CN116711190A - 滑环单元中的冷却 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于发电机(10)的滑环单元(20)。所述滑环单元包括可附接到发电机(10)的转子轴(5)的滑环(11)，沿着滑环(11)的圆周布置的用于提供与滑环(11)的电连接的多个滑动接触部(12)、用于测量滑环单元(20)内部的温度的至少一个温度传感器(25)、用于在滑环单元(20)中提供冷却流的风扇(30)、以及连接到风扇(30)的用于控制由风扇(30)生成的冷却流速率的控制器(31)，所述控制器(31)连接到所述至少一个温度传感器(25)。所述至少一个温度传感器(25)附接到用于支撑滑动接触部(15)的至少一个保持器(15)。所述控制器(31)以如下这样的方式被配置，使得冷却流速率取决于由所述至少一个温度传感器(25)测量的温度而生成。还提供了一种风力涡轮机以及操作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于发电机的滑环单元的冷却装置。本发明进一步涉及一种用于在发电机的滑环单元内部提供期望温度分布的用于滑环单元的操作方法。特别地，但非排他地，本发明可以高效地应用于风力涡轮机的发电机。
背景技术
发电机(诸如安装在风力涡轮机中的发电机)典型地包括相对于定子旋转的转子。已知发电机具有两个不同的绕组集合：定子绕组和转子绕组。所谓的双馈感应发电机(DFIG)是例如这样类型的发电机。转子和定子绕组可以电气地彼此独立，并且分离地连接到机器外部的电气装备，该电气装备例如可以用于将电功率传送到公用电网。这样的发电机可以进一步包括滑环，该滑环被布置在转子轴上，并且准许借助于滑动接触部在转子绕组与外部电气装备之间建立电连接。
在上面定义的技术领域中，已知的是实现简单的通风操作策略，该策略典型地提供开/关操作模式。如果通风被激活，则该系统提供完全通风特征，而如果通风被禁用，则该系统不提供任何种类的外部通风。这可能将该系统驱动到非最优温度条件，其中滑动接触部的磨损率可能会增加。更高的磨损率减少了维护频率间隔，这最终意味着更高的相关联的维护成本。附加地，这样的通风概念可能意味着电气供应的额外消耗，由于低需求的操作要求或由于环境温度条件，该额外消耗不是必需的。上述类型的滑环例如在GB 2 461 533A中公开。在US 9 112 394 B2中描述了一种用于包括换向器的有刷电气机器的类似冷却系统。
因此，本发明的范围是提供一种可以克服现有技术的缺点的滑环以及用于滑环的操作方法。
发明内容
该需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于发电机的滑环单元。所述滑环单元包括可附接到发电机的转子轴的滑环、沿着滑环的圆周布置的用于提供与滑环的电连接的多个滑动接触部、用于测量滑环单元内部的温度的至少一个温度传感器、用于在滑环单元中提供冷却流的风扇、以及连接到风扇的用于控制由风扇生成的冷却流速率的控制器，所述控制器连接到所述至少一个温度传感器。所述至少一个温度传感器附接到用于支撑滑动接触部的至少一个保持器。所述控制器以如下这样的方式被配置，使得冷却流速率取决于由所述至少一个温度传感器测量的温度而生成。
包括上面描述的滑环单元的发电机可以有利地集成在风力涡轮机中。包括上面描述的电连接器的发电机可以是双馈感应发电机(DFIG)。
根据本发明的另外方面，提供了一种用于操作发电机的滑环单元的操作方法。所述滑环单元包括可附接到发电机的转子轴的滑环、以及沿着滑环的圆周布置的用于提供与滑环的电连接的多个滑动接触部。
所述方法包括测量滑环单元内部的温度，在滑环单元中提供冷却流，以及取决于由所述至少一个温度传感器测量的温度来控制冷却流速率。
