风力发电机组发电机振动故障分析

风力发电机组发电机振动故障分析

赵红波

内蒙古华电新能源分公司 内蒙古呼和浩特市 010020

摘要：在过去的时间里，传统旋转设备的振动状态监测技术已经得到较好的发展， 它主要依靠振动信号的频率特性以及振动趋势变化来分析和判断旋转设备的振动故障。风力发电机组也是一种旋转设备。其传动链由主轴、滚动轴承、变速齿轮箱和发电机等主要部件组成， 振动的测点位于滚动轴承的轴承座、齿轮箱的行星齿轮环上， 它具有以下不同于传统旋转设备的特征，在风力发电机组传动链上， 部分旋转设备转速非常低。它不但对振动传感器安装有较高的要求， 以避免微弱的振动信号被噪声信号淹没，而且对振动传感器和振动监测设备的性能参数也有较高的要求， 如加速度传感器的分辨率等。

关键词：风力发电机组发电机；振动故障；

随着社会和经济的发展，人类面临着能源开发利用与环境保护的双重压力。风能是一种可再生、无污染、蕴藏量丰富的自然资源，逐步受到了各国的重视，成为重点开发能源之一。随着开发的深入，对大型风力发电机组的要求越来越高，发电机组的结构也越来越复杂，同时故障率也随之增加。机组出现故障，不但会导致停电影响生产应用，也会带来严重的安全事故，造成重大损失。

一、风力发电机组介绍

风力发电机组包含风轮、轮毂、结构、变桨距系统、齿轮箱、发电机、控制系统、传感器、电气系统、刹车系统、偏航系统及液压系统等。首先通过风轮转换为机械能，再通过齿轮、主轴以及发电机将机械能转换为电能，从而实现风力发电。若在管理者的操作中只能够采用风况调节的这一方法对运行中的发电机组进行调节，难以将风况参数和风机运行之间相适应，难么就会出现风况参数改变转速和功率在发电机组中也会随之改变的情况，自然也会造成振动复兴差在发电机组中出现。因此，将在线永久的监测应用在风力发电机组的运动中就显得非常有必要，其不断能够对传动链中瞬时异常的现象发生起到捕获作用，还能够在离线的状态下对振动发生的趋势以及历史数据的特征等进分析。

二、风力发电机组发电机振动故障分析

发电机是风力发电机组的核心部件，长期工作在变工况和电磁环境中，是故障高发部件。常见的故障有：发电机过热、线圈短路、轴承过热、振动过大、转子断条及绝缘损坏等。本文主要针对振动过大的故障进行分析。风力发电机组振动的大小对机组的安全运行有很大的影响，对于风场而言安全是最为重要的。引起机组振动不正常的因素有很多，主要包括：设计制造、安装、运行、维护等。其工作监测的时间是长期的过程，需要按照传动链在低转速的风力发电机组中具体的传动变化的情况来定，这也便于诊断低速传动链在风力发电机组中的时间。发电机在工作时其转子是高速旋转的，如果转子的旋转中心与质心不重合，则会导致转子不平衡产生离心力，从而引起机组振动，如果离心力大于阈值就会导致机组振动异常。因此，在装配机组的转子时需要对每一级叶片进行平衡实验，在出厂前还需要进行低速及高速转动平衡实验，确保不平衡量在合格范围内。在制造厂家，转子不平衡的主要原因是机械加工不精密和装配质量差，为了保证转子的原始平衡度，需要提高加工精度、保证装配质量。叶片折断、脱落、腐蚀、磨损、结垢、绕组松动等都会导致转子发生质量不平衡。这样，转子在转动的过程就会受到离心力的冲击，而周期性的冲击会引发振动。在转子发生形变时，即使发电机动静部件之间不存在摩擦，也会出现振动，其振动特性和转子质量不平衡引发的振动情况相似，但是这种情况下的振动表现为轴向振动，特别是在临界转速时，其轴向振动更为剧烈。如发电机静子与转子之间的空气间隙不均匀、绕组短路等都会导致机组异常振动。对于转动机械而言，微弱的振动不可避免，只要是振幅不超过标准规定值都属于正常的振动。这里所说的振动是指转子在工作中的振幅比原有水平增大，特别是振幅超过标准所允许的值，也就是异常振动。任何一种异常振动对设备都有着极大的危险，例如轴系质量失衡（叶片脱落、大轴弯曲等）、动静摩擦、轴承损坏或轴承座松动、膨胀受阻、电磁力不平衡等都会使振动增大，甚至出现强烈振动。强烈的振动会引起机组其他部件松动或损毁，使动静摩擦加剧，导致恶性循环，使设备加速损坏。因此，新安装或检修后的机组，必须经过试运行，保证各轴承振动及各轴承处轴振参数在标准要求以下，才可以投入运行。风力发电机组运行中的发生振动故障会影响机组的经济性，也对安全运行产生极大的威胁。因此在发电机的运行过程中，必须对轴承和大轴的振动进行严格的检测，在振动参数超过标准值时要及时采取相应措施，避免造成重大事故。

