GENERATOR VIBRATION FAULT DIAGNOSIS METHOD BASED ON ROTOR VIBRATION AND STATOR WINDING PARALLEL BRANCHES CIRCULATING CURRENT CHARACTERISTICS

Rotor vibration characteristics are first analyzed, which are that the rotor vibration of fundamental frequency will increase due to rotor winding inter-turn short circuit fault, air-gap dynamic eccentricity fault, or imbalance fault, and the vibration of the second frequency will increase when the air-gap static eccentricity fault occurs. Next, the characteristics of the stator winding parallel branches circulating current are analyzed, which are that the second harmonics circulating current will increase when the rotor winding inter-turn short circuit fault occurs, and the fundamental circulating current will increase when the air-gap eccentricity fault occurs, neither being strongly affected by the imbalance fault. Considering the differences of the rotor vibration and circulating current characteristics caused by different rotor faults, a method of generator vibration fault diagnosis, based on rotor vibration and circulating current characteristics, is developed. Finally, the rotor vibration and circulating current of a type SDF-9 generator is measured in the laboratory to verify the theoretical analysis presented above.

基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断研究

该文提出一种基于径向气隙磁密和定子电流的永磁同步电机均匀退磁故障诊断方法。首先,建立电机的d轴等效磁路模型,分析均匀退磁故障后径向气隙磁密的变化规律;然后,获取电机的径向气隙磁密和定子电流信号,对各极下径向气隙磁密幅值进行归一化处理,并绘制雷达图,根据雷达图和比较相同定子电流幅值下健康电机和故障电机的各极下径向气隙磁密幅值的平均值,来诊断均匀退磁故障;利用空载各极下径向气隙磁密幅值的平均值计算故障程度。最后,仿真和实验结果均验证所提均匀退磁故障诊断方法的有效性。

转动惯量对同步电机起动及运行的影响分析

研究了转动惯量对同步电机起动及运行的影响。从转动惯量对电机起动时间、定子电流波动、阻尼绕组温升三个方面进行分析。分析结果表明:负载转动惯量越大,电机起动时间越长,电机定子电流波动越小,电机定子电流波动越小。

汽轮发电机转子匝间短路对定子热响应特性的影响

本文分析了汽轮发电机转子匝间短路故障前后定子热响应特性,不仅考虑转子匝间短路引起电压下降对发电机强励动作的影响,还研究了热分布不平衡而引起的定子力学响应。首先推导了正常情况和转子匝间短路故障后加强励磁电流下的气隙磁通密度,得到了铁心损耗和绕组铜耗的解析表达式;然后建立了发电机故障前后的三维有限元仿真模型,对不同短路程度故障下的铁心损耗、绕组铜耗与定子温度进行了求解计算;最后实测了CS-5型故障模拟发电机在正常运行和不同短路程度故障下的定子温度,实验结果与理论分析、有限元仿真结果基本一致。结果表明,转子匝间短路故障后由于励磁电流的增强,发电机铁心损耗和绕组铜耗均会增加,定子温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧;定子端面边缘位置的变形和应力幅值最大并且为热响应下的危险位置。

水力发电机定子绕组泄漏电流分析及电腐蚀治理研究

发电机长期运行后,定子绕组会逐渐出现老化或电腐蚀现象,需要科学的试验分析方法诊断设备健康状况。通过分析多台大型贯流式发电机定子绕组直流耐压试验泄漏电流数据,提出了绝缘性能评估方法及预防绕组击穿措施;根据贴壁式结构定子绕组电腐蚀及运行温度偏高状况,研究一系列定子改造创新设计及创新工艺,并对定子温度场进行有限元仿真计算。温升试验数据表明定子改造后的发电机运行温度有效降低,各测点温度偏差大幅减小。研究结果接近仿真计算值,证明了定子改造采用的新工艺有效可行。

基于PDC法的大型发电机定子线棒主绝缘热老化状态评估

大型发电机在运行过程中会受到热应力等因素的影响,造成定子线棒绝缘劣化乃至失效,影响发电机的安全稳定运行。为了明确极化-去极化电流(PDC)法对于定子线棒主绝缘性能评估的有效性,首先采用PDC法评估热老化状态的定子线棒主绝缘性能。依据PDC测试结果,提取出稳态电导电流、0.1 Hz极化/去极化损耗、不对称系数等基本特征参量;随后再利用奇异值分解(SVD)算法对线棒样本的PDC数据进行扩展德拜模型的分析,得出其模拟电路的支路数和支路参量,通过分析明确老化过程中上述特征参量的变化规律。最后对不同热老化时长的样本进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析,从微观角度进一步明确上述绝缘后固化和劣化过程的机理。结果表明:随着绝缘老化程度加剧,稳态电导电流和0.1 Hz极化/去极化损耗增加,不对称系数偏离1的程度加剧,界面极化时间常数τ2减小。