通过使用冷却通风概念——其中所生成的冷却流速率是可变的，如上面描述的，由于电机风扇的功率消耗最小化，预期了该系统的效率改进。实现了与维护例程相关联的操作支出中的显著成本节省。在滑环系统中，预防性维护成本与用于移除导电灰尘的系统清洁有关，该导电灰尘是由电刷和滑环操作所产生的，并且如果在维护间隔期间未正确清洁则可能会引发电气故障。导电灰尘生成取决于环境条件，如先前所解释，这些条件基本上是湿度和温度。上面描述的冷却技术的使用允许减少这些预防性维护例程的频率，这是由于实现了最佳性能条件，并且因此最小化了电刷磨损率。
风扇控制器允许对空气流进行电子控制。所生成的空气流速率可以通过所测量的参考温度来调节。风扇性能的管理是自主的，因为它是基于内部组件温度测量结果的。不存在对外部通信的需要，例如与风力涡轮机的控制器的外部通信以调节风扇性能。附加的益处可以是风扇中的轴承电动机并不始终以全速旋转，从而意味着旋转循环数量上的总体减少。这可以延长电机轴承的预期寿命，从而降低更换电机风扇的相关联维护成本。
在一示例中，所述控制器可以包括用于从所述至少一个温度传感器接收温度信号的输入和用于向风扇发送控制信号的输出，所述控制信号是温度信号的函数。所述控制信号可以是风扇的电机的电压。所述控制信号可以与温度信号成比例或成线性比例。
所述控制信号的功能可以根据期望输出值来先前设置。
在一示例中，所述操作方法可以进一步包括测量转子速度和转子电流，计算滑环单元中的热损失，取决于在先前步骤中计算的热损失来计算滑环单元中所需的空气流，计算滑环单元的相应多个点中的多个温度，取决于在先前步骤中执行的计算来确定滑环单元的滑动接触部的至少一个磨损率曲线，以及通过使用所述至少一个磨损率曲线以及在滑环单元内部测量的温度来确定滑动接触部的预期寿命。
由于系统温度监测以及该系统被驱动到的最优性能条件，系统故障的概率可以被降低。因此，与可能的校正性维护任务相关联的成本可以被进一步最小化。
本发明的上述方面和另外的方面从下文中要描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考实施例的示例来解释。下文中将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。
附图说明
图1示出了包括根据本发明的滑环单元的发电机的示意性截面。
图2示出了图1的滑环单元的组件的轴测视图。
图3示出了图示用于图1的滑环单元的操作方法的通量图(flux diagram)。
图4示出了图示图3的方法的操作步骤的图表。
图5示出了图3的操作方法的实施例。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。要注意的是，在不同的图中，相似或相同的元件被提供有相同的参考符号。
图1示出了发电机10的简化方案。发电机10可以机械地连接到由风力涡轮机(未示出)的转子叶片驱动的轴。发电机可以通过转换器和变压器(未示出)间接地连接到电网。在这样的示例中，发电机10可以将来自于风力涡轮机转子的机械功率转换成要提供给电网的电功率。根据其他示例(未示出)，发电机10可以不连接到风力涡轮机，而是连接到不同于风的任何其他主功率源。发电机10可以包括转子3和定子2。转子3可以径向地在定子2内部，并且可以耦合到可旋转轴5，以便相对于定子2关于旋转轴线Y旋转。
根据其他示例(未示出)，转子3可以径向地在定子2外部。发电机10可以是双馈感应发电机(DFIG)。转子3和定子2可以分别包括转子绕组8和定子绕组7。转子绕组8和定子绕组7可以是电气独立的，并且分离地连接到变压器(未示出)，变压器用于将由转子绕组8和定子绕组7两者提供的电功率变换成与电网兼容的电压。根据其他示例，发电机10可以是另一种类型的发电机。在转子3与转换器之间可以提供滑环单元20，该滑环单元20可以准许借助于滑动接触部(例如电刷)在转子绕组8与其他固定电气组件之间建立电连接。滑环单元20可以包括附接到转子轴5的滑环11和沿着滑环11的圆周布置的用于提供与滑环11的电连接的多个滑动接触部12。滑动接触部12可以是电刷。滑环单元20可以包括用于支撑滑动接触部12的一个或多个保持器15。滑环单元20可以进一步包括用于容纳滑环11、滑动接触部12和保持器15的外部壳体13。
