CN210072012U - 一种风力发电机气隙偏心的故障检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种风力发电机气隙偏心的故障检测装置。本实用新型包括在定子铁芯外边沿轭部周向均匀放置的多个感应线圈，所有感应线圈的输出端由出线盒引出，再接入出线盒内的端子上，之后连接至位于机舱的控制柜，控制柜与中控室连接；检测装置将得到的实时数据传至中控室，通过采集到的感应线圈两端的感应电压的特征谐波频率可以诊断出电机故障，并区分故障类别。本实用新型能很好地检测出风机的偏心故障，确定最小气隙位置，实现风机早期的故障诊断。并且成本低，检测结果精准，可以缩短维修时间，降低运维成本。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电机质量检测技术领域，具体涉及一种风力发电机气隙偏心的故障检测装置。
背景技术
风力发电机的运行工况相对较为恶劣，容易出现一系列故障。按故障部位可分为定子故障、转子故障、气隙偏心故障和轴承故障等。其中，气隙偏心故障较为普遍，它是最常见的发电机机械故障之一，气隙偏心广泛存在于发电机中，这是一种由于制造及安装误差、轴承偏移、定子铁芯变形等原因所导致的定转子间气隙不均匀(一侧气隙大另一侧气隙小)的状况。故障将会改变气隙及定、转子铁芯的磁场分布，加剧定、转子的振动，并导致铁芯变形、绕组磨损和绝缘破坏等严重后果。轻微的气隙偏心不会对风机的正常运行产生太大的影响，研究表明当偏心程度小于10％时，电机的性能几乎不受影响，能够满足实际工程需求。当偏心程度超过10％，但又不足以使定转子铁芯相擦时，此时电机的性能变差，如效率降低、噪声增大、转矩脉动增加、轴承磨损加剧等。当偏心程度严重到定转子相擦时，定转子径向振动激增，恶化轴承工作环境，磨损绕组绝缘，此时转子所受的不平衡磁拉力将会使转子进一步向最小气隙方向变形，使得最小气隙进一步减小，形成恶性循环，严重时导致碰摩故障的发生，这些都足以使电机停机。因此，对风力发电机进行早期故障诊断具有重要意义。目前对永磁风力发电机气隙偏心故障的研究还很少，但气隙偏心在大型永磁风力发电机里出现概率很高。因此，针对发电机偏心故障的研究对永磁风电机组的稳定性、安全性具有重要意义。
图1至图6是某工程实例所测有关参数曲线图。图1所示是正常运行时永磁风力发电机A相定子电流曲线图，图2、图3所示分别是气隙偏心程度为10％和40％时的A相定子故障电流曲线图；图4所示是正常运行时永磁风力发电机定子电流功谱图，图5、图6分别是气隙偏心程度为10％和40％时的定子电流功谱图。
参见图1至图6，根据有限元法计算出偏心故障下风力发电机的定子电流，引入功率谱来分析电流的频率分布。根据Nyquist定律，样本频率设置为 1000Hz。同时，定子电流信号在600ms以上，这样可以使分析结果更为精确。
结合MATLAB工具箱，对比正常运行和偏心10％、40％情况下的频率分布情况如图4-6：由图4-6可知，当风力发电机偏心10％时，电流功率谱出现了明显的齿谐波，边频分量与对应的频率在偏心故障下，成正相关变化，可以由此作为偏心程度的判断依据。比较图5和图6，偏心程度增加30％，边频分量在 110Hz、130Hz处，幅值明显增大。在240、340、370、440和470Hz处,也能看到同样的现象。静态偏心程度越高，边频幅值增加越大。
通过提取大型永磁风力发电机定子正常、故障情况下的电流信号，利用 MATLAB工具箱获得其参数功率谱并进行对比，即可判断电机是否含有静态偏心故障，且谐波的多少及其幅值的大小可以清楚反映静态偏心的偏心程度情况。
由上述可见，现在利用定子电流信号和振动信号是最常见的两种偏心故障诊断方法。其中，获取定子电流信号并进行各种各样的数学处理是目前最常用的偏心检测方法，特别是电流特征信号检测，这是因为定子电流信号容易获取且不受外界环境干扰。但是该方法只有当定子绕组极对数与转子导条数满足一定的配合关系时，定子电流中才会存在相应的偏心特征信号，因此检测电流特征信号并不适用于所有电机，有一定的局限性。振动信号虽然容易获得，但易受外界环境干扰，且测量装置成本高，该检测方法也不实用。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种通过检测定子轭部磁场来对大型永磁直驱同步风力发电机进行气隙偏心故障的检测装置。
本实用新型的目的是通过如下的技术方案来实现的：该风力发电机气隙偏心的故障检测装置，它包括在定子铁芯外边沿轭部周向均匀放置的多个感应线圈，所有感应线圈的输出端由出线盒引出，再接入出线盒内的端子上，之后连接至位于机舱的控制柜，控制柜与中控室连接；检测装置将得到的实时数据传至中控室，通过采集到的感应线圈两端的感应电压的特征谐波频率可以诊断出电机故障，并区分故障类别。
具体的，定子铁芯外边沿轭部周向均匀冲制有多个轴向圆形通孔，对应于每个圆形通孔的定子铁芯外边沿冲制有轴向凹槽，感应线圈一边穿绕入圆形通孔中，另一边嵌入铁芯外沿的凹槽中，感应线圈外套有绝缘套管；圆形通孔和凹槽的数量与尺寸由感应线圈的个数和线规匝数决定。
