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风力发电机组故障检测与诊断方法研究随着清洁能源的兴起，风力发电成为世界上发展最快的可再生能源之一。
风力发电机组作为风力发电系统的核心组件，承担着转换风能为电能的重要任务。
然而，风力发电机组在运行中难免会出现各种故障，影响其正常运行。
因此，风力发电机组的故障检测与诊断方法研究显得尤为重要。
一、故障检测方法：1. 传感器检测法：通过安装在发电机组各个部位的传感器，实时监测风力发电机组的振动、温度、电流等参数，当数据超出设定范围时，即可判断出发电机组可能存在故障。
2. 振动分析法：利用振动传感器获取发电机组的振动信号，通过对振动信号频谱分析和特征提取，可以识别出发电机组不同部位的故障类型，如轴承故障、齿轮故障等。
3. 温度监测法：通过安装温度传感器检测发电机组各部位的温度变化，可以及时发现发电机组的散热系统是否正常工作，防止因过热导致的故障。
4. 电流监测法：监测发电机组的输出电流，可以判断发电机组内部元件的工作状态，如绕组是否短路、绝缘是否老化等。
二、故障诊断方法：1. 数据融合分析法：将传感器检测到的振动、温度、电流等多种参数进行数据融合，利用数据挖掘和机器学习算法对数据进行分析，可以更准确地判断发电机组的故障类型和位置。
2. 模型诊断法：建立风力发电机组的数学模型，通过与实际监测数据进行对比，可以诊断出发电机组具体的故障原因，为后续维修提供参考。
3. 经验诊断法：结合专家经验和历史数据，对发电机组故障进行诊断。
经验丰富的维修工程师可以通过外观检查和简单测试，迅速确定发电机组的故障类型。
总结：风力发电机组的故障检测与诊断方法多种多样，传感器检测法、模型诊断法、经验诊断法等方法各有特点。
在实际应用中，可以综合利用多种方法，提高对风力发电机组故障的检测和诊断准确率，确保风力发电系统的正常运行，为清洁能源的发展做出贡献。
摘要：能源是经济持续健康发展的关键。
煤炭、石油、天然气等石化能源已不再符合绿色、清洁、环保、可持续发展的需要，用可再生新能源替代传统石化能源是我国能源可持续发展的必然选择。
风能由于具有绿色、清洁、可再生等优势，近年来随着风力发电技术的成熟越来越得到国家重视，已成为我国改善能源供给结构的重要支撑。
然而风电机组一般所处的自然环境恶劣，常在变速变载条件下工作，工况极为复杂，随着风机运行年限的增长，故障频发。
除电气外，易发故障的部件主要在传动系统，包括主轴、齿轮箱、发电机、轴承等，而风机传动系统故障大多又与振动异常相关，由此造成的损失也更大。
因此，对风电机组传动链振动进行监测、分析与诊断，对故障提前预警，有助于风机的预防性运维，保障机组可靠稳定运行。
本文在对振动测试相关理论和时域分析、频谱分析、包络分析等振动信号分析处理技术阐述基础上，结合风机结构特点，对传动链中如何实施振动监测、如何对采集的振动信号进行有效分析，以及如何依靠监测数据快速准确诊断机组故障进行了论述。
关键字：振动监测；风机；传动链；故障诊断人类生存和发展需要能源的支撑，风能作为一种清洁可再生资源，近二十来年受到世界各国的高度关注，已成为解决能源危机、响应环境保护的重要能源。
在政府的大力扶持下，我国风力发电行业得到快速发展，到2020年底，并网风电场近5000座，累计装机容量将突破2.6亿kW，在运风力发电机组超过13万台。
风电的快速发展给新能源行业带来市场机会的同时，也带来了巨大的运检挑战。
由于大多数风电场建在深山、草原、海岛、高原等自然环境恶劣区域，风力发电机组需长期在雨雪、风沙、雷电、冰冻等环境中运行，风速、风向又具有极大的不稳定性与不确定性，大多在变速变载条件下工作，工况极为复杂。
伴随风电场投运年限增长，风力发电机组内部传动部件易发生故障，实际上由于机械部件的不平衡、疲劳、磨损、断裂、胶合等问题引起的故障目前已成为风力发电机组的主要故障。
风力发电机组异常振动测试与诊断分析风能作为一种清洁能源，发展迅速。
由于风电机组通常在野外，环境条件恶劣，而且容易发生故障，因此维护保养需要耗费大量的人力物力。
我国在风机故障诊断方面开展了大量的研究，并取得了丰硕的成果。
给出了各种状态监测方法和信息融合诊断技术。
这些研究大多基于数值计算和理论分析，并提出了各种控制措施。
但由于风电机组的复杂性和运行环境的多变性，在设计之初就要考虑风电机组的振动特性，进行优化设计，并进行相应的试验验证，以避免出现异常振动。
标签：风力发电机组;异常振动测试;诊断1研究概况某风力发电机组电机整体通过4个隔振器弹性安装在基座上，电机-隔振器-基座组成的电机系统与增速齿轮箱所在的塔筒基座通过8个螺栓纵向连接，该基座下部悬空，以齿轮箱安装基座面为基准呈悬臂梁状态。
箱体上布置三条横向加强筋，铁芯与横向加强筋通过4个点焊接刚性固定。
发电机工作方式为水冷，通过左侧面的进出水口循环，水箱安装在电机顶部的箱体上。
风力发电机运行转速范围为600rpm～1380rpm，正常并网发电转速为900rpm～1200rpm。
2振动特性2.1齿轮啮合频率啮合频率是两个齿轮转动一个节面角所需时间的倒数，可由式（1）确定。
