双馈异步风力发电机电刷滑环系统状态监测与故障诊断研究 CTT

1、双馈异步风力发电机电刷滑环系统状双馈异步风力发电机电刷滑环系统状 态监测与故障诊断研究态监测与故障诊断研究 马宏忠马宏忠 目录目录 一一绪论绪论 双馈异步发电机电刷滑环系统三维双馈异步发电机电刷滑环系统三维温度温度场研究场研究 振动振动法在双馈异步发电机滑环面法在双馈异步发电机滑环面划痕划痕故障诊断中的研究故障诊断中的研究 基于基于HHTHHT的双馈异步发电机滑环的双馈异步发电机滑环烧伤烧伤故障诊断研究故障诊断研究 总结总结 二二 三三 四四 五五 1. 绪论绪论 双馈异步发电机电刷滑环系统双馈异步发电机电刷滑环系统结构与功能简介结构与功能简介 结构： 运行示意图实物模型图 主要功能： 电刷滑

2、环系统电刷滑环系统故障后果故障后果 双馈异 步风力 发电机 电刷滑 环系统 用于发电 机励磁 用于功率 传递 发电机次同步运行时，转子变频器通 过电缆、刷架、电刷及滑环将频率、 幅值时刻变化的三相电流引入到转子 绕组进行励磁。 发电机超同步运行时，电刷滑环系统 将三相转子电流引出至转子变频器实 现功率信号的传递。 刷滑环状态监测与故障诊断刷滑环状态监测与故障诊断意义意义 及时发现故障并进行排除，最大限度降低损失，提高工作效率。 本课题的监测与诊断本课题的监测与诊断方法（）方法（） 2. 刷环系统刷环系统接触不良接触不良三维三维温度温度场研究场研究 2. 刷环系统刷环系统三维温度场研究三维温度场

3、研究 电刷滑环系统温度场建模与仿真电刷滑环系统温度场建模与仿真 温度场温度场 数学模型数学模型 物理模型物理模型 求解域模型求解域模型 建立三维温度场数学模型和求解域物理模型建立三维温度场数学模型和求解域物理模型 数学模型 在笛卡尔坐标系下求解域内三维非稳态导热的偏微分方程及其边界条件 为 式中：T为物体温度；T0为边界上已知温度分布；Te为周围介质温度；kx、 ky、kz分别为物体在x、y、z方向上的导热系数；r0为材料密度；c为材 料比热；q为热源密度；q0为通过边界面S2的热流密度；n为边界法向 量；a为对流散热系数。 )(: : : 3 02 01 0 e zyx TT T kS q

4、T kS TTS q z T k yy T k yx T k x T c n n 求解域物理模型及网格划分 1引线；2#1电刷； 3#2电刷； 4滑环；5绝缘套管；6#3电刷； 求解域物理模的网格划分图 电刷滑环系统正常与故障运行状态下热、电场分布电刷滑环系统正常与故障运行状态下热、电场分布 正常正常故障故障 30A30A 5A55A 3. 振动振动法在法在刷环刷环系统故障诊断中的应用系统故障诊断中的应用 故障类型 电蚀、凹坑 划痕等 3. 振动法在刷环系统故障诊断中的应用振动法在刷环系统故障诊断中的应用 电刷滑环系统电刷滑环系统 运行试验平台运行试验平台 搭建搭建 硬件准备 平台搭建 振动传

5、感器安装 信号采集模块 振动信号测取 小波包分解 小波重构 小波包能量谱 实验平台实验平台结构和原理结构和原理 本实验平台在河海大学电工实验室搭建，由1.1kW三相异步电动 机、调压器、变压器、电刷滑环装置、电机工作台、多通道数字采 集仪、传感器等组成。左图是电刷滑环系统振动法实验的现场装置 图，右图是电刷滑环系统实验装置原理图。 振动信号振动信号采集系统采集系统 左图为振动传感器安装部位示意图；右图为信号采集系统组成部 分：左上为数字信号采集仪、右上为直流电压源、下图为PC处理机。 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -0.05 0 0.05 幅值/g

6、A相电刷-滑环 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -0.05 0 0.05 幅值/g B相电刷-滑环 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -0.02 0 0.02 时间/s 幅值/g C相电刷-滑环 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -0.1 0 0.1 幅值/g A相电刷-滑环 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -0.1 0 0.1 幅值/g B相电刷-滑环 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -0

7、.1 0 0.1 时间/s 幅值/g C相电刷-滑环 正常运行时振动信号滑环划痕故障时振动信号时域谱 振动信号振动信号处理处理 正常及划痕故障运行时振动信号经小波包分解、重构、小波包能量谱处理 后，得出其频段能量分布对比图。 01234567891011121314151617 0 10 20 30 40 50 60 51.37 21.09 6.49 16.68 0.040.35 2.58 1.00 0.020.040.110.07 0.03 0.03 0.06 0.04 频 带 序 列 占总能量百分比% 01234567891011121314151617 0 10 20 30 40 50

8、60 38.38 10.28 16.22 20.42 0.10 0.47 10.92 2.54 0.00 0.010.19 0.080.000.02 0.280.10 频 带 序 列 号 占总能量百分比% 电刷-滑环故障振动信号3、4、7、8频段占总能量的百分比较正常振 动信号明显增加，这四个频带分别对应的频率范围为：625-937.5Hz、 1875-2187.5Hz、1562.5-1875Hz、4687.5-5000Hz，由此可以判断这四个 频率段出现异常振动信号，即此四个频带为滑环面划痕故障频率带。 4. 基于基于HHT的滑环面烧伤故障诊断研究的滑环面烧伤故障诊断研究 电刷滑环电电刷滑环

