3.1MW 风力发电机故障诊断振动测试分析

刘 朋,胡志宽 ,蓝恭华,李 广,周庆云

船舶振动噪声重点实验室,无锡 214082

        摘  要:完成了某风力发电机振动特性测试。通过在试验台架、风电现场测试,得到了台架和现场测试环境下的电机动态响应特性。试验表明,单纯的试验台架振动特征不足以反映现场的全部振动特性。针对故障电机的转子进行了诊断,并提出了改进建议。对改进前后的转子特性进行了试验,测试结果表明针对故障电机的分析结论和改进建议的合理性。

        关键词: 风力发电机;转子;故障诊断;动力响应

        中图分类号:O329 TM TP206+.3        文献标识码:A

        风能作为一种清洁能源,正以极快的速度发展。 由于风力发电机组通常处于野外, 环境条件恶劣, 容易出现故障, 维修起来耗费大量的人力物力。国内开展了大量关于风机的故障诊断研究[1]-[3] ,取得了丰硕的成果,  开展了形式多样的状态监测和信息融合诊断技术[4]-[7] 。大部分研究基于数值计算和理论分析,提出了各种控制措施, 然而由于风电电机系统的复杂性和运行环境的多变性,需要在设计之初就考虑系统的振动特性,进行优化设计并开展相应的试验验证,以避免振动异常产生。

1 试验对象

        某单位设计制造的双馈发电机用于风力发电机组如图1所示。该发电机总重12.1吨,  由4.3吨的转子、3.6吨的铁芯 (含线圈) 、2.3吨的箱体和1.9吨的轴承及端盖组成。 发电机箱体部分长约2.22m , 宽 1.45m,高1.345m。铁芯长约1m , 呈圆柱体形状, 外径1130mm内径850mm。箱体上布置三条横向加强筋, 铁芯与横向加强筋通过4个点焊接刚性固定。电机整体通过4个ESM隔振器 (进口) 弹性安装在基座上,电机-隔振器-基座组成的电机系统与增速齿轮箱所在的塔筒基座通过8个螺栓纵向连接,该基座下部悬空,以齿轮箱安装基座面为基准呈悬臂梁状态。发电机工作方式为水冷,通过左侧面的进出水口循环,水箱安装在电机顶部的箱体上。风力发电机运行转速范围为600r/min~1380r/min,正常并网发电转速为 900r/min~1200r/min。

        据该公司介绍, 该发电机已安装于新疆哈密两个风场,其中第一风场安装12台发电机,该风场与该公司配套变频器为ABB变频器;第二风场安装16台发电机, 该风场与该公司配套的变频器为超导变频器。经业主反映, 几台电机并网发电时电机振动较大,而其他大部分电机并网发电时振动正常。

        为摸清该型部分电机异常振动原因,中国船舶重工集团公司第七。二研究所开展了以下几方面的测试:

        (1)  试验台架振动测试

        (2)  风电现场振动测试

        (3)  改进前后转子振动测试

        本次振动测试仪器如下: 丹麦 BK 8204 IEPE 型力锤, 丹麦 BK 4507B/4508B TEDS型智能传感器, 丹麦BK 3660D多通道数据采集分析系统和丹麦BK的模态分析软件。

图 1 发电机组台架现场

2 试验台架振动测试

        据现场测试结果反馈,电机运行时振动过大的频率分布范围在10Hz~12Hz、16Hz~18Hz、52Hz 附近。为摸清电机振动特性,在该厂试验台架上,进行了以下几方面的测试。

2.1 初步敲击测试

        静止状态下,在电机接线端一侧的平面四个角点上布置4个法向加速度测点,力锤敲击某角点位置,得到如图2所示的传递函数结果, 频率分辨率为0.125Hz 。可以看出,在 10Hz~20Hz 范围内, 出现两个峰值约为11.38Hz、17.7Hz。上述测试状态为电机顶部水箱不加水。

图 2 静止状态初步敲击测试结果

2.2 静止状态模态测试

        静止状态下, 电机上表面布置7个法向加速度测点, 电机下表面布置7个法向加速度测点, 左侧面布置8个法向加速度测点, 右侧面布置7个法向加速度测点,电机轴端布置1个纵向加速度测点, 共布置30个振动加速度测点, 加速度测点布置如图3所示。力锤橡胶锤头敲击电机右侧面和上表面,分析电机各表面模态和整体模态结果。

图 3 试验台架模态测点布置示意图

        敲击结果峰值频率为 5.72Hz、8.9Hz、11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz , 模态置信因子如图4所示。

        11.2Hz对应的主振型以轴为主线左右平动,15.6Hz对应的主振型为上下表面平动,17.7Hz对应的主振型为弯曲、扭转的耦合振动。图 5给出了17.7Hz 的振型示意图。

        图 4 模态置信因子    图 5  台架17.7Hz主振型

2.3 升速测试

        根据试验台架静态敲击模态试验结果,结合电机自身正常运行转速,进行600r/min~1200r/min升速试验。在上述 11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz频率附近对应的转速 670r/min、940r/min、1070r/min 附近转速以每 10r/min 加密测试,其余转速以每30r/min测试。试验时转速如表1所示。表中,转速单位为r/min , 频率单位为 Hz。

        电机11.2Hz频率成在升速过程中,只有在670r/min附近有比较大的峰值, 随着转速升高,该频率幅值下降。17.7Hz的频率成分在所有转速中均有体现, 在1060r/min转速附近达到最大峰值。

        试验台架的升速试验过程中,所有测点振动较小, 并未发生振动较大或异常现象。

        表 1    升速试验电机转速表

3 风电现场振动测试

        为进一步查找该型电机振动异常现象和原因, 随后在新疆哈密某风场两个不同地方对该型电机进行了实地振动测试。其中每个风场各选择了两台异常振动较大的电机进行测试,下文测试结果中各选择其中1台进行数据分析。

3.1 第一风场现场测试数据分析

3. 1. 1 电机静止状态模态测试结果分析

        静止状态下, 10号电机上表面布置7个法向加速度 测点,电机下表面布置6个法向加速度测点, 左侧面布置8个法向加速度测点, 右侧面布置7个法向加速度测点,电机前轴承端布置1个纵向加速度测点和1个径向加速度测点, 共布置30个振动加速度测点, 加速度测点布置与试验台架模态测试基本相同。风电现场测试见图6。力锤橡胶锤头敲击电机左侧面、上表面和前轴承端盖表面,分析电机模态结果。

        10 号电机敲击结果峰值频率为5.72Hz、11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz、53.8Hz。主要振型图见图7。

        11.3Hz 对应的主振型以轴为主线左右摆动,15.6Hz 对应的主振型为上下表面摆动,17.9Hz 对应的主振型为弯曲、扭转的耦合振动,53.8Hz 对应的主振型为水平方向同步振动(左右电机表面弯曲振动)。

图 6    10号发电机模态测试现场测试图

(a) 11.3Hz

(b) 15.6Hz

(c) 17.9Hz

(d) 53.8Hz

图 7   10号发电机静态敲击模态测试结果

3. 1. 2 电机运行状态测试结果分析 

        电机运行状态测试包括三种状态:

        (1)  电机空转升速测试

        (2)  电机加励磁不并网测试

        (3)  电机并网发电测试

        选择电机左侧面水平向测点和垂向测点作为分析的典型代表。

        现场振动测试表明: 电机空转升速过程中,电机振动良好。两个方向的测点速度振幅随着转速升高变化而增大,最大振幅都不超过1mm/s。水平向测点主要频率成分是1倍轴频、17.75Hz (不随转速变化)、53.8Hz (不随转速变化)等。垂向测点主要频率成分是1倍轴频、17.75Hz (不随转速变化)、5 倍轴频等。转子加励磁后振动迅速增大,电机左右侧面表面振感强烈,并网发电时也出现症状。

        电机加励磁不并网时水平向测点和垂向测点速度谱分别见图8。两个方向的测点最大振幅均超过10mm/s ,且均出现在 50Hz, 速度谱上也有100Hz、150Hz 的分量, 只是其振幅相对50Hz可以忽略。两方向的速度振幅是逐渐上升并稳定的。

