胡剛剛 ,唐貴基 ,葛海濤 ,徐明星

(1.華北電力大學(xué),北京 102206;2.河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003;3.國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司,北京 100089)

0 引言

氣隙偏心故障是發(fā)電機(jī)主要機(jī)械故障之一,定子和轉(zhuǎn)子變形、軸承磨損、制造及安裝誤差等均可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子間氣隙分布不均。輕微的氣隙偏心不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響,但是當(dāng)氣隙偏心故障發(fā)展到一定程度時(shí),發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場產(chǎn)生畸變、定子轉(zhuǎn)子振動(dòng)加劇、繞組絕緣磨損加快,甚至燒毀發(fā)電機(jī),造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,危害人身安全[1]。因此,對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在氣隙偏心故障下定子振動(dòng)特性規(guī)律進(jìn)行研究具有重要意義,對(duì)定子振動(dòng)變化及其在線監(jiān)測也值得關(guān)注。

一直以來,學(xué)者們對(duì)發(fā)電機(jī)偏心故障進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于Park矢量方法的故障在線監(jiān)測和診斷方法,將定子電流特征用于發(fā)電機(jī)氣隙偏心故障的診斷。文獻(xiàn)[3]利用定子振動(dòng)特性來診斷發(fā)電機(jī)氣隙偏心故障。文獻(xiàn)[4]利用電流信號(hào)來檢測氣隙偏心故障。文獻(xiàn)[5]分析了感應(yīng)發(fā)電機(jī)氣隙偏心故障對(duì)定子電流的調(diào)制機(jī)理,利用Wigner時(shí)頻域分析方法,計(jì)算氣隙偏心故障時(shí)電流邊頻分量的相位差,從而判斷發(fā)電機(jī)狀態(tài)。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于振動(dòng)信號(hào)多尺度熵的發(fā)電機(jī)氣隙偏心故障監(jiān)測方法,利用多尺度熵計(jì)算法提取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征,實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)偏心故障的監(jiān)測與識(shí)別。文獻(xiàn)[7]分析了偏心故障下定子并聯(lián)支路環(huán)流的諧波成分特性。文獻(xiàn)[8]分析了振動(dòng)信號(hào)與偏心故障間的關(guān)系,提出了一種基于振動(dòng)信號(hào)分析的感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障診斷方法。文獻(xiàn)[9]分析了無刷雙饋電機(jī)在偏心故障下氣隙磁場的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律,利用氣隙磁場的改變來判斷發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[10]分析了汽輪發(fā)電機(jī)在氣隙靜態(tài)偏心故障下的定子徑向振動(dòng)特性,并且得到了故障特征頻率。文獻(xiàn)[11]對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)氣隙偏心故障前后的定子受力進(jìn)行了研究,得到了定子單位面積磁拉力的主要頻率成分和激勵(lì)特性。文獻(xiàn)[12]得到了發(fā)電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下的徑向電磁力及其與對(duì)應(yīng)故障參數(shù)的變化關(guān)系。文獻(xiàn)[13]分析了雙斜槽感應(yīng)電機(jī)氣隙偏心故障對(duì)徑向單位面積磁拉力的影響。文獻(xiàn)[14]分析了氣隙混合偏心故障下感應(yīng)發(fā)電機(jī)徑向電磁激振力的分布情況,利用二維傅里葉分解法解決了混合偏心故障下感應(yīng)電機(jī)徑向電磁力的求解問題。文獻(xiàn)[15]針對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組安裝地理位置特殊,運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變等因素,開發(fā)了在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。以上文獻(xiàn)在研究氣隙偏心故障對(duì)定子振動(dòng)影響時(shí),多是以同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象,很少涉及異步發(fā)電機(jī)。

本文采用理論解析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙靜態(tài)偏心前后的定子單位面積磁拉力及其定子振動(dòng)進(jìn)行研究,并根據(jù)所驗(yàn)證的定子振動(dòng)特性研發(fā)了遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng),為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙靜態(tài)偏心故障的檢測和診斷提供依據(jù)。

