某發(fā)電機故障診斷案例
1 概述 某風電場若干機組中的一組在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)振動幅度較大,，運行一段時間后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機冷卻器螺栓發(fā)生多次斷裂,，更換發(fā)電機軸承后問題也沒有明顯改善。
本次測試通過對該風機傳動鏈及發(fā)電機的測試，評估和分析該風機故障原因,。
2 振動測試及評價標準
VDI 3834風力發(fā)電機組傳動鏈的振動測試規(guī)范，國內(nèi)各大風機廠家采用比較多,，因此,，該測試也參考VDI 3834振動規(guī)范進行測試、評價,。
VDI 3834中,，對振動加速度測點及數(shù)據(jù)采集時間、分析頻率都做了相關(guān)的要求,。
（1）數(shù)據(jù)采集時間長度：對主軸及齒輪箱輸入端等低頻振動加速度信號,，采樣時間為不少于10 min；齒輪箱輸出端及電機輸入端等中高頻振動加速度信號,，采樣時間不少于1min,。
（2）測點分析頻率：對主軸及齒輪箱輸入端等低頻振動加速度信號，分析頻率為0.1Hz10Hz,；齒輪箱輸出端,，分析頻率為10Hz2000Hz；發(fā)電機輸入端,，振動分析頻率為：10Hz~5000Hz,。
（3）傳感器布置位置：主要布置在各個關(guān)心轉(zhuǎn)動部件的軸承支座上。
（4）各個測點的振動加速度限值,，如下圖所示,；同時對各個限值的定義分別作了相關(guān)的解釋，如下圖所示,。
圖1 VDI 3834 振動加速度頻率范圍及限值區(qū)域Ⅰ：評估參數(shù)位于此區(qū)域的風力發(fā)電機及其組件,，被視為適合在其振動載荷下連續(xù)運行。
區(qū)域Ⅱ：振動位于此區(qū)域的風力發(fā)電機組及其組件,，通常被視為不適合持久地連續(xù)運行,。建議檢查哪一處激勵對此負責,，考慮到其設(shè)計和運行條件，檢查測得的值是否允許無限制的連續(xù)運行,。
區(qū)域Ⅲ：位于此區(qū)域的振動一般被視為危險,，它會對風力發(fā)電機及其組件產(chǎn)生損壞。
用作驗收值的劃歸區(qū)域界限的數(shù)值沒有被規(guī)定,，這必須要取得風機及其組件制造商和操作人員的一致同意,。區(qū)域值給出了排除重大誤差和不現(xiàn)實要求的指示。在某些情況下,，不同的機組有專門的屬性,，需要不同的區(qū)域限值，更高或更低,。通常,，制造商必須對此說明理由，尤其是要確認風力發(fā)電機及其組件在更高的振動值運行時沒有危險,。
3 現(xiàn)場試驗設(shè)備
（1）本次試驗主要采用東方所開發(fā)的DASP智能信號采集處理分析系統(tǒng),，系統(tǒng)組成見下圖，該系統(tǒng)內(nèi)置16GB存儲空間,，可實現(xiàn)離線觸發(fā)采集數(shù)據(jù)及無線遠程控制等自動化數(shù)據(jù)采集功能,，實現(xiàn)了無人值守測試,，是一款專門為風場振動測試提供便捷功能而設(shè)計的采集儀,，能較好滿足VDI 3834測試規(guī)范對風機的振動測試要求。
測試儀器系統(tǒng)框圖如下：
圖2 DASP 振動測試系統(tǒng)連接示意圖4 振動測點布置方案
4.1 整機測試測點
為了分析排查故障原因,，首先對整個振動鏈各個關(guān)鍵點的軸向,、水平方向或垂直方向布置了振動加速度傳感器，進行整機評估測試,，各個測點進行并行同步數(shù)據(jù)采集,。
圖3 部分測點
4.2 專項測試測點
由于現(xiàn)場人員反饋，發(fā)電機冷卻器螺栓多次斷裂,，該處的振動應(yīng)重點關(guān)注,。因此，在發(fā)電機,、冷卻器和后底架的軸向,、水平向和垂直向上分別布置測點，對比三者的振動情況,。
圖4 部分測點5 測試分析
5.1 整機測試分析
按照VDI3834標準對各通道數(shù)據(jù)進行濾波處理后,，對各通道數(shù)據(jù)進行時域統(tǒng)計分析。下圖為發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1750rpm工況下的整機振動有效值,，結(jié)果表明整機各點振動值均不超限,。
圖5 整機測點有效值統(tǒng)計
通過頻域分析結(jié)果可知沒有明顯的齒輪、軸承故障跡象。
圖6 整機測點頻域分析
但在分析時發(fā)現(xiàn),，發(fā)電機非驅(qū)動端Y向在1675rpm時振動有放大跡象,。
