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

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究馬宏忠目錄一緒論雙饋異步發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)三維溫度場研究振動法在雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)面劃痕故障診斷中的研究基于HHT的雙饋異步發(fā)電機滑環(huán)燒傷故障診斷研究總結(jié)二三四五1.緒論雙饋異步發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能簡介結(jié)構(gòu)：運行示意圖實物模型圖主要功能：電刷滑環(huán)系統(tǒng)故障后果雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)用于發(fā)電機勵磁用于功率傳遞發(fā)電機次同步運行時，轉(zhuǎn)子變頻器通過電纜、刷架、電刷及滑環(huán)將頻率、幅值時刻變化的三相電流引入到轉(zhuǎn)子繞組進行勵磁。發(fā)電機超同步運行時，電刷滑環(huán)系統(tǒng)將三相轉(zhuǎn)子電流引出至轉(zhuǎn)子變頻器實現(xiàn)功率信號的傳遞。刷滑環(huán)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷意義及時發(fā)現(xiàn)故障并進行排除，最大限度降低損失，提高工作效率。本課題的監(jiān)測與診斷方法（☆）2.

刷環(huán)系統(tǒng)接觸不良三維溫度場研究2.

刷環(huán)系統(tǒng)三維溫度場研究電刷滑環(huán)系統(tǒng)溫度場建模與仿真溫度場數(shù)學(xué)模型物理模型求解域模型建立三維溫度場數(shù)學(xué)模型和求解域物理模型數(shù)學(xué)模型在笛卡爾坐標系下求解域內(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為周圍介質(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為通過邊界面S2的熱流密度；n為邊界法向量；a為對流散熱系數(shù)。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)正常與故障運行狀態(tài)下熱、電場分布正常故障30A30A5A55A3.振動法在刷環(huán)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用故障類型電蝕、凹坑劃痕等3.振動法在刷環(huán)系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用電刷滑環(huán)系統(tǒng)運行試驗平臺搭建硬件準備平臺搭建振動傳感器安裝信號采集模塊振動信號測取小波包分解小波重構(gòu)小波包能量譜實驗平臺結(jié)構(gòu)和原理本實驗平臺在河海大學(xué)電工實驗室搭建，由1.1kW三相異步電動機、調(diào)壓器、變壓器、電刷滑環(huán)裝置、電機工作臺、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)振動法實驗的現(xiàn)場裝置圖，右圖是電刷滑環(huán)系統(tǒng)實驗裝置原理圖。振動信號采集系統(tǒng)左圖為振動傳感器安裝部位示意圖；右圖為信號采集系統(tǒng)組成部分：左上為數(shù)字信號采集儀、右上為直流電壓源、下圖為PC處理機。正常運行時振動信號滑環(huán)劃痕故障時振動信號時域譜振動信號處理正常及劃痕故障運行時振動信號經(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比圖。電刷-滑環(huán)故障振動信號3、4、7、8頻段占總能量的百分比較正常振動信號明顯增加，這四個頻帶分別對應(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頻率段出現(xiàn)異常振動信號，即此四個頻帶為滑環(huán)面劃痕故障頻率帶。4.基于HHT的滑環(huán)面燒傷故障診斷研究電刷滑環(huán)電阻分析滑環(huán)運行電阻分析運行電阻對流經(jīng)電刷電流的影響仿真分析與計算故障前、后的運行電阻建模仿真計算故障前后勵磁電流HHT對比分析實驗驗證搭建實驗平臺并測取數(shù)據(jù)對勵磁電流進行HHT變換對比分析故障前后結(jié)果驗證理論正確性完成診斷找出故障特征量定義故障嚴重程度完成故障診斷電刷-滑環(huán)電阻分析正常運行時：

（a）滑環(huán)動態(tài)電阻示意圖

（b）等效電路圖

圖4-1滑環(huán)動態(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，由于引線觸頭到電刷觸頭的圓周距離時刻發(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)運行時的環(huán)圈動態(tài)周期變化電阻為滑環(huán)運行電阻?？赏茖?dǎo)出滑環(huán)運行電阻的計算公式為：由滑環(huán)運行電阻的表達式可以看出，在0-1/f時間范圍內(nèi)，滑環(huán)電阻是呈開口向下的拋物線形狀，t取0和1/f時，滑環(huán)電阻最小，其值近似為零，此時電刷滑環(huán)接觸點和引線觸頭重合；t取1/2f時，滑環(huán)電阻最大，其值環(huán)圈電阻的1/4，此時接觸點和引線觸頭分別位于滑環(huán)直徑的兩端點。此后時間里，滑環(huán)動態(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)動頻率相等。

電刷-滑環(huán)運行電阻值變化譜圖滑環(huán)正常情況運行時電刷滑環(huán)總電阻時域譜環(huán)面燒傷故障運行滑環(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)總電阻時域譜運行電阻對流經(jīng)電刷電流的影響正常運行時，勵磁電流表達式：故障運行時，勵磁電流表達式：對比兩式不難發(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)正常運行時類似，但不同的是，間諧波占基波的比重不同。運行電阻接觸電阻仿真分析與計算運行電阻數(shù)學(xué)建模、電路建模：(a)

故障前運行電阻的數(shù)值模型(b)故障后運行電阻的數(shù)值模型數(shù)值模型PSCAD雙饋風(fēng)機及電刷滑環(huán)等效電路模型仿真計算結(jié)果：三相電流波形HHT變換分析滑環(huán)正常狀態(tài)運行C相滑環(huán)故障運行實驗驗證實驗設(shè)備與故障設(shè)置本實驗設(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，并定義其故障等級分別為0.5級、1級、1.5級、2級、2.5級、3級。C相滑環(huán)一處重度燒傷（1級故障）滑環(huán)故障實驗裝置圖實驗結(jié)果分析

(a)滑環(huán)無故障運行時三相勵磁電流(b)一處輕度燒傷故障時三相勵磁電流

(c)一處重度燒傷故障時三相勵磁電流(d)兩處重度燒傷故障時三相勵磁電流盡管從波形上能夠觀察出滑環(huán)是否發(fā)生了嚴重的燒毀故障，但對于輕度燒傷故障，很難直接從電流波形上進行判斷，缺乏對滑環(huán)燒傷故障的早期預(yù)警能力。故需要對故障相勵磁電流進行希爾伯特黃變換處理并繪出Hibert譜，便可準確、直觀地對滑環(huán)燒傷故障及其嚴重程度進行判斷。圖4-15給出滑環(huán)在良好運行、燒傷故障狀態(tài)下時C相勵磁電流的Hibert譜圖：

(a)滑環(huán)良好運行時勵磁電流Hibert譜(b)滑環(huán)兩處重度燒傷時勵磁電流Hibert譜圖4-15滑環(huán)燒傷故障前、后實測電流Hibert譜故障診斷總結(jié)本文定義了“能量商”來表征滑環(huán)燒傷故障的嚴重程度，即諧波能量

與基波能量

的比值，用

表示不同故障等級對應(yīng)的能量商值表能量商與滑環(huán)燒傷故障等級的關(guān)系曲線故障臨界線4.總結(jié)與展望總結(jié)：基于振動法對滑環(huán)劃痕故障診斷進行研究，提出將小波包能量譜的分析應(yīng)用到振動信號處理中的方法，并建立實驗平臺進行驗證。針對滑環(huán)燒傷故障診