图2示出了分布在滑环11周围的以电刷形式的多个滑动接触部12(图2中未示出)。电刷12可以由多个保持器15(图2中示出了三个保持器15)来支撑，该保持器15以与旋转轴Y同轴的弧形板的形式(见图1)。保持器15可以沿着旋转轴线Y轴向地分布和隔开(见图1)。保持器15中的每一个可以支撑相应的多个电刷12，使得它们可以保持与滑环11的外表面接触。保持器15可以包括至少一个温度传感器25(在图2的示例中，三个温度传感器25，针对每个保持器15一个温度传感器)，用于测量滑环单元20内部的相应温度。(一个或多个)温度传感器25可以被提供在保持器15的一个圆周端处。该测量可以与电刷12与滑环11之间的接触处的温度相关联。
图3示出了图示可以如何控制滑环单元20内部的冷却流的框图。温度传感器可以测量温度。温度传感器25可以提供温度信号Ta作为去往控制器31的输入，其中温度信号可以与所测量的温度成比例。控制器31可以连接到风扇30，风扇30可以在滑环单元20中提供冷却流F。根据其他示例(未示出)，控制器31可以连接到两个或更多个风扇，这些风扇可以在滑环单元20中提供冷却流F。控制器31可以取决于由至少一个温度传感器25测量的温度来控制由风扇30生成的冷却流速率。控制器31可以包括用于从(一个或多个)温度传感器25接收温度信号Ta的输入和用于向风扇30发送控制信号Vout的输出。在包括两个或更多个风扇的示例中，控制器31可以发送多个控制信号，即每个风扇一个控制信号，其中这样的控制信号可以是相同的或不同的，例如如果使用多个传感器的话。
控制信号Vout可以与温度信号Ta成比例。在一示例中，控制信号Vout可以与温度信号Ta成线性比例。控制信号Vout可以是施加到风扇的电机的电压信号。通过使控制信号Vout变化，风扇30的电机速度可以改变，并且因此冷却流F的速率也可以改变。
图4示出了图示两个不同的函数50、51的图表，这两个函数图示了控制信号Vout与温度信号Ta之间的依赖性。第一线性函数50在第一最小温度T2和Vout＝0的点与其中温度具有第一最大值T1和Vout＝Vmax的另一个点之间延伸。在Vmax处，风扇30的速度以及因此所生成的冷却流速率也达到最大值。第二线性函数51在第二最小温度T4和Vout＝0的点与其中温度具有第二最大值T3和Vout＝Vmax的另一个点之间延伸。当温度值T5由(一个或多个)温度传感器25测量并提供给控制器时，如果使用第一线性函数50，则可以生成控制信号Vout的第一控制值Vout1。
替代地，如果使用第二线性函数51，则可以生成控制信号Vout的第二控制值Vout2。根据示例，可以使用评估控制信号Vout与温度信号Ta之间的依赖性的其他函数。这样的函数可以是线性的或非线性的。可调整的冷却流速率准许在其中获得了最优性能的温度处或至少接近这样的温度来操作电刷。在这样的操作点处，电刷的磨损率可以降低，从而允许延长维护频率间隔。
图5示出了图示用于操作滑环单元20的方法的框图，该方法可以用于确定电刷12的预期寿命。在框100中，可以提供输入数据。输入数据可以包括操作输入110和系统架构尺寸数据120。操作输入110可以包括转子3的速度和电流的测量值。系统架构尺寸数据120可以包括关于滑动接触部12、滑环11和保持器15的几何信息。在框200中，可以计算滑环单元20的热损失210。热损失210可以包括电气损失和机械损失。框200可以进一步包括取决于热损失210来计算滑环单元20中所需的空气流220。在框300中，可以在滑环单元20的相应多个点中计算多个温度。