基于热电耦合的双馈发电机集电环系统三维温度场研究

杨 强，余 冰，陈飞虎，李 伟，刘志强

（国电联合动力技术(宜兴)有限公司，江苏 宜兴 214203）

基于热电耦合的双馈发电机集电环系统三维温度场研究

杨 强，余 冰，陈飞虎，李 伟，刘志强

（国电联合动力技术(宜兴)有限公司，江苏 宜兴 214203）

提出“集电环温度交通灯”的概念，集电环温度设计应遵守“温度交通灯”法则；建立了基于热电直接耦合的双馈发电机集电环（DFGS）系统仿真模型，利用有限元软件对DFGS系统进行三维瞬态温度场仿真计算，得到了DFGS系统的温度场分布规律；采用红外热成像仪进行DFGS系统的温度红外云图试验测试，试验结果与仿真结果非常吻合，为DFGS系统的温度场优化及故障诊断提供了参考指导。

双馈发电机；热电耦合；集电环；三维温度场

0 引言

集电环电刷系统既是双馈风力发电机的关键部件，也是机组的薄弱环节之一。近年来从风场反馈的故障统计数据表明，集电环打火烧损故障依然非常严重，而其中一个重要原因是集电环的温度过高[1]。集电环电刷的运行对温度有严格要求，过高的运行温度或过低的运行温度都对集电环电刷运行性能产生不良影响，危及机组的安全运行。因此确定集电环电刷温度设计准则、准确地进行集电环电刷系统温度场计算及测试研究具有一定的工程理论价值。

文献[2-3]针对集电环发热故障进行定性分析，为集电环电刷的运行维护提供了参考；文献[4]给出了滑环温度红外检测系统的软件硬件组成，为开发温度红外测试系统提供了参考，但仅限于温度测试设备的框图原理分析，未对集电环温度进行试验测试；文献[5]研究了集电环表面氧化膜的特性及气压对集电环电刷运行性能的影响等；文献[6]建立基于热电类比的动态热路模型，并进行了有限元仿真分析，而基于热电类比的热电方程组为非线性微分方程组，求解过程非常复杂耗时。从公开发表的文献看，目前关于发电机集电环电刷系统的三维瞬态温度场仿真及试验研究的文献仍然不多。

本文首先在介绍双馈风力发电机集电环（DFGS）系统结构原理的基础上，给出了“集电环温度交通灯”的概念，集电环温度应遵守“温度交通灯”法则是DFGS系统的基本设计原则；然后详细分析DFGS系统损耗类型及产生机理，提出了基于热电直接耦合的集电环电刷系统的分析模型，利用有限元法对DFGS系统进行三维瞬态温度场仿真，详细分析了DFGS系统的温度场分布规律，通过采用合理的通风冷却方式，使集电环电刷温度运行在最佳温度范围内；最后利用红外热成像仪对MW级双馈风力发电机集电环电刷系统的温度云图进行试验测试，通过试验研究，不仅验证了仿真模型的正确性，同时也为大容量集电环电刷系统的温度场优化设计、产品故障诊断分析提供了参考。

1 DFGS系统结构原理及温度交通灯

1.1 DFGS系统结构原理

图1为双馈发电集电环电刷系统图。双馈发电机的定子和电网直接耦合，转子三相绕组通过集电环三个相环K、L、M与电刷接触，引出转子电量，然后通过转子侧变流器、直流电容、网侧变流器等再与电网相连。集电环电刷系统把发电机三相转子交流电量从旋转转子绕组部件引出到静止部件。集电环与发电机转轴同轴连接，运行时高速旋转，电刷与旋转的集电环表面构成摩擦副。静止的电刷通过顶部弹簧施加稳定的压力，与旋转摩擦力平衡。整个集电环电刷系统是一个复杂的机电耦合系统。

图1 集电环电刷系统图

1.2 集电环温度交通灯

集电环电刷的可靠运行需要在滑动接触面上形成一层均匀、厚度适中、有光泽的氧化膜。在一定温度和湿度条件下，铜石墨电刷被磨削后，Cu与扩散在大气中的氧气进行反应形成分子状的氧化物（Cu2O或CuO）。日本学者通过研究温度与铜的氧化物生成量的关系表明[7]，过高的温度（超过150℃）会加快表面金属氧化物的生成，形成过厚的氧化膜，使接触电阻增大，发热增大，从而温度进一步升高，形成恶性循环。同时温度过大，引起电刷磨损增大，过多的碳粉颗粒，可能卡塞电刷，引起集电环打火烧损。