（1）式中：n为主轴转速即风轮转速，rpm;z为齿数。
风电机组齿轮箱采用1级行星/2级平行轴传动结构，如图1所示。
第一级为行星轮系，行星齿轮架为输入端，内齿圈固定，太阳齿轮为输出端。
主要参数有：太阳齿轮齿数Z2、行星齿轮齿数Z3、内齿圈齿数Z4。
当一级行星轮系传动比为I1，内齿圈转速N4=0，太阳齿轮转速N2=I1·n，行星齿轮转速N3=n，即可计算出太阳轮、行星齿轮和内齿圈的啮合频率。
以此类推，容易得出中间轴及高速轴齿轮的啮合频率计算方法。
2.2轴承通过频率轴承的特征频率与自身尺寸有关，计算公式如下：内圈通过频率：外圈通过频率：滚动体特征频率：保持架固有频率：由公式及参数，便可求出理论轴承特征频率，在实际应用过程中发现，计算得出的理论特征频率与实际特征频率极其接近。
第３５卷第９期２０１８年９月机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ.３５Ｎｏ.９Ｓｅｐ.２０１８收稿日期:２０１７－１０－３０基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１８ＹＦＢ０９０４００５)作者简介:李学平(１９８５－)ꎬ男ꎬ浙江嘉兴人ꎬ工程师ꎬ主要从事风电机组状态监测和故障诊断技术工作方面的研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉｘｐ＠ｃｈｉｎａｗｉｎｄｅｙ.ｃｏｍＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００１－４５５１.２０１８.０９.００８风力发电机组气动不平衡振动监测研究∗李学平ꎬ卓沛骏ꎬ罗勇水ꎬ周民强(浙江运达风电股份有限公司ꎬ浙江杭州３１００１２)摘要:针对大型风电机组气动不平衡故障的安全监测问题ꎬ对风电机组在气动不平衡故障时表现出的振动特性进行了理论研究ꎬ对风电机组在气动平衡和不平衡时机舱不同位置的轴向和横向振动进行了测试ꎮ根据测试结果提出了一种基于风轮１Ｐ转频振动的在线监测与保护系统ꎬ实时监测风轮１Ｐ转频振动有效值幅值ꎬ采用时间累积的延时报警策略以防止误报ꎮ研究结果表明:气动不平衡故障时风轮１Ｐ转频振动幅值明显增大ꎬ且轴向的振动变化相比横向振动更加明显ꎻ所提出的在线监测系统故障断路响应迅速㊁可靠性高ꎬ对保障风电机组稳定安全运行ꎬ促进叶片监测诊断技术发展具有重要意义ꎮ关键词:风力发电机组ꎻ气动不平衡ꎻ１Ｐ振动ꎻ在线监测与保护中图分类号:ＴＨ１１３.１ꎻＴＫ８３㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ文章编号:１００１－４５５１(２０１８)０９－０９４４－０５ＶｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｎａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅＬＩＸｕｅ￣ｐｉｎｇꎬＺＨＵＯＰｅｉ￣ｊｕｎꎬＬＵＯＹｏｎｇ￣ｓｈｕｉꎬＺＨＯＵＭｉｎ￣ｑｉａｎｇ(ＺｈｅｊｉａｎｇＷｉｎｄｅｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＨａｎｇｚｈｏｕ３１００１２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｏｎ￣ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｓｙｍｍｅｔｒｙｆａｕｌｔꎬｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｄｅｒｓｕｃｈｆａｕｌｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｂｏｔｈｔｈｅａｘｉａｌａｎｄｌａｔｅｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｎａｃｅｌｌｅｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｓｙｍｍｅｔｒｙｆａｕｌｔｗｅｒｅｍｅａｒｓｕｒｅｄ.Ａｒｏｔｏｒａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｎ￣ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓｆｕｒｔｈｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ１￣Ｐｖｉｂｒａ￣ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｕｅａｎｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅ１￣Ｐｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｎｂｅｍｏｎｉｔｏｒｅｄｂｙｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｎｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄａｄｅｌａｙｅｄａ￣ｌａｒｍｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏａｖｏｉｄｆａｌｓｅａｌａｒｍ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅ１￣Ｐｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｕｎｄｅｒｒｏｔｏｒａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａ￣ｓｙｍｍｅｔｒｙｆａｕｌｔꎬａｎｄｔｈｅａｘｉａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｓｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｌａｔｅｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｒｅｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓ.Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅꎬｔｈｅｏｎ￣ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓ￣ｔｅｍｈａｓｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙꎬｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｓａｆｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂｌａｄｅｄａｍａｇｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅꎻａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｓｙｍｍｅｔｒｙꎻ１Ｐｒｏｔａｔｉｏｎａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎻｏｎ￣ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ０㊀引㊀言近年来ꎬ随着风电装机容量的逐渐增大ꎬ搭建可靠的在线故障诊断及状态监测系统成为提高风电场发电效益的有效手段[１]ꎮ常年运行过程中ꎬ风电机组长期处于交变载荷作用下ꎬ非常容易出现各种故障破坏[２]ꎮ平衡的风轮可以有效防止机组早期的疲劳故障ꎬ给机组提供一个可靠的运行环境[３]ꎮ而风轮不平衡故障会影响传动链及整个结构的安全运行ꎬ为了防止风电机组产生严重失效问题ꎬ有必要在问题显现的初期对机组故障状态进行监测与保护[４]ꎮ风轮不平衡故障主要分为质量不平衡与气动不平衡ꎮ质量不平衡主要来源于制造上的误差ꎬ而随着现代桨叶制造和质量控制技术的发展ꎬ实际运行中的风轮质量不平衡故障较少ꎮ气动不平衡比较常见ꎬ主要来源于桨叶安装误差㊁叶片气动外形改变(例如桨叶裂纹)㊁对风误差等原因ꎮ国内外对风轮不平衡故障的诊断提出了很多方法ꎬ包括分析机组振动的时域与频域信号[５￣７]㊁传动链的扭振[８]㊁监测发电机功率[９]㊁定子电流信号等[１０￣１１]ꎮ这些方法ꎬ从理论和实验室实验的角度ꎬ检测了风轮不平衡时的各种反馈信号ꎬ对于故障的在线监测有一定实际意义ꎮ本文将对风轮产生气动不平衡故障时的受载情况进行分析ꎬ从理论层面讨论当桨距角存在安装误差时ꎬ不平衡载荷对机组振动的影响ꎬ利用ＧＨＢｌａｄｅｄ软件模拟该故障下机舱的振动情况ꎬ并通过现场实验ꎬ对比不同风速下风轮平衡与不平衡时机舱内不同位置的振动情况ꎮ１ 气动不平衡理论分析三叶片产生彼此不同的气动行为可导致风轮的气动不平衡故障ꎮ在这种情况下ꎬ不同的叶片产生的推力是互不相同的ꎮ不同功角的叶素受力情况如图１所示ꎮ图１㊀不同攻角的叶素受力情况本研究截取叶片某弦面ꎬ以桨距角安装误差为例ꎬ分析叶片处于不同气动条件下力学行为的差异ꎮ在合成气流影响下ꎬ该截面处所受升力和阻力的合力为ｄＦꎮ将ｄＦ分别分解为平行和垂直于风轮旋转平面的旋转切向力ｄＦＴ和轴向推力ｄＦＮꎮ因为安装原因ꎬ某故障叶片的桨距角αᶄ小于设计桨距角αꎬ其轴向推力ｄＦᶄＮ大于正常叶片的轴向推力ｄＦＮꎬ而其旋转切向力ｄＦᶄＴ却小于正常叶片ꎮ风轮平面受力分析如图２所示ꎮ图２㊀风轮平面坐标设定及受力分析坐标设置如下:垂直于地面方向为ｚ方向ꎬ水平方向为ｙꎬ机组轴向为ｘꎮ将叶片视为刚体ꎬ其叶片上受到的旋转切向力和轴向推力可表示为:ＦＴ＝ʏＬ０ｄＦＴ(１)ＦＮ＝ʏＬ０ｄＦＮ(２)式中:Ｌ 