直流變槳電機(jī)過流、溫度高典型故障分析及處理

【摘要】隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行年限時間越來越長，某風(fēng)電場1.5MW機(jī)組能健/SSB變槳頻發(fā)變槳電機(jī)過流、變槳電機(jī)運(yùn)行溫度過高，長期缺陷運(yùn)行帶來變槳電機(jī)批量性損壞，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，給風(fēng)電場帶來極大的備件成本壓力，本文通過對變槳電機(jī)過流、溫度高故障進(jìn)行分析和研究，給出了一些處理方法和建議，為同類型機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)提供參考。【關(guān)鍵字】變槳電機(jī)測速發(fā)電機(jī)故障分析處理引言風(fēng)電場工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，風(fēng)速和風(fēng)向經(jīng)常發(fā)生變化，變槳系統(tǒng)故障是風(fēng)電發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中最常見又是原因最復(fù)雜、最不容易解決的故障之一，其中變槳電機(jī)是變槳系統(tǒng)的重要組成部分，也是非常關(guān)鍵的動力輸出源，能否穩(wěn)定工作直接影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量。隨著運(yùn)行年限增加，變槳電機(jī)問題呈現(xiàn)“批量性”特征。本文通過對某風(fēng)電場變槳電機(jī)過流、溫度高故障的分析和處理，找到了多次更換變槳電機(jī)卻未能解決機(jī)組故障的根本原因，并提出解決方案及維護(hù)方向。1.變槳電機(jī)故障背景某風(fēng)電場安裝100臺某型號1.5MW機(jī)組。2019年MOOG變槳電機(jī)損壞16臺次，能健/SSB變槳電機(jī)損壞10臺次，風(fēng)電場2019年解體損壞的變槳電機(jī)，解體發(fā)現(xiàn)變槳電機(jī)如下缺陷：內(nèi)部碳粉堆積過多、軸承與端蓋絕緣擊穿內(nèi)部線圈絕緣及線圈燒損，具有強(qiáng)烈的燒焦氣味。2019-2020年對全場變槳電機(jī)統(tǒng)一維護(hù)，變槳電機(jī)維護(hù)完成后，MOOG變槳電機(jī)2020-2021年僅損壞1臺次；能健/SSB變槳電機(jī)過流、溫度高情況極大緩解，但未得到徹底解決，僅2022年1月-2月風(fēng)電場出現(xiàn)4臺機(jī)組變槳電機(jī)過流、溫度高停機(jī)。風(fēng)電場為盡快消除故障恢復(fù)運(yùn)行，檢修人員一般進(jìn)行變槳電機(jī)更換，雖可以暫時解決問題，但因未明確電機(jī)故障根源，加大了維修費(fèi)用和發(fā)電量損失。1.1變槳電機(jī)簡介圖1：變槳電機(jī)示意圖變槳電機(jī)在變槳控制系統(tǒng)中驅(qū)動槳葉運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)時反饋位置和速度信號。具有過載能力強(qiáng)、易調(diào)速等特點(diǎn)，典型的變槳電機(jī)主要由定子繞組、電樞繞組、電樞主軸、測速發(fā)電機(jī)（MOOG變槳電機(jī)無此部件）、電磁制動器、PT100溫度傳感器、PTC熱敏電阻、冷卻風(fēng)扇等組成（如圖1所示）。表1：能健變槳電機(jī)主要參數(shù)2.問題分析2.1故障邏輯、原因分析故障名稱：能健/SSB變槳電機(jī)電流過高故障；能健/SSB變槳電機(jī)溫度高故障觸發(fā)條件：當(dāng)變槳電機(jī)電流大于50A，觸發(fā)變槳電機(jī)電流過高故障；當(dāng)變槳電機(jī)溫度高于140℃，觸發(fā)變槳電機(jī)溫度高故障變槳電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、維修記錄、改造記錄及現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)是變槳電機(jī)故障原因分析的重要信息輸入，風(fēng)電場收集和整理了近2年風(fēng)機(jī)故障記錄、變槳電機(jī)運(yùn)行維護(hù)策略，并對維修人員進(jìn)行了訪談和可能原因分析。表2：故障原因分析風(fēng)電場對#4風(fēng)機(jī)典型機(jī)組故障進(jìn)行分析，當(dāng)高風(fēng)速下（8m/s以上），變槳頻繁變槳，能健/SSB變槳電機(jī)容易報出電流超限或者溫度超限，如下所示：圖2：#4風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)電流、溫度由上述可以看出，變槳電機(jī)3電流偏大時，持續(xù)運(yùn)行變槳電機(jī)溫度隨之升高，若電流超過限值，報出電流超限停機(jī)，若未超出限值但是電流比正常值偏大，變槳電機(jī)熱量不斷積聚，最終高溫停機(jī)，究其根本原因變槳電機(jī)電流超過正常值引起。2019-2020年對100臺機(jī)組變槳電機(jī)統(tǒng)一維護(hù)，如下所示對變槳電機(jī)進(jìn)行碳粉清理對比效果圖：上文提到采取同樣維護(hù)方式，變槳電機(jī)碳粉清理后，MOOG變槳電機(jī)效果明顯；能健/SSB變槳電機(jī)仍有部分機(jī)組報出變槳電機(jī)電流過大、溫度高，導(dǎo)致此種情況具體原因未找出。經(jīng)對比，能健/SSB變槳電機(jī)設(shè)計有測速發(fā)電機(jī)，而MOOG變槳電機(jī)無測速發(fā)電機(jī)，分析可能由于測速發(fā)電機(jī)引起。