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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)與故障診斷研究馬宏忠目錄一緒論雙饋異步發(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HHT的雙饋異步發(fā)電機(jī)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(jī)電刷滑環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能簡介結(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)子變頻器通過電纜、刷架、電刷及滑環(huán)將頻率、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(☆)2.
刷環(huán)系統(tǒng)接觸不良三維溫度場(chǎng)研究2.
刷環(huán)系統(tǒng)三維溫度場(chǎng)研究電刷滑環(huán)系統(tǒng)溫度場(chǎng)建模與仿真溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型物理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(duì)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(yùn)行狀態(tài)下熱、電場(chǎng)分布正常故障30A30A5A55A3.振動(dòng)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(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)裝置原理圖。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)。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。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(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找出故障特征量定義故障嚴(yán)重程度完成故障診斷電刷-滑環(huán)電阻分析正常運(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??赏茖?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。
電刷-滑環(huán)運(yùn)行電阻值變化譜圖滑環(huán)正常情況運(yùn)行時(shí)電刷滑環(huán)總電阻時(shí)域譜環(huán)面燒傷故障運(yùn)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(shí)域譜運(yùn)行電阻對(duì)流經(jīng)電刷電流的影響正常運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電流表達(dá)式: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)類似,但不同的是,間諧波占基波的比重不同。運(yùn)行電阻接觸電阻仿真分析與計(jì)算運(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)行電阻的數(shù)值模型數(shù)值模型PSCAD雙饋風(fēng)機(jī)及電刷滑環(huán)等效電路模型仿真計(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)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)故障實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
(a)滑環(huán)無故障運(yùn)行時(shí)三相勵(lì)磁電流(b)一處輕度燒傷故障時(shí)三相勵(lì)磁電流
(c)一處重度燒傷故障時(shí)三相勵(lì)磁電流(d)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、燒傷故障狀態(tài)下時(shí)C相勵(lì)磁電流的Hibert譜圖:
(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(yán)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(jí)對(duì)應(yīng)的能量商值表能量商與滑環(huán)燒傷故障等級(jí)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(dòng)法對(duì)滑環(huán)劃痕故障診斷進(jìn)行研究,提出將小波包能量譜的分析應(yīng)用到振動(dòng)信號(hào)處理中的方法,并建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)滑環(huán)燒傷故障診
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