        电机并网时水平向测点和垂向测点速度谱, 呈现与 加励磁不并网完全相同的现象。

(a)水平向                                  (b) 垂向

图 8    10 号电机1050r/min加励磁状态下速度谱

3. 1. 3 风场测试初步结论

        通过对10 号电机上述三个不同工况的振动测试分析,可得出如下结论:

        (1)电机空转升速测试表明: 电机-隔振器-安装基 座组成的电机系统在运行转速范围内整体没有共振发生;

        (2)电机加励磁及并网测试表明: 电机振动过大是由50Hz的力引起的,且50Hz 的力源幅值较大。初步分析来源于电磁力,而不是机械系统本身。

        为进一步验证上述结论,对同一风场的2号电机进行了相同工况的振动测试。 图9为电机水平向测点空转升速-励磁-并网发电-脱网整个过程的速度谱, 表现出与10号电机完全相同的规律,验证了上述结论的准确性。注意到转子加励磁-并网的过程中,频谱图中50Hz 的幅 值不是马上达到最大值,而是一个上升的过程。

图 9   2号电机空转升速-励磁-并网-脱网速度谱

        图10 所示为电机水平向测点加励磁时域数据曲线,  结合上述速度谱曲线,可以看出电机水平振动响应从小变大的时间花费时间为14s多,可以假设,电机转子-定子形成的等效电路中,电容或者电感值相对较大,延缓了定子上的感应电流变大的过程, 但定子上感应电流变大的趋势不变,从而导致50Hz的电磁力是逐步增大的,  而不是随着转子上加励磁电流马上达到最大值, 最终的 体现结果为速度谱上50Hz分量的幅值也是缓慢增加的。

3.2 第二风场现场测试数据分析

        通过对风场现场测试数据的分析,得到电机振动过大是由 50Hz 引起。从振动力学角度看,若电机转子、定子或由转子-定子组成的系统本身的固有频率没有50Hz附近的频率成分,即使50Hz电磁力较大,也不会引起较大的响应。为此在另一风场进行了两方面的验证:

        (1)进一步验证电机在 50Hz 附近的模态振型;

        (2) 通过对转子施加不同的励磁频率,测试不同励 磁频率下的电机响应。

图 10    2号电机水平向测点加励磁时域数据曲线

3. 2. 1 电机静止状态模态测试结果分析

        对于电机本身而言,其设计、制造、安装工艺一致, 模态频率和振型基本相同。

        第一风场中53.8Hz的模态振型表现为电机水平方向变形较大,电机加励磁时的振动响应也反映了这点。为此在第二风场主要针对电机水平向的模态振型,在电机左右侧面的三条水平向加强筋上增加了测点,此外增加了电机前后轴承的测点。

        图11为第二风场35号电机53.8Hz振型, 与第一风场10号电机完全相同,表明电机本身设计、制造、安装

工艺上一致。

图 11  第二风场 35 号电机 53.8Hz 主振型

3. 2. 2 电机运行状态测试结果分析

        经过变频器厂家的调试,11号电机上施加了 60Hz 的励磁电流,振动正常(11号也是施加50Hz励磁时振动较大)。

        在35号电机上继续调试,只能得到32.5Hz的励磁电流,现场测试结果表明,32.5Hz的励磁电流产生的振动相对50Hz 的励磁电流产生的振动可以忽略。图12即为施加32.5Hz左右的励磁电流(200A增加到270A) 时电机水平向测点的振动响应。可以看出速度频谱幅值极小, 最大不超过0.1 mm/s , 远小于50Hz 励磁时的15 mm/s的速度振幅。

        为了对比正常电机和振动较大电机的差异,对第二风场26号电机进行了正常并网发电时的振动测试。该风机已正常运行400小时。图13为该工况下电机水平向测点振动速度谱。可以看出, 最大振幅约为1 mm/s,主要为电机轴频17.75Hz,其他主要幅值非常小约为 0.04 mm/s,可以忽略。

图 12  第二风场35号电机施加32.5Hz左右的励磁电机水平向振动

图 13 第二风场26号电机正常发电电机水平向振动

3. 3 风电现场测试结论

        通过对第一风场2号、10号电机和第二风场26号、35号电机振动测试,可以得出以下结论:

