Investigation of the influence from micro brush fire in wind generators to avoid minimize the maintenance costs
Final Report Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit wurde mit einem vereinfachten 2,5D-Strömunsgmodell die hydrodynamische Kraft FHD im Kontaktsystem Schleifring-Bürste einer elektrischen Maschine in Abhängigkeit von der Druckfingerkraft FD, der Spaltweite δ, dem Kippwinkel αK und der Umfangsgeschwindigkeit vS untersucht. Es erfolgte eine Vergleichsrechnung mit einem 3D-Modell. Es wurde festgestellt, dass die hydrodynamische Kraftwirkung für den Reibungszustand entscheidend ist. Zur Berechnung der Reibkoeffizienten μ wurden zusätzlich experimentelle Werte zur Erfassung der Beschleunigungskraft FB und der elektrodynamischen Kraft FA verwendet, die jedoch beide nur einen geringen Einfluss auf die Kontaktkraft FK haben. Die Berechnungsergebnisse konnten unter Verwendung experimenteller Werte zur Diagnose des Bürstenfeuers verifiziert werden. Es ist davon auszugehen, dass Druckfingerkräfte FD < 1 N bei Spaltweiten δ im Bereich der Wandrauigkeit R ≈ 5 μm einen hydrodynamischen Reibungszustand verursachen und es zum Anstieg des elektrischen Verschleißes durch Makrobürstenfeuer kommt. Im Hinblick auf die Minimierung des Gesamtverschleißes ist eine elasto-hydrodynamische Schmierung anzustreben und anhand der vorliegenden Ergebnisse wird für das untersuchte Kontaktsystem im Drehzahlbereich bis 1500 min^-1 eine Druckfingerkraft FD von ca. 3 N empfohlen. Ein Zusammenhang zur Abhängigkeit der Spaltweite δ von der Druckfingerkraft FD und der Umfangsgeschwindigkeit des Schleifringes vS konnte aus den vorliegenden Ergebnissen bisher nicht abgeleitet werden. Diesbezüglich liefern bekannte Beziehungen der Literatur ebenfalls keine plausiblen Ergebnisse für den Anwendungsfall in Bezug auf die erwarteten Wandrauigkeiten. Ausgehend von den dargestellten Vereinfachungen des Simulationsmodells und in Bezug auf die Notwendigkeit weiterer experimenteller Untersuchungen wird auf folgende Schwerpunkte verwiesen: Bezüglich der Lichtbogenbildung (Plasma), dem Vorhandensein einer dünnen Wasserhaut auf der Schleifringoberfläche und zur Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit ist die Beschreibung der Fluideigenschaften des Simulationsmodells zu überarbeiten (Mehrphasenströmung und transientes Strömungsverhalten). - Das 3D-Modell ist unter Berücksichtigung des Einbauwinkels der Bürste zu überarbeiten. Die Modellierung des Bürstenhalters kann dabei vernachlässigt werden und der Vergleich zu vorliegenden Ergebnisse ist notwendig. - Die Kopplung mit einem mechanischen Modell zur Berücksichtigung der Festkörperreibung ist anzustreben. - Im Rahmen weiterer experimenteller Untersuchungen sollte die Reibkraft bei gleicher Druckfingerbelastung aller Bürsten in Abhängigkeit von der Schleifringgeschwindigkeit bestimmt werden. Es ist der Einfluss von Lagerreibung und Luftreibung außerhalb des Kontaktbereiches mit zu berücksichtigen. Es wird der Aufbau einer magnetisch gelagerten Versuchsanordnung empfohlen. - Insofern es technisch möglich ist, wird die Untersuchung der Spaltweite im Kontaktbereich mit optischer Sensortechnik in Abhängigkeit der aufgebrachten Druckfingerkraft und Schleifringgeschwindigkeit empfohlen. Bezüglich der Untersuchung des Vorhandenseins einer dünnen Wasserhaut auf der Schleifringoberfläche ist ein ähnliches Vorgehen anzustreben. - Aus dem Vergleich experimenteller Werte mit numerisch berechneten Kurvenscharen der hydrodynamischen Kraft sollte versucht werden, eine Abhängigkeit der Spaltweite von der Druckfingerkraft und der Schleifringgeschwindigkeit abzuleiten. Wissenschaftlicher Ansatz zur Weiterführung des Projektes: Mit dem Ziel, das Kontaktsystem während der Gesamtlebensdauer im Verschleißoptimum zu betreiben, ist ein Ansatz zur optimalen Spaltweite respektive zum verschleißoptimalen Reibungszustand abzuleiten. Dabei sind vorzugsweise die messtechnisch erfassbaren Größen Bürstenstrom und Bürstenspannung zu verwenden. Es ist ein technologischer Ansatz zu entwickeln, der das Nachstellen der Druckfingerkraft gemäß dem erwarteten Verschleißoptimum während der Gesamtbetriebszeit ermöglicht.
Publications
- Finite element analysis of the contact problem between graphite-brushes and -slip rings in double fed asynchronous three-phase generators, IEEE International Conference on Power Electrical Systems - PES, Chemnitz, 2012
H.T. Houenouvo, W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/SSD.2012.6197964) - Design of measuring system to analyze the power transmission in the slip ring system in double fed induction generators (DFIG). IEEE ECCE 2013 p.5118-5122
H. Houenouvo, R. Jensch, W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/ECCE.2013.6647392) - Numerical analysis by current flow of mechanical components in double-fed asynchronous generators in Wind turbines. IEEE International Conference on Industrial Technology - ICIT, Cape Town, South Africa, 2013. 6 pages
H. Houenouvo, W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/ICIT.2013.6505700) - Diagnostic of the transmission properties of slip ring system in doubly fed induction generators, 60th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, pp. 29 - 35, 2014
H. Houenouvo, W. Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1109/HOLM.2014.7031019) - Analyse und Diagnose von Mikrobürstenfeuern bei der Stromübertragung in doppeltspeisenden Drehstrom-Asynchrongeneratoren. Dissertation TU Dresden. Dresdner Schriftenreihe zu elektrischen Maschinen und Antrieben. Shaker Verlag Aachen 2017, 220 Seiten
H. Houenouvo