较低的温度也不利于集电环电刷的运行，温度较低Cu的氧化反应较弱，无法形成有效的氧化膜，造成电刷与集电环表面的“干摩现象”，磨损量急剧增大，引发集电环烧损等质量事故。

集电环电刷的运行温度和电刷磨损量的关系用V形曲线描述，如图2所示，运行温度分为“绿、黄、红”三种颜色区域。当集电环运行温度T满足式（1）时，为绿灯区，该温度范围，电刷磨损量最小，最适宜产品的运行。

当运行温度T满足式（2）或式（3）时，为黄灯区，该温度范围为可接受的运行温度。

当运行温度T满足式（4）或式（5）时为红灯区，在该温度范围内运行时电刷磨损急剧增大，易引发集电环质量事故，是不可接受的温度区。

其中，Tgrmin、Tgrmax分别表示集电环理想运行温度的最小值和最大值，Tmin、Tmax分别表示集电环可接受的最小运行温度和最大运行温度。

根据以上分析，本文引入“集电环温度交通灯”的概念，即集电环系统的温度场设计应遵守温度交通灯法则，绿灯区为最佳运行温度区域，黄灯区为可接受的温度运行区域，红灯区为禁止运行温度区域。图2为金属石墨电刷典型的温度交通灯图，绿灯区为60℃～100℃。

图2 集电环温度交通灯

2 集电环电刷系统损耗分析计算

集电环电刷系统是一个复杂的热电耦合系统，在运转过程中产生的功率损耗分为三类：集电环功率损耗、电刷功率损耗、系统摩擦副损耗。

2.1 集电环功率损耗计算

集电环功率损耗包括集电环电阻损耗Ps1和空气摩擦损耗Ps2。

rs为集电环每个相环电阻，单位Im为转子相电流，单位A。

集电环与发电机转子同轴旋转，与周围空气摩擦产生摩擦损耗[8]，其计算公式为：

k为集电环表面粗糙度系数，Cf为空气摩擦系数；为空气密度；旋转角速度rad/s。D和l分别为集电环的外径和环宽度，单位m。

2.2 电刷功率损耗计算

电刷损耗有电刷接触压降损耗Pb1和电阻功率损耗Pb2。

其中I为电刷电流，单位A；为电刷集电环之间的接触压降，单位V。电刷的接触压降是一个动态值，它的影响因素非常复杂，氧化膜、电刷电流密度、集电环线速度、运行时间、电刷种类、集电环材质等均对电刷接触压降产生重要影响。

电刷电阻功率损耗包括电刷刷体电阻（r1）损耗、电刷导线电阻（r2）损耗、电刷种线电阻（r3）损耗、电刷与刷盒散流电阻（r4）损耗，其计算公式为：

2.3 集电环电刷摩擦副的摩擦损耗

集电环和电刷构成一对摩擦副，集电环电刷系统的摩擦损耗由电刷与旋转的集电环表面之间相互摩擦产生，计算公式为：

集电环电刷的摩擦损耗随转速、摩擦系数的增大而增大。当集电环电刷稳定运行时，集电环表面会形成一层氧化膜，此时的摩擦系数约在0.06～0.12之间。当集电环与电刷之间没有形成有效氧化膜，造成干摩擦，摩擦系数约为0.2～0.3左右，可见干摩擦时的摩擦损耗会大幅增加。

图3是schunk公司C80X电刷摩擦系数曲线，集电环材质为X10Cr13。

集电环电刷系统总的功率损耗为：

3 基于热电耦合的三维瞬态温度场仿真

3.1 DFGS系统瞬态温度场数学模型

为方便有限元计算，求解区域内作如下的基本假设：（1）材料各向同性；（2）集电环电刷表面采用强迫通风散热；（3）DFGS系统处于无限大空间。基于上述假设，DFGS系统的三维瞬态热传导方程为：

图3 电刷C80X摩擦系数曲线

式中T为温度，单位℃；T0为周围介质温度，单位℃；kx、ky、kz分别为物体在x、y、z方向上的导热系数，单位W/mm℃；为材料密度，单位kg/mm3；q为热流密度，单位为W/mm3；c为比热容，单位J/kg℃；为散热系数，单位W/mm2℃；n为边界法向量；为时间。

s1为第二类边界条件；s2为第三类边界条件（对流换热边界条件）。

根据变分原理，上式等效为式（13）的变分方程。

对上述变分方程进行离散，并对求解区域进行网格剖分，就可以得到模型各个节点的温度值。

3.2 DFGS系统温度场有限元仿真

DFGS系统物理仿真模型如图4所示。集电环的三个相环分别为K相、L相和M相；每相两只电刷，共6只电刷，对应编号为B1～B6。

转轴上采用离心风扇进行强迫通风冷却，所需风量为：

图4 DFGS系统物理仿真模型

c0、为空气比热容和密度；为空气温升。

采用热电直接耦合方法进行DFGS系统温度场有限元仿真，主要载荷有：初始温度、电压、电流、热流密度和热对流。其中初始温度可以取30℃，转子相电流为420A，转子线电压310V，转速为1750r/min，集电环电刷的主要参数见表1和表2。

