風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

詹 輝

（國家電投寧夏能源鋁業(yè)中衛(wèi)新能源有限公司，寧夏中衛(wèi) 755000）

0 引言

滾動軸承作為回轉(zhuǎn)機構(gòu)必要的零部件，在雙饋式風力發(fā)電機組中發(fā)揮著重要的作用，由于風力發(fā)電機組工況條件的特殊性（運行時間斷續(xù)、風壓不均勻、塔筒高度躍60 m），滾動軸承屬于雙饋式風力發(fā)電機組的易損部件，軸承的損壞會引起發(fā)電機組的許多故障。如異常振動、噪聲、轉(zhuǎn)子抱死等。嚴重的直接導致雙饋機組發(fā)電機報廢，造成重大經(jīng)濟損失。因此滾動軸承的穩(wěn)定運行是雙饋式風力發(fā)電機組正常工作的必要保障。做好機組的狀態(tài)監(jiān)測及診斷工作，對提升機組運行可靠性，降低機組檢修維護成本具有重要意義。

1 狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷數(shù)學模型

1.1 雙饋式風力發(fā)電機組工作原理

雙饋式風力發(fā)電機組由葉輪、齒輪箱、發(fā)電機、變流系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。葉輪的機械能通過多級齒輪箱帶動發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機定子繞組與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組與變流器連接，變流器可調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)的頻率、相位及幅值。通過變流器控制發(fā)電機在亞同步和超同步都處于發(fā)電狀態(tài)。超同步狀態(tài)下，發(fā)電機通過轉(zhuǎn)子和定子同時向電網(wǎng)饋送能量，變流器將直流側(cè)能返回電網(wǎng)；亞同步狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子吸收能量使發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，通過定子向電網(wǎng)饋送能量。

1.2 系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

雙饋式風力發(fā)電機組滾動軸承振動分析方法包括時域分析和頻譜分析。由于時域分析在信息量的提取方面存在局限性，常用來做簡易診斷，可粗略判斷機械設(shè)備是否發(fā)生故障及故障的嚴重程度，不能判斷故障發(fā)生的具體位置；如果系統(tǒng)需要明確故障類型、發(fā)生位置及故障的嚴重程度，就需要對振動信號進行頻譜分析，根據(jù)頻譜圖中的頻率成分、幅值大小，結(jié)合時域分析方法綜合地對滾動軸承進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，并提出科學的建議。

頻譜分析是基于傅立葉變換的一種分析方法，可將以時間為橫坐標的時域信號轉(zhuǎn)換為以頻率為橫坐標的頻域信號。表達式為式（1）。

式中X（f）——信號的頻域函數(shù)

f——自變量（頻率），Hz

X（t）——時域信號函數(shù)（振動加速度、速度或位移）

t——自變量（時間）,s

滾動軸承由保持架、滾動體、外圈、內(nèi)圈等部分組成，振動診斷時需要針對各元件不同的故障特征頻率判斷故障發(fā)生的部位及其故障的嚴重程度。滾動軸承各部位元件理論特征頻率的計算公式為式（2）～式（5）。

式中fFTF——保持架故障特征頻率，Hz

fBSF——滾動體故障特征頻率，Hz

fBPFO——外圈故障特征頻率，Hz

fBPFI——內(nèi)圈故障特征頻率，Hz

D——軸承滾動體中心所在圓的直徑（軸承節(jié)徑），mm

d——滾動體直徑，mm

Z——滾動體個數(shù)

fr——軸承回轉(zhuǎn)頻率（fr越N/60，N為軸承轉(zhuǎn)速），Hz

2 滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)包括：微型計算機（含監(jiān)測、通訊、分析及診斷模塊）、速度傳感器、動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡，微型計算機通過USB接口與動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡連接。

