雙饋異步風力發電機氣隙偏心故障下定子振動特性分析及監測

胡剛剛 ,唐貴基 ,葛海濤 ,徐明星

(1.華北電力大學,北京 102206;2.河北省電力機械裝備健康維護與失效預防重點實驗室,河北 保定 071003;3.國電聯合動力技術有限公司,北京 100089)

0 引言

氣隙偏心故障是發電機主要機械故障之一,定子和轉子變形、軸承磨損、制造及安裝誤差等均可能導致發電機定子、轉子間氣隙分布不均。輕微的氣隙偏心不會對發電機運行產生影響,但是當氣隙偏心故障發展到一定程度時,發電機內部磁場產生畸變、定子轉子振動加劇、繞組絕緣磨損加快,甚至燒毀發電機,造成嚴重的經濟損失,危害人身安全[1]。因此,對雙饋異步風力發電機在氣隙偏心故障下定子振動特性規律進行研究具有重要意義,對定子振動變化及其在線監測也值得關注。

一直以來,學者們對發電機偏心故障進行了大量研究。文獻[2]提出了一種基于Park矢量方法的故障在線監測和診斷方法,將定子電流特征用于發電機氣隙偏心故障的診斷。文獻[3]利用定子振動特性來診斷發電機氣隙偏心故障。文獻[4]利用電流信號來檢測氣隙偏心故障。文獻[5]分析了感應發電機氣隙偏心故障對定子電流的調制機理,利用Wigner時頻域分析方法,計算氣隙偏心故障時電流邊頻分量的相位差,從而判斷發電機狀態。文獻[6]提出了一種基于振動信號多尺度熵的發電機氣隙偏心故障監測方法,利用多尺度熵計算法提取發電機轉子振動特征,實現了對發電機偏心故障的監測與識別。文獻[7]分析了偏心故障下定子并聯支路環流的諧波成分特性。文獻[8]分析了振動信號與偏心故障間的關系,提出了一種基于振動信號分析的感應電機氣隙偏心故障診斷方法。文獻[9]分析了無刷雙饋電機在偏心故障下氣隙磁場的分布特點及變化規律,利用氣隙磁場的改變來判斷發電機運行狀態。文獻[10]分析了汽輪發電機在氣隙靜態偏心故障下的定子徑向振動特性,并且得到了故障特征頻率。文獻[11]對汽輪發電機氣隙偏心故障前后的定子受力進行了研究,得到了定子單位面積磁拉力的主要頻率成分和激勵特性。文獻[12]得到了發電機不同運行狀態下的徑向電磁力及其與對應故障參數的變化關系。文獻[13]分析了雙斜槽感應電機氣隙偏心故障對徑向單位面積磁拉力的影響。文獻[14]分析了氣隙混合偏心故障下感應發電機徑向電磁激振力的分布情況,利用二維傅里葉分解法解決了混合偏心故障下感應電機徑向電磁力的求解問題。文獻[15]針對雙饋異步風力發電機機組安裝地理位置特殊,運行環境復雜多變等因素,開發了在線振動監測系統。以上文獻在研究氣隙偏心故障對定子振動影響時,多是以同步發電機為研究對象,很少涉及異步發電機。

本文采用理論解析、有限元仿真和實驗驗證相結合的方法,對雙饋異步風力發電機氣隙靜態偏心前后的定子單位面積磁拉力及其定子振動進行研究,并根據所驗證的定子振動特性研發了遠程在線監測系統,為雙饋異步風力發電機氣隙靜態偏心故障的檢測和診斷提供依據。

1 定子振動相關理論分析

1.1 氣隙磁通密度

雙饋異步風力發電機正常運行時,氣隙磁導的表達式為

式中:αm為氣隙周向角;t為時間;Λ0為氣隙磁導的不變部分為定子開槽、轉子表面光滑時引起的諧波磁導為轉子開槽、定子表面光滑時引起的諧波磁導為定子和轉子同時開槽相互作用引起的諧波磁導。

氣隙偏心主要影響氣隙磁導,對氣隙磁勢的影響較小。發電機在發生偏心故障后,氣隙長度沿周向分布不均勻,在不同位置點處對應的長度不同。為直觀表達偏心故障對氣隙長度的影響規律,可采用圖1所示坐標系來表示偏心后的氣隙長度。

圖1 靜態偏心故障示意

文獻[1]在不考慮齒槽效應的影響,將靜態偏心故障下徑向氣隙長度簡化為

式中:g0為氣隙正常情況下的均勻氣隙長度;ε為靜態偏心度。

靜態偏心故障下的氣隙磁導的近似表達式(忽略高階分量)為

空間角度αm處,雙饋異步風力發電機氣隙合成磁勢為

式中:f p(αm,t)、f v(αm,t)、fμ(αm,t)分別為主波合成磁勢、定子繞組諧波磁勢、轉子繞組諧波磁勢;p為主波合成磁勢的極對數;v、μ分別為定子、轉子繞組諧波磁勢極對數。各磁勢的具體表達式為

