探析風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

郭慶偉+史海峰

摘 要：近年來，應(yīng)用電機(jī)設(shè)備推行風(fēng)力發(fā)電已逐步賦予普及。風(fēng)力發(fā)電即是高效率發(fā)電表率，同期亦是先進(jìn)發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電具備多種優(yōu)勢，其中，利用自然能源開拓發(fā)電前瞻，便是眾多優(yōu)勢之一。但是，隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的不斷延伸，其故障源也隨之呈現(xiàn)。當(dāng)下，經(jīng)常性呈現(xiàn)的故障包括電機(jī)組件運(yùn)行期損毀和機(jī)械的信號隱患問題。本文探討了常見電機(jī)故障隱患問題的監(jiān)察及辨析，分析了擬真籌算及故障模仿試驗探索近況，簡明闡述了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)瞻望和電機(jī)的形態(tài)監(jiān)測體系。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷技術(shù)

電機(jī)設(shè)備具備易損特性，在這一特性下，無法有效保障機(jī)械運(yùn)行期。在電機(jī)實際運(yùn)轉(zhuǎn)期，內(nèi)部組件呈高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，在這一狀態(tài)下，電機(jī)極易發(fā)生組件故障。部分長期操作設(shè)備的技術(shù)人員會發(fā)掘，電機(jī)組件檢修方式尤為繁瑣，并且部分細(xì)微問題無法詳盡處理，這便造成電機(jī)的后期故障隱患。根據(jù)風(fēng)力組電原理，選取有效監(jiān)測法，對電機(jī)實行實時性質(zhì)的檢測，可有效避免這一問題的突然呈現(xiàn)。而對某些細(xì)微問題，應(yīng)根據(jù)問題實質(zhì)情景，優(yōu)先檢測組件，而后運(yùn)用專業(yè)測試儀器檢索機(jī)械外部部件的運(yùn)狀。并逐步通過檢測報告，制定相應(yīng)維修方案。

一、常見電機(jī)故障隱患問題的監(jiān)察及辨析

1、針對機(jī)械故障信號源的監(jiān)測與診斷

電機(jī)故障隱患問題具有連續(xù)性，當(dāng)電機(jī)功率呈自然狀下降時，便是電機(jī)行將故障前兆。處于運(yùn)行狀態(tài)期的電機(jī)，軸承易損，因電機(jī)長期性運(yùn)轉(zhuǎn)所致。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)期間，會間斷性發(fā)出震動記號，表明其運(yùn)行特征，根據(jù)這一特征可觀察機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。故障源呈現(xiàn)是不可避免的，但及時采取相應(yīng)對策可有效控制危害范圍的擴(kuò)張。目前，比較通用的故測法由三種，其中包括矢量下根據(jù)峰值測定軸承特征，或是運(yùn)行期通過觀察運(yùn)行規(guī)律判斷機(jī)械故障處，或是對信號源信號軌道進(jìn)行判斷。但不論何種方式，均需優(yōu)先檢索機(jī)械性能。而機(jī)械檢測，泛指運(yùn)行期機(jī)械動態(tài)，動態(tài)因軌道變動，會變更內(nèi)部的電流和電壓，部分情況呈現(xiàn)超頻，致使功率變動，但僅在少數(shù)期。針對未映現(xiàn)的隱患問題進(jìn)行監(jiān)控，實質(zhì)目的在于平衡機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。實際檢測的隱患問題囊括：機(jī)械運(yùn)行期信號源變更、軸承無規(guī)則變速以及信號波的不穩(wěn)定。對于問題隱患處詳細(xì)檢索，而后制定相應(yīng)對策，運(yùn)用適當(dāng)?shù)脑\斷技術(shù)給予機(jī)械內(nèi)部組件分析。