建议

1.采取有效措施。(1) 将数字滤波器安装在风机的控制系统中并校准好，采取预处理的措施对发电机的转速信号进行调试，对调节滤波后系统的信号需要进行控制，以便稳定的一个无放大情况的参数值能够被变桨系统得到。(2) 升级原控制程序版的软件，由平滑稳定的波形代替以往不稳定波形。(3) 在风机振动监控系统中的硬件系统不需要改变，其继续沿用以往采集信号的方式，同时将风机振动的传感器引起故障的可能性排除了，证明了研究方案的有效性。(4) 从现场的实验数据中我们得知，在软件升级以后，波动被维持在平稳状态，远离了报警值，以致振动报警的情况被消除。(5) 在风机配置系统中装入了新的DAS 系统，其能够保证系统的正常运行，没有发生报警情况。(6) 风机机组在更新软件以后，内部控制系统重新配置，使振动水平一直维持在平稳的状态，并且与报警阙值相比明显较低。

2.目前国内对于风电机组齿轮箱齿轮、主滚动轴承的故障诊断也处于摸索阶段，这些部件的振动情况缺乏足够的历史运行数据进行比对分析，对于位于齿轮箱内的轴承及啮合齿轮的频谱诊断也缺乏足够的实践经验。今后在风电机组的运行维护中应注意以下几点：①必须深入了解滚动轴承、齿轮箱输入的载荷谱及齿轮箱的原始振动频谱，对主轴承、齿轮箱故障进行预防，当出现故障特征频率时及时分析处理，并不断进行测试最终建立故障数据库。②定期检查润滑剂是否有杂质、是否失效，啮合、接触部位是否得到充分润滑。③设计厂家应对不同用户采取不同设计数据，对风力变化大、交变应力大的应用风场，应对齿轮箱及轴承采取强化设计。

风力发电作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。风力发电机组，大体上可分风轮、发电机和铁塔三部分。发电用的风力机有多种型式，根据风轮结构及在气流中的位置可分为两大类：水平轴式和垂直轴式风力机。实际投入应用的风力机多为水平轴式高速风力机。随着我国风力发电事业的发展，风电装机逐年快速增加，风力发电机组单机功率迅速增大，风力机叶片、低速载重轴承、齿轮箱、发电机等组成部件随运行时间延长、工况交替变化都可能出现各种失效故障，为避免恶性故障的产生，同时最大限度的减少维修成本的支出，就必须在这些部件进入加剧磨损期前通过维护措施延长其使用寿命，并在其即将损坏前及时更换。因此加强对风力发电机组振动的监测，及时发现故障隐患、快速分析、诊断、处理故障，对保障风力风力发电机组安全运行有重要意义。

参考文献：

[1]李静.风电机组传动系统故障检测及诊断研究[D].南京:东南大学,2017.

[2]郭梅. 风力发电机传动系统振动监测与故障诊断系统研究[D].杭州:浙江大学,2017.

[3]刘亚昆，吴兴伟． 风力发电机组振动故障及信号分析技术综述［J］． 沈阳工程学院学报( 自然科学版) ．2017( 4) : 298 － 301．