叶片长度ꎮ设Ｒ为叶片合力点距叶根的长度ꎬ则有:Ｒ＝ʏＬ０ｌｄＦＦ(３)风轮受到３个轴向推力以及３个切向力的作用ꎬ切向力产生扭矩和弯矩:Ｔｘ＝ＦＴＡＲＡ＋ＦＴＢＲＢ＋ＦＴＣＲＣ(４)ＭＴｚ＝ＦＴＡｄｃｏｓ(ωｔ＋φ)＋ＦＴＢｄｃｏｓωｔ＋φ＋２π３()＋ＦＴＣｄｃｏｓωｔ＋φ＋４π３()(５)ＭＴｙ＝ＦＴＡｄｓｉｎ(ωｔ＋φ)＋ＦＴＢｄｓｉｎωｔ＋φ＋２π３()＋ＦＴＣｄｓｉｎωｔ＋φ＋４π３()(６)式中:ｄ 风轮与塔架之间的净空距离ꎻＴｘ 切向力在ｙｚ平面产生的扭矩ꎻＭＴｚ 切向力在ｘｙ平面产生的弯矩ꎻＭＴｙ 切向力在ｘｚ平面产生的弯矩ꎮ轴向推力产生的弯矩可表示为:ＭＮｚ＝ＦＮＡＲＡｓｉｎ(ωｔ＋φ)＋ＦＮＢＲＢｓｉｎωｔ＋φ＋２π３()＋ＦＮＣＲＣｓｉｎωｔ＋φ＋４π３()(７)ＭＮｙ＝ＦＮＡＲＡｃｏｓ(ωｔ＋φ)＋ＦＮＢＲＢｃｏｓωｔ＋φ＋２π３()＋ＦＮＣＲＣｃｏｓωｔ＋φ＋４π３()(８)式中:ＭＮｚ 轴向力在ｘｙ平面产生的弯矩ꎻＭＮｙ 轴向力在ｘｚ平面产生的弯矩ꎮ在正常情况下ꎬ三叶片具有相同的气动特性ꎬ即ＦＡ＝ＦＢ＝ＦＣꎬＲＡ＝ＲＢ＝ＲＣꎬ则风轮向传动链输出稳定的扭矩ꎬｘｙ和ｘｚ平面内的弯矩也都为０ꎮ但当出现如图１所示的情况时ꎬ即其中一片叶片出现桨距角误差ꎬ其轴向推力和切向力大小发生改变ꎮ其中ꎬ扭矩的减小会造成输出功率的损失ꎮ此外ꎬ在上述平面内将产生弯矩ꎬ且随着风轮转动发生交变ꎬ频率即为风轮的转频ꎬ引发机舱内规律的风轮转频１Ｐ振动ꎬ由于气动不平衡对轴向推力的影响更大ꎬ故往往造成机舱内轴向振动较横向更为显著ꎮ为了在早期就能及时发现故障情况ꎬ５４９ 第９期李学平ꎬ等:风力发电机组气动不平衡振动监测研究监测风轮转频１Ｐ振动是识别风轮气动不平衡的可行方法ꎮ本文用Ｂｌａｄｅｄ软件模拟了一台２.５ＭＷ风电机组ꎬ风速为５ｍ/ｓꎬ在某一叶片桨距角存在５ʎ安装误差时机舱内的振动情况ꎮ仿真结果如图(３ꎬ４)所示ꎮ图３㊀风轮平衡与不平衡对机组轴向振动的影响图４㊀风轮平衡与不平衡对机组横向振动的影响由图３明显可见:当风轮不平衡时ꎬ轴向振动加速度明显增加ꎬ而图４中横向加速度在风轮不平衡时增加并不明显ꎮ仿真结果表明:风轮不平衡能加剧机组的振动ꎬ并且对轴向振动影响较横向振动更大ꎮ为了验证理论分析的结果ꎬ本文将通过现场实验的方法获取更多有意义的数据ꎮ２㊀现场实验与分析本研究对某风场一台２.５ＭＷ风电机组进行现场测试ꎬ探讨风轮气动不平衡对机舱内振动的影响ꎬ并和理论仿真结果进行对比分析ꎮ机组基本技术参数如表１所示ꎮ表１㊀机组基本技术参数参数类型参数大小额定功率/ｋＷ２５００额定风速/(ｍ ｓ－１)１１控制方式变速变桨轮毂高度/ｍ８０桨叶长度/ｍ４８.８风轮转速/(ｒ ｍｉｎ－１)８.７５~１４.４(０.１４６Ｈｚ~０.２４Ｈｚ)㊀㊀当机组处于正常运行状态时ꎬ即风轮不存在气动不平衡故障(此处不考虑风切变及叶片表面粗糙等情况)ꎬ记录在不同风速条件下机舱内的振动情况ꎮ此后ꎬ改变其中一根叶片安装桨距角ꎬ使其与其他叶片存在５ʎ的偏差ꎬ同样ꎬ在不同风速条件下运行一段时间ꎬ记录振动数据ꎮ机舱内加速度传感器测点具体安装位置为:主轴承座位置ꎬ主轴下方机架位置以及机舱尾部位置ꎮ将一个时间段连续的风速进行四舍五入取整ꎬ即Ｘｍ/ｓ风速下的测量结果为Ｘʃ０.５ｍ/ｓ风速段测量结果的平均ꎬ统计不同风速条件下机舱内各测点的振动情况ꎮ测试结果表明:无论是风轮平衡还是不平衡ꎬ主轴承座㊁主轴下方和机舱尾部各测点振动平均值几乎相同ꎬ考虑现场传感器走线等问题ꎬ后期均使用机舱尾部实验数据进行分析ꎮ风速为５ｍ/ｓ时ꎬ平衡与不平衡状态时机舱轴向振动频谱如图５所示ꎮ图５㊀气动不平衡前后机舱轴向振动频谱由图５可见:不平衡状态下风轮１Ｐ转频成分幅值明显增大ꎬ约为平衡状态下的两倍ꎮ此外ꎬ平衡状态下２Ｈｚ以内的低频成分较多ꎬ当机组风轮产生气动不平衡时ꎬ机舱内的振动频率成分变得较为单一ꎬ基本集中在转频处附近ꎮ机舱轴向㊁横向振动平均值和最大值随着风速的变化情况如图(６ꎬ７)所示ꎮ图６㊀风轮平衡与不平衡状态下机组轴向振动随风速的变化６４９ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３５卷图７㊀风轮平衡与不平衡状态下机组横向振动随风速的变化由于现场测试条件下干扰因素较多ꎬ尤其是机组遇到阵风或者突然偏航等都会产生短时冲击振动信号ꎬ造成输出数据的偏差ꎮ由于单次现场试验条件的局限ꎬ所采集的最大值数据并不具备很强的代表性ꎬ也可以看出振动最大值随风速的变化没有特定的规律ꎬ因此本研究选用振动的平均值进行对比分析ꎮ图６中ꎬ风轮不平衡时其轴向振动平均值明显增大ꎬ约为平衡时的３~５倍ꎬ(随着风速(转速)增大不平衡更加显著)ꎬ但从图７中可见横向的振动差别并不明显ꎬ该结论与理论仿真的结果较为一致ꎮ上述研究结果表明:气动不平衡可引起机组轴向振动加剧ꎬ因此通过监测风轮转频１Ｐ轴向振动可以有效发现风轮是否存在气动不平衡故障ꎬ保证机组安全运行ꎮ３ 