3.1MW 風力發電機故障診斷振動測試分析

劉 朋,胡志寬 ,藍恭華,李 廣,周慶云

船舶振動噪聲重點實驗室,無錫 214082

        摘  要:完成了某風力發電機振動特性測試。通過在試驗臺架、風電現場測試,得到了臺架和現場測試環境下的電機動態響應特性。試驗表明,單純的試驗臺架振動特征不足以反映現場的全部振動特性。針對故障電機的轉子進行了診斷,并提出了改進建議。對改進前后的轉子特性進行了試驗,測試結果表明針對故障電機的分析結論和改進建議的合理性。

        關鍵詞: 風力發電機;轉子;故障診斷;動力響應

        中圖分類號:O329 TM TP206+.3        文獻標識碼:A

        風能作為一種清潔能源,正以極快的速度發展。 由于風力發電機組通常處于野外, 環境條件惡劣, 容易出現故障, 維修起來耗費大量的人力物力。國內開展了大量關于風機的故障診斷研究[1]-[3] ,取得了豐碩的成果,  開展了形式多樣的狀態監測和信息融合診斷技術[4]-[7] 。大部分研究基于數值計算和理論分析,提出了各種控制措施, 然而由于風電電機系統的復雜性和運行環境的多變性,需要在設計之初就考慮系統的振動特性,進行優化設計并開展相應的試驗驗證,以避免振動異常產生。

1 試驗對象

        某單位設計制造的雙饋發電機用于風力發電機組如圖1所示。該發電機總重12.1噸,  由4.3噸的轉子、3.6噸的鐵芯 (含線圈) 、2.3噸的箱體和1.9噸的軸承及端蓋組成。 發電機箱體部分長約2.22m , 寬 1.45m,高1.345m。鐵芯長約1m , 呈圓柱體形狀, 外徑1130mm內徑850mm。箱體上布置三條橫向加強筋, 鐵芯與橫向加強筋通過4個點焊接剛性固定。電機整體通過4個ESM隔振器 (進口) 彈性安裝在基座上,電機-隔振器-基座組成的電機系統與增速齒輪箱所在的塔筒基座通過8個螺栓縱向連接,該基座下部懸空,以齒輪箱安裝基座面為基準呈懸臂梁狀態。發電機工作方式為水冷,通過左側面的進出水口循環,水箱安裝在電機頂部的箱體上。風力發電機運行轉速范圍為600r/min~1380r/min,正常并網發電轉速為 900r/min~1200r/min。

        據該公司介紹, 該發電機已安裝于新疆哈密兩個風場,其中第一風場安裝12臺發電機,該風場與該公司配套變頻器為ABB變頻器;第二風場安裝16臺發電機, 該風場與該公司配套的變頻器為超導變頻器。經業主反映, 幾臺電機并網發電時電機振動較大,而其他大部分電機并網發電時振動正常。

        為摸清該型部分電機異常振動原因,中國船舶重工集團公司第七。二研究所開展了以下幾方面的測試:

        (1)  試驗臺架振動測試

        (2)  風電現場振動測試

        (3)  改進前后轉子振動測試

        本次振動測試儀器如下: 丹麥 BK 8204 IEPE 型力錘, 丹麥 BK 4507B/4508B TEDS型智能傳感器, 丹麥BK 3660D多通道數據采集分析系統和丹麥BK的模態分析軟件。

圖 1 發電機組臺架現場

2 試驗臺架振動測試

        據現場測試結果反饋,電機運行時振動過大的頻率分布范圍在10Hz~12Hz、16Hz~18Hz、52Hz 附近。為摸清電機振動特性,在該廠試驗臺架上,進行了以下幾方面的測試。

2.1 初步敲擊測試

        靜止狀態下,在電機接線端一側的平面四個角點上布置4個法向加速度測點,力錘敲擊某角點位置,得到如圖2所示的傳遞函數結果, 頻率分辨率為0.125Hz 。可以看出,在 10Hz~20Hz 范圍內, 出現兩個峰值約為11.38Hz、17.7Hz。上述測試狀態為電機頂部水箱不加水。