2.2能健/SSB變槳控制原理測速發(fā)電機(jī)：測速發(fā)電機(jī)(tachogenerator)是一種檢測機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置。它能把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換成電壓信號，其輸出電壓與輸入的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中通常作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件等。變槳電機(jī)驅(qū)動器通過改變電機(jī)的電樞電流改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過電機(jī)內(nèi)置的測速發(fā)電機(jī)與電機(jī)之間形成一個轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。圖7：控制環(huán)變槳系統(tǒng)概述（SSB）對過流、溫度高的變槳電機(jī)進(jìn)行拆卸，對測速發(fā)電機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，測速發(fā)電機(jī)碳刷磨損已到達(dá)更換極限，個別碳刷已經(jīng)超過磨損極限。圖8：變槳電機(jī)內(nèi)測速發(fā)電機(jī)碳刷根據(jù)直流電機(jī)理論，在恒定磁場中，當(dāng)發(fā)電機(jī)電樞以轉(zhuǎn)速n切割磁通Φ時，電刷兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為在磁極磁通量Φ為常數(shù)時，電樞感應(yīng)電動勢為：式中：為電動勢系數(shù)?？蛰d時，電樞電流Ia=0，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電樞感應(yīng)電動勢相等，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)變槳電機(jī)運(yùn)行時，由于帶負(fù)載，因?yàn)闇y速發(fā)電機(jī)電樞電流Ia≠0，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓：式中：?Ub為電刷接觸壓降；Ra為測速發(fā)電機(jī)電樞回路電阻。直流測速發(fā)電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時，輸出電壓與轉(zhuǎn)速可以近似看作成正比關(guān)系。直流測速發(fā)電機(jī)與變槳電流類似，內(nèi)部有碳刷與換向器，由于碳刷屬于消耗部件，長期運(yùn)行將會消耗殆盡，碳刷到達(dá)磨損極限（甚至露出碳刷刷辮的銅絲）導(dǎo)致碳刷接觸電阻變大，碳刷與換向器接觸電壓升高，從公式可以看出測速發(fā)電機(jī)反饋電壓將會降低，測速發(fā)電機(jī)電壓信號反饋到變槳驅(qū)動器（電壓信號比實(shí)際偏低），此時驅(qū)動器輸出的勵磁電流增大，長時間運(yùn)行由于電流偏高，變槳電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱，若電流超過限值報過流，若電流未超過限值（但明顯偏高），變槳電機(jī)溫度持續(xù)升高，直至高溫停機(jī)。3.針對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證測速發(fā)電機(jī)碳刷過短是否與變槳電流過大、溫度高有直接原因？除去#4風(fēng)機(jī)，風(fēng)電場對另外2臺機(jī)組變槳電機(jī)存在缺陷的（過流、溫度高）進(jìn)行驗(yàn)證，主要對存在問題的變槳電機(jī)更換測速發(fā)電機(jī)碳刷，同時清理其內(nèi)部碳粉。其中#12風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)2過流、溫度高，#65變槳電機(jī)3過流、溫度高，處理前后的變槳電機(jī)電流、溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析結(jié)果如下：圖9：#12風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)二電流、溫度（處理前）圖10：#12風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)二電流、溫度（處理后）圖11：#65風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)三電流、溫度（處理前）圖12：#65風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)三電流、溫度（處理后）從圖9、圖11可以看出#12風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)2電流、溫度均比另外2個變槳電機(jī)偏高，#65風(fēng)機(jī)變槳電機(jī)3電流、溫度均比另外2個變槳電機(jī)偏高，對此2臺機(jī)組存在缺陷的變槳電機(jī)更換測速發(fā)電機(jī)后，此2臺機(jī)組的變槳電機(jī)電流、溫度均恢復(fù)到正常值，說明測速發(fā)電機(jī)的碳刷過短是導(dǎo)致變槳電機(jī)過流、溫度高的直接原因。由于風(fēng)電場對測速發(fā)電機(jī)維護(hù)重視程度不夠，建議加強(qiáng)此方面的維護(hù)，主要內(nèi)容如下：變槳電機(jī)主碳刷、測速發(fā)電機(jī)碳刷定期檢查，短于1/3必須進(jìn)行更換。定期清理變槳電機(jī)內(nèi)部和測速發(fā)電機(jī)碳粉(每3年清理一次即可)。4.結(jié)束語變槳電機(jī)過流、溫度高故