大型双馈风力发电机振动特性分析与故障诊断

风能属于清洁的可再生能源，在全球能源结构里面越来越重要。大型双馈风力发电机因为运行效率高、调节灵活的特点成为风力发电主要用的设备。不过，由于所处环境比较复杂、运行条件变化多，发电机在运行的时会产生振动问题。过度振动不仅会让发电机性能变差寿命缩短，还会引起严重的故障问题，导致停机修理，给经济带来很大损失。因此，对大型双馈式风力发电机振动情况进行深入研究和分析，并找到故障诊断的有效手段对保障整个风电系统正常运行有重要的现实意义。

一、大型双馈风力发电机的结构与工作原理

1.1 结构组成

大型双馈风力发电机主要有定子、转子、轴承、端盖和冷却系统等部件组成。定子包括定子铁芯和定子绕组，定子铁芯通常由硅钢片叠压而成，用于提供磁路；而定子绕组负责产生感应电动势的部件。转子的结构包括转子铁芯、绕组和转轴，转子的铁芯同样用硅钢片叠压的方式，转子的绕组需要连接滑环和外面的励磁设备。轴承主要是用来支撑转子，保证其能够平稳旋转，端盖有保护里面零件和密封的效果。冷却系统主要用风冷或者水冷来散热，在发电机工作的时候把热量排出去，这样可以让发电机温度不会太高。

1.2 工作原理

双馈风力发电机的工作主要是根据电磁感应的理论。风力驱动风轮旋转，风轮通过传动装置带着发电机的转子转。在转子的线圈里通三相交流电当励磁电流，这样就能产生旋转的磁场。这个旋转磁场会和定子的线圈产生相对运动，于是定子绕组里就会有电动势出来。要是调整励磁电流参数，比如频率、大小、相位，就能控制发电机输出电参数，从而符合电网的要求。当风速变化时，只要改变励磁控制策略，就能让发电机一直处于良好的状态工作，最大效率利用风能。

二、振动特性分析

2.1 振动产生的原因

2.1.1 电磁力

定子绕组和转子里边的电流互相作用就会产生电磁力，这个是发电机振动主要的原因之一。当定子或者转子的绕组出现匝间短路、断路等，会让电磁力分布变得不平衡，造成更多振动。另外，气隙如果不均匀，电磁力就会变化，带来振动激励。

2.1.2 机械不平衡

转子在制造或者安装时，可能存在质量分布不均匀的情况，导致机械不平衡。在旋转过程中，这些质量不平衡就会产生离心力，导致转子振动的现象。振动会顺着轴承传到发电机别的地方，让整个发电机运行变得不稳定。

2.1.3 轴承故障

轴承是支撑转子最重要零件，其工作情况都关系着发电机的振动情况。如轴承的磨损问题、疲劳脱落、点蚀等都让轴承的刚性发生改变，从而产生振动。此外，还有如果润滑不良也会使摩擦力变的更大，导致振动更厉害。

2.2 振动特性参数

2.2.1 振动频率

振动频率是说明振动特点的关键参数之一。比如大型双馈风力发电机里，振动频率主要有转频和它的倍频、电磁力频率、还有轴承出问题时的特征频率等。转频指的是转子每秒钟转了多少圈，而它的倍频就是转频倍数后的数值。电磁力频率这个和定子转子的电流频率还有电极对数相关。轴承的问题特征频率要看轴承结构数据和转速，不同故障类型的频率各自不一样，如内圈外圈滚珠的损坏都会对应不同的频率数值。

2.2.2 振动幅值

振动幅度的大小说明振动的强弱。发电机正常的时候，各个部位的振动幅度会在某个范围里面。如果出现故障的话，振动的幅度就会变得特别大。所以监测振动幅度变化就可以判断出发电机是否存在故障以及故障的严重程度。

2.2.3 振动相位

振动信号的相位，它指的就是振动在时间轴上位置上的关系。当在多个测点监测振动时，如果比较不同测点振动信号的相位差别，就能判断出振动传递的方向和故障源位置。

三、故障诊断方法

3.1 基于振动信号分析的故障诊断

3.1.1 时域分析

时域分析指的是直接对振动信号的时间序列进行处理。常用时域指标有均值、均方根值、峰值指标以及裕度指标等。均值指标表示的是振动信号的平均水平如何，均方根值参数和振动能量存在正比例关系。峰值指标和裕度指标在检测冲击性故障时比较有效，当发电机比如轴承出问题或者齿轮出问题这样的冲击性的问题时，这时候这两个指标数值就会显著上升。

3.1.2 频域分析

频域分析主要是用傅立叶变换等方法，把振动信号从时域转化到频域里面，然后分析其频率成分。通过找到振动信号里面的特征频率，就能判断故障类型。比如，转子如果不平衡，频谱图上会有转频和它的倍频特别明显，如果轴承损坏，就会在对应轴承故障的特征频率的位置出现谱线。常用的频域分析还有功率谱分析、倒频谱分析等，功率谱分析可以看出不同频率成分的能量分布，倒频谱分析则有助于分离复杂频谱中的调制成分，提高故障诊断的准确性。

3.1.3 时频分析

时频分析这种方法可以同时表现出振动信号在时间和频率两方面的变化情况。特别是针对非平稳的这种振动信号来说，时频分析的效果更好。比较常用的时频分析方法有小波变换、短时傅里叶变换。小波变换是通过选合适的小波基函数，把信号进行多分辨率分析处理，这样的话就能比较好地把信号里短暂出现的特征提取出来，这对发现早期故障比较重要。而短时傅里叶变换方法主要是加窗函数把信号分成段再傅里叶变换处理，这样就可以在一定范围内展示信号随时间变化的特性。

3.2 基于其他参数监测的故障诊断

3.2.1 温度监测

发电机工作时，因为绕组的电阻会发热，再加上铁芯损耗也产生热量，还有机械部分的摩擦生热等原因，各个地方的温度都会上升。要是发生故障，比如线圈短路或者轴承损坏，就会让某些点的温度变得特别高。在发电机的重要位置装上温度传感器，能实时看着温度的变化，这样就能早点发现可能存在问题。通常来说，当温度比平时工作时候高出一定程度，就需要给发电机做检查和维护。

3.2.2 电流监测

定子电流和转子的电流变化也能反应发电机运行的状态。当发电机出问题时候，比如说定子绕组匝间短路、转子断条等故障发生时，就会让电流的幅度相位还有波形跟着变化。通过监测这些电流参数，去和正常时候的参数参考值做比较，就能看出来发电机有没有存在故障。另外，还能分析电流里面的谐波含量，更深入判断故障的种类，如定子绕组匝间短路会让电流里面出现些特定的谐波分量。

结论

大型双馈风力发电机的振动特点和故障诊断是保证风力发电系统能可靠运行的关键步骤。通过深入了解发电机的结构和工作原理，分析振动产生的原因和特性参数，采用基于振动信号分析以及其他参数监测的多种故障诊断方法，可以及时、准确地发现发电机的故障隐患，为采取有效的维修措施提供依据。

参考文献：

[1] 刘宇, 谭伟, 闻婧. 大型双馈风力发电机振动特性分析与故障诊断[J]. 风机技术 , 2012(4):4.DOI:10.3969/j.issn.1006-8155.2012.04.014.

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