浅谈风力发电机组故障诊断技术

学术论文张毅 陈惠英 2018-12-17 10:22:07
    1 风力发电机组的原理及组成
    风力发电机组在运行时主要就是依靠风流流过风轮,从而使风轮按照一定的方向进行旋转,这样在风轮旋转的作用下能够将风能转换为机械能,然后将机械能传递到机舱内部的传动系统中,在传统系统的作用下将机械能转化为电能,这样经过能量的不断变化,就是风力发电的工作原理。
    就目前来说风力发电机的类型有很多,但是对比发电机的利用效率、控制工艺等,常见的风力发电机组中采用水平轴风力发电机,该发电机在结构上主要是由风轮、机舱、塔筒、塔基四部分组成。其中机舱是整个机组中核心组成部分,在该部分中包含发电机组的传动系统、制动系统、发电机、冷却系统、偏航系统、变桨系统和中心控制柜。其中的传动系统主要是由主轴轴承、主轴、增速齿轮箱和联轴器等部件组成。
    2 风力发电机组故障诊断技术
    风力发电机组故障诊断技术主要就是通过对机组内各个零部件的运行状态进行分析,从而判断其是否工作在正常状态下,本文就主要针对发电机组中的齿轮箱、发电机、叶片和变频器四个主要的零部件进行分析,确定对这些零部件的故障诊断技术。
    (1)齿轮箱故障诊断技术
    风力发电机组的齿轮箱主要安装在机舱内部,其主要的功能就是连接主轴和发电机,然后将风能转化为电能就目前来说,基于振动信号的故障诊断方法是目前来说技术最为成熟、应用最为广泛的一种故障诊断方式,因此在风力发电机组中该故障诊断技术应用最多,尤其是在齿轮箱、轴承、叶片等一些关键性零部件故障诊断中。HuangQ等人在振动信号故障诊断技术的基础上结合风电机组的故障特点,提出了小波神经网络故障诊断,该诊断主要是对机组中的齿轮箱的故障进行诊断。严如强该等人还将振动信号中的小波变化和空间分析方法对机组内的微弱故障信号进行检测,并根据其非平稳和瞬态的特点对齿轮箱中的故障信号进行分析,找到故障的外在表现基本特征。
    除此之外,振动测量和频谱分析也是在齿轮箱故障诊断中一个典型的应用技术,该技术首先对异步发电机中的电流信号进行检测,然后对检测到的电流信号进行解调处理,接着将已经处理好的信号利用离散小波变换的方式作用到电流信号上,从而利用频谱的层次性对齿轮的故障进行判定。
    (2)发电机故障诊断技术
    发电机的主要功能就是将机械能转化为电能,由于发电机经常工作在电磁环境下,使得定子绕组等很容易产生故障。目前在发电机中常见的故障诊断方式就是对定子或者是转子的电流、电压和输出功率的信号进行检测,从确定故障问题。可以通过对定子中的三相电流进行检测,可以确定定子匝间是否存在短路的问题;可以通过对输出信号的检测从而确定转子轴承是否产生偏心的故障;可以通过电流、电压和输出功率三个数据参数进行检测和分析,从而针对转子绕组之间的是否存在故障等等。
    除此之外还可以对小波分析法和傅里叶变换的方法对电机的功率进行分析,从而确定转子角误差、轴承故障等多种故障。其中小波分析法主要对电机中产生的不稳定信号进行时域特性的分析,然后利用傅里叶变换对其中各个谐波元件的振幅进行检测,这样就可以找到电机中峰值振幅谱的小波系数,这样就可以有效的提出电机定、转子的故障特点,为电机故障诊断奠定基础。
    (3)叶片故障诊断技术
    叶片由于裸露在外界环境下很容易受到损害。因此在对叶片故障进行诊断时可以采用振动信号进行检测,具体来说就是利用监测系统的作用对叶片的工作状态进行实时动态监测,并根据发电机的电压和电流,计算出发电机的输出功率,假如说叶片产生损害,就可以通过振动信号的结构特征对叶片进行分析。
    另外还可以利用光纤光栅传感器测量系统对叶片进行故障诊断。光纤光栅传感器在使用时不容易受到电磁干扰的作用,也不容易产生腐蚀,很适合对叶片的运行状态进行监测。光纤光栅传感器能够对叶片在旋转过程中产生的不同荷载进行分析,根据荷载变化的不同确定叶片的工作状态是否稳定。同时还可以利用归一化双谱和双相干技术对发电机两端的功率谱密度进行分析,这样可以对叶片损伤的失效容限进行有效的确定。
    (4)变频器故障诊断技术
    变频器在运行时很容易受到高温、电磁的影响从而产生故障,从而导致误动作现象的产生,因此在进行故障诊断时可以在仿真的环境下对变频器故障产生的原理以及产生的类型就进行仿真分析,并将仿真的数据与实验设定好的数据进行对比,并利用神经网络的方式对故障进行定位和诊断。由于变频器在使用时具有非线性的特点,因此可以采用波形直接分析的BP神经網络故障诊断技术对变频器电路的工作状态进行检测,确定变频器故障的位置和性质。
    结论
    通过以上的分析,利用先进、科学的故障诊断技术能够有效的对风电机组在运行过程中产生的故障进行准确判断,从而为后期的维护奠定良好的基础,保证整个机组能够长久、稳定的发展。本文就是在分析风力发电机组结构和运行原理的基础上,根据风力发电机组的特点提出了针对齿轮箱、发电机、叶片和变频器四种常见零部件常见故障诊断技术。
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