圖7 發(fā)電機非驅(qū)動端時域分析
從測試數(shù)據(jù)中選取不同轉(zhuǎn)速下的測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計發(fā)電機上各測點轉(zhuǎn)頻的能量值,，如下圖：
圖8 發(fā)電機轉(zhuǎn)頻能量值統(tǒng)計
圖9 不同轉(zhuǎn)速發(fā)電機轉(zhuǎn)頻能量對比
通過統(tǒng)計對比分析可以發(fā)現(xiàn),，在不同轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機垂直方向?qū)D(zhuǎn)速較為敏感,，1100rpm之后隨著轉(zhuǎn)速提高,，垂直方向振動越小。
5.2 專項測試分析
(1)停機過程測試
風機停機過程中,，發(fā)電機轉(zhuǎn)速區(qū)間為1480-0rpm,。從時域分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在11s處（1435rpm）發(fā)電機非驅(qū)動端Y向出現(xiàn)短暫振動放大現(xiàn)象。而發(fā)電機驅(qū)動端Z向在轉(zhuǎn)速為1150rpm時出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象,，類似穿過共振區(qū)的現(xiàn)象,。由于風況原因，只有一組風機停機過程的測試數(shù)據(jù),。
圖10 停機過程時域分析
（2）啟機過程測試
風機啟機過程中,，發(fā)電機轉(zhuǎn)速區(qū)間為0-1100rpm。由于風況原因,，風機轉(zhuǎn)速無法繼續(xù)提升,。
圖11 啟機過程時域分析
（3）停機工況測試
風機停機工況下，測得塔筒一階彎曲固有頻率,。
圖12 塔筒固有頻率
（4）發(fā)電機測試
由于現(xiàn)場人員反饋,，發(fā)電機冷卻器螺栓多次斷裂，該處的振動應(yīng)重點關(guān)注,。因此,，分別在發(fā)電機、冷卻器和后底架的三個方向上布置測點,，對比三者的振動情況,。由于風況原因，只有轉(zhuǎn)速為1100rpm的測試數(shù)據(jù),。
由時域分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),，發(fā)電機減振支持減振性能良好。發(fā)電機水平方向剛度較低,，因此振動相對較大,。
圖13 時域分析對比
由時域分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機0-2.5kHz的振動頻率傳到了上方的散熱器,。而后底架上幾乎沒有高頻成分,。
圖14 頻域分析對比
圖15 發(fā)電機轉(zhuǎn)頻能量對比
將頻域橫軸放大,，分析該工況下發(fā)電機轉(zhuǎn)頻在各測點的能量對比可以發(fā)現(xiàn)，散熱器在X方向上振動放大,，X方向垂直于螺栓軸線方向,，因此長時間振動會導致螺栓受剪切力后斷裂。
圖16 發(fā)電機轉(zhuǎn)頻能量對比
6 結(jié)論與建議
（1） 按照VDI3834標準評估整機振動不超限,；
（2） 在不同轉(zhuǎn)速下,，發(fā)電機垂直方向?qū)D(zhuǎn)速較為敏感，1100rpm之后隨著轉(zhuǎn)速提高,，垂直方向振動越?。?/p>
（3） 發(fā)電機驅(qū)動端垂直向在轉(zhuǎn)速為1150rpm時出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象,，類似穿過共振區(qū)的現(xiàn)象,，疑似轉(zhuǎn)頻與發(fā)電機某階固有頻率接近。
建議：
（1） 發(fā)電機做模態(tài)測試,，確定發(fā)電機模態(tài)參數(shù),，以確定發(fā)電機驅(qū)動端振動量大是否是由于共振原因?qū)е拢?/p>
（2） 進行大風風況數(shù)據(jù)采集，完善高轉(zhuǎn)速區(qū)間分析,，以判斷高轉(zhuǎn)速工況下是否存在振動量超標現(xiàn)象,；
（3） 對發(fā)電機驅(qū)動端振動情況進行在線監(jiān)測，持續(xù)關(guān)注該風機發(fā)電機的振動趨勢,，避免事故發(fā)生,；
（4） 通過優(yōu)化發(fā)電機減振支持參數(shù)和優(yōu)化后底架結(jié)構(gòu)的方式提高發(fā)電機支撐剛度，以減小發(fā)電機振動幅度,。