圖 2 靜止狀態初步敲擊測試結果

2.2 靜止狀態模態測試

        靜止狀態下, 電機上表面布置7個法向加速度測點, 電機下表面布置7個法向加速度測點, 左側面布置8個法向加速度測點, 右側面布置7個法向加速度測點,電機軸端布置1個縱向加速度測點, 共布置30個振動加速度測點, 加速度測點布置如圖3所示。力錘橡膠錘頭敲擊電機右側面和上表面,分析電機各表面模態和整體模態結果。

圖 3 試驗臺架模態測點布置示意圖

        敲擊結果峰值頻率為 5.72Hz、8.9Hz、11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz , 模態置信因子如圖4所示。

        11.2Hz對應的主振型以軸為主線左右平動,15.6Hz對應的主振型為上下表面平動,17.7Hz對應的主振型為彎曲、扭轉的耦合振動。圖 5給出了17.7Hz 的振型示意圖。

        圖 4 模態置信因子    圖 5  臺架17.7Hz主振型

2.3 升速測試

        根據試驗臺架靜態敲擊模態試驗結果,結合電機自身正常運行轉速,進行600r/min~1200r/min升速試驗。在上述 11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz頻率附近對應的轉速 670r/min、940r/min、1070r/min 附近轉速以每 10r/min 加密測試,其余轉速以每30r/min測試。試驗時轉速如表1所示。表中,轉速單位為r/min , 頻率單位為 Hz。

        電機11.2Hz頻率成在升速過程中,只有在670r/min附近有比較大的峰值, 隨著轉速升高,該頻率幅值下降。17.7Hz的頻率成分在所有轉速中均有體現, 在1060r/min轉速附近達到最大峰值。

        試驗臺架的升速試驗過程中,所有測點振動較小, 并未發生振動較大或異常現象。

        表 1    升速試驗電機轉速表

3 風電現場振動測試

        為進一步查找該型電機振動異常現象和原因, 隨后在新疆哈密某風場兩個不同地方對該型電機進行了實地振動測試。其中每個風場各選擇了兩臺異常振動較大的電機進行測試,下文測試結果中各選擇其中1臺進行數據分析。

3.1 第一風場現場測試數據分析

3. 1. 1 電機靜止狀態模態測試結果分析

        靜止狀態下, 10號電機上表面布置7個法向加速度 測點,電機下表面布置6個法向加速度測點, 左側面布置8個法向加速度測點, 右側面布置7個法向加速度測點,電機前軸承端布置1個縱向加速度測點和1個徑向加速度測點, 共布置30個振動加速度測點, 加速度測點布置與試驗臺架模態測試基本相同。風電現場測試見圖6。力錘橡膠錘頭敲擊電機左側面、上表面和前軸承端蓋表面,分析電機模態結果。

        10 號電機敲擊結果峰值頻率為5.72Hz、11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz、53.8Hz。主要振型圖見圖7。

        11.3Hz 對應的主振型以軸為主線左右擺動,15.6Hz 對應的主振型為上下表面擺動,17.9Hz 對應的主振型為彎曲、扭轉的耦合振動,53.8Hz 對應的主振型為水平方向同步振動(左右電機表面彎曲振動)。

圖 6    10號發電機模態測試現場測試圖

(a) 11.3Hz

(b) 15.6Hz

(c) 17.9Hz

(d) 53.8Hz

圖 7   10號發電機靜態敲擊模態測試結果

3. 1. 2 電機運行狀態測試結果分析 

        電機運行狀態測試包括三種狀態:

        (1)  電機空轉升速測試

        (2)  電機加勵磁不并網測試

        (3)  電機并網發電測試

        選擇電機左側面水平向測點和垂向測點作為分析的典型代表。

        現場振動測試表明: 電機空轉升速過程中,電機振動良好。兩個方向的測點速度振幅隨著轉速升高變化而增大,最大振幅都不超過1mm/s。水平向測點主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz (不隨轉速變化)、53.8Hz (不隨轉速變化)等。垂向測點主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz (不隨轉速變化)、5 倍軸頻等。轉子加勵磁后振動迅速增大,電機左右側面表面振感強烈,并網發電時也出現癥狀。