基于系统架构尺寸数据120和热损失210，可以计算滑环单元20的不同部分中的预期温度。在框400中，可以确定滑动接触部12的至少一个磨损率曲线410。框400可以进一步包括通过使用磨损率曲线410以及在滑环单元20内部测量的温度Ta来确定滑动接触部12的预期寿命420。取决于接触部温度Ta的磨损率曲线上的点以及预期温度分布可以用于确定预期寿命，该预期寿命可以进一步用于定义和调度维护任务。根据本发明的不同实施例，最终框400中的计算可以取决于先前步骤100、200、300中的任何中执行的计算来执行。根据本发明的不同实施例，用于操作滑环单元20的方法可以仅包括步骤100、200、300、400的一部分。
Claims (11)
1.一种用于发电机(10)的滑环单元(20)，包括：
-可附接到发电机(10)的转子轴(5)的滑环(11)，
-沿着滑环(11)的圆周布置的多个滑动接触部(12)，用于提供与滑环(11)的电连接，
-至少一个温度传感器(25)，用于测量滑环单元(20)内部的温度，
-至少一个风扇(30)，用于在滑环单元(20)中提供冷却流(F)，
-连接到风扇(30)的控制器(31)，用于控制由风扇(30)生成的冷却流速率，所述控制器(31)连接到所述至少一个温度传感器(25)，
其中所述至少一个温度传感器(25)附接到用于支撑滑动接触部(12)的至少一个保持器(15)，并且所述控制器(31)以如下这样的方式被配置，使得冷却流速率取决于由所述至少一个温度传感器(25)测量的温度而生成。
2.根据权利要求1所述的滑环单元(20)，其中所述控制器(31)包括用于从所述至少一个温度传感器(25)接收温度信号(Ta)的输入和用于向风扇(30)发送控制信号(Vout)的输出，所述控制信号(Vout)是温度信号(Ta)的函数。
3.根据权利要求2所述的滑环单元(20)，其中所述控制信号(Vout)与温度信号(Ta)成比例。
4.根据权利要求3所述的滑环单元(20)，其中所述控制信号(Vout)与温度信号(Ta)成线性比例。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的滑环单元(20)，其中所述控制信号(Vout)是电压信号。
6.一种发电机(10)，包括转子(3)、定子(2)、转子轴(5)以及根据权利要求1至5中任一项所述的滑环单元(20)。
7.一种风力涡轮机(1)，包括根据权利要求6所述的发电机(10)。
8.一种用于操作根据权利要求1至5中任一项所述的滑环单元(20)的操作方法，所述方法包括以下步骤：
-利用至少一个温度传感器(25)来测量滑环单元(20)内部的温度(Ta)，
-在滑环单元(20)中提供冷却流(F)，以及
-取决于由所述至少一个温度传感器(25)测量的温度来控制冷却流速率。
9.根据权利要求8所述的操作方法，其中所述冷却流速率与温度信号(Ta)成比例。
10.根据权利要求9所述的操作方法，其中所述冷却流速率与温度信号(Ta)成线性比例。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的操作方法，其中所述方法进一步包括以下进一步步骤中的至少一个：
-测量(100)转子速度和转子电流，
-计算(200)滑环单元(20)中的热损失(210)，
-取决于所述热损失来计算(200)滑环单元(20)中所需的空气流(220)，
-计算(300)滑环单元(20)的相应多个点中的多个温度，
-确定(400)滑环单元(20)的滑动接触部(12)的至少一个磨损率曲线(410)，
-通过使用所述至少一条磨损率曲线以及在滑环单元(20)内部测量的温度(Ta)来确定(400)滑动接触部(12)的预期寿命(420)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |