雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究CTT

1、目錄目錄一一緒論緒論雙饋異步發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)三維溫度場(chǎng)研究雙饋異步發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)三維溫度場(chǎng)研究振動(dòng)法在雙饋異步發(fā)電機(jī)滑環(huán)面劃痕故障診斷中的研究振動(dòng)法在雙饋異步發(fā)電機(jī)滑環(huán)面劃痕故障診斷中的研究基于基于HHTHHT的雙饋異步發(fā)電機(jī)滑環(huán)燒傷故障診斷研究的雙饋異步發(fā)電機(jī)滑環(huán)燒傷故障診斷研究總結(jié)總結(jié)二二三三四四五五1. 緒論緒論雙饋異步發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能簡(jiǎn)介雙饋異步發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)：運(yùn)行示意圖實(shí)物模型圖主要功能：電刷滑環(huán)系統(tǒng)故障后果電刷滑環(huán)系統(tǒng)故障后果雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁用于功率傳遞發(fā)電機(jī)次同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子變頻器通過(guò)電纜、刷架、電刷及滑環(huán)將頻率

2、、幅值時(shí)刻變化的三相電流引入到轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)，電刷滑環(huán)系統(tǒng)將三相轉(zhuǎn)子電流引出至轉(zhuǎn)子變頻器實(shí)現(xiàn)功率信號(hào)的傳遞。刷滑環(huán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷意義刷滑環(huán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷意義及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行排除，最大限度降低損失，提高工作效率。本課題的監(jiān)測(cè)與診斷方法（）本課題的監(jiān)測(cè)與診斷方法（）2. 刷環(huán)系統(tǒng)接觸不良刷環(huán)系統(tǒng)接觸不良三維溫度場(chǎng)研究三維溫度場(chǎng)研究2. 刷環(huán)系統(tǒng)刷環(huán)系統(tǒng)三維溫度場(chǎng)研究三維溫度場(chǎng)研究電刷滑環(huán)系統(tǒng)溫度場(chǎng)建模與仿真電刷滑環(huán)系統(tǒng)溫度場(chǎng)建模與仿真溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型物理模型物理模型求解域模型求解域模型建立三維溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型和求解域物理模型建立三維溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型和求解域物

3、理模型數(shù)學(xué)模型在笛卡爾坐標(biāo)系下求解域內(nèi)三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的偏微分方程及其邊界條件為式中：T為物體溫度；T0為邊界上已知溫度分布；Te為周?chē)橘|(zhì)溫度；kx、ky、kz分別為物體在x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；r0為材料密度；c為材料比熱；q為熱源密度；q0為通過(guò)邊界面S2的熱流密度；n為邊界法向量；a為對(duì)流散熱系數(shù)。)(:302010ezyxTTTkSqTkSTTSqzTkyyTkyxTkxTcnn求解域物理模型及網(wǎng)格劃分1引線；2#1電刷； 3#2電刷；4滑環(huán)；5絕緣套管；6#3電刷；求解域物理模的網(wǎng)格劃分圖電刷滑環(huán)系統(tǒng)正常與故障運(yùn)行狀態(tài)下熱、電場(chǎng)分布電刷滑環(huán)系統(tǒng)正常與故障運(yùn)行狀態(tài)下熱、電場(chǎng)分布正常

4、正常故障故障30A30A5A55A3. 振動(dòng)法在刷環(huán)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用振動(dòng)法在刷環(huán)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用故障類(lèi)型 電蝕、凹坑 劃痕等3. 振動(dòng)法在刷環(huán)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用振動(dòng)法在刷環(huán)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用電刷滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行電刷滑環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建試驗(yàn)平臺(tái)搭建 硬件準(zhǔn)備 平臺(tái)搭建 振動(dòng)傳感器安裝 信號(hào)采集模塊 振動(dòng)信號(hào)測(cè)取 小波包分解 小波重構(gòu) 小波包能量譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和原理本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在河海大學(xué)電工實(shí)驗(yàn)室搭建，由1.1kW三相異步電動(dòng)機(jī)、調(diào)壓器、變壓器、電刷滑環(huán)裝置、電機(jī)工作臺(tái)、多通道數(shù)字采集儀、傳感器等組成。左圖是電刷滑環(huán)系統(tǒng)振動(dòng)法實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)裝置圖，右圖是電刷滑環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

5、原理圖。振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)左圖為振動(dòng)傳感器安裝部位示意圖；右圖為信號(hào)采集系統(tǒng)組成部分：左上為數(shù)字信號(hào)采集儀、右上為直流電壓源、下圖為PC處理機(jī)。00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.0500.05幅值/gA相電刷-滑環(huán)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.0500.05幅值/gB相電刷-滑環(huán)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.0200.02時(shí)間/s幅值/gC相電刷-滑環(huán)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.100.1幅值

