风力发电机组行星齿轮箱故障的定子电流诊断方法研究

发布时间：2020-10-22 21:33

　　 行星齿轮箱是风力发电机组传动系统的重要组成部件,也是故障发生率最高的部件之一,针对行星齿轮箱的故障诊断研究对风电机组的可靠平稳运行具有重要意义。目前,振动诊断方法在故障诊断领域内应用最为广泛,但同时也存在着安装不便、易受环境影响等缺点。而定子电流分析法仅利用发电机的电信号便可获取故障信息,能够有效降低检测和维修成本,特别适用于数量众多、运行环境恶劣的风力发电机组的故障监测与诊断。本文首先建立了行星齿轮箱各齿轮部件的故障信号模型,并对齿轮故障对定子电流产生的影响进行公式推导,分析了经验小波变换(Empirical Wavelet Transform,EWT)的基本原理,将经验小波变换和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)进行对比加以验证经验小波变换在信号分解中存在的优势。其次,根据异步电机的动力学方程,建立出齿轮故障时的双电机驱动模型,以该模型为基础,分别在Matlab/Simscape和Matlab/Simulink环境下搭建行星齿轮箱传动系统和双馈风力发电机组系统仿真模型进行仿真。对正常和故障状态下采集的仿真数据应用EWT进行分解,重构有效分量并进行包络谱分析,提取出模拟的故障频率成分。最后,搭建了风力发电机组行星齿轮箱故障模拟实验台,分别在行星轮正常和故障两种状态下采集发电机定子电流信号和行星齿轮箱的振动信号,结合EWT算法和包络谱分析对采集的信号进行处理分析与比较。仿真和实验结果表明,行星齿轮箱的局部故障会引起电机电流的变化,结合EWT和包络谱分析的信号处理方法,能够有效地在定子电流中提取行星齿轮的故障特征频率成分,定子电流信号中存在幅值较高的励磁谐波分量,该频率分量与变频器励磁大小有关,避免谐波分量和故障特征频段的重叠可提高故障识别的准确性,达到更好的诊断效果。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM315;TH132.41
【部分图文】：

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文实验室开发的一种设备监测方法，由学者 Kryter[34]提出并应用到电动阀门损监测中。由于该方法在使用时不用在待检设备上安装任何物理传感器，用电流互感器获取电机电路中的电气信息，因此也被称作无传感器故障检术(Sensorless Fault Diagnosis，SFD)[35-37]。MCSA 法可以弥补传统振动诊断的不足，有效地降低检测成本，提高了经济效益的同时降低了监测系统的程度。近些年来，该方法在齿轮箱方面的应用越来越多，文献资料也在不富。Kliman[38]等通过监测定子电流频谱来检测齿轮轮齿损伤，但并没有清楚释电流频谱中齿轮相关故障频率产生的机理。Mohanty[39]和 Kar[40]以多级箱为对象进行了故障试验，发现了在定子电流频谱中可以检测到转频和齿合频率等分量。Rajagopalan[41]等人详细研究了齿轮传动中各种齿轮故障对机端电压和电流的影响，包括齿轮轮齿破损、润滑损失和混入外部杂物，实验和仿真验证了电机电流/电压频谱分析在齿轮诊断方面的可行性，并了定点电流方法是比振动方法更优的诊断选择。负载控制柜

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文的研究，搭建了如图 1-2 所示机电传动实验台，并将共振残差技术应用电流信号的分析中，成功在供电频率附近提取出故障特征信息，证明了CSA 的故障诊断方法能够准确的反映出故障信息。经过多年时间的积累与学习，国内将无传感器诊断方法应用到齿轮箱究也有了一定的成就。中南大学实验团队[45-46]对风力发电机组进行了模，获取发电机定子电流信号与电压信号，证明了电机定子电流和电压信存在故障信息。杨明[47]等将定子电流分析法应用到一对啮合齿轮的故障，推导了电机定子电流的负载转矩特性，通过在 Matlab 下在建立仿真方式验证定子电流法的故障诊断原理，并进行了模拟实验，利用常用的析方法较好的检测出了齿轮断齿故障。冯志鹏[48]总结了行星齿轮箱故障特征，并搭建了图 1-3 所示的行星齿轮箱故障试验台，通过实验验证，断出行星齿轮箱中齿轮的故障。

行星齿轮故障特征及定子电流感应机理齿轮箱的结构式风力发电机组在风电总装机量中所占比重较大，与直驱式，双馈式风力发电机带有由齿轮箱组成增速机构，由于行星效且具有结构紧凑、体积小的优点，在实际风电现场中大量双馈式风电机组中的核心部分之一，它的研发和设计一直是为提高增速比，有的设计为复杂的多级传动方式或单级和多式，多级传动带来的缺点是齿轮箱可靠性的降低，所以目前以单级传动方式应用的居多。-1 所示为 NGW 型的一级行星齿轮箱结构示意图，主要由行星架、齿圈及输入输出轴组成。工作时行星架与输入轴相连圈中旋转，同时太阳轮随着行星轮转动，并通过相连的输出增速。
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本文编号：2852123