風電機組傳動系統(tǒng)主要結構

發(fā)布時間：2020-01-09

目前風電機組制造商提供的大型水平軸風電機組類型很多，但其結構相似。風電機組主要由風輪、變槳系統(tǒng)、機艙、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、電氣系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、塔架和地基等子系統(tǒng)組成，而每個子系統(tǒng)又有若干的零部件構成。
　　風電機組通過風輪捕獲風能轉換為動能，通過傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機在電氣控制系統(tǒng)的控制下發(fā)出電能，進而通過變壓器和變流器接入電網(wǎng)向電網(wǎng)饋電。控制系統(tǒng)是整個發(fā)電過程的指揮中心，不僅可以控制偏航系統(tǒng)實現(xiàn)風機的對風，同時控制變流器限度地捕獲風能，通過變槳系統(tǒng)使發(fā)電機輸出穩(wěn)定的電功率。風電機組振動故障主要來源于傳動系統(tǒng)，而傳動系統(tǒng)包括葉片、主軸、軸承、齒輪和發(fā)電機等，因此本節(jié)針對傳動系統(tǒng)的結構，分析其常見的振動故障及時頻域特點。
　　(1)風輪
　　風輪包括葉片、輪毅等，是風電機組接受并捕獲風能的部件。葉片和輪毅的主要材料有玻璃纖維增強塑料、碳纖維增強塑料、鋼和鋁等。現(xiàn)代的風機的葉片數(shù)常為1~4枚，一般是2枚或3枚。由于葉片是風機接受風能的部件，所以葉片的扭曲、翼型的各種參數(shù)及葉片結構都直接影響接受風能的效率和葉片的壽命。輪毅通常是由鋼制造，用于聯(lián)接葉片和主軸傳動扭矩和功率，內(nèi)部安裝有一些用于變槳控制的電氣和機械設備。由于風電機組長期工作于雨雪大風等惡劣環(huán)境中，易造成風輪不平衡、漿葉和輪毅的腐蝕、損傷等故障，葉片的故障率在整機中占有較高的比重。其中質(zhì)量不平衡引起的振動是葉片的故障類型，因為葉片工作時暴露在空氣中，很容易粘上灰塵、昆蟲尸體、結冰等固體物質(zhì)，這些固體物質(zhì)就會在葉片轉動時由離心力的作用下向葉尖移動，產(chǎn)生質(zhì)量不平衡。或者當葉片產(chǎn)生腐蝕穿洞、結冰，或者內(nèi)部結構松動時，使得葉片內(nèi)部的質(zhì)量產(chǎn)生不平衡。在葉片旋轉時，質(zhì)量的不平衡會導致葉片的振動，且振動頻率和旋轉速度有關，進而增加了風電機組損壞的幾率。但相對而言，葉片和輪毅的振動故障發(fā)生率是比較小的，因而對葉片的質(zhì)量監(jiān)測多是在實驗室進行或定期維護，很少有實時在線監(jiān)測的研究報導。在振動監(jiān)測時，由于葉片一直處于運動狀態(tài)，對其本身的監(jiān)測很難進行，而對其不平衡引起的振動，則可以通過在輪毅主軸承設置傳感器進行檢測，由于風電機組葉片旋轉速度一般較低，其不平衡引起的振動多為低頻振動。基于以上考慮，在主軸承座設置測點并選取低速加速度傳感器對其振動信號進行采集。
　　(2)齒輪箱
　　風電機組的齒輪箱由傳動軸(俗稱大軸)、箱體、齒輪副等組成，外部由聯(lián)軸器連接發(fā)電機，它將風力作用下風輪產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其相應的轉速。由于風速較低，使得風輪的轉速偏低以至于達不到發(fā)電機的輸入轉速要求，因而通過齒輪副的增速作用來實現(xiàn)轉速的提高。
　　齒輪箱主軸的前端法蘭與風輪相連，風輪驅動齒輪箱主軸旋轉，進而帶動后面的增速機構運轉。這樣齒輪箱就可以把風輪所吸收的低轉速、大扭矩的機械能轉化成高轉速、小扭矩的機械能，并傳遞到齒輪箱的輸出軸上。齒輪箱的輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與電機軸相連并驅動發(fā)電機的轉子旋轉，將能量輸入給發(fā)電機。發(fā)電機將輸入的動能轉化成電能并輸送到電網(wǎng)上。齒輪箱的潤滑重要，許多齒輪箱的故障都是由潤滑不良引起的。由于齒輪箱長期運行在變速變載荷的惡劣工況下，振動信號多包含高斯噪聲且具有非線性特點，容易發(fā)生的故障包括：軸不對中、軸不平衡、齒輪損傷、軸承損壞、滲漏油、斷軸、潤滑不良、油溫過高等。因而齒輪箱是振動監(jiān)測的對象，在齒輪的低速輸入軸和高速輸出軸都要進行相關的測點設置，以監(jiān)測其內(nèi)部的齒輪和軸承等對象。關于齒輪箱內(nèi)部齒輪和軸的常見故障詳見后續(xù)分析。
　　(3)發(fā)電機
　　風電機組的發(fā)電機負責將旋轉的機械能轉化為電能，發(fā)電機型式多種多樣，主要有雙饋異步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，同步電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步電機變速恒頻系統(tǒng)等。目前風力發(fā)電機制造商采用的是雙饋式異步發(fā)電機，該類型發(fā)電機配有增量編碼器來測量發(fā)電機轉子轉速，其冷卻系統(tǒng)有風冷和水冷兩種，并且還配有防雷等保護裝置。并且由于發(fā)電機長期工作在電磁環(huán)境中，常見有振動過大、噪聲過大、過熱、不正常雜聲、軸承過熱和絕緣損壞等故障。因此在振動監(jiān)測中需要對發(fā)電機前端和后端的振動進行監(jiān)測，常常在前端軸承座和后端軸承座設置傳感器監(jiān)測其振動信號。