基于振动分析的风力发电机故障诊断方法

张佳孔

摘 要：现阶段，风力发电机组工况越来越繁琐，出现故障的几率比以往多出很多倍，并且无法再像以往那样，通过单一信号处理方法，来实现有效的机组状态，监测故障诊断方法。进而提出了一种以振动信号分析，以及集成多种常用信号处理方法为基础的风力发电机组故障诊断方法。该种方法以风力发电机组的结构参数和运行特点作为入手点，分析了机组运行过程中，经常会出现的故障，及其产生机理。并通过多测点振动信息采集获得，某种双馈式风机发电典型工况的振动特点，再运用时域和包络调解法，对信号进行研究处理，进而提取出振动信号中隐藏的故障特征信息，最终拆解风机发电机，以及更换报告结果，得出该方法的实用性。

关键词： 科学技术 分析与研究 环境恶劣 轴承故障

机理

一、风机发电机故障机理分析

由于风力发电机组工作环境较差，再加上风速的变化多样和外部的载荷也常常变化，使得机组内部元件长期处于不稳定的运行状态，很容易导致部件发生损坏，进而影响风机发电机整体的使用效果与使用寿命。下文将以发电机故障为主要研究对象，进行阐述。据调查可知，风电机组的发电机故障基本上以电机振动大、发电机轴承过热、刹车盘的变形、偏航减速器出现故障等等为主。据统计，这些故障主要原因是定子绕组绝缘发生破损、转子平衡效果不佳。通过分析振动信号的轴承故障诊断可知，第一步需要根据轴承型号参数，根据原厂给出的基础数据，计算出轴承的故障特征频率。

二、 风机振动信息获取

我国某一风场的SL82-1500k W风力发电机组，其主传动链系统由叶片和齿轮箱以及发电机构成。风力发电机组的主要作用是把风能转化成机械能，再传给发电机进行发电，最后转化为电能。风电机组内，核心部分属于双馈式风力发电机，又称作交流励磁发电机，其运行速率在一定范围内是可以调控的，可以不断优化风能利用系数，最后让电功率可以稳定输出。通过对该型机组的某台风机发电机振动超大现象，对其振动信号进行收集，确定使用传感器测点配置为以下几点。1）主轴承垂直；2）第一级内齿圈垂直；3）第二级内齿圈垂直；4）平行轴水平；5）高速轴垂直；6）高速轴水平；7）发电机驱动端垂直；8）发电机自由端垂直等。这种机器连接的顺序为：发电机的两头为发电机自由端轴承与发电机驱动端轴承，由发电机驱动端轴承连接联轴器，联轴器是发电机与齿轮行的连接中枢，由联轴器连接齿轮箱输出轴。由齿轮箱输出轴与齿轮箱中间轴连接齿轮箱定轴轮系，从而进一步与齿轮箱内齿圈、齿轮箱二级平行星轮系与齿轮箱一级平行星轮系，再继续齿轮箱连接主轴轴承，最后连接叶片。

三、可能出现的问题

3.1齿轮箱。齿轮箱是连接电机组与电机传动部位的重要部件，齿轮箱可以让主轴上的转速迅速提高到想要达到的高转速模式，用来满足发电机工作时对转速的需求。齿轮箱的工作环境极其恶劣、工作状况也比较复杂，但传递的功率很大。在风电机组的运行过程中，不断地受到冲击荷载作用的影响，齿轮之间可能发生齿面擦伤、点蚀、齿面磨损等故障，轴承也可能发生滚道滑伤、磨损、外圈跑圈等故障。齿轮箱故障发生的频率很大而且维修的费用贵、维修时间长，所以齿轮箱的故障诊断要进行着重研究。

3.2电机。现在的风力发电机主要应用永磁同步发电机与双馈发电机，双馈发电机转速高，整体的齿轮箱增速效果好，但整体的重量比较大，而且在运转时噪声也很大。异步发电机，转子由变流器连接，变流器让功率双向流动，运用转子的调节，让变速恒频运行。电动机也在风电机组的变桨、偏航等系统中出现。电机的故障有机械故障与电气故障两种形式。轴承过热导致损坏，转子间隙异常，轴承磨损、损坏都是机械故障。绕组短路、过热、断路三相不平衡等都是电气故障的范畴。

3.3 控制系统和传感器。风力发电机组的许多系统都需要控制系统对其控制。在控制系统里面包括了多种多样的传感器与控制器，经过传感器收集各類信号发送给控制系统，控制系统对其进行分析，通过控制器对风电机组的各个部分做出保护，让发电机组的工作环境更加的稳定。但由于风电机组的工作环境很差，有时传感器与控制器也可能出现故障。当发生硬件故障时需要工作人员关闭风电机组对其进行维修，当软件出现问题时可以尝试重启机组观察情况。

四、振动信号处理与分析

4.1 时域分析。时域分析主要考虑信号的时间顺序，以及振动信号随时间变化的走势，通过收集到的信息，对信息进行统计并得出之间的规律，最后得到振动信号的特点。该种分析主要是通过提取振动信号的时域特征指标，再以这些指标作为依据判别故障类型。一般情况下，常用的特征指标有均值、方差或者有效值等等。但特征指标会跟着工况的变化而发生改变，因此，时域分析存在对故障不敏感等等缺点。

通过应用MATLAB编程，得到4个通道的时域波形，其具体振动信号波形图。发电机自由端两个方向的振动幅值整体低于驱动端两个方向的振动幅值，大约是其幅值的1/4，所以基本可以判断出发电机驱动端轴承出现故障，使得振动幅值提高。所以，下面需要着重分析发电机驱动端振动，选择合适时间段信号分析其频谱结构特点。发电机驱动端垂直信号的键相信号，输入轴只要转一圈，发电机驱动端垂直方向就会产生一个冲击信号，为得到时域波形中的冲击信息，需要对信号进行局部阶段处理，选取转速较高振动较为平稳的2s数据进行分析。

4.2 频域分析。一般地，选取故障诊断法来分析振动信号频域，此方法通过利用傅里叶变换，将信号分成一系列频率分量叠加的形式。因为该方法可以得到信号幅值或者相位与频率之间的关系，进而反映出振动信号内在的频率结构，这有利于故障类型判别，因此在风电装备的状态监测和故障诊断中，得到相当广泛的应用。

4.3包络分析。通常情况下，共振解调技术又称为包络分析，其一般应用在滚动轴承的故障诊断中。此方法可以通过对振动信号进行Hilbert交换，把轴承故障频率从共振频率中解调出来，用于滚动轴承的前期故障诊断。

四、结束语

通过对上文分析与研究可知，对于发电机主传动链振动监测和故障诊断问题而言，第一，该方法根据风力发电机运行机理和结构特点出发，分析了传动链的故障类型。第二，此方法根据振动信号的时域分析，以及频域分析等等，可以快速的从信号中提取故障特征频率，判断出故障位置。第三，该方法简便、效率高，可以为后期的风力发电机组状态监测提供很好的技术支持。

参考文献

[1] 赵铁印.双馈式风力发电机组发电机滚动轴承状态监测及故障诊断方法的分析[J].科技风，2018（19）

[2] 李梦诗.基于深度置信网络的风力发电机故障诊断方法[J/OL].电机与控制学报，2019（02）