(1)   电机-隔振器-基座组成的整体系统在电机空转转速600r/min~1200r/min范围内未发生共振;

(2)   两风场振动异常较大的电机表现原因相同,振速谱最大值均为 50Hz,有可能为50Hz电磁力引起;

(3)   电机整体存在53.8Hz的水平向振动模态, 使得50Hz的电磁力引起了较大的电机振动响应,尤其是电机水平向振动;

(4)  正常运行电机振速谱中50Hz 及其谐频振幅极小,振动异常较大的电机50Hz及其谐频振副较大(现有出现问题的约7台), 表明正常电机和故障电机间存在着差异,导致了50Hz的电磁耦合力产生。

4 改进前后转子振动测试

        采用Abaqus有限元软件针对该电机的振动固有频 率进行了有限元建模和计算分析,并在原有设计方案基础上提出了几种改进方案,最后对整个电机的优化提出了建议,。

        通过与电机厂协商确认,可接受的增大后的转子半径为130mm  (原半径为 105mm)。

        应委托方要求,对改进后的转子、改进前的转子分别进行了带支撑(安装状态电机整体放置于试验台架上) 的测试,对改进前的3.1MW 转子进行了自由悬吊下的测 试,结果见表 2。

        试验表明,改进前自由状态下 3.1MW 转子一阶固有频率为 76.5Hz 。改进前 3.1MW 转子(半径105mm) 整机安装于试验台架上时,在 50Hz 频率附近处, 垂向固有频率特性成分包括 55.5Hz、60.75Hz,水平向固有频率特性成分包括 55.5Hz、61Hz、83.25Hz 。改进后 3.1MW 转子(半径 130mm) 整机安装于试验台架上时,在 50Hz 频率附近处 , 垂向固有频率特性成分包括 65Hz 、 88.75Hz ,水平向固有频率特性成分包括57.75Hz 、 77.25Hz 、93Hz。

        经过分析,改进前 3.1MW 转子在试验台架上一阶垂向固有频率为 55.5Hz , 改进后转子在试验台架上一阶垂向固有频率为 65Hz, 表明改进后的转子一阶固有频率明显提高,远远偏离 50Hz。

        经电机厂反馈, 改进后的3.1MW 风力发电机替换原有故障电机时, 在新疆风电现场振动异常偏大现象消失, 现已投入正常运行使用,表明测试分析结论和改进建议的合理性。

图 14  自由悬吊状态下被测转子示意图

表 2    不同工况下转子固有频率测试结果

5 结论

        完成了3.1MW 风力发电机在试验台架、新疆风电现场的转子系统和整机振动特性测试。针对异常振动电机进行了故障诊断,提出了改进建议,并对改进前后的转子特性进行了试验。测试结果表明针对故障电机的分析合理性。改进后的转子在风电现场均已投入正常使用, 表明改进建议合理。

参考文献

[1]  曾军;  陈艳峰;  杨苹;  郭红霞.  大型风力发电机组故障诊断综述[J].   电网技术. 2018 年 03 期;

[2]  马宏忠;  张正东;  时维俊;  陈继宁;  陈涛涛.  基于转子瞬时功率谱的双馈风力发电机定子绕组故障诊断[J].   电力系统自动化. 2014 年 14 期;

[3]  李靖.  基于振动分析的风力发电机故障诊断方法[J].科技资讯. 2018 年 33 期;

[4]  吴艳标.  风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究[J].城市建设理论研究(电子版). 2018 年 07 期;

[5]  苗锐;  陈国初;  李月;  徐余法;  俞金寿.  基于随机集含糊证据的风力发电机故障诊断方法[J].   电力系统自动化. 2012 年 07 期;

[6]  吴建军;  杨俊华;  杨梦丽;   曾君;  杨金明.  风力发电机故障诊断的优化算法研究[J].  微特电机. 2013 年 05 期;

[7]  杨璐璐;  张新燕;  牛盛瑜;  张冠琪;  张亚敏.  基于多源信息融合-相关向量机的风力发电机故障诊断[J].   电机与控制应用. 2018 年 03 期.