监测与保护传统风轮不平衡诊断方法是人工通过振动频谱判定ꎬ这种后处理的方式其弊端是无法实现故障的实时监测ꎮ本文通过在机组振动监测模块上增加监测风轮１Ｐ转频的功能ꎬ实现风轮气动不平衡的实时监测ꎮ当监测频率振动大于设定值时ꎬ延迟一定时间后ꎬ振动监测模块发出反馈信号给机组ꎬ使机组停机ꎬ同时向上位ＰＬＣ发出风轮转频振动过大报警信号ꎮ监测系统与机组安全链互锁ꎬ报警信号联入安全链ꎬ一旦出现报警立即切断安全链使机组停机ꎮ监测模块的工作流程如图８所示ꎮ振动模块采集机舱内测点位置处的机组轴向振动加速度信号ꎬ通过１００Ｈｚ的低通滤波去除噪声和无用数据ꎬ并利用带通滤波器获取风轮１Ｐ频率下的机组轴向振动信号ꎬ并实时计算得到的振动有效值ꎮ实际应图８㊀风轮不平衡实时监测与保护逻辑用时ꎬ滤波器采用Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器ꎬ设置监测频率包含风轮１Ｐ转频ꎬ对本文中所测试的机组ꎬ监测频率设为０.１Ｈｚ~０.３Ｈｚꎮ由于振动模块没有其他机组运行数据(功率㊁风速等)信号接入ꎬ不能判定机组处于何种状态ꎬ考虑到不平衡随风速增大更加显著ꎬ减少机组误报警ꎬ故机组在额定风速附近能报出风轮不平衡故障就满足在线监测要求ꎮ综合考虑ꎬ报警振动值设置在额定风速时不平衡振幅最大值处ꎮ同时ꎬ为了防止振动突然冲击增大而导致误报ꎬ本研究采用延时报警方法ꎬ持续时间为累积时间ꎬ其原理如图９所示ꎮ图９㊀延时报警法效果示意图当振幅超过报警线并持续一段时间后ꎬ延迟计时器进行一次计时ꎻ同样ꎬ当振幅小于报警线并持续一段时间后ꎬ计时器数值减小ꎬ直至计时器的数值达到报警要求才发出故障停机命令ꎮ通过Ｂｌａｄｅｄ仿真机组在气动不平衡条件下的运行情况ꎬ机组风轮直径１００ｍꎬ额定功率２５００ｋＷꎬ风文件采用ｄｌｃ１.２工况设定ꎬ得到机舱轴向振动加速度数据ꎮ采用文中提出的监测逻辑ꎬ报警准确率在９０％以上ꎬ并已在１０多个风场投入使用ꎬ取得了很好的效果ꎮ７４９第９期李学平ꎬ等:风力发电机组气动不平衡振动监测研究４㊀结束语为了更好地保障风电机组的安全运行ꎬ本文采用振动的方法监测风轮气动不平衡故障ꎮ理论分析表明:气动不平衡对机组转频１Ｐ振动影响最大ꎻ现场实验结果表明:机舱内不同位置的测点均能有效监测风轮转频１Ｐ振动ꎬ且机组处于气动不平衡时ꎬ轴向振动幅度变化明显ꎬ振动均值增大数倍ꎬ且随着风速增大而逐渐增加ꎻ而横向振动虽有所增加ꎬ但变化幅度不大ꎮ根据现场实测数据ꎬ设计了在线监测系统ꎬ实时监测风轮转频１Ｐ振动ꎬ报警水平线设置在机组额定风速下不平衡振动振幅最大值处ꎬ并采用延时报警的方式以减少误报率ꎻ通过Ｂｌａｄｅｄ仿真验证了报警机制的高准确性ꎮ参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):[１]㊀ＡＭＩＲＡＴＹꎬＢＥＮＢＯＵＺＩＤＭＥＨꎬＡｌ￣ＡＨＭＡＲＥꎬｅｔａｌ.Ａｂｒｉｅｆｓｔａｔｕｓｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｉｎｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ[Ｊ].ＲｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄＳｕｓ￣ｔａｉｎａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｖｉｅｗｓꎬ２００９ꎬ１３(９):２６２９￣２６３６. [２]㊀ＭÁＲＱＵＥＺＦＰＧꎬＴＯＢＩＡＳＡＭꎬＰÉＲＥＺＪＭＰꎬｅｔａｌ.Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ:ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｍｅｔｈ￣ｏｄｓ[Ｊ].ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙꎬ２０１２ꎬ４６(５):１６９￣１７８. [３]㊀ＮＩＥＢＳＣＨＪꎬＲＡＭＬＡＵＲꎬＮＧＵＹＥＮＴＴ.Ｍａｓｓａｎｄａｅｒｏ￣ｄｙｎａｍｉｃｉｍｂａｌａｎｃｅｅｓｔｉｍａｔｅｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ[Ｊ].Ｅｎｅｒ￣ｇｉｅｓꎬ２０１０ꎬ３(４):６９６￣７１０.[４]㊀ＣＩＡＮＧＣＣꎬＬＥＥＪＲꎬＢＡＮＧＨＪ.Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉ￣ｔｏｒｉｎｇｆｏｒａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｙｓｔｅｍ:ａｒｅｖｉｅｗｏｆｄａｍａｇｅｄｅｔｅｃ￣ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ[Ｊ].ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２００８ꎬ１９(１２):１２２００１.[５]㊀ＪＩＡＮＧＤꎬＨＵＡＮＧＱꎬＨＯＮＧＬ.Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉ￣ｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｗｉｎｄｗｈｅｅｌｕｎｂａｌａｎｃｅｆｏｒａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ[Ｃ].ＷｏｒｌｄＮｏｎ￣Ｇｒｉｄ￣ＣｏｎｎｅｃｔｅｄＷｉｎｄＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬＮａｎｊｉｎｇ:ＩＥＥＥꎬ２００９.[６]㊀ＲＡＭＬＡＵＲꎬＮＩＥＢＳＣＨＪ.Ｉｍｂａｌａｎｃｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｏｕｔｔｅｓｔｍａｓｓｅｓｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＥｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００９ꎬ１３１(１):２８４￣２８９.[７]㊀ＺＨＡＯＭꎬＪＩＡＮＧＤꎬＬＩＳ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆａｕｌｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｉｃｉｎｇｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ[Ｃ].ＷｏｒｌｄＮｏｎ￣Ｇｒｉｄ￣Ｃｏｎｎｅｃｔ￣ｅｄＷｉｎｄＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅꎬＮａｎｊｉｎｇ:ＩＥＥＥꎬ２００９.[８]㊀ＧＡＲＤＥＬＳＤＪꎬＱＩＡＯＷꎬＧＯＮＧＸ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｏｎｉｍｂａｌａｎｃｅｆａｕｌｔｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ[Ｃ].ＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＳｏｃｉｅｔｙＧｅｎｅｒａｌＭｅｅｔｉｎｇꎬＰｒｏｖｉｄｅｎｃｅ:ＩＥＥＥꎬ２０１０. [９]㊀杨㊀涛ꎬ任㊀永ꎬ刘㊀霞ꎬｅｔａｌ.风力机叶轮质量不平衡故障建模及仿真研究[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１２ꎬ４８(６):１３０￣１３５.[１０]㊀ＣＡＳＥＬＩＴＺＰꎬＧＩＥＢＨＡＲＤＴＪ.Ｒｏｔｏｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｉｍｐｒｏｖｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｓａｆｅｔｙｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎ￣ｖｅｒｔｅｒｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ￣ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＡＳＭＥꎬ２００５ꎬ１２７(２):２５３￣２６１. [１１]㊀ＧＯＮＧＸꎬＱＩＡＯＷ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒ￣ｂｉｎｅｉｍｂａｌａｎｃｅｆａｕｌｔｓ[Ｃ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｎｇｚｈｏｕ:ＩＥＥＥꎬ２０１０.[编辑:周昱晨]本文引用格式:李学平ꎬ卓沛骏ꎬ罗勇水ꎬ等.风力发电机组气动不平衡振动监测研究[Ｊ].机电工程ꎬ２０１８ꎬ３５(９):９４４－９４８.ＬＩＸｕｅ￣ｐｉｎｇꎬＺＨＵＯＰｅｉ￣ｊｕｎꎬＬＵＯＹｏｎｇ￣ｓｈｕｉꎬｅｔａｌ.Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｎａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｓｙｍｍｅｔｒｙｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ３５(９):９４４－９４８.«机电工程»杂志:ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｍｅｅｍ.ｃｏｍ.ｃｎ ８４９ 机㊀㊀电㊀㊀工㊀㊀程第３５卷。
风力发电机轴承振动及模态测试分析由于使用环境特殊，风电机组的现场定期检测和维修十分困难，而且一旦发生重大事故，其维修费用甚至超过产出费用，因此，用于风力发电的电机应比燃煤、燃气、燃油和水力发电机具有更高的可靠性。
振动是风力发电机出厂性能和质量评定的主要指标之一，其在设备的各种故障中占有很大比例，是影响设备安全、稳定运行的重要因素。