2、電氣故障信號監(jiān)測與診斷

發(fā)電機(jī)的電氣故障通常通過監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子線圈溫度、定子與轉(zhuǎn)子電流、發(fā)電機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參量信號，并對其進(jìn)行處理后識別。目前，常見的電氣故障診斷方法有定子電流檢測法、局部放電監(jiān)測法、振動檢測法、磁通檢測法、電流高次諧波和不平衡檢測法、轉(zhuǎn)速脈動檢測法以及溫升檢測法等。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子線圈絕緣損壞會引起轉(zhuǎn)子或定子線圈短路故障，包括匝間短路和層間短路等，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究主要集中在短路故障監(jiān)測與診斷方而。為了更加全而地監(jiān)測發(fā)電機(jī)狀態(tài)，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測過程中，除了利用上述信息外還加入了大氣溫度和大氣壓力等信息。發(fā)電機(jī)電氣參量監(jiān)測技術(shù)是通過測量發(fā)電機(jī)電流、電壓和功率的高頻分量實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)機(jī)械故障的分析和判斷。

二、擬真籌算及故障模仿試驗探索近況

1、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型擬真

對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷技術(shù)的研究主要包括故障仿真和實驗?zāi)M2種途徑。常用的故障仿真建模方法主要從“場”和“路”的角度對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建立物理模型和數(shù)學(xué)模型。從“路”的角度出發(fā)，根據(jù)多回路理論和發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，在MATLAB/Simulink中建立雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可模擬雙饋發(fā)電機(jī)的正常情況和故障情況，李俊卿等通過該方法模擬了定子、轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障，結(jié)果表明定子線電流相位差、負(fù)序電流、負(fù)序電流與正序電流之比均可以作為判斷匝間短路的特征參量。

2、電機(jī)的擬真試驗端

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障監(jiān)測及故障診斷技術(shù)的研究時，可以搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障模擬平臺并進(jìn)行故障信號模擬，驗證各故障診斷算法。D. Casadei等。搭建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗臺，通過在定子或轉(zhuǎn)子某相串聯(lián)1個與該相電阻值相等的電阻完成定子不平衡故障或轉(zhuǎn)子不平衡故障模擬實驗。Yang等人。搭建的實驗臺可以模擬發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障、傳動系機(jī)械故障等，該平臺也能通過連接外部電阻箱來模擬轉(zhuǎn)子三相不平衡故障。Simon Jonathan Watson等。建立了基于振動信號分析的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的實驗平臺。

三、電機(jī)的形態(tài)監(jiān)測體系

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)往往僅采集發(fā)電機(jī)的振動信號，通過分析振動信號判斷機(jī)組各部件的運(yùn)行狀態(tài)，如瑞典SKF公司研制的IMX-W在線監(jiān)測系統(tǒng)、新西蘭況德實儀器公司研制的Turningpoint在線監(jiān)測系統(tǒng)、丹麥B.K公司研制的PULSE噪聲振動分析系統(tǒng)、美國UE公司Bent-1y分部研制的Trendmaster Pro在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、德國PRUFTECHNIK公司研制的VIBXPE-RT} VIBROWEB-XP系統(tǒng)，德國FAU公司研制FAU X1系統(tǒng)等。

四、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)展望

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用，基于多參量的故障監(jiān)測與診斷技術(shù)將成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域未來發(fā)展的方向之一。而對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電信號、振動信號、功率信號等能夠反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的信號將被綜合分析，以便更加全而深入掌握發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。在信號處理方而，如何減低信噪比，實現(xiàn)信號的盲分離，將成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域信號處理方而的研究方向。

結(jié)論：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為新型發(fā)電技術(shù)，卻廣泛被人們所運(yùn)用，源于其高效的發(fā)電性能，且符合環(huán)保條件。電機(jī)運(yùn)行期，形態(tài)呈現(xiàn)多重狀，但實質(zhì)形態(tài)僅于運(yùn)轉(zhuǎn)。形態(tài)有效控制，可通過監(jiān)測法實施，或是安裝新型監(jiān)測系統(tǒng)，執(zhí)行實時電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控。電機(jī)故障期呈現(xiàn)2種狀態(tài)，其一故障的平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)下的故障問題便于維修。而另一種為失衡狀，該情形下電機(jī)故障問題一般源于2種或以上問題所致，并且不易維修。有效針對電機(jī)故障問題進(jìn)行診斷，并運(yùn)行相應(yīng)監(jiān)測、診斷技術(shù)，可有效改善電機(jī)運(yùn)行期的故障隱患問題的呈現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹同舟.基于復(fù)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)故障診斷方法[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2017，16（01）.

[2] 范紅巖，劉軍，張可薇.堆垛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究和進(jìn)展[J].物流技術(shù)，2017，60（20）.endprint