接觸電阻增大，發熱增大，從而溫度進一步升高，形成惡性循環。同時溫度過大，引起電刷磨損增大，過多的碳粉顆粒，可能卡塞電刷，引起集電環打火燒損。

較低的溫度也不利于集電環電刷的運行，溫度較低Cu的氧化反應較弱，無法形成有效的氧化膜，造成電刷與集電環表面的“干摩現象”，磨損量急劇增大，引發集電環燒損等質量事故。

集電環電刷的運行溫度和電刷磨損量的關系用V形曲線描述，如圖2所示，運行溫度分為“綠、黃、紅”三種顏色區域。當集電環運行溫度T滿足式（1）時，為綠燈區，該溫度范圍，電刷磨損量最小，最適宜產品的運行。

當運行溫度T滿足式（2）或式（3）時，為黃燈區，該溫度范圍為可接受的運行溫度。

當運行溫度T滿足式（4）或式（5）時為紅燈區，在該溫度范圍內運行時電刷磨損急劇增大，易引發集電環質量事故，是不可接受的溫度區。

其中，Tgrmin、Tgrmax分別表示集電環理想運行溫度的最小值和最大值，Tmin、Tmax分別表示集電環可接受的最小運行溫度和最大運行溫度。

根據以上分析，本文引入“集電環溫度交通燈”的概念，即集電環系統的溫度場設計應遵守溫度交通燈法則，綠燈區為最佳運行溫度區域，黃燈區為可接受的溫度運行區域，紅燈區為禁止運行溫度區域。圖2為金屬石墨電刷典型的溫度交通燈圖，綠燈區為60℃～100℃。

圖2 集電環溫度交通燈

2 集電環電刷系統損耗分析計算

集電環電刷系統是一個復雜的熱電耦合系統，在運轉過程中產生的功率損耗分為三類：集電環功率損耗、電刷功率損耗、系統摩擦副損耗。

2.1 集電環功率損耗計算

集電環功率損耗包括集電環電阻損耗Ps1和空氣摩擦損耗Ps2。

rs為集電環每個相環電阻，單位Im為轉子相電流，單位A。

集電環與發電機轉子同軸旋轉，與周圍空氣摩擦產生摩擦損耗[8]，其計算公式為：

k為集電環表面粗糙度系數，Cf為空氣摩擦系數；為空氣密度；旋轉角速度rad/s。D和l分別為集電環的外徑和環寬度，單位m。

2.2 電刷功率損耗計算

電刷損耗有電刷接觸壓降損耗Pb1和電阻功率損耗Pb2。

其中I為電刷電流，單位A；為電刷集電環之間的接觸壓降，單位V。電刷的接觸壓降是一個動態值，它的影響因素非常復雜，氧化膜、電刷電流密度、集電環線速度、運行時間、電刷種類、集電環材質等均對電刷接觸壓降產生重要影響。

電刷電阻功率損耗包括電刷刷體電阻（r1）損耗、電刷導線電阻（r2）損耗、電刷種線電阻（r3）損耗、電刷與刷盒散流電阻（r4）損耗，其計算公式為：

2.3 集電環電刷摩擦副的摩擦損耗

集電環和電刷構成一對摩擦副，集電環電刷系統的摩擦損耗由電刷與旋轉的集電環表面之間相互摩擦產生，計算公式為：

集電環電刷的摩擦損耗隨轉速、摩擦系數的增大而增大。當集電環電刷穩定運行時，集電環表面會形成一層氧化膜，此時的摩擦系數約在0.06～0.12之間。當集電環與電刷之間沒有形成有效氧化膜，造成干摩擦，摩擦系數約為0.2～0.3左右，可見干摩擦時的摩擦損耗會大幅增加。

圖3是schunk公司C80X電刷摩擦系數曲線，集電環材質為X10Cr13。

集電環電刷系統總的功率損耗為：

3 基于熱電耦合的三維瞬態溫度場仿真

3.1 DFGS系統瞬態溫度場數學模型

為方便有限元計算，求解區域內作如下的基本假設：（1）材料各向同性；（2）集電環電刷表面采用強迫通風散熱；（3）DFGS系統處于無限大空間。基于上述假設，DFGS系統的三維瞬態熱傳導方程為：

圖3 電刷C80X摩擦系數曲線

式中T為溫度，單位℃；T0為周圍介質溫度，單位℃；kx、ky、kz分別為物體在x、y、z方向上的導熱系數，單位W/mm℃；為材料密度，單位kg/mm3；q為熱流密度，單位為W/mm3；c為比熱容，單位J/kg℃；為散熱系數，單位W/mm2℃；n為邊界法向量；為時間。

s1為第二類邊界條件；s2為第三類邊界條件（對流換熱邊界條件）。

根據變分原理，上式等效為式（13）的變分方程。

對上述變分方程進行離散，并對求解區域進行網格剖分，就可以得到模型各個節點的溫度值。

3.2 DFGS系統溫度場有限元仿真

DFGS系統物理仿真模型如圖4所示。集電環的三個相環分別為K相、L相和M相；每相兩只電刷，共6只電刷，對應編號為B1～B6。

轉軸上采用離心風扇進行強迫通風冷卻，所需風量為：

圖4 DFGS系統物理仿真模型

c0、為空氣比熱容和密度；為空氣溫升。

采用熱電直接耦合方法進行DFGS系統溫度場有限元仿真，主要載荷有：初始溫度、電壓、電流、熱流密度和熱對流。其中初始溫度可以取30℃，轉子相電流為420A，轉子線電壓310V，轉速為1750r/min，集電環電刷的主要參數見表1和表2。

