CN104535928A - 直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于可再生能源装备状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种直驱式风力发电机模拟试验台与状态监测装置。本发明旨在研究直驱式风力发电机的运行特点与故障机理，分析振动信号和电信号与风力发电机运行故障的表征关系。异步电动机经齿轮箱减速之后作为直驱风力发电机的动力输入，动力经联接法兰传递给直驱式风力发电机，带动其永磁式外转子旋转，发电机中心轴所安装的线圈作为定子固定不动，并将电能传递给电网。直驱式发电机采用悬臂结构，在其前、后轴承皆安装压电加速度传感器监测轴承状态，动力输入处安装扭矩仪同步监测传动链的扭矩和转速，发电机并网侧安装三相电压和电流互感器。通过对上述信号的分析，可以研究直驱式风力发电机的运行特点和故障机理，为实际机组的运行、维护提供理论依据。

Description

直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置

技术领域

本发明属于能源装备状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种直驱式风力发电机模拟试验台与状态监测装置。

背景技术

水平轴风力发电机主要包括两种机型：带齿轮箱的双馈异步发电机和无齿轮箱的直驱式风力发电机。目前，直驱式风力发电机约占风电装机容量的1/4，随着风电单机容量的逐渐增大，直驱式机组因其传动链简单、结构紧凑等特点将成为大型风电机组的主流机型，由于没有行星齿轮箱作为升速传动，直驱式机组被认为是故障率较低的一种机型。然而实际运行中，直驱式风力发电机的叶片重力完全靠前端轴承支撑，随机风载荷的冲击也直接由发电机承担，整台机组为悬臂结构，一旦支撑轴承发生故障，将会直接导致发电机气隙偏心，影响发电效率，严重时导致发电机定子与转子碰擦，破坏整台机组，其经济损失比双馈式机组齿轮箱故障所致损失更大。

风力发电机常安装在野外距地面数十米甚至上百米的高空中，经历极端温差、随机载荷，运行环境恶劣。现场值守人员对机组的维护主要按定期爬塔巡检的模式进行，对机组的运行状态、可能故障机理知之甚少，尽管目前有一部分风电机组安装了在线状态监测与故障诊断***，能够将现场振动数据通过网络传送至远程诊断中心，由专家进行远程分析与处理，但此种模式缺乏对机组激励载荷的掌控，通过振动信号难以确定故障程度，缺少对实际故障的有效跟踪与反馈，容易造成风电场运行状态与分析结果相脱节的不利现象。

鉴于上述考虑，直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置的研制至关重要。原因在于：试验台测试可以提供尽量接近实际直驱式风力发电机的运行环境，通过模拟各种运行故障，包括支撑轴承的内外圈、滚动体、保持架故障，风轮的不平衡、发电机的相间短路、偏心等，分析振动信号及电压、电流等参量，建立故障程度与监测信号之间精确的表征关系，为实际直驱式风力发电机的状态监测、精确诊断与运行维护提供理论依据。

发明内容

本发明基于上述情况，提供一种针对直驱式风力发电机的模拟试验台及其状态监测装置。

本发明包括以下内容：

(1)图1中，三相异步电动机1、行星减速器3、扭矩仪(转速计)4通过联轴器2联接，扭矩仪4和永磁外转子发电机通过联接法兰5联接，共同组成直驱式风力发电机模拟试验台；

(2)直驱式风力发电机采用永磁外转子结构、悬臂支撑，以提高单位体积的磁能量；

(3)转子套筒7、转子8和永磁体9组成转子，定子轴18、定子铁心10和定子线圈11组成定子，直驱式永磁外转子发电机由转子、定子和支撑轴承15(16)构成；

(4)三相异步电动机采用变频器调速，经行星减速器减速后的动力可以模拟实际变转速、变载荷的外部激励。行星减速器结构紧凑，可提供较大的减速比，以适应直驱风力发电机的低速输入；