电机振动过大会造成集电环和电刷间的摩擦不均匀，导致电机三相电流不平衡，严重时会引发电机转子轴弯曲和编码器损坏。
振动过大还会使得其他部件承受大幅交变应力，容易造成转子、连接螺栓、联轴器、基础平面等损坏。
由于风力发电机安装在一个柔性支撑座上，振动故障发生的概率更大。
因此，必须对风力发电机振动的评定、分析、监测和故障诊断加以重视。
本文主要对一台3.5MW双馈电机轴承振动过大问题进行分析，基于电机振动模态的基本原理，通过振动及模态对比测试，提出一种有效的解决方法。
电机振动及模态分析原理电机振动按照产生机理主要分为三类：一是电磁振动，由气隙磁场产生的单边磁拉力作用于定子铁芯的径向和切向使定子铁芯产生变形振动。
电磁振动产生的原因有三相电压不平衡、电机定转子偏心、定子绕组断路、转子笼条与端环开焊、转子断条等。
二是机械振动，由转子旋转过程中的机械力周期性地作用在电机本体上产生的振动。
机械振动产生的原因有结构整体刚度不足、转子动平衡不良、轴承及基础安装不当、内部风扇损坏以及联轴器对中精度不足等。
三是机电耦合振动，由电机气隙不匀引起单边电磁拉力，其周期性作用又使气隙不均衡进一步加剧，最终作用到电机引起振动。
机电耦合振动产生的原因有定子内径和转子外径圆度不足、转子安装不良引起的轴向窜动等。
研究电机的振动离不开模态分析，结构模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是经典线性动力学理论及系统辨识方法在工程振动领域中的应用。
电机的机械结构可以看成多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗实验中表现为有多个共振区，在幅频特性曲线中表现为有多个峰值。
风力发电机组振动特性研究与分析随着能源常态化需求的提高，风力发电作为一种清洁能源逐渐得到了人们的重视。
而风力发电机组的振动问题，一直是工程技术领域关注的焦点。
本文将会对风力发电机组的振动特性进行深入研究和分析，探究其中涉及的学科知识和工程技术，进而为风力发电行业的未来发展提供参考。
一、风力发电机组的振动特性简介风力发电机组的振动特性是指在风机运行时，受到的外部环境因素或内部元件之间的相互作用而引起的机械振动现象。
风力发电机组的振动特性主要表现在以下几个方面：1、机组本身的不平衡造成的振动。
在运行时，由于吊挂的位置不够平衡或者气动装置设计、制造不合理，导致叶片、风轮、机组轴承等部件的不平衡；2、风力荷载引起的振动。
风力荷载是指由于风速大小和方向影响，从而产生的叶片变形、空气动力和惯性力等不同的振动荷载。
此时垂直方向和水平方向的振动幅值均较大；3、地面震动引起的振动。
这种情况通常是由于地震、外力冲击或其他外力引起的。
以上的振动特性会带来诸多问题，比如：机组的工作效率、发电量、使用寿命都会受到严重的影响；另外，过度的机组振动也可能威胁到机组运行的稳定性和安全性。
二、风力发电机组振动特性的研究方法风力发电机组振动特性的研究方法一般包括基础理论分析和实验研究两个方面。
1、基础理论分析。
理论研究会从发电机组的设计和运行机理出发，采用流体动力学、材料力学等知识手段对发电机组的振动特性进行分析。
这种方法相较于实验研究更为经济、快捷，但是也存在一定的缺点，无法反映现场实际情况；2、实验研究。
实验研究一般包括现场观测、模拟实验和测试试验等方法。
这种方法直接能够反映出现场状态，能够有效的验证理论分析的可靠性，但是需要昂贵的仪器和设备，并且需要进行充分的现场测量和数据分析。
三、风力发电机组振动特性的分析手段在对风力发电机组的振动特性进行研究时，常用的分析手段包括均方根振动、频率功率谱、阻尼比、相位谱等。
1、均方根振动是指叶片、轴承等结构在振动过程中所产生的平均振动能量，策略分析时通常以逐段均值法计算，并依据计算结果来评估机组轴承的惯性质量；2、频率功率谱会分析信号的快速对数变换，将时间域的信号转化为频率域的谱信息。
风电机组振动检测系统设计及实施方案田伟峰，马王禹泽，张新荣（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）［摘要］本文设计了一套风力发电机组振动检测系统，实现了机组振动信号的采集、存储和分析，并将该系统安装至某风电场的机组中进行了测试验证，检测系统能够满足机组振动信号采集的需要，应用效果良好。
［关键词］风电机组检测系统；检测系统设计；测点布置［中图分类号］TV731［文献标识码］B［文章编号］1002—0624（2020）08—0008—021检测机组概况风能是地球上最古老、最重要的能源之一。
随着风力发电技术的广泛应用，与之相关的机组振动、故障检测及设备维护等问题得到了高度重视，尤其是风电场投产运行之后，如何保证风电机组安全运行已经成为风力发电领域的核心问题。
为了查明机组振动产生的原因，首先要获取机组振动信号数据。
文中设计了一套风力发电机组振动检测系统，实现了振动信号的采集及存储，并将该系统安装至某风电场的机组中进行了测试。
某风电场安装了20台G58-850型风力发电机组。
