風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺聯(lián)軸器打滑故障診斷及改善

姜圣， 李建濤， 葉昌煜， 符智

（三一集團(tuán)研究總院，長沙410100）

0 引言

在能源安全和環(huán)境保護(hù)的推動下，世界風(fēng)電發(fā)展迅速，風(fēng)電是成本最低的溫室氣體減排技術(shù)之一[1]。歐洲風(fēng)能協(xié)會可行性研究報告指出，風(fēng)力發(fā)電已成為解決世界能源問題不可或缺的重要力量[2]。據(jù)估算，僅地面風(fēng)力的1%就能滿足全球發(fā)電能量的需求[3]。我國風(fēng)能資源位居世界第一[4]，在能源日益緊缺的當(dāng)今社會，風(fēng)能資源是緩解能源供應(yīng)困局的有效措施。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因常年工作在各類極端惡劣天氣及復(fù)雜的風(fēng)力交變載荷中，其質(zhì)量要求極高。聯(lián)軸器作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱與發(fā)電機(jī)之間的柔性聯(lián)接關(guān)鍵部件，其工作性能優(yōu)劣直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作狀況。聯(lián)軸器的主要任務(wù)是傳遞增速機(jī)轉(zhuǎn)矩，補(bǔ)償增速機(jī)與發(fā)電機(jī)兩側(cè)的平行偏差和角度誤差，同時具備有一定的剛度和阻尼以減少振動傳遞[5]。此外，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)受外界突變載荷沖擊，超過聯(lián)軸器設(shè)計打滑力矩時，為防止傳動鏈上的增速機(jī)、發(fā)電機(jī)過載而意外損壞，聯(lián)軸器必須實(shí)現(xiàn)打滑功能[6]。因此聯(lián)軸器無疑是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中非常重要的部件。

聯(lián)軸器作為一個在工程行業(yè)普遍使用的成熟產(chǎn)品，應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)時主要集中在其選型、力矩標(biāo)定、國產(chǎn)化等方面的研究。馬輝等[7]對各類型聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選型應(yīng)用進(jìn)行探討，楊孟濤等[8]對聯(lián)軸器打滑力矩標(biāo)定試驗(yàn)臺進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，鄭謙等[9]對聯(lián)軸器國產(chǎn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度設(shè)計、材料及工藝等進(jìn)行研究。但是，少有人研究聯(lián)軸器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的使用，對于時常出現(xiàn)的打滑問題，依然沿用工程行業(yè)的方法，從聯(lián)軸器質(zhì)量、額定打滑力矩等方面分析原因，往往解決不了問題。

文中以某兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)臺為研究對象，該試驗(yàn)臺被測主機(jī)聯(lián)軸器在并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)速為650 r/min過程中打滑。結(jié)合試驗(yàn)臺采集的轉(zhuǎn)矩值、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以及打滑時試驗(yàn)臺變流器觸發(fā)的故障，分析聯(lián)軸器打滑原因，制定相應(yīng)的改善措施，并試驗(yàn)驗(yàn)證其整改有效性。

1 聯(lián)軸器打滑原因分析

文章研究對象為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)拖動試驗(yàn)臺，其主要用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩、傳動效率、機(jī)組振動、并網(wǎng)功能等試驗(yàn)。試驗(yàn)臺布局如圖1所示，主要包括由加載電動機(jī)、減速箱、電控柜等組成的試驗(yàn)臺部分；由主軸、增速箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)等傳動鏈部件組成的試驗(yàn)對象，以及變流器、底架等。其額定轉(zhuǎn)速為915 r/min，滿發(fā)功率為2.0 kW。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場

風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺聯(lián)軸器采用摩擦式轉(zhuǎn)矩限制器，打滑力矩為23 kN·m，觸發(fā)打滑故障時正進(jìn)行聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩測試，工況為：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速650 r/min，并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。為分析打滑原因，先后從聯(lián)軸器實(shí)測轉(zhuǎn)矩以及打滑時變流器觸發(fā)的故障進(jìn)行分析。

圖2 轉(zhuǎn)矩測試原理

圖3 聯(lián)軸器測試

圖4 轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測試曲線

1.1 聯(lián)軸器實(shí)測轉(zhuǎn)矩分析

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩測試基于惠斯通電橋平衡原理，如圖2所示，利用無線信號傳輸技術(shù)，對聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時采集，如圖3所示。

聯(lián)軸器打滑時的測試轉(zhuǎn)矩如圖4所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由0～650 r/min穩(wěn)步遞增，無明顯突變，觸發(fā)打滑故障后轉(zhuǎn)速迅速衰減，表明試驗(yàn)臺沿傳動鏈方向加載平穩(wěn)，不存在超速導(dǎo)致超載打滑的情況；2）聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而遞增，在650 r/min聯(lián)軸器打滑時出現(xiàn)沖擊信號，峰值為25.4 kN·m。

該聯(lián)軸器設(shè)計允許的打滑力矩為23 kN·m，實(shí)際工作轉(zhuǎn)矩超出打滑力矩110%，是聯(lián)軸器打滑的直接原因。

1.2 變流器故障分析

聯(lián)軸器打滑時變流器觸發(fā)母線硬件過壓故障及Crowbar故障，因此，從變流器故障進(jìn)一步分析聯(lián)軸器打滑原因。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)如圖5所示，雙饋感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子與傳動鏈連接，定子連接電網(wǎng)，雙饋異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)連接。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障（低電壓）時，電網(wǎng)電壓的降落直接反映在與電網(wǎng)直接連接的發(fā)電機(jī)電動機(jī)定子端，從而在定轉(zhuǎn)子繞組中會出現(xiàn)暫態(tài)的磁鏈直流分量。定子磁鏈的直流分量和負(fù)序分量相對于以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)轉(zhuǎn)子形成較大的轉(zhuǎn)差，從而感生出較大的轉(zhuǎn)子電勢并產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電路中電壓和電流大幅增加，定轉(zhuǎn)子電流的大幅波動會造成雙饋異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈變化，對風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生很大的扭切應(yīng)力沖擊[10]。