(5)永磁外转子发电机的输入端可以增减配重6，以模拟实际风电叶片的重载及不平衡状态；

(6)同步拾取来自振动传感器17、扭矩仪4(转速、扭矩)、电压互感器13和电流互感器14的状态信号，各类信号的分析与处理可以为直驱式风力发电机的轴承故障、电气故障提供快速诊断方法。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供针对直驱式风力发电机的结构特点，提供缩尺比例试验台，能够全面模拟实际风力发电机的运行工况：①通过异步电动机与行星减速器结合的方法，提供低速、重载的外部输入；②通过输入端安装配重的方式，模拟风电叶片的重载及不平衡状态；③发电机试验台与实际直驱式风力发电机结构基本相同，测试结果接近实际。

(2)为直驱风力发电机提供全面的状态监测与故障诊断方法上的支持。通过在试验台上模拟各种机械或电气故障，容易建立部件故障程度与振动信号、电信号的表征关系，同时可进行多种先进故障特征提取与诊断方法的验证，为实际机组的精确诊断提供依据。

附图说明

图1为直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置示意图；

图2为轴承正常状态与故障状态下的信号及特征对比。左a：正常状态振动信号，左b：故障状态振动信号，右a：正常状态的倒频谱，右b：故障状态的倒频谱；

图3左为不同运行工况下有无故障时所提取的特征对比；图3右为轴承保持架故障图片。

具体实施方式

本发明提供了一种直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

(1)在发电机主轴承上人为制造某种故障，此例中为保持架烧伤，由于试验台为模块化结构，便于拆卸，分别将正常轴承和保持架故障轴承安装在试验平台进行测试；

(2)采集加速度振动信号进行分析，图2左a为正常状态的加速度信号，图2左b为保持架烧伤时的加速度信号；

(3)对原始加速度信号进行处理，如图2右所示为相应的倒频谱信号(图2右a为正常信号的倒频谱，图2右b为保持架烧伤时信号的倒频谱)。提取0.358s时的幅值作为故障特征；

(4)风力发电机一个重要的运行特性是变工况，进一步模拟在同一种故障状态下的九种不同运行状态，主要通过变频调速改变输入转速和载荷，九种状态下正常与故障特征对比见图3左。可以发现故障与正常特征差值波动不大，说明倒频谱技术提取故障特征基本不受运行工况影响，效果良好；

(5)模拟的发电机轴承保持架烧伤故障如图3右所示。

实际实施中，可以模拟包括轴承、发电机定子、转子、线圈等多种故障，并可以通过振动、电压、电流信号并行分析。

Claims (6)

1.直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，其特征在于：三相异步电动机1、行星减速器3、扭矩仪(转速计)4通过联轴器2联接，扭矩仪4和永磁外转子发电机通过联接法兰5联接，共同组成直驱式风力发电机模拟试验台。

2.根据权利要求1所述直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，其特征在于直驱式风力发电机采用永磁外转子结构、悬臂支撑，以提高单位体积的磁能量。

3.根据权利要求1所述直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，其特征在于转子套筒7、转子8和永磁体9组成转子，定子轴18、定子铁心10和定子线圈11组成定子，直驱式发电机由转子、定子和支撑轴承15(16)构成。

4.根据权利要求1所述直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，其特征在于三相异步电动机采用变频器调速，经行星减速器减速后的动力可以模拟实际变转速、变载荷的外部激励；行星减速器结构紧凑，可提供较大的减速比，以适应直驱风力发电机的低速输入。

5.根据权利要求1所述直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，其特征在于直驱式发电机的输入端可以增减配重6，以模拟实际风电叶片的重载及不平衡状态。

6.根据权利要求1所述直驱风力发电机模拟试验台与状态监测装置，其特征在于可以从振动传感器17、扭矩仪4(转速、扭矩)、电压互感器13和电流互感器14等同步拾取多种信号，各类信号的分析与处理可以为直驱式风力发电机的轴承故障、电气故障提供快速诊断方法。