一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法及其装置

【技术实现步骤摘要】
一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法及其装置、应用


[0001]本专利技术属于双馈风力发电机
，具体涉及一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法及其装置
、
应用，主要用于海上型双馈风力发电机组碳粉收集，当然亦可用于陆上型双馈风力发电机组中
。

技术介绍

[0002]在风力发电系统中，由于风速具有时变的特性，所以利用风能发电存在一定的难度
。
因此提高风力发电技术，有效的提高风机的效率，最好地利用风能资源，具有重要意义
。
由于双馈电机具有安装简单
、
它可以在任何地方安装，不受地形等因素的限制；同时具有自动调节功能，可以自动调节转速和功率，从而更好地适应变化风力情况，所以发电效率更高，因此逐渐成为风电发展的主流
。
[0003]双馈电机由于其转子需要馈电，因此一般在非传动端设置有集电环，电机运转过程中通过转子与滑环刷架系统的作用产生电流，从而将转子馈电并入电网
。
然而，在此过程中由于碳刷和集电环的相对旋转运动会摩擦产生大量的碳粉及热量，如果不及时将该热量散去将会导致集电环环火
、
碳刷磨损加剧等不良现象出现，甚至更严重还会导致机组停机，影响风力发电机组的正常运行
。
[0004]为了解决上述问题，传统陆上风机在滑环室底部安装有碳粉收集箱，碳粉收集箱内安装有过滤棉，一部分碳粉会落在过滤棉上，需要定期更换；另一部分碳粉通过伸缩软管连接至机舱外并随着气流排到大气中
。
[0005]近年来，随着双馈电机技术的迅猛发展，双馈电机由陆地逐步走向海洋，海上型双馈风力发电机组功率大，其转子电流大，相应的滑环刷架系统所使用的碳刷的数量增多，因此在双馈电机工作过程中产生的碳粉更多
。
加之由于海洋环境保护要求，碳粉不能排至机舱外，机舱内部为密闭空间，如果碳粉排放至电机内部，将会导致机舱内变频器等其他电子元器件的失效
。
因此，传统的碳粉收集盒满足不了海上型双馈风力发电机组的使用要求，而对于双馈风力发电机来说，转子属于电励磁，在发电机工作状态下有两种形式：一种是电动机状态，外电路输入电流通过滑环刷架系统输入到电机转子，带动转子旋转，产生磁场；另一种是发电机状态，转子通过切割磁感线产生励磁电流，通过滑环刷架系统传输至外电路
。
即无论是电动机状态或是发电机状态，滑环刷架系统都起到纽带的作用，由于刷架系统在工作过程中产生的碳粉会严重影响发电机电能转换的质量，因此碳粉收集装置的设计成为亟待解决的问题
。
[0006]有鉴于此，本专利技术人提供一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法及其装置
、
应用，以解决上述技术问题
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法及其装置
、
应用，该碳粉收集装置通过结构设计以及仿真分析验证所得，其利用外
部强迫通风构成风路系统，风路系统裹挟着碳粉的混合气流通过碳粉收集装置，不仅可以实现完全收集双馈电机滑环刷架所产生的碳粉，而且能够进行散热，完全满足海上型双馈风力发电机组的使用要求，同时保护了海洋环境
。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法，所述设计方法以两级碳粉收集机构为基础对双馈电机碳粉收集系统进行设计，具体包括以下步骤：
[0010]S1、
根据目标双馈电机的参数，通过式
(1)
计算发电机转子电流：
[0011][0012]式
(1)
中，
I2为转子电流，
I1为定子电流，
I
1P
为定子电流有功分量，
I
1Q
为定子电流无功分量，
x
m
为励磁电抗，
r1为定子电阻，
x1为定子电抗；
[0013]S2、
滑环刷架系统的选型：利用式
(2)
计算电密，根据应用工况进行碳刷材料
、
规格及数量的选取：
[0014]J
＝
I2/NS
t
(2)
[0015]式
(2)
中，
J
为电密，
N
为碳刷数量，
S
t
为单个碳刷横截面积；
[0016]S3、
根据发电机运行工况及碳刷磨耗，利用式
(3)
和式
(4)
得到碳刷的年磨损质量：
[0017]L
单只碳刷年磨损量
＝
((365*22*
η
/50)*0.2*(A*B*C*S))/C(3)
[0018]L
总磨损量
＝
N*L
单只碳刷年磨损量
(4)
[0019]其中，
η
为工况系数，发电机安装于近海时
η
为
0.85
，发电机安装内陆时
η
为
0.78
；
S
为碳刷密度，
A
为碳刷长，
B
为碳刷宽，
C
为碳刷高；
[0020]S4、
根据滑环刷架系统外形尺寸，给定初级碳粉收集机构
(1)
初始尺寸，并结合滑环室运行时的碳刷温升限值，确定初级碳粉收集机构
(1)