圖5 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

圖6 變流器Crowbar故障曲線

試驗(yàn)臺變流器故障觸發(fā)時的測試曲線如圖6所示，轉(zhuǎn)子電流D軸分量無法跟蹤電流環(huán)D軸給定，導(dǎo)致母線電壓上升超過硬件過壓點(diǎn)。此時，變流器報母線過壓故障，同時觸發(fā)Crowbar，該轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子滑差率較大，電動機(jī)開口電壓較高，超出轉(zhuǎn)子電壓范圍，造成電流環(huán)電流無法跟蹤給定。

核算聯(lián)軸器打滑時，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。電網(wǎng)額定線電壓有效值UN=690 V，Crowbar投入后將電網(wǎng)線電壓有效值Us拉低至552 V，變流器Crowbar單相阻值Rcrb=0.25 Ω，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n=650 r/min，轉(zhuǎn)差率s=0.35，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)開口電壓為Uopen=2030 V。

根據(jù)式（1）計算Crowbar投入后在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的線電壓有效值Ur：

式中：Ur為轉(zhuǎn)子側(cè)線電壓，V；Uopen為電動機(jī)開口電壓，V；s為轉(zhuǎn)差率。

計算轉(zhuǎn)子側(cè)電動機(jī)輸出功率Pr：

根據(jù)轉(zhuǎn)差率s可得定子側(cè)發(fā)電機(jī)輸出功率Ps：

則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速650 r/min投入Crowbar后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T′為

發(fā)電機(jī)總輸出機(jī)械功率Pgen為

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為

式中：TN為額定轉(zhuǎn)矩，N·m；PN為額定功率，kW；nN為額定轉(zhuǎn)速，r/min。

上述計算表明：Crowbar投入后將使電動機(jī)產(chǎn)生1.69倍額定轉(zhuǎn)矩，即24 294 N·m，而該聯(lián)軸器允許打滑力矩為23 kN·m，即該轉(zhuǎn)速下投入Crowbar導(dǎo)致聯(lián)軸器承受的實(shí)際載荷大于設(shè)計允許值，造成聯(lián)軸器打滑，該轉(zhuǎn)矩計算分析值與前述實(shí)測聯(lián)軸器打滑時的轉(zhuǎn)矩值25.4 kN·m偏差僅為4%，與實(shí)際相符。

2 系統(tǒng)改善

上述分析表明：聯(lián)軸器打滑原因?yàn)樽兞髌饔|發(fā)母線過壓觸發(fā)Crowbar故障，電動機(jī)產(chǎn)生1.69倍額定轉(zhuǎn)矩，超過聯(lián)軸器打滑轉(zhuǎn)矩限值，造成聯(lián)軸器打滑。為改善聯(lián)軸器打滑問題，避免造成不必要的損失，提出以下改善方案：1）適當(dāng)提高聯(lián)軸器打滑力矩，或者對打滑響應(yīng)進(jìn)行一定的滯后處理。2）為了解決650 r/min滑差較大時，變流器輸出能力不夠造成的功率失穩(wěn)；采樣動態(tài)調(diào)整變流器母線運(yùn)行電壓，增大變流器運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍。3）調(diào)整Crowbar投入時的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖7 整改后聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

綜合考慮各方面因素，文中采用方案3）進(jìn)行改善。經(jīng)計算，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速670 r/min投入Crowbar時轉(zhuǎn)矩將大幅減小為1.53倍額定轉(zhuǎn)矩，在700 r/min投入Crowbar時轉(zhuǎn)矩為1.27倍額定轉(zhuǎn)矩。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)改善措施，由變流器廠家調(diào)整Crowbar投入轉(zhuǎn)速為700 r/min，在試驗(yàn)臺上多次人為觸發(fā)Crowbar故障，測試聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖7所示，整改后Crowbar故障觸發(fā)時聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩峰值為21 kN·m，較整改前降低了4400 N·m，且低于聯(lián)軸器設(shè)計打滑力矩，經(jīng)現(xiàn)場檢查聯(lián)軸器打滑標(biāo)記，未發(fā)現(xiàn)打滑跡象，表明整改有效。

4 結(jié)語

針對某兆瓦級雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺聯(lián)軸器打滑問題，基于惠斯通電橋測試原理及變流器Crowbar故障觸發(fā)機(jī)理，診斷了聯(lián)軸器打滑原因，提出相應(yīng)改善措施，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，得結(jié)論如下：1）聯(lián)軸器打滑原因?yàn)樽兞髌髂妇€過壓觸發(fā)Crowbar故障，導(dǎo)致變流器反饋轉(zhuǎn)矩大于聯(lián)軸器打滑力矩，聯(lián)軸器過載造成打滑；2）優(yōu)化Crowbar投入時的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效減低故障觸發(fā)時轉(zhuǎn)矩4400 N·m，經(jīng)人為觸發(fā)故障，驗(yàn)證改善措施有效；3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場分析聯(lián)軸器打滑以往從聯(lián)軸器質(zhì)量、額定打滑力矩等方面分析原因，通常無法解決問題，此次臺架試驗(yàn)為現(xiàn)場排查打滑原因提供了新的解決思路，其對策同樣適用于風(fēng)場聯(lián)軸器打滑問題的處理。