        電機加勵磁不并網時水平向測點和垂向測點速度譜分別見圖8。兩個方向的測點最大振幅均超過10mm/s ,且均出現在 50Hz, 速度譜上也有100Hz、150Hz 的分量, 只是其振幅相對50Hz可以忽略。兩方向的速度振幅是逐漸上升并穩定的。

        電機并網時水平向測點和垂向測點速度譜, 呈現與 加勵磁不并網完全相同的現象。

(a)水平向                                  (b) 垂向

圖 8    10 號電機1050r/min加勵磁狀態下速度譜

3. 1. 3 風場測試初步結論

        通過對10 號電機上述三個不同工況的振動測試分析,可得出如下結論:

        (1)電機空轉升速測試表明: 電機-隔振器-安裝基 座組成的電機系統在運行轉速范圍內整體沒有共振發生;

        (2)電機加勵磁及并網測試表明: 電機振動過大是由50Hz的力引起的,且50Hz 的力源幅值較大。初步分析來源于電磁力,而不是機械系統本身。

        為進一步驗證上述結論,對同一風場的2號電機進行了相同工況的振動測試。 圖9為電機水平向測點空轉升速-勵磁-并網發電-脫網整個過程的速度譜, 表現出與10號電機完全相同的規律,驗證了上述結論的準確性。注意到轉子加勵磁-并網的過程中,頻譜圖中50Hz 的幅 值不是馬上達到最大值,而是一個上升的過程。

圖 9   2號電機空轉升速-勵磁-并網-脫網速度譜

        圖10 所示為電機水平向測點加勵磁時域數據曲線,  結合上述速度譜曲線,可以看出電機水平振動響應從小變大的時間花費時間為14s多,可以假設,電機轉子-定子形成的等效電路中,電容或者電感值相對較大,延緩了定子上的感應電流變大的過程, 但定子上感應電流變大的趨勢不變,從而導致50Hz的電磁力是逐步增大的,  而不是隨著轉子上加勵磁電流馬上達到最大值, 最終的 體現結果為速度譜上50Hz分量的幅值也是緩慢增加的。

3.2 第二風場現場測試數據分析

        通過對風場現場測試數據的分析,得到電機振動過大是由 50Hz 引起。從振動力學角度看,若電機轉子、定子或由轉子-定子組成的系統本身的固有頻率沒有50Hz附近的頻率成分,即使50Hz電磁力較大,也不會引起較大的響應。為此在另一風場進行了兩方面的驗證:

        (1)進一步驗證電機在 50Hz 附近的模態振型;

        (2) 通過對轉子施加不同的勵磁頻率,測試不同勵 磁頻率下的電機響應。

圖 10    2號電機水平向測點加勵磁時域數據曲線

3. 2. 1 電機靜止狀態模態測試結果分析

        對于電機本身而言,其設計、制造、安裝工藝一致, 模態頻率和振型基本相同。

        第一風場中53.8Hz的模態振型表現為電機水平方向變形較大,電機加勵磁時的振動響應也反映了這點。為此在第二風場主要針對電機水平向的模態振型,在電機左右側面的三條水平向加強筋上增加了測點,此外增加了電機前后軸承的測點。

        圖11為第二風場35號電機53.8Hz振型, 與第一風場10號電機完全相同,表明電機本身設計、制造、安裝

工藝上一致。

圖 11  第二風場 35 號電機 53.8Hz 主振型

3. 2. 2 電機運行狀態測試結果分析

        經過變頻器廠家的調試,11號電機上施加了 60Hz 的勵磁電流,振動正常(11號也是施加50Hz勵磁時振動較大)。

        在35號電機上繼續調試,只能得到32.5Hz的勵磁電流,現場測試結果表明,32.5Hz的勵磁電流產生的振動相對50Hz 的勵磁電流產生的振動可以忽略。圖12即為施加32.5Hz左右的勵磁電流(200A增加到270A) 時電機水平向測點的振動響應。可以看出速度頻譜幅值極小, 最大不超過0.1 mm/s , 遠小于50Hz 勵磁時的15 mm/s的速度振幅。

