李楠

【摘 要】目前故障診斷技術(shù)的研究方向主要在故障特征提取、故障機(jī)理研究及信號分析與處理技術(shù)研究。其中風(fēng)電機(jī)組的常見故障的故障機(jī)理已明確，其信號分析方法研究也基本成熟，基本能夠?qū)崿F(xiàn)故障的準(zhǔn)確識別。而故障信息的提取主要通過傳感器，信息的傳輸則是主要通過有線或無線傳輸方式，而智能傳感器的成熟應(yīng)用將為監(jiān)測診斷技術(shù)的發(fā)展帶來一場新的革命。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組；故障；診斷；措施

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障特點(diǎn)研究

1.1葉片故障

葉片是風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能的主要部件。當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，葉片將承受較大的應(yīng)力，容易發(fā)生故障。例如，長期運(yùn)行后，由于長期接觸蒸汽和空氣，葉片容易腐蝕脫落，造成表面粗糙，結(jié)構(gòu)松動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等。當(dāng)葉片在外力作用下發(fā)生裂紋或變形時(shí)，會釋放出高頻瞬態(tài)聲發(fā)射信號。在此基礎(chǔ)上，將發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于葉片損傷評估。一旦葉片失效，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片受到不平衡力，這種通過主軸傳遞的應(yīng)力會對機(jī)艙產(chǎn)生一定的沖擊，導(dǎo)致整個機(jī)艙顫振，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性。

1.2齒輪箱故障

齒輪箱是連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸的重要部件。其主要功能是提高主軸轉(zhuǎn)速，使其滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行的基本需要。齒輪箱主要由行星齒輪和兩級平行齒輪組成。工作環(huán)境惡劣，工作條件復(fù)雜。齒輪箱中的行星齒輪和高速軸軸承長期運(yùn)行容易發(fā)生故障。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，容易受到交變應(yīng)力和沖擊載荷的影響，導(dǎo)致齒輪磨損、生銹和滑動。雖然齒輪組故障的頻率相對較小，但一旦齒輪組發(fā)生故障，無法繼續(xù)工作，則需要很長的時(shí)間進(jìn)行維修，維護(hù)成本較高。因此，齒輪組故障診斷是近年來風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)研究的主要方向之一。

1.3電機(jī)故障

電機(jī)的故障可以概括為電氣故障和機(jī)械故障，包括短路、斷路、過熱等。機(jī)械故障包括軸承過熱、損壞、嚴(yán)重磨損等。通過對振動、電流和溫度信號的分析，可以有效地檢測和評估電機(jī)故障。雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，定額轉(zhuǎn)速可達(dá)到1500r/min，因此需要加快風(fēng)機(jī)齒輪箱的轉(zhuǎn)速，才能配合其運(yùn)行過程。但這種調(diào)整會在一定程度上提高機(jī)組的質(zhì)量，發(fā)電機(jī)的快速運(yùn)行會造成噪聲污染。

1.4偏航和制動系統(tǒng)故障

偏航系統(tǒng)有兩個功能：（1）使風(fēng)機(jī)動態(tài)跟蹤風(fēng)向；（2）跟蹤風(fēng)向使電纜容易從機(jī)艙繞組中抽出。當(dāng)繞線量過大時(shí)，橫擺系統(tǒng)可以直接解決繞線問題。變槳控制系統(tǒng)的主要功能是通過控制風(fēng)速變化時(shí)的葉片角度來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)，從而獲得氣動力矩，最終實(shí)現(xiàn)有效的功率控制。當(dāng)風(fēng)速過高或風(fēng)機(jī)故障時(shí)，將葉片調(diào)整到螺旋槳狀態(tài)，可有效地實(shí)現(xiàn)制動。此外，制動系統(tǒng)的主要功能是避免轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動過快，同時(shí)，在風(fēng)機(jī)其他部件發(fā)生故障的過程中，可以對風(fēng)機(jī)進(jìn)行斷電處理。由于摩擦片的磨損和過大的力的影響，制動系統(tǒng)在突然的外力作用下也容易失效。

2風(fēng)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)

2.1齒輪箱

齒輪箱位于機(jī)艙內(nèi)。風(fēng)力機(jī)的重要組成部分是提供較大的增長率，使葉片在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的動力能夠傳遞到高速發(fā)電機(jī)上。高速傳動裝置會產(chǎn)生大量熱量，極易發(fā)生故障。齒輪和軸承故障是最常見的。

基于振動信號的故障診斷方法是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的故障監(jiān)測診斷方法。利用時(shí)域波形的均值、方差和殘差，采用時(shí)域診斷方法對變速箱傳感器測得的振動信號進(jìn)行判斷。功率譜分析是診斷中應(yīng)用最廣泛的頻譜分析方法之一。這是因?yàn)闄C(jī)械振動的特征頻率不僅是判斷故障的重要指標(biāo)，而且能準(zhǔn)確地定位故障，準(zhǔn)確地識別故障。障礙物位置。在實(shí)際應(yīng)用中，變速箱測量到的振動信號含有非平穩(wěn)分量。時(shí)頻分析法結(jié)合了頻域和時(shí)域分析的優(yōu)點(diǎn)，適用于非平穩(wěn)信號的處理。對于它來說，更成熟的方法包括傅立葉變換、倒譜分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等。