1 定子振動(dòng)相關(guān)理論分析

1.1 氣隙磁通密度

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),氣隙磁導(dǎo)的表達(dá)式為

式中:αm為氣隙周向角;t為時(shí)間;Λ0為氣隙磁導(dǎo)的不變部分為定子開槽、轉(zhuǎn)子表面光滑時(shí)引起的諧波磁導(dǎo)為轉(zhuǎn)子開槽、定子表面光滑時(shí)引起的諧波磁導(dǎo)為定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)開槽相互作用引起的諧波磁導(dǎo)。

氣隙偏心主要影響氣隙磁導(dǎo),對(duì)氣隙磁勢的影響較小。發(fā)電機(jī)在發(fā)生偏心故障后,氣隙長度沿周向分布不均勻,在不同位置點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的長度不同。為直觀表達(dá)偏心故障對(duì)氣隙長度的影響規(guī)律,可采用圖1所示坐標(biāo)系來表示偏心后的氣隙長度。

圖1 靜態(tài)偏心故障示意

文獻(xiàn)[1]在不考慮齒槽效應(yīng)的影響,將靜態(tài)偏心故障下徑向氣隙長度簡化為

式中:g0為氣隙正常情況下的均勻氣隙長度;ε為靜態(tài)偏心度。

靜態(tài)偏心故障下的氣隙磁導(dǎo)的近似表達(dá)式(忽略高階分量)為

空間角度αm處,雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣隙合成磁勢為

式中:f p(αm,t)、f v(αm,t)、fμ(αm,t)分別為主波合成磁勢、定子繞組諧波磁勢、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢;p為主波合成磁勢的極對(duì)數(shù);v、μ分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢極對(duì)數(shù)。各磁勢的具體表達(dá)式為

式中:F0、F v、Fμ分別為主波合成磁勢幅值、定子繞組諧波磁勢幅值、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁勢幅值;φp為主波合成磁勢初相角;φv、φμ分別為定子v次、轉(zhuǎn)子μ次諧波磁勢初相角;ω1為主波合成磁勢的角頻率;Z1為定子槽數(shù);Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù);ωμ為轉(zhuǎn)子μ次諧波磁勢相對(duì)于定子的角頻率,其表達(dá)式為

式中:s為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

氣隙磁通密度等于氣隙磁勢與單位面積氣隙磁導(dǎo)的乘積。根據(jù)上述推導(dǎo),忽略由于定子、轉(zhuǎn)子開槽相互作用引起的磁導(dǎo)變化,則正常與靜態(tài)偏心情況下氣隙磁通密度可以由式(7)表示。

由式(7)可以看出,靜態(tài)偏心故障會(huì)引入極對(duì)數(shù)分別為p±1、v±1、μ±1的空間諧波,磁通密度的主要頻率成分為f1、fμ。

1.2 單位面積磁拉力

作用于定子鐵心上的磁拉力含有徑向和周向分量。由于磁拉力周向分量一般比較小,磁拉力徑向分量是定子鐵心產(chǎn)生振動(dòng)變形的主要來源。所以通常只考慮磁拉力的徑向分量。根據(jù)麥克斯韋張量法,發(fā)電機(jī)定子表面單位面積受到的徑向磁拉力可以表示為

式中:b(αm,t)為氣隙磁通密度;μ0為空氣磁導(dǎo)率。

將式(7)代入式(8)可得簡化以后的定子單位面積磁拉力的表達(dá)式見式(9)。由式(9)可知,氣隙靜態(tài)偏心故障下,定子單位面積磁拉力大于正常情況下定子單位面積磁拉力,且定子振動(dòng)的主要頻率分量在偏心前后沒有變化,為2f1、f1±f1、f1±fμ、fμ1±fμ2。另外,定子磁拉力隨著偏心程度的增加而增大。

2 有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)電機(jī)有限元仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析對(duì)象為1臺(tái)兩對(duì)極雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī),該發(fā)電機(jī)基本參數(shù)為:額定容量5.5 kVA,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,功率因數(shù)cosφ=0.8,徑向氣隙長度1 mm,定子鐵心長度155 mm,額定電壓380 V,極對(duì)數(shù)p=2,定子槽數(shù)Z1=36,轉(zhuǎn)子槽數(shù)Z2=24,定子支路ɑ=2。