        為了對比正常電機和振動較大電機的差異,對第二風場26號電機進行了正常并網發電時的振動測試。該風機已正常運行400小時。圖13為該工況下電機水平向測點振動速度譜。可以看出, 最大振幅約為1 mm/s,主要為電機軸頻17.75Hz,其他主要幅值非常小約為 0.04 mm/s,可以忽略。

圖 12  第二風場35號電機施加32.5Hz左右的勵磁電機水平向振動

圖 13 第二風場26號電機正常發電電機水平向振動

3. 3 風電現場測試結論

        通過對第一風場2號、10號電機和第二風場26號、35號電機振動測試,可以得出以下結論:

(1)   電機-隔振器-基座組成的整體系統在電機空轉轉速600r/min~1200r/min范圍內未發生共振;

(2)   兩風場振動異常較大的電機表現原因相同,振速譜最大值均為 50Hz,有可能為50Hz電磁力引起;

(3)   電機整體存在53.8Hz的水平向振動模態, 使得50Hz的電磁力引起了較大的電機振動響應,尤其是電機水平向振動;

(4)  正常運行電機振速譜中50Hz 及其諧頻振幅極小,振動異常較大的電機50Hz及其諧頻振副較大(現有出現問題的約7臺), 表明正常電機和故障電機間存在著差異,導致了50Hz的電磁耦合力產生。

4 改進前后轉子振動測試

        采用Abaqus有限元軟件針對該電機的振動固有頻 率進行了有限元建模和計算分析,并在原有設計方案基礎上提出了幾種改進方案,最后對整個電機的優化提出了建議,。

        通過與電機廠協商確認,可接受的增大后的轉子半徑為130mm  (原半徑為 105mm)。

        應委托方要求,對改進后的轉子、改進前的轉子分別進行了帶支撐(安裝狀態電機整體放置于試驗臺架上) 的測試,對改進前的3.1MW 轉子進行了自由懸吊下的測 試,結果見表 2。

        試驗表明,改進前自由狀態下 3.1MW 轉子一階固有頻率為 76.5Hz 。改進前 3.1MW 轉子(半徑105mm) 整機安裝于試驗臺架上時,在 50Hz 頻率附近處, 垂向固有頻率特性成分包括 55.5Hz、60.75Hz,水平向固有頻率特性成分包括 55.5Hz、61Hz、83.25Hz 。改進后 3.1MW 轉子(半徑 130mm) 整機安裝于試驗臺架上時,在 50Hz 頻率附近處 , 垂向固有頻率特性成分包括 65Hz 、 88.75Hz ,水平向固有頻率特性成分包括57.75Hz 、 77.25Hz 、93Hz。

        經過分析,改進前 3.1MW 轉子在試驗臺架上一階垂向固有頻率為 55.5Hz , 改進后轉子在試驗臺架上一階垂向固有頻率為 65Hz, 表明改進后的轉子一階固有頻率明顯提高,遠遠偏離 50Hz。

        經電機廠反饋, 改進后的3.1MW 風力發電機替換原有故障電機時, 在新疆風電現場振動異常偏大現象消失, 現已投入正常運行使用,表明測試分析結論和改進建議的合理性。

圖 14  自由懸吊狀態下被測轉子示意圖

表 2    不同工況下轉子固有頻率測試結果

5 結論

        完成了3.1MW 風力發電機在試驗臺架、新疆風電現場的轉子系統和整機振動特性測試。針對異常振動電機進行了故障診斷,提出了改進建議,并對改進前后的轉子特性進行了試驗。測試結果表明針對故障電機的分析合理性。改進后的轉子在風電現場均已投入正常使用, 表明改進建議合理。

參考文獻

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