表1 集电环主要参数

表2 电刷主要参数

电刷的热流密度qb由集电环电刷的摩擦损耗引起，计算公式为：

集电环的热流密度qs由集电环电刷的摩擦损耗、集电环风摩耗引起，计算公式为：

其中，Vb、Vs分别为电刷和集电环的体积。

集电环高速旋转时与空气存在较强的对流换热，集电环表面的旋转雷诺数为：

由于集电环表面空气已经进入湍流状态，根据传热学理论，相应的旋转表面对流换热系数为:

模型计算的环境温度取为40℃，通过有限元仿真得到集电环和电刷的三维瞬态温度场分布，如图5和图6所示。

从图5可知，集电环相环温度沿圆周不均匀分布，最高温度分布区域为集电环电刷的接触域。集电环三相最高温度分别为K相89.7℃、L相92.8℃、M相86.6℃。集电环的仿真温度处于“集电环温度交通灯”的绿色区域，符合温度交通灯法则。

通过仿真结果可知集电环的温度比电刷低10K左右，原因是集电环为旋转部件，散热面积也较电刷大很多。从图6可知，电刷的最高温度为99.2℃，最高温度处于电刷与集电环的摩擦位置中心区域。每个电刷的温度会略有差异，这是由于通风差异导致的，因此针对集电环通风系统进行优化设计是有待深入研究的课题。

图5 集电环三维温度场分布

图6 电刷三维温度场分布

4 DFGS系统温度红外云图测试

为验证集电环电刷系统三维瞬态温度场仿真的正确性，在试验平台上对大容量MW级双馈风力发电机的集电环电刷系统进行在线温度测量。双馈风力发电机样机额定功率为1.5MW、额定电压690V、额定频率50Hz，额定转速1750r/min，转子相电流425A。集电环电刷系统达到热稳定时，采用高精度红外热成像仪进行集电环电刷系统的温度红外云图采集，如图7和图8所示。

图7 集电环系统测试温度红外云图

从图7可知，DFGS系统的温度云图呈现明显的区域分布特征，在集电环与电刷的摩擦面上为温度最高的区域，最高温度为93.4℃。集电环的温度在圆周方向不均匀分布，其中与电刷接触区域温度最高，原因是该区域除了接触电阻功率损耗产生的热量以外，还有接触摩擦产生的功率损耗，这与有限元仿真结果一致。DFGS系统K、L、M三相的最高温度分布有差异，分别为84℃、93.4℃、87.9℃，除了通风造成的差异以外，电刷实际运行时的不均匀载流分布特性也会导致损耗及发热的差异。

对比DFGS系统温度云图和“集电环温度交通灯”可知，样机的集电环三个相环的温度均处于绿色温度区域，满足“集电环温度交通灯”法则。

图8 电刷测试温度红外云图

从图8可知，电刷的温度沿高度方向呈梯度分布，与集电环接触面温度最高，沿高度方向温度递减，但在电刷种线位置处温度会有所升高，这是由于种线电阻发热所致。

表3给出了集电环K相、L相、M相最高温度仿真值与测试值得对比，仿真值与测试值的误差在5%以内，可以满足工程设计需求。

表3 仿真值与实测值比较

5 结论

（1）集电环的温度场应遵循“集电环温度交通灯”设计法则，使集电环的最大温度落在绿灯区为最佳，严禁落在红灯区。

（2）在DFGS系统中，电刷与集电环的接触区域为高温区，该区域温度是集电环电刷系统运行健康状况的晴雨表，利用高精度红外成像设备对集电环电刷系统进行温度红外云图测试，再结合“集电环温度交通灯”法则，为集电环电刷故障诊断提供了依据。

（3）建立了基于热电直接耦合的三维瞬态温度场有限元仿真模型，仿真值与试验值吻合，为集电环电刷系统进一步优化设计奠定了基础。

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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

杨强（1983-），2007年毕业于湖南大学，硕士研究生，电机电器专业。研究方向：风力发电机的设计与优化。

审稿人：孙玉田

江苏省科技支撑计划项目（项目号BE2014040）