9、电 阻分析阻分析 滑环运行电阻分析 运行电阻对流经电刷电流的影响 仿真分析与仿真分析与 计算计算 故障前、后的运行电阻建模 仿真计算 故障前后励磁电流HHT对比分析 实验验证实验验证 搭建实验平台并测取数据 对励磁电流进行HHT变换 对比分析故障前后结果验证理论正确性 完成诊断完成诊断 找出故障特征量 定义故障严重程度 完成故障诊断 电刷电刷-滑环电阻分析滑环电阻分析 l正常运行时：正常运行时： （a）滑环动态电阻示意图 （b）等效电路图 图4-1 滑环动态电阻示意图及其等效电路图 滑环引线触头与滑环内环相连，固定在滑环上，由于引线触头到电刷触 头的圆周距离时刻发生变化，故滑环电阻也成周期性变

10、化，其变化频率与滑 环转速同步。定义滑环旋转运行时的环圈动态周期变化电阻为滑环运行电阻。 可推导出滑环运行电阻的计算公式为： 由滑环运行电阻的表达式可以看出，在0-1/f时间范围内，滑环电阻是呈开口 向下的抛物线形状，t取0和1/f时，滑环电阻最小，其值近似为零，此时电刷滑环 接触点和引线触头重合；t取1/2f时，滑环电阻最大，其值环圈电阻的1/4，此时接 触点和引线触头分别位于滑环直径的两端点。此后时间里，滑环动态电阻就以该 抛物线形式做周期性变化，变化频率同滑环转动频率相等。 )(2)( 2 fttf A rtRtol 00.050.10.150.20.250.3 0 1 2 3 4 5

11、6 7 时 间 /s 电阻/m 电刷-滑环运行电阻值变化谱图 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 时 间 /s 电阻/m 滑环正常情况运行时电刷滑环总电阻时域谱 l环面烧伤故障运行环面烧伤故障运行 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 10 20 30 40 50 60 70 时 间 /s 幅值/m 滑环烧伤故障模 拟示意图 滑环烧伤故障状 态下电刷滑环总 电阻时域谱 l 运行电阻对流经电刷电流的影响运行电阻对流经电刷电流的影响 102 )cos()c

12、os( 10 cos5 )( 000 tAtAtA ti mm 正常正常运行时，励 磁电流表达式： t A t A t A t A t A ti mm mm )sin() 10 19 cos1 ( 70 3 )cos( 10 19 sin 70 3 )sin() 10 19 cos1 ( 70 3 )cos( 10 19 sin 70 3 cos 350 33 )( 00 000 故障故障运行时，励 磁电流表达式： 对比两式不难发现，滑环烧伤故障后，流经滑环的电流频谱除了含有基波外，还含 有 、 、 、频率分量的间谐波，这与滑环正常运行时类似，但不同 的是，间谐波占基波的比重不同。 m 0m

13、2 0 m 3 0 运行电阻 接触电阻 仿真分析与计算仿真分析与计算 l运行电阻数学建模、电路建模：运行电阻数学建模、电路建模： (a) 故障前 运行电阻的数值模型 (b) 故障后 运行电阻的数值模型 数值模型数值模型 PSCAD双馈风机及电刷滑环双馈风机及电刷滑环 等效等效电路电路模型模型 00.511.522.5 -1 0 1 A相电流幅值/pu 00.511.522.5 -1 0 1 B相电流幅值/pu 00.511.522.5 -1 0 1 时 间 /s C相电流幅值/pu 00.511.522.5 -1 0 1 A相电流幅值/pu 00.511.522.5 -1 0 1 B相电流幅值

14、/pu 00.511.522.5 -1 0 1 时 间 /s C相电流幅值/pu 频率/Hz 时 间 /s 00.20.40.60.811.21.41.61.82 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 频率/Hz 时 间 /s 00.20.40.60.811.21.41.61.82 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 l仿真计算结果：仿真计算结果：

15、 三相 电流 波形 HHT 变换 分析 滑环正常状态运行C相滑环故障运行 实验验证实验验证 l实验设备与故障设置实验设备与故障设置 本实验设置了多种不同程度的滑环烧伤故障，取具有代表性的四种不同程 度的烧伤故障，由轻到重依次是滑环面一处轻度烧伤、一处重度烧伤、两处轻 度烧伤、一处轻度+一处重度、两处重度、两处重度+一处轻度烧伤，并定义其 故障等级分别为0.5级、1级、1.5级、2级、2.5级、3级。 C相滑环一处重度烧伤（1级故障） 滑环故滑环故 障实验障实验 装置图装置图 l实验结果分析实验结果分析 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10

16、A相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 B相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 时 间 /s C相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 A相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 B相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 时 间 /s C相电流/A 00.050.10.150.

17、20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 A相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 B相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 时 间 /s C相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 A相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0 10 B相电流/A 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 -10 0

18、 10 时 间 /s C相电流/A (a) 滑环无故障无故障运行时三相励磁电流 (b) 一处轻度烧伤一处轻度烧伤故障时三相励磁电流 (c) 一处重度烧伤一处重度烧伤故障时三相励磁电流 (d) 两处重度烧伤两处重度烧伤故障时三相励磁电流 尽管从波形上能够观察出滑环是否发生了严重的烧毁故障，但对于轻度烧伤 故障，很难直接从电流波形上进行判断，缺乏对滑环烧伤故障的早期预警能力。 故需要对故障相励磁电流进行希尔伯特黄变换处理并绘出Hibert谱，便可准确、 直观地对滑环烧伤故障及其严重程度进行判断。图4-15给出滑环在良好运行、烧 伤故障状态下时C相励磁电流的Hibert谱图： 频率/Hz 时 间 /s 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 频率/Hz 时 间 /s 00.050.10.150.20.250.30.350.40.4