2.2 測試機組主要技術(shù)參數(shù)及故障頻率的計算

針對某風電場雙饋式風力發(fā)電機組進行抽樣監(jiān)測及故障診斷。發(fā)電機主要有4種型號：YSSF450L原源C ，YFFS450原4W ，R81，YJ93A；發(fā)電機額定電壓 690 V；額定轉(zhuǎn)速 1800 r/min；額定功率1500 kW；4種型號發(fā)電機對應(yīng)的軸承型號見表員。

表1 軸承型號

表2 軸承故障特征頻率

表3 發(fā)電機發(fā)電機驅(qū)動端和非驅(qū)動端振動幅值測量結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)表1的統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)電機驅(qū)動端和非驅(qū)動端共使用3種不同型號的滾動軸承，根據(jù)軸承的型號可查到軸承的幾何尺寸、公稱接觸角和滾動體個數(shù)。將數(shù)據(jù)通過式（2）、式（3）、式（4）、式（5）可得到軸承內(nèi)圈、外圈滾動體及保持架故障特征頻率，頻率計算結(jié)果見表2。

2.3 測試參數(shù)選擇及測點布置

利用該系統(tǒng)對雙饋式風力發(fā)電機組5個不同風機進行振動監(jiān)測。采用5個測試點進行測試。葉輪與齒輪箱之間的軸承分布2個測試點1和2；齒輪箱輸出端布置一個測試點3；發(fā)電機的驅(qū)動端布置測試點4；發(fā)電機非驅(qū)動端布置測試點5。系統(tǒng)采用速度傳感器測量垂直方向與和水平方向的振動值。

2.4 結(jié)果統(tǒng)計與分析

發(fā)電機驅(qū)動端與輸出端測試數(shù)據(jù)見表猿，統(tǒng)計結(jié)果顯示F4-H36號風機驅(qū)動端測試點4振動烈度非常大，垂直方向振動幅值達到1.765 mm，水平方向振動幅值為0.593 mm，是另外源臺風機驅(qū)動端振動幅值的緣倍左右。

2.5 診斷處理

對振動幅值異常的風機F4-H36號風機進行進一步診斷，將發(fā)電機驅(qū)動端2個方向的振動數(shù)據(jù)進行時域和頻譜分析，實際測得發(fā)電機回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速1706 r/min，軸承回轉(zhuǎn)頻率28.4 Hz。實驗測得驅(qū)動端2個方向在89.11 Hz頻率處出現(xiàn)異常振動幅值。

2.6 結(jié)果驗證

為了驗證滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)診斷結(jié)果的正確性，測試完成后對報出故障的風機（F4-H36）發(fā)電機的驅(qū)動端6326滾動軸承進行更換，現(xiàn)場拆下的6326軸承外圈有明顯壓痕，軸承外圈存在嚴重損壞，與系統(tǒng)的診斷結(jié)果一致。通過觀察軸承外圈的壓痕特點（壓痕不均勻）。說明軸承處于偏載工況，這種情況出現(xiàn)的原因主要是由于裝配誤差。更換后的軸承要按圖紙要求及使用專業(yè)工裝進行裝配。

3 結(jié)語

雙饋式風力發(fā)電機組中最容易出現(xiàn)故障的是發(fā)電機驅(qū)動端及輸出端的滾動軸承。滾動軸承運行的穩(wěn)定性是風力發(fā)電機正常工作的必要保障，分析雙饋式風力發(fā)電機組的組成及運行原理，建立滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測與診斷分析系統(tǒng)，通過對5組發(fā)電機驅(qū)動端及非驅(qū)動端振動幅值的測定，結(jié)合時域分析與頻譜分析相結(jié)合的方法得出診斷結(jié)論。經(jīng)過現(xiàn)場維修拆裝驗證，該系統(tǒng)具有準確的故障分析能力，可有效保證發(fā)電機組平穩(wěn)運行，避免出現(xiàn)重大事故，縮短故障停機時間及停機次數(shù)，節(jié)省風力發(fā)電機組維護成本，有利于發(fā)電機組供電量的提高。