風力發(fā)電機齒輪故障診斷仿真與模擬試驗研究*

郭　華， 羅　建， 宮秀芳， 徐　斌， 時獻江

（哈爾濱理工大學機械動力工程學院 哈爾濱，150080）

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風力發(fā)電機齒輪故障診斷仿真與模擬試驗研究*

郭華， 羅建， 宮秀芳， 徐斌， 時獻江

（哈爾濱理工大學機械動力工程學院 哈爾濱，150080）

為了探討無傳感器故障診斷方法在風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)故障中的感應(yīng)機理，在SIMULINK環(huán)境下，建立了一個雙饋風力發(fā)電機仿真模型，對風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)故障在發(fā)電機定子電流中的響應(yīng)過程進行理論分析。研制專用的風力發(fā)電機組模擬試驗臺，進行傳動系統(tǒng)的斷齒故障模擬試驗與驗證。利用Hilbert變換的幅值和頻率解調(diào)方法，分析仿真及模擬試驗結(jié)果，表明定子電流主要反映傳動系統(tǒng)的扭矩或速度波動特征，將其用于風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)齒輪斷齒類故障的監(jiān)測與診斷是可行的。

風力發(fā)電機；齒輪故障；仿真；無傳感器診斷；模擬實驗

引 言

風力發(fā)電機單體發(fā)電功率有限，目前多采用群體組網(wǎng)運行方式，安裝地點分散、偏遠，且主機安裝于高高的機架上，使得常規(guī)振動檢測與診斷技術(shù)應(yīng)用受到一定的限制［1］。針對這種情況，利用各種間接方法進行風力機故障診斷的研究逐漸增多，例如利用現(xiàn)有SCADA數(shù)據(jù)間接診斷方法，模型法、聲發(fā)射和電參數(shù)方法等［1］。其中，利用風力發(fā)電機電參數(shù)（如電壓，電流等）進行機械故障診斷方法引人注目。由于該方法不需要在設(shè)備上安裝振動等物理量傳感器，僅使用電壓或電流變換器，所以也稱為無傳感器診斷方法［2］。該方法的主要優(yōu)點是可以在變電所集中安裝電參數(shù)變送器，且成本低、維護方便。

國外學者Royo［3］建立了一個籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)的簡易模擬實驗臺，證明定子匝間短路、轉(zhuǎn)子斷條故障和電機軸承故障在定子電流頻譜中均有響應(yīng)。Yang Wenxian等［4］建立了一個較為完善的風力發(fā)電機組故障模擬試驗臺，通過采集發(fā)電機電流、電壓及功率等參數(shù)，利用小波變換等方法證明了電參數(shù)診斷方法的優(yōu)點。Gong Xiang等［5］提出了采用定子電流信號的小波濾波方法，實現(xiàn)風力發(fā)電機軸承的故障診斷。Amirat等［6-7］分別采用定子電流的幅值解調(diào)法和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法進行雙饋感應(yīng)發(fā)電機軸承故障診斷，取得了較好結(jié)果。這些研究成果表明，無傳感器診斷方法在風力發(fā)電機故障診斷中是可行的。

上述研究多限于發(fā)電機本身機械或電氣方面的故障，其實，風力發(fā)電機組是一個機械結(jié)構(gòu)龐大、電氣控制系統(tǒng)復雜的機電一體化系統(tǒng)，目前缺乏一個簡單有效的機械與電氣兩方面的整機故障檢測與預警手段，僅針對發(fā)電機本身故障診斷研究也缺乏全面性。為此，筆者以風力發(fā)電機傳動鏈中的齒輪故障診斷為對象，從理論仿真和模擬試驗兩個方面，研究無傳感器診斷方法的故障感應(yīng)機理，探討其在風電機組傳動鏈機械故障診斷中應(yīng)用的可行性。

1 雙饋風力發(fā)電機的仿真模型

據(jù)統(tǒng)計，在當前市場上占統(tǒng)治地位的是雙饋式變速恒頻風力發(fā)電機（doubly fed induction generator，簡稱DFIG）［1］，因此，文中以DFIG為研究對象，建立仿真模型如圖1所示。圖中雙饋風力發(fā)電機模型由繞線式異步電機代替，由PWM功率變頻器模塊給轉(zhuǎn)子供電。發(fā)電機的定子繞組接三相阻性負載，機械輸入取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)型，參考坐標系取同步參考坐標系，初始狀態(tài)均為0。仿真基本參數(shù)見表1所示。

穩(wěn)態(tài)仿真運行時，轉(zhuǎn)子勵磁頻率f2=7 Hz，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr=135.088 5 rad/s，此時發(fā)電機定子發(fā)電頻率f1為