式中:F0、F v、Fμ分別為主波合成磁勢幅值、定子繞組諧波磁勢幅值、轉子繞組諧波磁勢幅值;φp為主波合成磁勢初相角;φv、φμ分別為定子v次、轉子μ次諧波磁勢初相角;ω1為主波合成磁勢的角頻率;Z1為定子槽數;Z2為轉子槽數;ωμ為轉子μ次諧波磁勢相對于定子的角頻率,其表達式為

式中:s為雙饋異步風力發電機轉差率。

氣隙磁通密度等于氣隙磁勢與單位面積氣隙磁導的乘積。根據上述推導,忽略由于定子、轉子開槽相互作用引起的磁導變化,則正常與靜態偏心情況下氣隙磁通密度可以由式(7)表示。

由式(7)可以看出,靜態偏心故障會引入極對數分別為p±1、v±1、μ±1的空間諧波,磁通密度的主要頻率成分為f1、fμ。

1.2 單位面積磁拉力

作用于定子鐵心上的磁拉力含有徑向和周向分量。由于磁拉力周向分量一般比較小,磁拉力徑向分量是定子鐵心產生振動變形的主要來源。所以通常只考慮磁拉力的徑向分量。根據麥克斯韋張量法,發電機定子表面單位面積受到的徑向磁拉力可以表示為

式中:b(αm,t)為氣隙磁通密度;μ0為空氣磁導率。

將式(7)代入式(8)可得簡化以后的定子單位面積磁拉力的表達式見式(9)。由式(9)可知,氣隙靜態偏心故障下,定子單位面積磁拉力大于正常情況下定子單位面積磁拉力,且定子振動的主要頻率分量在偏心前后沒有變化,為2f1、f1±f1、f1±fμ、fμ1±fμ2。另外,定子磁拉力隨著偏心程度的增加而增大。

2 有限元計算與實驗驗證

發電機有限元仿真計算和實驗分析對象為1臺兩對極雙饋異步風力發電機,該發電機基本參數為:額定容量5.5 kVA,額定轉速1 500 r/min,功率因數cosφ=0.8,徑向氣隙長度1 mm,定子鐵心長度155 mm,額定電壓380 V,極對數p=2,定子槽數Z1=36,轉子槽數Z2=24,定子支路ɑ=2。

本文采用有限元電磁仿真軟件ANSYS Electromagnetics中RMxprt模塊,根據發電機相關參數進行建模。利用ACT偏心模塊建立沿x軸正方向偏心0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 3種不同偏心程度的故障模型,靜態偏心偏移方向如圖2所示。

圖2 靜態偏心偏移方向仿真模型

雙饋異步風力發電機勵磁電流的大小和頻率與轉速有關,通過RMxprt模塊仿真分析得到風力發電機在某風速下的勵磁電流頻率和大小,作為激勵輸入。采用電流源為轉子設置三相勵磁電流,采用電壓源為定子設置三相電壓模擬某風速下發電機的工況,轉速設置為1 460 r/min,故轉差率s=2.7%,fμ=535/635(k2=±1,此時頻率成分變化最明顯)。設置仿真起始時間為0 s,終止時間為1 s,步長為0.1 ms。將正常模型與故障模型均按照以上設置進行求解分析。

雙饋異步風力發電機實驗測試機組見圖3。發電機轉子通過軸承座和螺栓固定在底板上,可通過移動定子實現氣隙偏心故障設置。定子徑向氣隙偏心可以通過正面的2個調節螺栓和背面的另外2個調節螺栓來實現,實驗通過控制百分表實數變化來調節徑向偏心程度,如圖3(b)所示。PCB加速度傳感器安裝在定子外殼,如圖3(c)所示。為了保持實驗和仿真的一致性,實驗中故障具體參數設置與有限元模擬仿真時相同。

圖3 實驗測試機組

3 實驗結果分析

圖4(a)顯示了氣隙磁通密度沿圓周方向的分布結果,圖中紅色虛線是氣隙磁通密度變化大致轉折點。從圖4(a)中可以看出,發電機正常運行時,氣隙磁通密度呈均勻分布。在發生氣隙靜態偏心故障后,氣隙磁通密度沿周向分布不均勻。具體來說,在氣隙長度減少處(270°到90°),氣隙磁通密度會增加;而在氣隙長度增加處(90°到270°),氣隙磁通密度會減少(類似壓縮操作)。圖4(b)顯示了偏心后氣隙中一點的(氣隙減小處即0°方向)磁通密度變化。從圖4(b)中可以看出,發電機發生氣隙靜態偏心故障后,氣隙減小處的磁通密度各頻率成分[f1(50),fμ(535/635)]都增大,且各頻率成分的幅值隨著偏心程度的增加而增大。