6、/gA相電刷-滑環(huán)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.100.1幅值/gB相電刷-滑環(huán)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.100.1時(shí)間/s幅值/gC相電刷-滑環(huán)正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)滑環(huán)劃痕故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域譜振動(dòng)信號(hào)處理振動(dòng)信號(hào)處理正常及劃痕故障運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)小波包分解、重構(gòu)、小波包能量譜處理后，得出其頻段能量分布對(duì)比圖。01234567891011121314151617010203040506051.3721.096.4916.680.040.352.581.000.020.040.110.07 0.03

7、 0.03 0.06 0.04頻 帶 序 列占總能量百分比%01234567891011121314151617010203040506038.3810.2816.2220.420.10 0.4710.922.540.00 0.010.19 0.080.000.020.280.10頻 帶 序 列 號(hào)占總能量百分比%電刷-滑環(huán)故障振動(dòng)信號(hào)3、4、7、8頻段占總能量的百分比較正常振動(dòng)信號(hào)明顯增加，這四個(gè)頻帶分別對(duì)應(yīng)的頻率范圍為：625-937.5Hz、1875-2187.5Hz、1562.5-1875Hz、4687.5-5000Hz，由此可以判斷這四個(gè)頻率段出現(xiàn)異常振動(dòng)信號(hào)，即此四個(gè)頻帶為滑環(huán)面劃

8、痕故障頻率帶。4. 基于基于HHT的滑環(huán)面燒傷故障診斷研究的滑環(huán)面燒傷故障診斷研究電刷滑環(huán)電刷滑環(huán)電阻分析電阻分析滑環(huán)運(yùn)行電阻分析運(yùn)行電阻對(duì)流經(jīng)電刷電流的影響仿真分析仿真分析與計(jì)算與計(jì)算故障前、后的運(yùn)行電阻建模仿真計(jì)算故障前后勵(lì)磁電流HHT對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并測(cè)取數(shù)據(jù)對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行HHT變換對(duì)比分析故障前后結(jié)果驗(yàn)證理論正確性完成診斷完成診斷找出故障特征量定義故障嚴(yán)重程度完成故障診斷電刷電刷- -滑環(huán)電阻分析滑環(huán)電阻分析l正常運(yùn)行時(shí)：正常運(yùn)行時(shí)： （a）滑環(huán)動(dòng)態(tài)電阻示意圖 （b）等效電路圖 圖4-1 滑環(huán)動(dòng)態(tài)電阻示意圖及其等效電路圖滑環(huán)引線觸頭與滑環(huán)內(nèi)環(huán)相連，固定在滑環(huán)上，由于

9、引線觸頭到電刷觸頭的圓周距離時(shí)刻發(fā)生變化，故滑環(huán)電阻也成周期性變化，其變化頻率與滑環(huán)轉(zhuǎn)速同步。定義滑環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的環(huán)圈動(dòng)態(tài)周期變化電阻為滑環(huán)運(yùn)行電阻。可推導(dǎo)出滑環(huán)運(yùn)行電阻的計(jì)算公式為：由滑環(huán)運(yùn)行電阻的表達(dá)式可以看出，在0-1/f時(shí)間范圍內(nèi)，滑環(huán)電阻是呈開(kāi)口向下的拋物線形狀，t取0和1/f時(shí)，滑環(huán)電阻最小，其值近似為零，此時(shí)電刷滑環(huán)接觸點(diǎn)和引線觸頭重合；t取1/2f時(shí)，滑環(huán)電阻最大，其值環(huán)圈電阻的1/4，此時(shí)接觸點(diǎn)和引線觸頭分別位于滑環(huán)直徑的兩端點(diǎn)。此后時(shí)間里，滑環(huán)動(dòng)態(tài)電阻就以該拋物線形式做周期性變化，變化頻率同滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相等。)(2)(2fttfArtRtol00.050.10.150.20

10、.250.301234567時(shí) 間 /s電阻/m 電刷-滑環(huán)運(yùn)行電阻值變化譜圖00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.57.588.599.51010.51111.512時(shí) 間 /s電阻/m滑環(huán)正常情況運(yùn)行時(shí)電刷滑環(huán)總電阻時(shí)域譜l環(huán)面燒傷故障運(yùn)行環(huán)面燒傷故障運(yùn)行00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.510203040506070時(shí) 間 /s幅值/m滑環(huán)燒傷故障模擬示意圖滑環(huán)燒傷故障狀態(tài)下電刷滑環(huán)總電阻時(shí)域譜l 運(yùn)行電阻對(duì)流經(jīng)電刷電流的影響運(yùn)行電阻對(duì)流經(jīng)電刷電流的影響102)cos()cos(10cos5)(000tAtAtAtimm

