基于不对中和静偏心故障诊断的双馈式风电机组电磁场研究

发布时间：2020-03-27 21:50

【摘要】：不对中是双馈式风电机组传动系统中一种十分常见的故障,它会导致轴系振动、轴承磨损等,对发电机运行状态产生影响,严重时甚至会引起发电机转子偏心。在发电机内部耦合的电磁场是决定其运行状态的关键指标之一,因此针对各种故障状态下电磁场的变化进行研究,对于故障检测和发电机的设计优化都具有重要参考意义。本文依托国家自然科学基金面上项目“双馈式风电机组同轴度误差故障机理与诊断技术研究”(51577008),主要完成了以下工作:1.在已完成基于ADAMS的风电机组传动系统动力学模型和MATLAB/Simulink双馈式风力发电机及其控制系统模型的前提上,基于Ansoft Maxwell搭建了 1.5MW双馈式发电机有限元模型,解析法推导出气隙磁密与电磁力密度的表达式,通过空载特性仿真结果与电机学理论分析对比验证了模型的正确性。2.通过联合仿真对正常、风速突变、平行不对中、角度不对中、综合不对中五种工况下的电磁场变化进行分析,重点分析了各种不对中故障下气隙磁密与电磁力密度在时间和空间中的变化,推导出二者在不对中故障下的解析表达式,总结出二者的峰值、均值以及幅频特性的变化规律。3.考虑到不对中严重时会导致发电机转子偏心,故建立静偏心故障模型以及静偏心与不对中同时存在的复合故障模型,推导出气隙磁密与电磁力密度在静偏心故障下的解析表达式,结合仿真结果总结出二者在静偏心故障下的变化规律。对复合故障与单一故障下的相关参数进行分析对比,总结出参数在复合故障下的变化特点。4.针对气隙磁密与电磁力密度随时间和空间同时变化的特点,提取正常、风速突变、不对中、静偏心以及复合故障五种工况下的时空数据,绘制时空分布曲面,采用二维傅里叶变换(2D-FFT)处理数据,得到各种工况下频率-空间阶次-幅值的变化特点。结果表明在不同工况下,频率和空间阶次会出现不同的变化规律,可为故障诊断以及电磁振动等相关研究提供理论参考。
【图文】：

风电机组,双馈

在目前的风力发电领域中，双馈式发电系统是最主流的发电系统。本文所研逡逑究的１．５ＭＷ双馈式风电机组主要由以下几部分组成：风轮、主轴、齿轮箱、联轴逡逑器、发电机、机舱、塔架等。其整体结构如图２－１所示，其中齿轮箱和双馈式发电逡逑机是整个机组的两大核心部件。逡逑二…】片轮８逡逑＇灥邋ｊ逡逑—，逡逑■卜堪架逡逑图２－１双馈式风电机组结构逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＤＦＷＴ逡逑传动系统主要由主轴、齿轮箱、联轴器等组成。主轴安装在齿轮箱和风轮之逡逑间，也称为低速轴，前端与轮毂利用螺栓实现刚性连接，后端与齿轮箱低速端相逡逑连接，受力较大。齿轮箱的结构为两级行星和一级平行轴圆柱齿轮传动，是整个逡逑机组最关键的零部件之一。实际工况下风轮一般在低转速下运行，而发电机在高逡逑转速下运行，为了保证二者转速相匹配，所以机组需要采用增速齿轮箱，传动比逡逑可达到１００左右，从而使齿轮箱通过联轴器将风能耦合到发电机中。联轴器连接逡逑发电机转子轴与齿轮箱高速轴，一般为柔性连接，允许其径向和轴向产生一定的逡逑偏差

结构图,双馈,发电机,内部结构

连接到三个集电环上，在转轴上装有两个轴流风扇用于发电机散热。转子通过固逡逑定在机座两边的端盖支撑，端盖上装有轴承。电刷罩安装在转子集电环的一侧并逡逑固定在电刷罩内，电刷与集电环通过刷窝上的弹簧紧密接触。图２－２为双馈式发电逡逑机内部结构图。逡逑极座逦集电环逡逑图２－２双馈式发电机内部结构逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＤＦＩＧ逡逑２．１．２双馈式发电机的运行特点逡逑由于双馈式发电机在运行时定子和转子三相对称绕组均外接电网，所以其气逡逑隙旋转磁场由定子、转子电流共同建立，使得双馈式发电机在多变的运行状态下逡逑兼有异步、同步两种电机的运行特性［３３］。将Ｐ记为双馈式发电机极对数，《为同步逡逑转速，为电网工频，根据电机学旋转磁场理论，同步转速《，极对数Ｐ与电网工频逡逑＿／１满足下式：逡逑ｎ邋＝邋６０ｆｘｌ邋ｐ逦（２－１）逡逑转子侧由变流器通入励磁电流，频率记为／２，《２为转子电流产生的旋转磁场相逡逑对于转子的转速，，叫为发电机转速，与定子侧同理，故有如下表达式：逡逑＝邋６０／２邋／邋ｐ逦（２－２）逡逑根据电机学理论可知，旋转电机实现机电能量转换最基本的条件为转子绕组、逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315

【参考文献】