本文采用有限元電磁仿真軟件ANSYS Electromagnetics中RMxprt模塊,根據(jù)發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行建模。利用ACT偏心模塊建立沿x軸正方向偏心0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm 3種不同偏心程度的故障模型,靜態(tài)偏心偏移方向如圖2所示。

圖2 靜態(tài)偏心偏移方向仿真模型

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小和頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān),通過RMxprt模塊仿真分析得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)在某風(fēng)速下的勵(lì)磁電流頻率和大小,作為激勵(lì)輸入。采用電流源為轉(zhuǎn)子設(shè)置三相勵(lì)磁電流,采用電壓源為定子設(shè)置三相電壓模擬某風(fēng)速下發(fā)電機(jī)的工況,轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 460 r/min,故轉(zhuǎn)差率s=2.7%,fμ=535/635(k2=±1,此時(shí)頻率成分變化最明顯)。設(shè)置仿真起始時(shí)間為0 s,終止時(shí)間為1 s,步長為0.1 ms。將正常模型與故障模型均按照以上設(shè)置進(jìn)行求解分析。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)測試機(jī)組見圖3。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過軸承座和螺栓固定在底板上,可通過移動(dòng)定子實(shí)現(xiàn)氣隙偏心故障設(shè)置。定子徑向氣隙偏心可以通過正面的2個(gè)調(diào)節(jié)螺栓和背面的另外2個(gè)調(diào)節(jié)螺栓來實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)通過控制百分表實(shí)數(shù)變化來調(diào)節(jié)徑向偏心程度,如圖3(b)所示。PCB加速度傳感器安裝在定子外殼,如圖3(c)所示。為了保持實(shí)驗(yàn)和仿真的一致性,實(shí)驗(yàn)中故障具體參數(shù)設(shè)置與有限元模擬仿真時(shí)相同。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試機(jī)組

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4(a)顯示了氣隙磁通密度沿圓周方向的分布結(jié)果,圖中紅色虛線是氣隙磁通密度變化大致轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從圖4(a)中可以看出,發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí),氣隙磁通密度呈均勻分布。在發(fā)生氣隙靜態(tài)偏心故障后,氣隙磁通密度沿周向分布不均勻。具體來說,在氣隙長度減少處(270°到90°),氣隙磁通密度會(huì)增加;而在氣隙長度增加處(90°到270°),氣隙磁通密度會(huì)減少(類似壓縮操作)。圖4(b)顯示了偏心后氣隙中一點(diǎn)的(氣隙減小處即0°方向)磁通密度變化。從圖4(b)中可以看出,發(fā)電機(jī)發(fā)生氣隙靜態(tài)偏心故障后,氣隙減小處的磁通密度各頻率成分[f1(50),fμ(535/635)]都增大,且各頻率成分的幅值隨著偏心程度的增加而增大。

圖4 氣隙靜態(tài)偏心前后氣隙磁通密度的變化

有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中獲得的定子單位面積磁拉力及定子振動(dòng)如圖5所示。

圖5 仿真定子單位面積磁拉力和實(shí)驗(yàn)所測定子振動(dòng)

有限元計(jì)算數(shù)據(jù)顯示出更明顯的趨勢,在實(shí)驗(yàn)中存在許多不可控影響因素,因而實(shí)驗(yàn)測試曲線更復(fù)雜(曲線不太均勻,并且相互交織)。然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然遵循有限元計(jì)算得出的發(fā)展趨勢。結(jié)果表明,氣隙靜態(tài)偏心故障不會(huì)導(dǎo)致定子單位面積磁拉力原有時(shí)域波形與頻率成分的改變,但氣隙靜態(tài)偏心通常會(huì)增加定子振動(dòng)及其頻率成分[2f1(100),f1± f1(0/100),f1± fμ(485/585/685)的幅值,且偏心程度越大,增加的越多。有限元分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面的理論分析結(jié)果一致。

