風力發電機狀態監測與故障診斷技術

詹 輝

（國家電投寧夏能源鋁業中衛新能源有限公司，寧夏中衛 755000）

0 引言

滾動軸承作為回轉機構必要的零部件，在雙饋式風力發電機組中發揮著重要的作用，由于風力發電機組工況條件的特殊性（運行時間斷續、風壓不均勻、塔筒高度躍60 m），滾動軸承屬于雙饋式風力發電機組的易損部件，軸承的損壞會引起發電機組的許多故障。如異常振動、噪聲、轉子抱死等。嚴重的直接導致雙饋機組發電機報廢，造成重大經濟損失。因此滾動軸承的穩定運行是雙饋式風力發電機組正常工作的必要保障。做好機組的狀態監測及診斷工作，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 狀態監測及故障診斷數學模型

1.1 雙饋式風力發電機組工作原理

雙饋式風力發電機組由葉輪、齒輪箱、發電機、變流系統及控制系統組成。葉輪的機械能通過多級齒輪箱帶動發電機組轉化為電能。發電機定子繞組與電網連接，轉子繞組與變流器連接，變流器可調節發電系統的頻率、相位及幅值。通過變流器控制發電機在亞同步和超同步都處于發電狀態。超同步狀態下，發電機通過轉子和定子同時向電網饋送能量，變流器將直流側能返回電網；亞同步狀態下，轉子吸收能量使發電機處于發電狀態，通過定子向電網饋送能量。

1.2 系統數學模型的建立

雙饋式風力發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，可粗略判斷機械設備是否發生故障及故障的嚴重程度，不能判斷故障發生的具體位置；如果系統需要明確故障類型、發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，根據頻譜圖中的頻率成分、幅值大小，結合時域分析方法綜合地對滾動軸承進行狀態監測和故障診斷，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

f——自變量（頻率），Hz

X（t）——時域信號函數（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（軸承節徑），mm

d——滾動體直徑，mm

Z——滾動體個數

fr——軸承回轉頻率（fr越N/60，N為軸承轉速），Hz

2 滾動軸承狀態監測及故障診斷系統

2.1 系統組成

軸承狀態監測與故障診斷系統包括：微型計算機（含監測、通訊、分析及診斷模塊）、速度傳感器、動態數據采集卡，微型計算機通過USB接口與動態數據采集卡連接。

2.2 測試機組主要技術參數及故障頻率的計算

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

表1 軸承型號

表2 軸承故障特征頻率

表3 發電機發電機驅動端和非驅動端振動幅值測量結果統計

根據表1的統計結果，發電機驅動端和非驅動端共使用3種不同型號的滾動軸承，根據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。將數據通過式（2）、式（3）、式（4）、式（5）可得到軸承內圈、外圈滾動體及保持架故障特征頻率，頻率計算結果見表2。

2.3 測試參數選擇及測點布置

利用該系統對雙饋式風力發電機組5個不同風機進行振動監測。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；發電機的驅動端布置測試點4；發電機非驅動端布置測試點5。系統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 結果統計與分析

發電機驅動端與輸出端測試數據見表猿，統計結果顯示F4-H36號風機驅動端測試點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，將發電機驅動端2個方向的振動數據進行時域和頻譜分析，實際測得發電機回轉軸轉速1706 r/min，軸承回轉頻率28.4 Hz。實驗測得驅動端2個方向在89.11 Hz頻率處出現異常振動幅值。

2.6 結果驗證

為了驗證滾動軸承狀態監測及故障診斷系統診斷結果的正確性，測試完成后對報出故障的風機（F4-H36）發電機的驅動端6326滾動軸承進行更換，現場拆下的6326軸承外圈有明顯壓痕，軸承外圈存在嚴重損壞，與系統的診斷結果一致。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工裝進行裝配。

3 結語

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