風(fēng)力發(fā)電機組異常振動測試與診斷分析

宋占勝

摘要：風(fēng)能作為一種清潔能源，發(fā)展迅速。由于風(fēng)電機組通常在野外，環(huán)境條件惡劣，而且容易發(fā)生故障，因此維護保養(yǎng)需要耗費大量的人力物力。我國在風(fēng)機故障診斷方面開展了大量的研究，并取得了豐碩的成果。給出了各種狀態(tài)監(jiān)測方法和信息融合診斷技術(shù)。這些研究大多基于數(shù)值計算和理論分析，并提出了各種控制措施。但由于風(fēng)電機組的復(fù)雜性和運行環(huán)境的多變性，在設(shè)計之初就要考慮風(fēng)電機組的振動特性，進行優(yōu)化設(shè)計，并進行相應(yīng)的試驗驗證，以避免出現(xiàn)異常振動。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組;異常振動測試;診斷

1研究概況

某風(fēng)力發(fā)電機組電機整體通過4個隔振器彈性安裝在基座上，電機-隔振器-基座組成的電機系統(tǒng)與增速齒輪箱所在的塔筒基座通過8個螺栓縱向連接，該基座下部懸空，以齒輪箱安裝基座面為基準(zhǔn)呈懸臂梁狀態(tài)。箱體上布置三條橫向加強筋，鐵芯與橫向加強筋通過4個點焊接剛性固定。發(fā)電機工作方式為水冷，通過左側(cè)面的進出水口循環(huán)，水箱安裝在電機頂部的箱體上。風(fēng)力發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速范圍為600rpm～1380rpm，正常并網(wǎng)發(fā)電轉(zhuǎn)速為900rpm～1200rpm。

2振動特性

2.1齒輪嚙合頻率

嚙合頻率是兩個齒輪轉(zhuǎn)動一個節(jié)面角所需時間的倒數(shù)，可由式（1）確定。

（1）

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，rpm;z為齒數(shù)。

風(fēng)電機組齒輪箱采用1級行星/2級平行軸傳動結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

第一級為行星輪系，行星齒輪架為輸入端，內(nèi)齒圈固定，太陽齒輪為輸出端。主要參數(shù)有：太陽齒輪齒數(shù)Z2、行星齒輪齒數(shù)Z3、內(nèi)齒圈齒數(shù)Z4。當(dāng)一級行星輪系傳動比為I1，內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速N4=0，太陽齒輪轉(zhuǎn)速N2=I1·n，行星齒輪轉(zhuǎn)速N3=n，即可計算出太陽輪、行星齒輪和內(nèi)齒圈的嚙合頻率。

以此類推，容易得出中間軸及高速軸齒輪的嚙合頻率計算方法。

2.2軸承通過頻率

軸承的特征頻率與自身尺寸有關(guān)，計算公式如下：

內(nèi)圈通過頻率：

外圈通過頻率：

滾動體特征頻率：

保持架固有頻率：

由公式及參數(shù)，便可求出理論軸承特征頻率，在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，計算得出的理論特征頻率與實際特征頻率極其接近。

3試驗臺架振動測試

3.1初步敲擊測試

靜止?fàn)顟B(tài)下，在電機接線端一側(cè)的平面4個角點上布置4個法向加速度測點，力錘敲擊某角點位置，在10Hz～20Hz范圍內(nèi)，出現(xiàn)2個峰值位于11.38Hz、17.7Hz。

3.2靜止?fàn)顟B(tài)模態(tài)測試

靜止?fàn)顟B(tài)下，在電機上表面、下表面、左側(cè)面、右側(cè)面和電機軸端，共布置30個振動加速度測點。錘頭敲擊電機右側(cè)面和上表面，分析電機各表面模態(tài)和整體模態(tài)結(jié)果。

敲擊結(jié)果峰值頻率為5.72Hz、8.9Hz、11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz。

11.2Hz對應(yīng)的主振型以軸為主線左右平動，15.6Hz對應(yīng)的主振型為上下表面平動，17.7Hz對應(yīng)的主振型為彎曲、扭轉(zhuǎn)的耦合振動。

3.3升速測試

根據(jù)試驗臺架靜態(tài)敲擊模態(tài)試驗結(jié)果，進行600rpm～1200rpm的升速試驗。在11.2Hz、15.6Hz、17.7Hz頻率附近對應(yīng)的轉(zhuǎn)速670rpm、940rpm、1070rpm附近轉(zhuǎn)速以每10rpm為間隔加密測試，其余轉(zhuǎn)速以每30rpm為間隔測試。