通過小波包分析，可以實(shí)現(xiàn)齒輪箱振動信號的初步故障診斷。然后，將特征值分類與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，對齒輪故障進(jìn)行診斷。小波包的時(shí)頻分辨率比小波變換的時(shí)頻分辨率高，因?yàn)樾〔ò^小且更具自適應(yīng)性。峰度是一個無量綱參數(shù)，對沖擊信號敏感，與概率密度有關(guān)。當(dāng)振動信號的概率密度接近正態(tài)分布，且軸承部件表面存在損傷故障時(shí)，其峰度會增大并偏離正態(tài)值，從而分離軸承的正態(tài)和故障狀態(tài)，然后用峰度檢測信號中的沖擊分量，從而可以診斷出故障原因。

另一種廣泛使用的故障監(jiān)測和診斷方法是溫度測量法。變速箱各部件的溫度變化在一定程度上反映了其運(yùn)行狀態(tài)。這種診斷方法相對簡單，而且被測狀態(tài)的溫度不需要復(fù)雜的后續(xù)處理，易于實(shí)現(xiàn)。但只能對齒輪箱和發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行初步診斷。

2.2發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)將輸電系統(tǒng)捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心子系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)故障種類繁多，主要是機(jī)械故障，如部件損壞、電氣故障，如電壓電流異常、絕緣故障、放電故障等。發(fā)電機(jī)的所有故障都是按一定的機(jī)理產(chǎn)生的，并具有規(guī)律性，會引起電壓、電流、功率或振動、溫度的變化。通過對電氣和機(jī)械信號變化的分析，總結(jié)了現(xiàn)有的故障診斷方法。目前主要采用的診斷方法有：高階諧波電壓檢測診斷法、定子電流診斷法。振動和溫度檢測和診斷。

轉(zhuǎn)子調(diào)整信號的快速傅立葉分析處理診斷方法，利用轉(zhuǎn)子和定子繞組中的串聯(lián)電阻模擬定子和轉(zhuǎn)子繞組的不對稱故障，并結(jié)合FFT提取轉(zhuǎn)子、定子電流和轉(zhuǎn)子調(diào)整信號的頻譜。通過比較轉(zhuǎn)子和定子電流的諧波頻譜和故障時(shí)轉(zhuǎn)子調(diào)整信號的頻譜，可以判斷故障是否發(fā)生。障礙物。

另一種方法是通過分析信號的功率譜密度來診斷匝間短路故障。功率譜密度分析也是故障診斷中應(yīng)用最廣泛的方法。然而，但FFT和PSD具有缺乏空間局部性等特點(diǎn)，新發(fā)展起來的小波分析法具有非常好的時(shí)頻特性及高質(zhì)量的分辨率。將雙饋異步電機(jī)電流構(gòu)建Luenberger觀測器方程。通過仿真計(jì)算，比較了正常和短路情況下觀測器與系統(tǒng)的觀測誤差。如果收斂很快，則不會發(fā)生故障；如果突然超過閾值，則此時(shí)會發(fā)生故障。這種方法從仿真階段過渡到實(shí)際故障診斷具有重要意義。

2.3其他

偏航系統(tǒng)是水平軸風(fēng)力機(jī)不可缺少的部件之一，它可以根據(jù)風(fēng)向控制機(jī)艙的旋轉(zhuǎn)對流。其常見故障有：偏航位置異常、噪聲異常、偏航環(huán)磨損、潤滑油泄漏故障、偏航限位開關(guān)故障等，因此主要采用了偏航電機(jī)電流電壓信號分析方法和振動信號檢測方法。

控制系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的指揮中心。它控制偏航系統(tǒng)逆風(fēng)，使變槳系統(tǒng)最大限度地捕捉風(fēng)能，并控制變頻器，使發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的電能。主要故障有短路故障、過載故障、接地故障和變頻器起動故障。還可以通過振動信號或發(fā)電機(jī)電流信號分析方法進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)故障診斷。

電氣系統(tǒng)主要是將發(fā)電通過變頻器并入電網(wǎng)，其主要故障點(diǎn)為變頻器，包括變頻器誤操作、過電壓、過流、過熱、欠壓等。主要的故障診斷方法有變頻器電壓、電流信號故障診斷分析、感知器故障信息分解、分組分析故障信息提取等。

結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的日常維護(hù)與故障處理是保障風(fēng)場風(fēng)電機(jī)組可靠運(yùn)行，降低大型維修成本、延長機(jī)組使用壽命的重要技術(shù)手段。以上只是對風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)及故障排除工作進(jìn)行了一些初步探討，風(fēng)力發(fā)電還存在很多問題亟待解決。因此，在工作中要善于總結(jié)、思考，善于提出問題、分析問題、解決問題，加強(qiáng)日常巡檢及定檢工作，降低風(fēng)機(jī)的故障頻率以及重復(fù)性故障問題，對于我國積極發(fā)展風(fēng)電能源尤為重要。

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（作者單位：太原重工新能源裝備有限公司）