4 定子振動(dòng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測

4.1 監(jiān)測流程

由于發(fā)電機(jī)經(jīng)常在高溫、振動(dòng)、腐蝕等惡劣環(huán)境下運(yùn)行,定子作為發(fā)電機(jī)關(guān)鍵部件之一,一旦出現(xiàn)問題將影響整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此針對(duì)性研發(fā)了一套發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng),可在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中監(jiān)測定子部件的振動(dòng)變化,基于振動(dòng)發(fā)展的大數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)模式識(shí)別的趨勢預(yù)測,并輔助決策發(fā)電機(jī)是否需要停機(jī)和檢修,從而實(shí)現(xiàn)失效的主動(dòng)預(yù)防。該系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)采集板、信號(hào)傳輸裝置與信號(hào)處理平臺(tái)構(gòu)成,系統(tǒng)監(jiān)測流程如圖6所示。

圖6 定子振動(dòng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測流程

4.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)傳輸及采集模塊設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測系統(tǒng)基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)架構(gòu)開發(fā),設(shè)置有無線收發(fā)器件,采用有線傳輸、4G 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與自建收發(fā)裝置結(jié)合的方式,完成實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上載與分析,自建收發(fā)裝置傳輸距離為2.2 km。FPGA 核心板以信號(hào)完整性為主要設(shè)計(jì)考量,設(shè)計(jì)印刷電路板的疊層結(jié)構(gòu),根據(jù)信號(hào)要求做特征阻抗匹配,對(duì)關(guān)鍵信號(hào)做規(guī)則約束。核心板元件單面布局,電路元器件水平擺放,布線,調(diào)整不合適的布局。

模擬信號(hào)采集板采用4層板結(jié)構(gòu),采集板同時(shí)存在模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),為避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾,將相應(yīng)的地平面區(qū)域分割,單點(diǎn)接地。數(shù)字信號(hào)收發(fā)板為整個(gè)系統(tǒng)供電,并放置各模塊接口,在布局時(shí)要考慮模塊尺寸,避免干涉。選用開關(guān)穩(wěn)壓LM2596-5.0為核心板供電,最大輸出電流為3 A。選用LM1117的5.0 V 和3.3 V 版本為采集板和板載模塊供電。裝置集成后的核心結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 裝置集成后核心結(jié)構(gòu)(未封裝外殼)

4.3 監(jiān)測實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果

在線監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子水平徑向(x)、豎直徑向(y)、水平軸向(z)的振動(dòng)數(shù)據(jù),如圖8所示。每個(gè)裝置可同時(shí)支持8個(gè)加速度傳感器的連接匹配,同步并行采集定子振動(dòng)信號(hào),并實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)中。以虛擬儀器平臺(tái)Lab VIEW語言開發(fā)的配套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來對(duì)定子采集信號(hào)進(jìn)行分析處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子的振動(dòng)監(jiān)測和狀態(tài)識(shí)別,并實(shí)時(shí)記錄保存定子振動(dòng)數(shù)據(jù),通過條形圖顯示振動(dòng)幅值,及時(shí)預(yù)警振動(dòng)超標(biāo)。

圖8 振動(dòng)數(shù)據(jù)

所開發(fā)的系統(tǒng)自2016年現(xiàn)場應(yīng)用于河北某風(fēng)電廠后,通過對(duì)振動(dòng)異常信號(hào)分析,檢測出氣隙靜態(tài)偏心故障4起,軸承磨損故障3起。由于故障的及時(shí)消除,挽回經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300多萬元,提高了風(fēng)電場機(jī)組故障排查處理能力,可推廣應(yīng)用于風(fēng)電場的檢修和輔助監(jiān)測中。

5 結(jié)論

本文對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在氣隙靜態(tài)偏心故障前后的定子振動(dòng)變化進(jìn)行了理論分析、有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并研發(fā)了一套定子振動(dòng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)。主要結(jié)論如下:

(1)氣隙偏心故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度分布不均;

(2)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)生氣隙偏心故障后,定子振動(dòng)會(huì)加劇,且定子振動(dòng)與2f1、f1±f1、f1±fμ、等頻率成分隨著偏心程度的增加而增大;

(3)定子振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。