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摘要：风能作为一种清洁能源，正以极快的速度发展起来。由于风力发电机组通常处于野外，环境条件恶劣，容易出现故障，维修时会耗费大量的人力物力。国内已开展了大量关于风机的故障诊断研究，取得了丰硕的成果，给出了形式多样的状态监测方法和信息融合诊断技术。这些研究大部分基于数值计算和理论分析，提出了各种控制措施，然而由于风电机组的复杂性和运行环境的多变性，有必要在设计之初就考虑机组的振动特性，进行优化设计并开展相应的试验验证，以避免发生异常振动。
关键词：风力发电机组；异常振动；测试；诊断
风力发电机将风能转换成机械能,通过传动系统将机械能传递给发电机系统,由发电机将其转换为电能,最终并网加以利用。风电机组普遍布置于海河或沙漠戈壁等恶劣环境中,其结构复杂,内部部件耦合紧密,各部件在交变载荷的作用下容易引起机械部件的不平衡、磨损、疲劳甚至断裂问题等故障,严重影响风电机的正常工作。风力发电机故障种类繁多,又由于其复杂的非线性、非平稳性,这就造成故障发生时,难以判断故障发生的部位及故障原因。
1 试验对象
某风力发电机组参数见表1。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600 r/min～1 380 r/min，正常并网发电转速为900 r/min～1 200 r/min。
该型发电机组已安装于某风场，据反映几台机组运行过程中振动较大。为查明电机异常振动原因，开展以下几方面的测试：
（1）试验台架振动测试；
表1 风力发电机组参数
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（2）风电现场振动测试；
（3）改进前后转子振动测试。
本次振动测试所用仪器如下：丹麦BK 8204IEPE型力锤，丹麦BK 4507B/4508B TEDS型智能传感器，丹麦BK 3660D多通道数据采集分析系统和丹麦BK的模态分析软件。
2 风电现场振动测试
为进一步查找该型机组异常振动原因，随后在某风场各选两台异常振动较大的电机进行测试。
2.1 第一风场现场测试数据分析
2.1.1 电机静止状态模态测试结果分析
静止状态下，测试电机上共布置30个振动加速度测点，测点位置与试验台架模态测试相同。力锤橡胶锤头敲击电机左侧面、上表面和前轴承端盖表面，分析电机模态结果。
测试电机敲击结果峰值频率为5.72 Hz、11.3Hz、15.6 Hz、17.9 Hz、53.8 Hz。其中11.3 Hz、15.6Hz、17.9 Hz模态振型与台架相同，53.8 Hz对应的主振型为水平方向同步振动（左右电机表面弯曲振动）。
2.1.2 电机运行状态测试结果分析
电机运行状态测试包括三种状态：
（1）电机空转升速测试；
（2）电机加励磁不并网测试；
（3）电机并网发电测试。
选择电机左侧面水平向测点和垂向测点作为分析的典型代表。
现场振动测试表明：电机空转升速过程中，电机振动状况良好。两个方向的测点速度振幅随着转速升高变化而增大，最大振幅都不超过1 mm/s。水平向测点主要频率成分是1倍轴频、17.75 Hz（不随转速变化）、53.8 Hz（不随转速变化）等。垂向测点主要频率成分是1倍轴频、17.75 Hz（不随转速变化）、5倍轴频等。转子加励磁后振动迅速增大，电机左右侧面表面振感强烈，并网发电时也出现相同症状。
电机加励磁不并网时水平向测点和垂向测点速度谱分别见图1。图1为三维瀑布图，图中X坐标为频率（Hz）,Y坐标为时间（s）,Z坐标为速度（m/s），下图同。两个方向的测点最大振幅均超过10 mm/s，且均出现在50 Hz，速度谱上也有100 Hz、150 Hz的分量，其振幅相对50 Hz可以忽略。两方向的速度振幅随转速增大逐渐上升。
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图1测试电机1 050 r/min加励磁状态下速度谱
电机并网时水平向测点和垂向测点速度谱，呈现与加励磁不并网完全相同的现象。
2.1.3 风场测试初步结论
通过对测试电机上述三个不同工况的振动测试分析，可得出如下结论：
（1）电机空转升速测试表明：电机-隔振器-安装基座组成的电机系统在运行转速范围内整体没有共振发生；
（2）电机加励磁及并网测试表明：电机异常振动特征频率为50 Hz。
为进一步验证上述结论，对同一风场的2号电机进行了相同工况的振动测试。图6为电机水平向测点空转升速-励磁-并网发电-脱网整个过程的速度谱，表现出与测试电机完全相同的规律，验证了上述结论的准确性。
2.2 第二风场现场测试数据分析
通过对第一风场现场测试数据的分析，表明异常振动特征频率为50 Hz。第二风场开展两方面的验证：
（1）进一步验证电机在50 Hz附近的模态振型；
（2）通过对转子施加不同的励磁频率，测试不同励磁频率下的电机响应。
2.2.1 电机静止状态模态测试结果分析
在第二风场主要针对电机水平向的模态振型，在电机左右侧面的三条水平向加强筋上增加了测点，并增加了电机前后轴承的测点。
2.2.2 电机运行状态测试结果分析
通过变频，分别施加32.5 Hz和60 Hz的励磁电流，测试结果表明振动正常。
对比正常电机和异常电机的差异，选择某正常并网发电机组进行了振动测试。
3 结语
完成了某型风力发电机组在试验台架、现场的转子系统和整机振动特性测试。针对异常振动电机进行了诊断。通过改进后的风电机组均已投入正常使用，表明改进建议合理。
参考文献
[1]曾军，陈艳峰，杨苹，等.大型风力发电机组故障诊断综述[J].电电网网技技术术.2018（3）.
[2]马宏忠，张正东，时维俊，等.基于转子瞬时功率谱的双馈风力发电机定子绕组故障诊断[J].电力系统自动化，2014（14）.