試驗結(jié)果表明，試驗臺架的升速試驗過程中，所有測點振動較小，并未發(fā)生異常振動。其中，11.2Hz頻率成在升速過程中，只在670rpm有較大峰值，該頻率幅值隨轉(zhuǎn)速升高而下降。17.7Hz的頻率成分在所有轉(zhuǎn)速均有體現(xiàn)，在1060rpm轉(zhuǎn)速處達到最大峰值。

4風(fēng)電現(xiàn)場振動測試

4.1第一風(fēng)場現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

4.1.1電機靜止?fàn)顟B(tài)模態(tài)測試結(jié)果分析

靜止?fàn)顟B(tài)下，電機上共布置30個振動加速度測點，測點位置與試驗臺架模態(tài)測試相同。力錘橡膠錘頭敲擊電機左側(cè)面、上表面和前軸承端蓋表面，分析電機模態(tài)結(jié)果。

電機敲擊結(jié)果峰值頻率為5.72Hz、11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz、53.8Hz。其中11.3Hz、15.6Hz、17.9Hz模態(tài)振型與臺架相同，53.8Hz對應(yīng)的主振型為水平方向同步振動（左右電機表面彎曲振動）。

4.1.2電機運行狀態(tài)測試結(jié)果分析

電機運行狀態(tài)測試包括三種狀態(tài)：

（1）電機空轉(zhuǎn)升速測試;

（2）電機加勵磁不并網(wǎng)測試;

（3）電機并網(wǎng)發(fā)電測試。選擇電機左側(cè)面水平向測點和垂向測點作為分析的典型代表?，F(xiàn)場振動測試表明：電機空轉(zhuǎn)升速過程中，電機振動狀況良好。兩個方向的測點速度振幅隨著轉(zhuǎn)速升高變化而增大，最大振幅都不超過1mm/s。水平向測點主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz（不隨轉(zhuǎn)速變化）、53.8Hz（不隨轉(zhuǎn)速變化）等。垂向測點主要頻率成分是1倍軸頻、17.75Hz（不隨轉(zhuǎn)速變化）、5倍軸頻等。轉(zhuǎn)子加勵磁后振動迅速增大，電機左右側(cè)面表面振感強烈，并網(wǎng)發(fā)電時也出現(xiàn)相同癥狀。

4.1.3風(fēng)場測試初步結(jié)論

通過對10號電機上述三個不同工況的振動測試分析，可得出如下結(jié)論：

（1）電機空轉(zhuǎn)升速測試表明：電機-隔振器-安裝基座組成的電機系統(tǒng)在運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)整體沒有共振發(fā)生;

（2）電機加勵磁及并網(wǎng)測試表明：電機異常振動特征頻率為50Hz。為進一步驗證上述結(jié)論，對同一風(fēng)場的2號電機進行了相同工況的振動測試。

4.2第二風(fēng)場現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

通過對第一風(fēng)場現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的分析，表明異常振動特征頻率為50Hz。第二風(fēng)場開展兩方面的驗證：

（1）進一步驗證電機在50Hz附近的模態(tài)振型;

（2）通過對轉(zhuǎn)子施加不同的勵磁頻率，測試不同勵磁頻率下的電機響應(yīng)。

4.2.1電機靜止?fàn)顟B(tài)模態(tài)測試結(jié)果分析

在第二風(fēng)場主要針對電機水平向的模態(tài)振型，在電機左右側(cè)面的三條水平向加強筋上增加了測點，并增加了電機前后軸承的測點。

4.2.2電機運行狀態(tài)測試結(jié)果分析

通過變頻，分別施加32.5Hz和60Hz的勵磁電流，測試結(jié)果表明振動正常。為施加32.5Hz左右的勵磁電流（200A增加到270A）時電機水平向測點的振動響應(yīng)?？梢钥闯鏊俣阮l譜幅值極小，最大不超過0.1mm/s，遠小于50Hz勵磁時的15mm/s的速度振幅。

對比正常電機和異常電機的差異，選擇某正常并網(wǎng)發(fā)電機組進行了振動測試。最大振幅約為1mm/s，主要為電機軸頻17.75Hz。

結(jié)論

完成了某型風(fēng)力發(fā)電機組在試驗臺架、現(xiàn)場的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和整機振動特性測試。針對異常振動電機進行了診斷，提出了改進建議，并對改進前后的轉(zhuǎn)子特性進行了試驗。改進后的風(fēng)電機組均已投入正常使用，表明改進建議合理。

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