其中：fr為發(fā)電機軸轉(zhuǎn)頻；p為發(fā)電機極對數(shù)，本例為2。

圖1　雙饋感應(yīng)發(fā)電機及控制系統(tǒng)仿真模型Fig.1 The simulation model of doubly fed induction generator and control system

表1　發(fā)電機仿真基本參數(shù)表Tab.1 The basic parameters of generator simulation

2 模擬試驗臺設(shè)計

國內(nèi)關(guān)于風力發(fā)電模擬平臺多采用繞線式異步電機代替雙饋發(fā)電機，控制系統(tǒng)采用自己研制的專用雙向交-直-交變頻器［8-9］。考慮到故障診斷模擬系統(tǒng)對發(fā)電機控制系統(tǒng)的性能要求較低，且不需要并網(wǎng)，風輪只要在某些穩(wěn)態(tài)條件下運轉(zhuǎn)即可，故嘗試采用通用三相變頻器替代雙向交-直-交變頻器，僅給轉(zhuǎn)子單向勵磁。

試驗臺的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，對應(yīng)的試驗臺圖片如圖3所示。由交流異步電動機、增速齒輪箱和模擬DFIG發(fā)電機、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機組成。交流異步電機模擬風機葉輪型，配合三相交流變頻器控制轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。采用繞線式三相異步電動機作為雙饋感應(yīng)發(fā)電機使用，其定子繞組與三相阻性負載連接，發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)由通用變頻器單向給轉(zhuǎn)子繞組勵磁。兩臺電機的功率均為1.5 k W，磁極對數(shù)p均為3，額定轉(zhuǎn)速為920 r·mim-1。采用齒輪組模擬風力發(fā)電機組的增速箱，試驗中準備了兩組齒輪組，一組為正常齒輪，另一組為有一個斷齒的齒輪，其中電動機端齒輪齒數(shù)為23，發(fā)電機端齒輪齒數(shù)為34，增速比約為1.478。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由NI數(shù)據(jù)采集板PCI-6251、HCT204R型霍爾電流傳感器、TR系列電渦流位移傳感器、高低通濾波器及計算機等組成。其中電渦流傳感器安裝在發(fā)電機側(cè)齒輪端（如圖2，3所示），用于檢測發(fā)電機軸的轉(zhuǎn)速或扭矩波動，并與安裝在發(fā)電機定子側(cè)的電流傳感器測量結(jié)果相比較。

圖3　風電機組齒輪故障模擬試驗臺照片F(xiàn)ig.3 The photo of the wind turbine gear fault simulation platform

3 模擬仿真結(jié)果分析

3.1正常運行狀態(tài)時

當轉(zhuǎn)子側(cè)通過PWM變頻器供以7 Hz頻率勵磁電流，雙饋感應(yīng)發(fā)電機在轉(zhuǎn)速恒定，定子電壓、電流以及電磁轉(zhuǎn)矩的時域波形如圖4所示。針對其中定子電流的穩(wěn)態(tài)信號，利用FFT變換及希爾伯特變換幅值和頻率解調(diào)原理［10］，計算出的幅值譜、幅值包絡(luò)譜和瞬時頻率解調(diào)譜如圖5所示?？梢姸ㄗ与娏餍盘柺且粋€基本正常的頻率為50 Hz的簡諧信號。在幅值包絡(luò)譜和瞬時頻率解調(diào)譜的低頻段沒有明顯的頻率成分，只有一個15.97 Hz的未知頻率成分。

3.2模擬齒輪斷齒故障狀態(tài)

一般認為，斷齒部分嚙合時會產(chǎn)生傳動軸的扭矩或速度的瞬時波動，并通過傳動機構(gòu)傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，引起定子電流的調(diào)制現(xiàn)象。在電機模型的轉(zhuǎn)速輸入端輸入一個變化的轉(zhuǎn)速信號，就可以模擬這種故障。仿真時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為135.088 5+ 5sin（31.4t）rad/s，轉(zhuǎn)子供電頻率7 Hz。此時定子電壓、電流以及轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩的波形如圖6所示，與圖4相比，定子電流有明顯調(diào)制現(xiàn)象，電磁轉(zhuǎn)矩曲線也發(fā)生了同頻的波動現(xiàn)象。

圖4　正常時發(fā)電機啟動過程各參數(shù)時域波形（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s）Fig.4 Signals of each parameters in the process of generator startup（f2=7 Hz，ωr=135.0885 rad/s）

圖5　正常時發(fā)電機穩(wěn)態(tài)定子電流頻譜（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s）Fig.5 Steady-state spectrum of generator stator current in normal（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s）

圖6　模擬故障時發(fā)電機啟動過程各參數(shù)時域波形（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s+5sin（31.4t）rad/s）Fig.6 Signals of each parameters in the process of generator startup when simulation fault（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s+5sin（31.4t）rad/s）

