浅析海上风电双馈发电机电刷滑环系统温度场仿真

1、浅析海上风电双馈发电机电刷滑环系统温度场仿真电刷滑环系统作为发电机的动静转换器件， 运行中的电刷滑环系统故障所导致的发电机运行不稳定现象屡有发生， 造成重大损失。此外，电刷滑环系统的日常维护工作量大，需要经常开展人工检查和器件更换工作，尤其是处于恶劣环境下的风电机组：如高海拔、低气压、高湿度等，使电刷滑环系统的维护、修理工作更加困难，需要投入更多的人力、物力和财力。电刷滑环系统的故障从产生机理上来说， 大都有较强的关联性，故障很难具体分类划型。为便于分析讨论，将电刷滑璟系统故障为以下几类：滑环过热故障、滑环电弧故障、电刷异常浮动性障、电刷电流不平衡分布性障等。而引起电刷滑环过热的原因分为：电刷

2、电流不平衡分布或电刷滑环接触电阻过大而产生的发热； 运行中的机械摩擦引起的过热1-2 ； 冷却系统性障导致的发热。 本文利用有限元分析的方法结合电机运行工况， 结合热力学原理， 提出适用于双馈风力发电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法， 实现了电刷滑环系统整个温度场的反映， 并对温度检测提供理论支持，而且可以用于研究性障情况下的温度场分布情况。1 有限元分析机理有限元分析基本原理有限元的最早由 Courant 于 1943 年提出。 1965 年， Winslow将有限元法应用于电气工程问题。 有限元是一种将不能直接求解的微分方程离散成有限个单元， 再通过求解庞大的方程组得到各个节点上场量的方法

3、， 它也是目前应用最广泛、 最有效的数值计算方法。有限元的分析流程有限元步骤为： 在得知电刷滑环系统材料属性的前提下，在建立的简化的 3D 电刷滑环系统中对材料属性进行设置滑环及滑环引线进行高密度网格划分，而对绝缘套管进行低密度网格划分，确保计算精度和计算速度。 建立电刷滑环摩擦副。分别计算出电刷滑环摩擦生热损耗，生热率定义为单位体积的热损耗，热损耗通过生热率的方式加载到温度场相应的实体单元， 分别算出电刷滑环的单位体积热损耗。 施加功率载荷。 励磁电流额定值取 150A ，平均每个电刷上分流25A 。施加电流载荷。 计算滑环系统与周围环境的热交换系数， 滑环通过发电机大轴带动以高速旋转。根据

4、电刷 - 滑环工作特点，考虑滑环外表面周长较小且处于高速运转状态下， 可假设滑环摩擦在与电刷接触路径上的形成全接触。从而，可对滑环生热率载荷的施加提出假设：在滑环与电刷的接触路径上施加统一载荷， 来等效运行中滑环的摩擦生热率。在 ANSYS 中设置求解域以及边界条件，得出仿真结果，后处理。其有限元分析流程为图 12 结束语正常运行时的电刷滑环系统， 电刷温度最高， 其整体温度高于滑环系统其他部件， 滑环温度次之。 电刷和滑环周期性的区域性接触，使得滑环周向接触区的温度较高，大于滑环边缘温度。绝缘套管由酚酞玻璃纤维制成， 是一种高绝缘高绝热的物质， 故温升较小，整体保持在设定的初始温度30 。根据局部温度分布图可以看出， 电刷整体平均温度高于滑环温度，且电刷温度最大值出现在电刷底部，靠近接触面处，最高温度达到 80.903 。 滑环与电刷接触， 不仅有摩擦损耗， 还存在电气上的联系， 由于摩擦发生在滑环旋转接触的路径上， 且运行过程中与空气对流换热存在不均匀性，使滑环温度分布不平均，有一定