的容积：
[0021]X
初级碳粉收集机构长
*Y
初级碳粉收集机构宽
*Z
初级碳粉收集机构高
[0022]S5、
给定初始的强迫通风量；
[0023]S6、
确定初级碳粉收集机构
(1)
中碳粉收集组件的数量及结构；
[0024]S7、
进行流体温度场仿真分析，得到初级碳粉收集机构
(1)
的实际风阻及温度梯度分布，若风阻或温升大于阈值，则返回
S4
；若仿真结果小于阈值，则进行下一步；
[0025]S8、
根据仿真的结果确定初级碳粉收集机构
(1)
的外形尺寸；
[0026]S9、
根据已确定的初级碳粉收集机构
(1)
及总的碳粉量，利用式
(5)
和式
(6)
确定终极碳粉收集机构
(2)
需收集碳粉量；
[0027]L
(
初级碳粉收集机构总回收碳粉量
)
＝
m*[(X
‑
2h)*(Y
‑
2h)+(X
‑
H)*(Y
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双馈电机碳粉收集系统的设计方法，其特征在于，所述设计方法以两级碳粉收集机构为基础对双馈电机碳粉收集系统进行设计，具体包括以下步骤：
S1、
根据目标双馈电机的参数，通过式
(1)
计算发电机转子电流：式
(1)
中，
I2为转子电流，
I1为定子电流，
I
1P
为定子电流有功分量，
I
1Q
为定子电流无功分量，
x
m
为励磁电抗，
r1为定子电阻，
x1为定子电抗；
S2、
滑环刷架系统的选型：利用式
(2)
计算电密，根据应用工况进行碳刷材料
、
规格及数量的选取：
J
＝
I2/NS
t
(2)
式
(2)
中，
J
为电密，
N
为碳刷数量，
S
t
为单个碳刷横截面积；
S3、
根据发电机运行工况及碳刷磨耗，利用式
(3)
和式
(4)
得到碳刷的年磨损质量：
L
单只碳刷年磨损量
＝
((365*22*
η
/50)*0.2*(A*B*C*S))/C(3)L
总磨损量
＝
N*L
单只碳刷年磨损量
(4)
其中，
η
为工况系数，发电机安装于近海时
η
为
0.85
，发电机安装内陆时
η
为
0.78
；
S
为碳刷密度，
A
为碳刷长，
B
为碳刷宽，
C
为碳刷高；
S4、
根据滑环刷架系统外形尺寸，给定初级碳粉收集机构
(1)
初始尺寸，并结合滑环室运行时的碳刷温升限值，确定初级碳粉收集机构
(1)
的容积：
X
初级碳粉收集机构长
*Y
初级碳粉收集机构宽
*Z
初级碳粉收集机构高
S5、
给定初始的强迫通风量；
S6、
确定初级碳粉收集机构
(1)
中碳粉收集组件的数量及结构；
S7、
进行流体温度场仿真分析，得到初级碳粉收集机构
(1)
的实际风阻及温度梯度分布，若风阻或温升大于阈值，则返回
S4
；若仿真结果小于阈值，则进行下一步；
S8、
根据仿真的结果确定初级碳粉收集机构
(1)
的外形尺寸；
S9、
根据已确定的初级碳粉收集机构
(1)
及总的碳粉量，利用式
(5)
和式
(6)
确定终极碳粉收集机构
(2)
需收集碳粉量；
L
(
初级碳粉收集机构总回收碳粉量
)
＝
m*[(X
‑
2h)*(Y
‑
2h)+(X
‑
H)*(Y
‑
H)]*P(5)L
终极碳粉收集机构总回收碳粉量
＝
L
总
‑
L
初级碳粉收集机构总回收碳粉量
(6)
其中，
m
为碳粉收集组件的个数，
P
为初级碳粉收集机构
(1)
中过滤棉容尘量，
L
总
为总的碳粉量；
S10、
根据已确定的初级碳粉收集机构
(1)
的风阻，确定终极碳粉收集机构
(2)
终阻力，终极碳粉收集机构
(2)
的终阻力为中效袋式过滤器；
S11、
设计终极碳粉收集机构
(2)
的结构尺寸：终极碳粉收集机构
(2)
安装于初级碳粉收集机构
(1)
下部，其横截面长宽尺寸分别为：长为
X
‑
30
，宽为
Y
‑
30
；其高度尺寸为
G
，中效袋式过滤器袋子数量为
n
；
L
(
终级碳粉回收机构总回收量
)
＝
[2n*(X
‑
30)*G+2(X
‑
30)*G]*Q
其中，
Q
为终级碳粉回收机构过滤棉容尘量；
S12、
对终极碳粉收集机构
(2)
进行流体温度场仿真分析，得到其实际风阻及温度梯度分布，若风阻过或温升大于阈值，则返回
S10
；若仿真结果小于等于阈值符合
S9
中要求，则进
行下一步；
S13、
进行整个双馈电机碳粉收集系统的流体温度场仿真分析，并校核总的碳粉收集量是否满足要求，不满足要求则返回
S5
，满足要求则完成整个双馈电机碳粉收集系统的设计
。2.
一种用于双馈电机的碳粉收集装置，其特征在于，所述碳粉收集装置基于权利要求1所述的设计方法，包括初级碳粉收集机构
(1)
和设置在所述初级碳粉收集机构
(1)
底部的终极碳粉收集机构
(2)
以及安装在两者之间的压差监控传感器
(3)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马杰芳，牛海龙，李新奇，霍永强，刘军婷，李攀军，
申请(专利权)人：西安中车永电捷力风能有限公司，
类型：发明
国别省市：