具体的，所述感应线圈的放置个数为3的倍数。
具体的，每个感应线圈的匝数为3匝。
本实用新型的工作原理是：通过感应线圈的磁通随着时间变化，线圈两端会产生感应电压。正常电机运转过程中，气隙是不会发生变化的，所以感应电压的基频幅值是没有变化的。所以通过监测感应电压的基频幅值可以判断出电机是否偏心。在静态偏心状态下，最小气隙在空间位置固定不变，n个感应线圈感应电压基频幅值不同。某一线圈基频幅值最大，向两边逐渐减小。而这个感应电压基频幅值最大的感应线圈所对应的气隙长度最小，即最小气隙位置。因此，我们可以根据这些感应线圈感应电压基频幅值的变化趋势确定静态偏心状态下的最小气隙位置。
因此，通过本实用新型的风力发电机气隙偏心故障检测装置及判断方法，能很好地检测出风机的偏心故障，确定最小气隙位置，实现风机早期的故障诊断。并且成本低，检测结果精准，可以缩短维修时间，降低运维成本。
附图说明
图1是某工程实例运用现有技术分析时所测正常运行时永磁风力发电机A 相定子电流曲线图。
图2、图3分别是气隙偏心程度为10％和40％时的A相定子故障电流曲线图。
图4是正常运行时永磁风力发电机定子电流功谱图。
图5、图6分别是气隙偏心程度为10％和40％时的定子电流功谱图。
图7是本实用新型实施例的感应线圈在定子铁芯上的安装分布示意图。
图8是图1中定子铁芯的单片弧形冲片的平面图。
图9是图1中一个感应线圈在定子铁芯上的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。
参见图7，本实施例中，在定子铁芯1的外边沿轭部周向均匀放置6个感应线圈2，所有感应线圈2的输出端由出线盒引出，再接入出线盒内的端子上，之后连接至位于机舱的控制柜，控制柜与中控室连接(出线盒、控制柜和中控室等为现有企业成熟技术设备，在本实施例中未画出，也不再赘述)；检测装置将得到的实时数据传至中控室，通过采集到的感应线圈两端的感应电压的特征谐波频率可以诊断出电机故障，并区分故障类别。
参见图8、图9，为了准确检测出定子轭部磁场，本实施例将感应线圈2 沿着定子铁芯1外边沿的轭部嵌入。现在大型永磁直驱同步风力发电机的定子铁芯都是由多块弧形冲片叠压而成。为了更好的放置感应线圈2，需对弧形冲片进行一些改造。如图8所示，在弧形冲片上冲制圆形通孔，并在其外沿冲制相应尺寸的凹槽。定子铁芯圆形通孔和凹槽的数量与尺寸规格由感应线圈需要被放置的个数和线规匝数决定，感应线圈的个数最好为3的倍数。如图7所示，以一台2.5MW风力发电机为例，假设定子槽数为360，在定子轭部均匀(60°/个)放置6个感应线圈，匝数为3匝即可。
具体操作步骤如下：
(1)如图9所示，将加工后的弧形冲片进行叠压制成定子铁芯1，感应线圈2外套上绝缘套管3，感应线圈2的一边被穿绕入圆形通孔中，另一边嵌入铁芯外沿的凹槽中。
(2)所有感应线圈的输出端由出线盒引出，再接入出线盒内的端子上，之后连接至位于机舱的控制柜中。
(3)将得到的实时数据传至中控室。
本实用新型通过检测定子轭部磁场来对大型永磁直驱同步风力发电机进行偏心故障诊断。也就是说，在电机的定子轭部均匀放置多个感应线圈，通过采集到的感应线圈两端的感应电压的特征谐波频率可以诊断出电机故障，并区分故障类别。对于永磁直驱式风机而言，它的体型较大，一旦发生故障，吊装一次动辄上百万，运维成本极高，而气隙不均引起的电机定转子偏心是现在最常见的故障。本实用新型能很好地诊断出风机的偏心，确定最小气隙位置，实现风机早期的故障诊断。
现有的针对风机发电机进行故障诊断的方法主要是基于定子电流的诊断法和振动诊断法。基于定子电流的诊断法受到定子绕组极对数与转子导条数的影响，有一定的局限性。但是本实用新型适用于所有风机，无需考虑定子绕组极对数与转子导条数的配合关系。振动诊断法测量成本高，还容易受到外界环境影响。并且以上两种现有方法均无法检测出最小气隙位置，无法实现早期的故障诊断。
Claims (3)
1.一种风力发电机气隙偏心的故障检测装置，其特征在于：它包括在定子铁芯外边沿轭部周向均匀放置的多个感应线圈，所有感应线圈的输出端由出线盒引出，再接入出线盒内的端子上，之后连接至位于机舱的控制柜，控制柜与中控室连接；检测装置将得到的实时数据传至中控室，通过采集到的感应线圈两端的感应电压的特征谐波频率可以诊断出电机故障，并区分故障类别；
定子铁芯外边沿轭部周向均匀冲制有多个轴向圆形通孔，对应于每个圆形通孔的定子铁芯外边沿冲制有轴向凹槽，感应线圈一边穿绕入圆形通孔中，另一边嵌入铁芯外沿的凹槽中，感应线圈外套有绝缘套管；圆形通孔和凹槽的数量与尺寸由感应线圈的个数和线规匝数决定。
2.根据权利要求1所述风力发电机气隙偏心的故障检测装置，其特征在于：所述感应线圈的放置个数为3的倍数。
3.根据权利要求1所述风力发电机气隙偏心的故障检测装置，其特征在于：每个感应线圈的匝数为3匝。
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