【摘 要】 本文针对双馈异步风力发电机做负载双馈发电机工况试验时，滑环室出现火花，进行原因分析，排查各种引起滑环出现火花的因数，找到滑环室引起火花的主要原因。
【关键词】 双馈异步风力发电机 滑环 碳刷 滑环室 火花 原因
0 引言
双馈异步风力发电机（DFIG，Doubly fed Induction Generator）是一种绕线式感应发电机（WRIG)，是变速恒频风力发电机组的核心部件。电力电子变换器的容量仅需系统额定容量的30%，因变流器成本低，是目前国内并网型风力发电机的主要机型之一。双馈异步风力发电机由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子铁芯、定子绕组、机座、转子铁芯、转子绕组、滑环室部件（包含碳刷、滑环、刷架等）、轴承、转轴等组成。滑环与旋转的转子绕组连接，通过与之接触的碳刷，将转子绕组与双向变流器连接实现能量交换和控制。
1 问题描述
双馈风力发电机做双馈发电机工况试验，电机拖动到额定转速，加载到额定功率运行40分钟时，滑环室出现连续喷射状火花，停机检查发现中间相滑环烧伤发黑、碳刷有明显烧痕。
2原因分析
2.1排查被试电机原因
考虑可能是此台电机滑环、刷架系统存在质量问题（压指压力不均匀、压力不够运行碳刷跳动、滑环同轴度不能满足要求、碳刷未预磨好，均可能造成碳刷与滑环接触不良，运行中产生火花），更换一套新的滑环、刷架系统、碳刷、压指，重新加载到满载运行1小时，做工作特性曲线，停机检查，发现中间相滑环仍有烧伤发黑现象。更换另一种型号的电机在额定转速下加载运行，加到满载前没发现异常，运行2分钟，听见滑环室有异常声音，停机发现滑环室两相滑环被火花烧伤；去除滑环高点，更换所有碳刷、重新预磨，加载，未加到额定功率值，滑环室两相又出现火花。更换碳刷厂家的碳刷，重新预磨，加载，滑环室两相仍然出现火花。可见，经过更换不同批次、不同厂家碳刷、不同型号电机，滑环室均出现火花，不是滑环、碳刷、压指等零部件问题引起的火花。
联系有经验的风场调试人员，滑环室出现火花的电机原因逐一排查：①新制造电机，碳刷按工艺流程已经进行了预磨，不存在因预磨不够，造成碳刷与滑环接触不良的问题；②预磨后，使用吸尘器，清理干净碳刷粉末，不存在碳粉引起火花的问题；③检查电机不存在刷辫太短或僵硬的问题；④检查碳刷在刷盒中状态，无卡滞问题；⑤安滑环装前，专门测量同轴度，不存在同轴度低的问题，⑥检查装机前动平衡试验记录正常，空转测量轴承振动小，不存在电机振动问题。
更换为以前做过试验无故障的电机，加载到额定功率仍有火花出现。
通过更换滑环系统、电机等方法，可排除电机的问题。
2.2排查双馈变频器原因
可能变频器存在故障（如谐波因数、运行稳定性），引起滑环室火花。
定子绕组短接（不并网），转子绕组接另一型号变频器，控制拖动设备运行到额定转速，转子电流小于额定电流（电机在双馈额定发电机工况运行时，转子电流为额定值），滑环室未出现火花。可见，转子电流幅值和品质可能是引起滑环室火花的原因之一。
将被试电机转子短接，定子连接电网，运行在异步发电机工况，转速为1509r/min，加载到定子额定功率，转子电流高于额定值，滑环室无火花。可基本排查转子电流幅值因数引起的火花。
更换另一厂家的双馈变频器，重新加载运行，滑环室仍有火花。
通过使用不同型号变频器的方法，可排除变频器的问题。
2.3排查试验主线路原因
试验主线路：拖动设备连接扭矩转速传感器拖动被试发电机，定子绕组直接经过定子测量柜（电参数测量）与电网相连，转子绕组通过转子测量柜（电参数测量）与变流器与电网连接，转子绕组电源电流的频率、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节（交流励磁电机），机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。
拆开转子测量柜接线，直接使用新电缆，连接变频器转子侧引出端到转子绕组引出线铜排，功率未加载到额定值，滑环室两相出现火花。可排除转子测量柜和此段电缆的问题。
测量电源设备：变压器、调压器、开关柜绝缘和直流电阻，接地线直流电阻，均为发现异常。
2.4排查拖动系统原因
2.4.1排查电机台位安装问题
使用激光对中仪测量台位安装情况，在0°、90°检查扭矩仪、齿轮箱、拖动机、被试机地脚及对中情况，均在要求范围内。
2.4.2排查拖动系统运行因数
拖动设备拖动电机到额定转速使用手持式测振仪测量电机轴承和底座振动速度，均在合格范围内。
此齿轮箱为新装齿轮箱，低速运行时有哐当声；负载加载运行，齿轮箱内部有撞击声。打开齿轮箱盖板，检查未发现异常。更换齿轮箱档位，加载到额定功率运行10分钟，滑环室无火花。将齿轮箱档位恢复为原档位，重新加载到额定功率，使用振动分析仪测量电机的滑环室附近、非传动端轴承端盖、传动端轴承端盖、扭矩仪轴承、齿轮箱输出轴轴承盖垂直径向的振动加速度，滑环室出现火花时，各部位振动加速度明显增大。频谱图显示：振动频率为962.5Hz，各部位均出现高振幅，说明拖动系统运行在共振频率。打开齿轮箱记录连接运行的齿轮的齿数33。
齿轮啮合频率=齿轮的转频(转每秒或Hz)乘以齿数
电机转速为1750r/min，相连接的齿轮转频为1750r/60s=29.2HZ，乘以齿数33，等于962.5HZ，即共振频率。
齿轮箱拖动系统与电机组成的试验系统在齿轮箱的咬合频率运行，发生共振现象，振动大，导致滑环室的碳刷与滑环的接触波动大；电机加载，转子电流增大，碳刷与滑环间流过的电流增加，直至出现火花（及电弧）。
可先，电机满载运行，齿轮箱拖动系统共振和碳刷与滑环间流过大电流共同作用是引起滑环室火花的主要原因。
更换为新拖动系统拖动到额定转速，仍使用其余设备，持续观察满载运行大约4小时以上，滑环室未发现火花。
3 结束语
双馈风力发电机试验拖动设备的配置，应考虑电机运行频率远离拖动系统的咬合频率。电机试验中，应密切关注滑环系统的运行状态，建议增加火花观察孔，便于电机负载运行性实时监视滑环室情况。
【参考文献】
1.Gonzalo Abad著作 胡家兵等译，双馈感应电机在风力发电中的建模与控制，机械工业出版社
2.才家刚著，电机试验手册，中国电力出版社
3.才家刚著，电机试验技术及设备手册.机械工业出版社