11、正常正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流表達(dá)式：tAtAtAtAtAtimmmm)sin()1019cos1 (703)cos(1019sin703)sin()1019cos1 (703)cos(1019sin703cos35033)(00000故障故障運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流表達(dá)式：對(duì)比兩式不難發(fā)現(xiàn)，滑環(huán)燒傷故障后，流經(jīng)滑環(huán)的電流頻譜除了含有基波外，還含有 、 、 、頻率分量的間諧波，這與滑環(huán)正常運(yùn)行時(shí)類(lèi)似，但不同的是，間諧波占基波的比重不同。m0m20m30運(yùn)行電阻接觸電阻仿真分析與計(jì)算仿真分析與計(jì)算l運(yùn)行電阻數(shù)學(xué)建模、電路建模：運(yùn)行電阻數(shù)學(xué)建模、電路建模：(a) 故障前 運(yùn)行電阻的數(shù)值模型(b) 故障后 運(yùn)行電

12、阻的數(shù)值模型數(shù)值模型數(shù)值模型PSCAD雙饋風(fēng)機(jī)及電刷滑環(huán)等效雙饋風(fēng)機(jī)及電刷滑環(huán)等效電電路路模型模型00.511.522.5-101A相電流幅值/pu00.511.522.5-101B相電流幅值/pu00.511.522.5-101時(shí) 間 /sC相電流幅值/pu00.511.522.5-101A相電流幅值/pu00.511.522.5-101B相電流幅值/pu00.511.522.5-101時(shí) 間 /sC相電流幅值/pu頻率/Hz時(shí) 間 /s 00.20.40.60.811.21.41.61.8201002003004005006007008009001000-20-18-16-14-12-10

13、-8-6-4-20頻率/Hz時(shí) 間 /s 00.20.40.60.811.21.41.61.8201002003004005006007008009001000-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20l仿真計(jì)算結(jié)果：仿真計(jì)算結(jié)果：三相電流波形HHT變換分析滑環(huán)正常狀態(tài)運(yùn)行C相滑環(huán)故障運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證l實(shí)驗(yàn)設(shè)備與故障設(shè)置實(shí)驗(yàn)設(shè)備與故障設(shè)置本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多種不同程度的滑環(huán)燒傷故障，取具有代表性的四種不同程度的燒傷故障，由輕到重依次是滑環(huán)面一處輕度燒傷、一處重度燒傷、兩處輕度燒傷、一處輕度+一處重度、兩處重度、兩處重度+一處輕度燒傷，并定義其故障等級(jí)分別為0.5級(jí)、1級(jí)、1.5級(jí)、2

14、級(jí)、2.5級(jí)、3級(jí)。C相滑環(huán)一處重度燒傷（1級(jí)故障）滑環(huán)故障滑環(huán)故障實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置圖圖l實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010時(shí) 間 /sC相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相電

15、流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010時(shí) 間 /sC相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010時(shí) 間 /sC相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010A相電流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010B相電

16、流/A00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-10010時(shí) 間 /sC相電流/A (a) 滑環(huán)無(wú)故障無(wú)故障運(yùn)行時(shí)三相勵(lì)磁電流 (b) 一處輕度燒傷一處輕度燒傷故障時(shí)三相勵(lì)磁電流(c) 一處重度燒傷一處重度燒傷故障時(shí)三相勵(lì)磁電流 (d) 兩處重度燒傷兩處重度燒傷故障時(shí)三相勵(lì)磁電流盡管從波形上能夠觀察出滑環(huán)是否發(fā)生了嚴(yán)重的燒毀故障，但對(duì)于輕度燒傷故障，很難直接從電流波形上進(jìn)行判斷，缺乏對(duì)滑環(huán)燒傷故障的早期預(yù)警能力。故需要對(duì)故障相勵(lì)磁電流進(jìn)行希爾伯特黃變換處理并繪出Hibert譜，便可準(zhǔn)確、直觀地對(duì)滑環(huán)燒傷故障及其嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷。圖4-15給出滑環(huán)在良好運(yùn)行、燒傷

17、故障狀態(tài)下時(shí)C相勵(lì)磁電流的Hibert譜圖：頻率/Hz時(shí) 間 /s 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.501002003004005006007008009001000-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20頻率/Hz時(shí) 間 /s 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.501002003004005006007008009001000-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20 (a) 滑環(huán)良好運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流Hibert譜 (b) 滑環(huán)兩處重度燒傷時(shí)勵(lì)磁電流Hibert譜圖4-15 滑環(huán)燒傷故障前、后實(shí)測(cè)電流Hibert譜l故障診斷總結(jié)故障診斷總結(jié)本文定義了“能量商”來(lái)表征滑環(huán)燒傷故障的嚴(yán)重程度，即諧波能量 與基波能量 的比值，用 表示iPzPfB00.511.522.5300.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5故 障 等 級(jí)Bf不同故障等