基于振動分析的風力發電機故障診斷方法

張佳孔

摘 要：現階段，風力發電機組工況越來越繁瑣，出現故障的幾率比以往多出很多倍，并且無法再像以往那樣，通過單一信號處理方法，來實現有效的機組狀態，監測故障診斷方法。進而提出了一種以振動信號分析，以及集成多種常用信號處理方法為基礎的風力發電機組故障診斷方法。該種方法以風力發電機組的結構參數和運行特點作為入手點，分析了機組運行過程中，經常會出現的故障，及其產生機理。并通過多測點振動信息采集獲得，某種雙饋式風機發電典型工況的振動特點，再運用時域和包絡調解法，對信號進行研究處理，進而提取出振動信號中隱藏的故障特征信息，最終拆解風機發電機，以及更換報告結果，得出該方法的實用性。

關鍵詞： 科學技術 分析與研究 環境惡劣 軸承故障

機理

一、風機發電機故障機理分析

由于風力發電機組工作環境較差，再加上風速的變化多樣和外部的載荷也常常變化，使得機組內部元件長期處于不穩定的運行狀態，很容易導致部件發生損壞，進而影響風機發電機整體的使用效果與使用壽命。下文將以發電機故障為主要研究對象，進行闡述。據調查可知，風電機組的發電機故障基本上以電機振動大、發電機軸承過熱、剎車盤的變形、偏航減速器出現故障等等為主。據統計，這些故障主要原因是定子繞組絕緣發生破損、轉子平衡效果不佳。通過分析振動信號的軸承故障診斷可知，第一步需要根據軸承型號參數，根據原廠給出的基礎數據，計算出軸承的故障特征頻率。

二、 風機振動信息獲取

我國某一風場的SL82-1500k W風力發電機組，其主傳動鏈系統由葉片和齒輪箱以及發電機構成。風力發電機組的主要作用是把風能轉化成機械能，再傳給發電機進行發電，最后轉化為電能。風電機組內，核心部分屬于雙饋式風力發電機，又稱作交流勵磁發電機，其運行速率在一定范圍內是可以調控的，可以不斷優化風能利用系數，最后讓電功率可以穩定輸出。通過對該型機組的某臺風機發電機振動超大現象，對其振動信號進行收集，確定使用傳感器測點配置為以下幾點。1）主軸承垂直；2）第一級內齒圈垂直；3）第二級內齒圈垂直；4）平行軸水平；5）高速軸垂直；6）高速軸水平；7）發電機驅動端垂直；8）發電機自由端垂直等。這種機器連接的順序為：發電機的兩頭為發電機自由端軸承與發電機驅動端軸承，由發電機驅動端軸承連接聯軸器，聯軸器是發電機與齒輪行的連接中樞，由聯軸器連接齒輪箱輸出軸。由齒輪箱輸出軸與齒輪箱中間軸連接齒輪箱定軸輪系，從而進一步與齒輪箱內齒圈、齒輪箱二級平行星輪系與齒輪箱一級平行星輪系，再繼續齒輪箱連接主軸軸承，最后連接葉片。

三、可能出現的問題

3.1齒輪箱。齒輪箱是連接電機組與電機傳動部位的重要部件，齒輪箱可以讓主軸上的轉速迅速提高到想要達到的高轉速模式，用來滿足發電機工作時對轉速的需求。齒輪箱的工作環境極其惡劣、工作狀況也比較復雜，但傳遞的功率很大。在風電機組的運行過程中，不斷地受到沖擊荷載作用的影響，齒輪之間可能發生齒面擦傷、點蝕、齒面磨損等故障，軸承也可能發生滾道滑傷、磨損、外圈跑圈等故障。齒輪箱故障發生的頻率很大而且維修的費用貴、維修時間長，所以齒輪箱的故障診斷要進行著重研究。

3.2電機。現在的風力發電機主要應用永磁同步發電機與雙饋發電機，雙饋發電機轉速高，整體的齒輪箱增速效果好，但整體的重量比較大，而且在運轉時噪聲也很大。異步發電機，轉子由變流器連接，變流器讓功率雙向流動，運用轉子的調節，讓變速恒頻運行。電動機也在風電機組的變槳、偏航等系統中出現。電機的故障有機械故障與電氣故障兩種形式。軸承過熱導致損壞，轉子間隙異常，軸承磨損、損壞都是機械故障。繞組短路、過熱、斷路三相不平衡等都是電氣故障的范疇。

3.3 控制系統和傳感器。風力發電機組的許多系統都需要控制系統對其控制。在控制系統里面包括了多種多樣的傳感器與控制器，經過傳感器收集各類信號發送給控制系統，控制系統對其進行分析，通過控制器對風電機組的各個部分做出保護，讓發電機組的工作環境更加的穩定。但由于風電機組的工作環境很差，有時傳感器與控制器也可能出現故障。當發生硬件故障時需要工作人員關閉風電機組對其進行維修，當軟件出現問題時可以嘗試重啟機組觀察情況。

四、振動信號處理與分析

4.1 時域分析。時域分析主要考慮信號的時間順序，以及振動信號隨時間變化的走勢，通過收集到的信息，對信息進行統計并得出之間的規律，最后得到振動信號的特點。該種分析主要是通過提取振動信號的時域特征指標，再以這些指標作為依據判別故障類型。一般情況下，常用的特征指標有均值、方差或者有效值等等。但特征指標會跟著工況的變化而發生改變，因此，時域分析存在對故障不敏感等等缺點。

通過應用MATLAB編程，得到4個通道的時域波形，其具體振動信號波形圖。發電機自由端兩個方向的振動幅值整體低于驅動端兩個方向的振動幅值，大約是其幅值的1/4，所以基本可以判斷出發電機驅動端軸承出現故障，使得振動幅值提高。所以，下面需要著重分析發電機驅動端振動，選擇合適時間段信號分析其頻譜結構特點。發電機驅動端垂直信號的鍵相信號，輸入軸只要轉一圈，發電機驅動端垂直方向就會產生一個沖擊信號，為得到時域波形中的沖擊信息，需要對信號進行局部階段處理，選取轉速較高振動較為平穩的2s數據進行分析。

4.2 頻域分析。一般地，選取故障診斷法來分析振動信號頻域，此方法通過利用傅里葉變換，將信號分成一系列頻率分量疊加的形式。因為該方法可以得到信號幅值或者相位與頻率之間的關系，進而反映出振動信號內在的頻率結構，這有利于故障類型判別，因此在風電裝備的狀態監測和故障診斷中，得到相當廣泛的應用。

4.3包絡分析。通常情況下，共振解調技術又稱為包絡分析，其一般應用在滾動軸承的故障診斷中。此方法可以通過對振動信號進行Hilbert交換，把軸承故障頻率從共振頻率中解調出來，用于滾動軸承的前期故障診斷。

四、結束語

通過對上文分析與研究可知，對于發電機主傳動鏈振動監測和故障診斷問題而言，第一，該方法根據風力發電機運行機理和結構特點出發，分析了傳動鏈的故障類型。第二，此方法根據振動信號的時域分析，以及頻域分析等等，可以快速的從信號中提取故障特征頻率，判斷出故障位置。第三，該方法簡便、效率高，可以為后期的風力發電機組狀態監測提供很好的技術支持。

參考文獻

[1] 趙鐵印.雙饋式風力發電機組發電機滾動軸承狀態監測及故障診斷方法的分析[J].科技風，2018（19）

[2] 李夢詩.基于深度置信網絡的風力發電機故障診斷方法[J/OL].電機與控制學報，2019（02）