表1 集電環主要參數

表2 電刷主要參數

電刷的熱流密度qb由集電環電刷的摩擦損耗引起，計算公式為：

集電環的熱流密度qs由集電環電刷的摩擦損耗、集電環風摩耗引起，計算公式為：

其中，Vb、Vs分別為電刷和集電環的體積。

集電環高速旋轉時與空氣存在較強的對流換熱，集電環表面的旋轉雷諾數為：

由于集電環表面空氣已經進入湍流狀態，根據傳熱學理論，相應的旋轉表面對流換熱系數為:

模型計算的環境溫度取為40℃，通過有限元仿真得到集電環和電刷的三維瞬態溫度場分布，如圖5和圖6所示。

從圖5可知，集電環相環溫度沿圓周不均勻分布，最高溫度分布區域為集電環電刷的接觸域。集電環三相最高溫度分別為K相89.7℃、L相92.8℃、M相86.6℃。集電環的仿真溫度處于“集電環溫度交通燈”的綠色區域，符合溫度交通燈法則。

通過仿真結果可知集電環的溫度比電刷低10K左右，原因是集電環為旋轉部件，散熱面積也較電刷大很多。從圖6可知，電刷的最高溫度為99.2℃，最高溫度處于電刷與集電環的摩擦位置中心區域。每個電刷的溫度會略有差異，這是由于通風差異導致的，因此針對集電環通風系統進行優化設計是有待深入研究的課題。

圖5 集電環三維溫度場分布

圖6 電刷三維溫度場分布

4 DFGS系統溫度紅外云圖測試

為驗證集電環電刷系統三維瞬態溫度場仿真的正確性，在試驗平臺上對大容量MW級雙饋風力發電機的集電環電刷系統進行在線溫度測量。雙饋風力發電機樣機額定功率為1.5MW、額定電壓690V、額定頻率50Hz，額定轉速1750r/min，轉子相電流425A。集電環電刷系統達到熱穩定時，采用高精度紅外熱成像儀進行集電環電刷系統的溫度紅外云圖采集，如圖7和圖8所示。

圖7 集電環系統測試溫度紅外云圖

從圖7可知，DFGS系統的溫度云圖呈現明顯的區域分布特征，在集電環與電刷的摩擦面上為溫度最高的區域，最高溫度為93.4℃。集電環的溫度在圓周方向不均勻分布，其中與電刷接觸區域溫度最高，原因是該區域除了接觸電阻功率損耗產生的熱量以外，還有接觸摩擦產生的功率損耗，這與有限元仿真結果一致。DFGS系統K、L、M三相的最高溫度分布有差異，分別為84℃、93.4℃、87.9℃，除了通風造成的差異以外，電刷實際運行時的不均勻載流分布特性也會導致損耗及發熱的差異。

對比DFGS系統溫度云圖和“集電環溫度交通燈”可知，樣機的集電環三個相環的溫度均處于綠色溫度區域，滿足“集電環溫度交通燈”法則。

圖8 電刷測試溫度紅外云圖

從圖8可知，電刷的溫度沿高度方向呈梯度分布，與集電環接觸面溫度最高，沿高度方向溫度遞減，但在電刷種線位置處溫度會有所升高，這是由于種線電阻發熱所致。

表3給出了集電環K相、L相、M相最高溫度仿真值與測試值得對比，仿真值與測試值的誤差在5%以內，可以滿足工程設計需求。

表3 仿真值與實測值比較

5 結論

（1）集電環的溫度場應遵循“集電環溫度交通燈”設計法則，使集電環的最大溫度落在綠燈區為最佳，嚴禁落在紅燈區。

（2）在DFGS系統中，電刷與集電環的接觸區域為高溫區，該區域溫度是集電環電刷系統運行健康狀況的晴雨表，利用高精度紅外成像設備對集電環電刷系統進行溫度紅外云圖測試，再結合“集電環溫度交通燈”法則，為集電環電刷故障診斷提供了依據。

（3）建立了基于熱電直接耦合的三維瞬態溫度場有限元仿真模型，仿真值與試驗值吻合，為集電環電刷系統進一步優化設計奠定了基礎。

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Study of 3D Temperature Field of Doubly-FedGenerator Slip Ring System Based on Electromagnetic Coupling

YANG Qiang, YU Bing, CHENFeihu, LI Wei, LIUZhiqiang
(Guodian United Power Technology(YI XING) Company Ltd, Yixing 14203, China）

The concept of “the temperature traffic light about Slip ring” was presented.The Design of temperature on slip ring should obey the rules of temperature traffic light. A simulation model of Double-Fed Generator Slip-ring(DFGS)system based on thermoelectric coupling was created. The three dimensional (3D) temperature field was calculation using the FEM software. The characteristic about temperature field of DFGS was presented. The temperature cloud image was tested Using infrared imaging instrument. The result of simulation was in accordance with the testing. This makes the references to the temperature field optimization design and guides fault diagnosis of the DFGS system.

doubly-fed generator; thermoelectric coupling; slip ring; three dimensional(3D) temperature field

TM312

A

1000-3983(2016)02-0042-05

2015-09-17

楊強（1983-），2007年畢業于湖南大學，碩士研究生，電機電器專業。研究方向：風力發電機的設計與優化。

審稿人：孫玉田

江蘇省科技支撐計劃項目（項目號BE2014040）