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结构与功能简介与功能简介 结构：运行示意图实物模型图 主要功能：电刷滑环系统电刷滑环系统故障后果故障后
2、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。发电机励磁失败发电机励磁失败阻碍功率传递阻碍功率传递烧毁励磁系统烧毁励磁系统造成机组解裂造成机组解裂系统故障 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（）基于温度场温度场的电刷滑环系统状态监测基于振动法振动法的滑环面划痕故障诊断基
3、于电气量电气量的滑环面烧伤故障诊断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正常运行正常运行故障运行故障运行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
4、；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。)(:302010ezyxTTTkSqTkSTTSqzTkyyTkyxTkxTcnn 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30A30A5A55A3.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
5、平台运行试验平台搭建搭建 硬件准备 平台搭建振动信号采集振动信号采集系统实现系统实现 振动传感器安装 信号采集模块 振动信号测取振动信号处理振动信号处理系统实现系统实现 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
6、理机。00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.0500.05幅值/gA相电刷-滑环00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.0500.05幅值/gB相电刷-滑环00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.0200.02时间/s幅值/gC相电刷-滑环00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.100.1幅值/gA相电刷-滑环00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.100.1幅值/gB相电刷-滑环00.050.10.15
7、0.20.250.30.350.40.450.5-0.100.1时间/s幅值/gC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。01234567891011121314151617010203040506051.3721.096.4916.680.040.352.581.000.020.040.110.07 0.03 0.03 0.06 0.04频 带 序 列占总能量百分比%01234567891011121314151617010203040506038.381
8、0.2816.2220.420.10 0.4710.922.540.00 0.010.19 0.080.000.020.280.10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
9、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
10、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)(2fttfArtRtol00.050.10.150.20.250.301234567时 间/s电阻/m 电刷-滑环运行电阻值变化谱图00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.57.58
11、8.599.51010.51111.512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00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.510203040506070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()cos(10cos5)(000tAtAtAtimm正常正常运行时，励磁电流表达式：tAtAtAtAtAtimmmm)sin()1019cos1(703)cos(1019sin703)sin()1019cos1(7
12、03)cos(1019sin703cos35033)(00000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。m0m20m30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00.511.522.5-101A相电流幅值/pu00.511.522.5-1
13、01B相电流幅值/pu00.511.522.5-101时 间/sC相电流幅值/pu00.511.522.5-101A相电流幅值/pu00.511.522.5-101B相电流幅值/pu00.511.522.5-101时 间/sC相电流幅值/pu频率/Hz时 间/s 00.20.40.60.811.21.41.61.8201002003004005006007008009001000-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20频率/Hz时 间/s 00.20.40.60.811.21.41.61.8201002003004005006007008009001000-20-18-16-14
14、-12-10-8-6-4-20l仿真计算结果：仿真计算结果：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
15、.5-10010A相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010时 间/sC相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010时 间/sC相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5
16、-10010A相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010时 间/sC相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相电流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010时 间/sC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
17、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 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5010020030040050060070080090010
18、00-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20频率/Hz时 间/s 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.501002003004005006007008009001000-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20(a)滑环良好运行时励磁电流Hibert谱 (b)滑环两处重度烧伤时励磁电流Hibert谱图4-15 滑环烧伤故障前、后实测电流Hibert谱l故障诊断总结故障诊断总结本文定义了“能量商”来表征滑环烧伤故障的严重程度，即谐波能量 与基波能量 的比值，用 表示iPzPfB00.511.522.5300.050.10.150.20.
19、250.30.350.40.450.5故 障 等 级Bf不同故障等级对应的能量商值表能量商与滑环烧伤故障等级的关系曲线故障临界线故障临界线4.总结与展望总结与展望总结：总结：基于振动法对滑环划痕故障诊断进行研究，提出将小波包能量谱的分析应用到振动信号处理中的方法，并建立实验平台进行验证。针对滑环烧伤故障诊断问题，应用HHT变换方法，分析了故障前后励磁电流的变化特性，提出“能量商”的概念，来判断是否发生了烧伤故障及其故障的严重程度，并用实验进行验证。借助有限元软件建立双馈异步发电机电刷滑环系统三维温度场仿真模型，对正常与电刷电流不平衡分布状态下的温度场进行对比分析，用于指导电刷滑环系统温度场监测与保护。123谢谢老师、同学谢谢老师、同学