选取不同运行状态下的F-05、F-10、F-16号机组作为系统测试对象，进行测试结果对比。
F-10号机组在测试前一天维修中没有异常发生，机组正常运行；F-16号机组在测试前一天维护发现机组“异常”，现场检测发现机舱后端噪声增强；F-05号机组在测试前一天维修中存在异常振动、噪声。
2风力发电机组振动检测系统设计风力发电机组振动检测系统设计原则如下：首先，完整的振动检测系统由硬件、软件及诊断人员三部分组成，如图1所示。
其次，系统能够实现数据存储及实时数据分析。
最后，软件系统既要接受硬件的数据，实时显示波形数据、测量结果，又要发送命令对硬件系统的采集方式、放大倍数等参数进行控制。
图1振动检测系统设计基本框图依据振动检测系统设计原则设计总体框图，如图2所示。
图2系统总体框图振动检测系统共包括3个模块：振动检测模块、PC机配置模块和数据分析模块。
风力发电机振动监测系统维修手册引言：风力发电机作为一种现代化的可再生能源发电设备，具有环保、高效、可持续的特点，在全球范围内得到广泛应用。
而风力发电机振动监测系统作为该设备的核心部件，对于确保设备的正常运行和减少损耗具有重要意义。
本维修手册旨在提供风力发电机振动监测系统的维修指导，从而帮助用户有效解决设备故障和提高系统性能。
一、系统概述风力发电机振动监测系统通过测量风力发电机振动参数，如振动加速度、振动速度和振动位移等，实时监测设备的运行状态，从而及时识别问题和进行预警。
该系统由传感器、数据采集模块、数据处理单元和显示控制终端等组成。
其主要功能包括：1. 监测风力发电机的振动水平，判断设备的工作状态和软硬件性能；2. 分析和识别设备振动异常，预警设备发生故障的潜在风险；3. 提供实时数据和报表，为维修和调试工作提供数据支持；4. 进行设备故障诊断，提供维修建议和方案。
二、振动监测系统的维护与维修振动监测系统的正常维护和维修对于确保其长期稳定运行和准确监测非常重要。
以下是相关的维护和维修指南：1. 传感器维护传感器是振动监测系统中非常关键的组成部分，其灵敏度和准确性直接影响系统的监测效果。
因此，传感器的维护非常重要。
（1）定期校准传感器的灵敏度，确保其准确度和可靠性；（2）检查传感器与设备的连接接头，确保传感器与设备之间的电气连接良好；（3）在传感器正常工作时，及时清洁传感器并保持传感器周围环境清洁，防止灰尘和杂质影响传感器的运行。
2. 数据采集模块维护数据采集模块负责将传感器采集的数据进行模拟/数字转换，并传输至数据处理单元。
以下是数据采集模块的维护要点：（1）检查数据采集模块的电源和信号连接，确保其正常工作；（2）定期清理数据采集模块和连接线路的灰尘和杂质，保持其通畅和良好的接触性能；（3）及时更换损坏的数据采集模块，确保其正常功能。
3. 数据处理单元维护数据处理单元负责接收和处理数据采集模块传输的数据，并进行分析和判断。
ICS点击此处添加ICS号点击此处添加中国标准文献分类号NB 中华人民共和国能源行业标准NB/T XXXXX—XXXX风力发电机组振动状态监测导则Guidelines for vibration condition monitoring and diagnose of wind turbine generator 点击此处添加与国际标准一致性程度的标识（送审稿）XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施目次前言 (III)引言 (IV)1 范围 (1)2 规范性引用文件 (1)3 术语和定义 (1)4 振动状态监测系统 (3)4.1 振动状态监测系统类型 (3)4.1.1 固定安装系统 (3)4.1.2 半固定安装系统 (3)4.1.3 便携式系统 (3)4.1.4 系统选择原则 (3)4.2 状态监测流程 (3)5 传感器 (3)5.1 传感器类型 (3)5.2 传感器选择 (4)5.2.1 加速度传感器 (4)5.2.2 速度传感器 (4)5.2.3 位移传感器 (4)5.3 传感器位置 (4)5.3.1 典型风电机组传感器位置 (4)5.3.2 传感器方向和标识 (4)5.4 传感器安装 (4)6 振动状态监测系统技术条件 (4)6.1 正常使用条件 (4)6.2 贮存、运输极限环境温度 (5)6.3 检测单元 (5)6.3.1 概述 (5)6.3.2 不确定度 (5)6.3.3 频率范围 (5)6.3.4 绝缘性能 (5)6.3.5 环境适应性能 (6)6.3.6 电磁兼容性能 (6)6.3.7 机械性能 (6)6.3.8 6.3.8 外壳防护性能 (6)6.4 通讯单元 (6)6.5 主站单元 (7)7 测量与评估 (7)7.1 基准测量 (7)7.2 振动值评估方法 (7)7.2.1 评估准则 (7)7.3 故障特征频率 (7)附录A（资料性附录）振动监测流程图 (8)附录B（资料性附录）振动值评估方法 (9)附录C（资料性附录）常见故障原因及其对应的特征频率 (11)前言本标准是根据《国家发展改革委办公厅关于印发2007年行业标准项目计划的通知》(发改办工业［2007］1415号)的安排制定的。