圖4 氣隙靜態偏心前后氣隙磁通密度的變化

有限元計算和實驗中獲得的定子單位面積磁拉力及定子振動如圖5所示。

圖5 仿真定子單位面積磁拉力和實驗所測定子振動

有限元計算數據顯示出更明顯的趨勢,在實驗中存在許多不可控影響因素,因而實驗測試曲線更復雜(曲線不太均勻,并且相互交織)。然而,實驗結果仍然遵循有限元計算得出的發展趨勢。結果表明,氣隙靜態偏心故障不會導致定子單位面積磁拉力原有時域波形與頻率成分的改變,但氣隙靜態偏心通常會增加定子振動及其頻率成分[2f1(100),f1± f1(0/100),f1± fμ(485/585/685)的幅值,且偏心程度越大,增加的越多。有限元分析和實驗結果與前面的理論分析結果一致。

4 定子振動遠程在線監測

4.1 監測流程

由于發電機經常在高溫、振動、腐蝕等惡劣環境下運行,定子作為發電機關鍵部件之一,一旦出現問題將影響整個發電機組的正常運行。因此針對性研發了一套發電機定子振動遠程在線監測系統,可在發電機運行過程中監測定子部件的振動變化,基于振動發展的大數據分析來實現對發電機狀態模式識別的趨勢預測,并輔助決策發電機是否需要停機和檢修,從而實現失效的主動預防。該系統由傳感器、信號采集板、信號傳輸裝置與信號處理平臺構成,系統監測流程如圖6所示。

圖6 定子振動遠程在線監測系統監測流程

4.2 在線監測系統傳輸及采集模塊設計

在線監測系統基于現場可編程門陣列(FPGA)架構開發,設置有無線收發器件,采用有線傳輸、4G 遠程數據傳輸與自建收發裝置結合的方式,完成實時監測數據的上載與分析,自建收發裝置傳輸距離為2.2 km。FPGA 核心板以信號完整性為主要設計考量,設計印刷電路板的疊層結構,根據信號要求做特征阻抗匹配,對關鍵信號做規則約束。核心板元件單面布局,電路元器件水平擺放,布線,調整不合適的布局。

模擬信號采集板采用4層板結構,采集板同時存在模擬信號和數字信號,為避免數字信號對模擬信號的干擾,將相應的地平面區域分割,單點接地。數字信號收發板為整個系統供電,并放置各模塊接口,在布局時要考慮模塊尺寸,避免干涉。選用開關穩壓LM2596-5.0為核心板供電,最大輸出電流為3 A。選用LM1117的5.0 V 和3.3 V 版本為采集板和板載模塊供電。裝置集成后的核心結構如圖7所示。

圖7 裝置集成后核心結構(未封裝外殼)

4.3 監測實現及應用效果

在線監測系統可監測發電機定子水平徑向(x)、豎直徑向(y)、水平軸向(z)的振動數據,如圖8所示。每個裝置可同時支持8個加速度傳感器的連接匹配,同步并行采集定子振動信號,并實時上傳到上位機中。以虛擬儀器平臺Lab VIEW語言開發的配套數據處理系統來對定子采集信號進行分析處理,實現對發電機定子的振動監測和狀態識別,并實時記錄保存定子振動數據,通過條形圖顯示振動幅值,及時預警振動超標。

圖8 振動數據

所開發的系統自2016年現場應用于河北某風電廠后,通過對振動異常信號分析,檢測出氣隙靜態偏心故障4起,軸承磨損故障3起。由于故障的及時消除,挽回經濟損失高達300多萬元,提高了風電場機組故障排查處理能力,可推廣應用于風電場的檢修和輔助監測中。

5 結論

本文對雙饋異步風力發電機在氣隙靜態偏心故障前后的定子振動變化進行了理論分析、有限元計算和實驗驗證,并研發了一套定子振動遠程在線監測系統。主要結論如下:

(1)氣隙偏心故障會導致發電機氣隙磁通密度分布不均;

(2)雙饋異步風力發電機在發生氣隙偏心故障后,定子振動會加劇,且定子振動與2f1、f1±f1、f1±fμ、等頻率成分隨著偏心程度的增加而增大;

(3)定子振動在線監測系統可實現對雙饋風力發電機定子振動的實時在線監測,具有較好的推廣應用價值。