穩(wěn)態(tài)時的定子電流信號的幅值譜、幅值包絡(luò)譜和瞬時頻率解調(diào)譜如圖7所示，在幅值譜中可以明顯分辨出由于轉(zhuǎn)矩和速度波動引起的發(fā)電主頻率（49.98 Hz）上調(diào)制邊帶成分，在瞬時頻率譜中可以更清楚地得到轉(zhuǎn)速波動的3.875 Hz及其倍頻成份，說明在離網(wǎng)狀態(tài)下，斷齒故障引起的速度波動導致發(fā)電頻率產(chǎn)生了波動，其波動頻率與故障頻率一致。

圖7　模擬故障時發(fā)電機穩(wěn)態(tài)定子電流頻譜（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s+5sin（31.4t）rad/s）Fig.7 Signals of generator stator current when simulation fault（f2=7 Hz，ωr=135.088 5 rad/s+5sin（31.4t）rad/s）

4 模擬實驗結(jié)果分析

在圖2，3所示的試驗臺上進行了模擬試驗，試驗時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子供電電壓為100 V，頻率36.5 Hz；電動機定子供電頻率10 Hz，發(fā)電機三相總負載功率為120 W，測得發(fā)電機定子側(cè)的相電流信號的頻譜如圖8所示。為了估計實際發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及波動情況，采用圖2，3所示的電渦流位移傳感器檢測發(fā)電機側(cè)齒輪齒端的位移信號及頻譜圖如圖9所示。從幅值譜可以看到106.4 Hz的主頻，為齒輪的齒通過頻率，等于齒輪對的嚙合頻率，將其除以小齒輪齒數(shù)23可以得到發(fā)電機軸轉(zhuǎn)頻fr=6.626 Hz，根據(jù)式（1）可得發(fā)電頻率應(yīng)為48.878 Hz，與圖7的幅值譜中的48.84 Hz相同。從速度信號的幅值包絡(luò)譜和瞬時頻率譜8還可以看到2.91和4.61 Hz的幅值調(diào)制成分和頻率調(diào)制成分，說明斷齒故障使得發(fā)電機軸轉(zhuǎn)頻產(chǎn)生了調(diào)制現(xiàn)象，其中2.91 Hz對應(yīng)大齒輪的轉(zhuǎn)頻，4.61 Hz對應(yīng)小齒輪的轉(zhuǎn)頻，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)頻。

從圖8的電流信號的幅值包絡(luò)譜和瞬時頻率解調(diào)譜，可以看和圖9對應(yīng)的大小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻2.91和4.61 Hz，其中4.61 Hz是發(fā)電機軸的轉(zhuǎn)頻。由于發(fā)電機的安裝問題，其多少存在一定的不平衡和不對中現(xiàn)象，所以會出現(xiàn)這個頻率成分；2.91 Hz則為模擬風輪軸的轉(zhuǎn)頻，正常齒輪時，在發(fā)電機定子電流中不應(yīng)該出現(xiàn)此頻率成分，但是由于該軸上的大齒輪有1個斷齒，導致每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一次沖擊，與發(fā)電機軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)速調(diào)制，從而反映在發(fā)電機定子電流信號中。

圖8　模擬斷齒故障時發(fā)電機定子電流信號頻譜（f 2= 7 Hz，電動機定子供電頻率10 Hz）Fig.8 Signals of generator stator current when simulation broken teeth fault（f2=7 Hz，Power frequency of motor is 135.088 5+5sin（31.4t）rad/s）

圖9　模擬斷齒故障時發(fā)電機側(cè)齒輪速度波動信號頻譜（f2=35 Hz，電動機定子供電頻率10 Hz）Fig.9 Signals of generator side gear speed fluctuation when simulation broken teeth fault（f2=35 Hz，Power frequency of motor is 10 Hz）

5 結(jié)束語

通過對一個雙饋風力發(fā)電機故障模擬試驗臺的理論仿真和實驗驗證，說明發(fā)電機定子電流信號可以準確反映傳動設(shè)備的機械故障信息，且電流信號的頻率成分與齒輪的波動速度傳感器信號相近，說明無傳感器診斷法主要以扭矩或速度波動形式感應(yīng)機械傳動系統(tǒng)的故障信息，因此，將其用以風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)的故障診斷是可行的。但是，由于信號中還包含有多種電氣控制信號成分，有時機械故障信息并不是很明顯，這還需要采用高級信號處理方法才能解決。

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TP273

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.02.000

郭華，女，1962年12月生，高級實驗師。主要研究方向為機電一體化。曾發(fā)表《Development of Autocorrect System towards Circle Precise Carbon-film Potentiometer》《Key Engineering Materials》2014，Vol.621）等論文。

E-mail：ghwgl@sina.com

*國家自然科學基金資助項目（51275136）

2014-09-14；

2014-10-31