振动对双馈异步发电机的影响研究分析

2015-12-12魏家柱

风能 2015年5期

文 | 魏家柱

随着风电产业的发展，我国也经历了从小机型到大机型、从纯进口到完全自主设计制作的创新发展历程。目前，我国市场上应用的主流机型为直驱风电机组和双馈异步风电机组。双馈异步发电机的冷却方式主要为风冷式和水冷式，风冷式完全采用1排－2排排风扇将发电机的热空气通过散热器排出机舱，水冷式采用冷却液对发电机周体进行热交换。本文通过对蒙东地区安装在线振动检测系统的400台1.5MW机组的这两种双馈异步发电机的损坏情况进行统计对比，并分析研究振动对两种散热方式不同的双馈异步发电机的影响。

水冷式和风冷式双馈异步发电机损坏情况统计

本文对两种不同散热方式的双馈异步发电机进行了连续5年的损坏情况统计，对比基于蒙东地区3个风电场的统计数据。每个风电场的维护方式基本相同、风况基本相同、自然环境均为低海拔草原环境、均属于东北电网管辖区域限电情况基本相同。详细统计如表1。

从表1的统计数据对比可以看出，1.5MW风电机组使用的水冷式双馈异步发电机损坏率远远高于风冷式双馈异步发电机。水冷式双馈异步发电机每年的损坏率居高不下，给配有较多水冷式双馈异步发电机风电场的生产经营带来了较大的冲击,生产经营成本呈上升趋势。正是在这一背景下，我们开始对发电机损坏问题进行研究，并提出了振动对齿轮箱和发电机的影响关系。由此，我们开始对发电机的振动问题展开了多方面的研究论证。

经过讨论分析，最终从四个方面就振动对机组发电机的影响进行了逐一分析论证。

齿轮箱与发电机的振动关系对比

一、振动采集数据形式及对比方式

本文均选取在线振动监测仪采集的振动加速度值作为振动分析的基本量。然后，选取齿轮箱、发电机的不同测点进行比较。为了提高对比结果的可信度，我们对多个发电机进行采样，然后将此测点的加速度值进行累加，并对各个测点相同数量的累加总值进行横向比较。

计算公式举例如下：

某测点累加总值=X1+X2+X3+······+Xn

图1 双馈异步风电机组的基本结构

表1 水冷式和风冷式双馈异步发电机损坏情况统计表

Xn表示在相同转速下（本文测点均在1600rpm取值）测点的振动加速度值，n表示共采集了n台风电机组的振动加速度值，选取的风电机组数量越多，最后的对比误差就越小。

振动测点测试数据统计举例见表2。

图1为双馈异步风电机组的基本结构，从左侧起为轮毂、主轴轴承、主轴、齿轮箱、联轴器和发电机。图1中发电机上半部分为风冷结构，水冷结构的双馈异步发电机体积为风冷式的2/3。

二、两种不同散热方式的双馈异步风电机组及其配置的齿轮箱振动对比

图2对两种不同散热方式的双馈异步风电机组及其配置的齿轮箱振动关系情况进行了比较。

经过对比分析得出两点结果：

1. 从统计数据比对来看，FL风电机组齿轮箱高速轴振动总值较FL风电机组发电机驱动侧振动总值要大，振动强度有从齿轮箱到发电机明显减小的趋势；可以得出，齿轮箱的振动经过联轴器传递后振动强度消弱了，而发电机自身并未受到比齿轮箱侧强度更大的振动冲击。

2.从统计数据对比分析，SL风电机组的齿轮箱高速轴振动总值较SL风电机组的发电机驱动侧振动总值小，振动强度有从齿轮箱到发电机明显增大的趋势；可以得出，发电机侧受到比齿轮箱侧传递的振动强度更大的振动冲击，即发电机如果在振动方面出现问题自身的振动冲击影响更大一些。

（一）SL风电机组齿轮箱与FL风电机组齿轮箱振动比较

由于SL风电机组配置的齿轮箱全部为两级行星一级平行结构，FL风电机组配置的齿轮箱全部为一级行星两级平行结构，所以我们需要对两种齿轮箱的振动情况进行比较，如图3所示。

图2 FL和SL风电机组振动比较

表2 振动测点测试数据统计

图3 FL和SL风电机组齿轮箱振动比较

图4 水冷散热式和风冷散热式双馈异步发电机比较

图5 SL发电机损坏前和SL正常发电机振动比较

经过对这两种齿轮箱振动监测的数据进行统计比对，我们发现FL风电机组齿轮箱较SL风电机组齿轮箱的加速度冲击幅值明显较大，即FL风电机组齿轮箱受振动冲击强于SL风电机组齿轮箱；另外，考虑FL风电机组更换发电机的数量极少，而SL风电机组更换发电机的数量较多，所以SL风电机组齿轮箱振动冲击不应是造成SL风电机组发电机损坏的主要原因。

（二） SL风电机组发电机与FL风电机组发电机振动比较

我们对水冷散热式和风冷散热式两种双馈异步发电机进行比较，如图4所示。

经过对蒙东地区3个风电场的共40台发电机的3个测点的振动监测数据进行统计比对，我们发现在整体上水冷式双馈异步发电机的振动冲击要高于风冷式双馈异步发电机的振动冲击，且振动总值远远高于风冷式双馈异步发电机的振动总值，这个现象在这3个风电场均有表现，即水冷式发电机在同等转速下振动强度大于风冷式发电机。

（三）水冷式发电机损坏前和正常运行水冷式发电机的振动比较

我们对发电机损坏前的振动情况和正常运行发电机的振动情况采集振动数据进行横向比对，如图5所示。

从图5可以看出，由于振动检测历史数据存储量有限，所以我们只采集到了6台发电机损坏前的振动数据，同期正常运行发电机的抽样数量为6台。在这里我们对发电机3个采样点的数据进行了振动值累加计算，比对结果显示：发电机损坏前的振动总值略高于正常运行发电机的振动总值，即振动的增大对发电机损坏有一定影响；同时，考虑到图5使用的数据量相对较少，不排除比对结果存在偏差的可能。