异步电动机的转子断条问题研究

讨论了异步电动机转子断条故障的特征机理,介绍了通过定子电流监测进行故障诊断的方法。概述了鼠笼式异步电动机转子断条故障可能由机械应力、过载电流和设计缺陷等因素引起,并强调了这种故障对电机性能的负面影响,包括转速异常、噪声增大和潜在的安全风险。提出了通过监测气隙磁场变化和定子电流频谱分析来诊断故障的方法。在正常情况下,电机磁动势平衡对称,而转子断条破坏了这种对称性,导致转矩波动和平均转矩下降。通过对定子电流进行频谱分析,检测到特定的谐波分量。提出结论,尽管传统理论侧重于基波的影响,实际上其他定子电流成分也参与了谐波的生成,并且可以通过监测特定频率的谐波分量来判断转子是否存在断条故障。

水电厂发电机组定子绕组单点接地故障排查及处理方法的研究

针对水轮发电机组定子线圈发生接地故障,又没有明显的故障点,在无法通过现场勘查发现故障部位时,通过电流加热法能快速发现故障点并及时处理,为定子接地故障查找方法提供一种非常有效的技术手段。同时采用甩开一根故障线圈方法,能快速恢复发电。

异频电流激励下发电机定子铁芯损耗试验实测分析

对于大容量电机的定子铁芯损耗试验,采用高频激励代替工频激励可有效降低试验难度,提高试验安全性。为探究在异频电流激励下电机定子铁芯表面及短路故障点的温升趋势,本文以一台电动机为例,制造定子铁芯短路故障点,开展了工频50Hz到高频300Hz下电机的定子铁芯损耗试验。研究结果表明,在高频电流激励下,铁芯表面温度及故障点温度的上升趋势具有较好的一致性,增加电源频率可使系统消耗的无功降低,功率因数升高。

基于变频电流激励的发电机定子铁心磁化试验

为探究变频电流激励下发电机定子铁心表面、故障点的温升趋势和故障点短路电流的变化情况,在定子铁心上选取不同线圈匝数的短路故障点,开展了工频(50 Hz)和高频(250 Hz)下定子铁心磁化试验,记录不同频率下铁心的温升;在同一工况下施加不同频率(50、100、150、200、250、300 Hz)的正弦波进行铁心磁化试验,记录不同励磁电流频率下铁心模拟故障点的故障电流。试验结果表明:高频电流激励下铁心表面温度及故障点温度的上升趋势具有较好的一致性,并且不同频率下的故障点短路电流无明显变化,验证了基于变频电流激励的发电机定子铁心磁化试验的可行性。

采用异频电流激励法开展发电机定子铁芯损耗试验的可行性研究

发电机在运行中由于热和机械力的作用,引起片间绝缘损坏,造成短路,在短路区域形成局部过热,会危及机组的安全运行,因此对发电机定子铁芯进行损耗试验有重要意义。为解决现有试验方案在进行大型机组试验时绕线困难等问题,本文提出了一种采用异频电流激励法开展发电机定子铁芯损耗试验的方法。采用ANSYS Maxwell建立仿真分析模型,通过对幅值相同、频率不同的励磁电流下的铁芯发热情况进行分析,论证了采用异频电流法开展发电机定子铁芯损耗试验的可行性。

适用于DFIG连接到直流微网的双变换器设计与实现

针对双馈感应式发电机DFIG(doubly-fed induction generator)-DC连接系统电流谐波严重、双VSI连接系统损耗大等问题,设计了1种将三相DFIG连接到直流微电网的新型双变换器连接系统。首先,详细阐述了双变换器连接系统的拓扑结构、脉宽调制PWM(pulse-width modulation)测量和DFIG模型等工作原理。与传统连接系统不同,所提连接系统采用开放端绕组结构,在定子绕组的每一侧使用1个三桥臂整流器,这些桥臂通常由绝缘栅双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)组成,为了减少控制开关的数量和降低成本,采用二极管替代了1个整流器中的IGBT;然后,给出了新型拓扑结构下SSC和RSC的控制策略;接着,与DFIG-DC连接系统和双VSI连接系统在电流谐波畸变、转矩脉动和半导体损耗等方面进行了仿真比较,说明所提方法优越性;最后,针对0.56 kW DFIG进行实验验证,结果表明了所提方法在损耗、谐波以及转矩脉动的优势。

基于相位差的同步调相机定子绕组匝间短路故障定位方法

为了改善同步调相机机组的运维效率,提出一种基于相位差的同步调相机定子绕组匝间短路故障定位方法。首先,在线获取三相电流的相位、零序电压基波分量的幅值及相位。如果零序电压基波分量的幅值超过阈值,则认为定子绕组发生匝间短路。为了进一步实现故障相的定位,将零序电压基波分量相位分别与三相电流相位进行比较,获得3组相位差,则匝间短路故障发生在3组相位差中最小值所属相的定子绕组中,从而实现故障定位。为了验证所提方法的准确性和有效性,分别基于TTS-300-2型同步调相机和小型电励磁同步电机搭建相应的仿真模型和实验平台,进行仿真与实验验证。实验结果表明:利用零序电压基波幅值可以诊断同步调相机是否发生匝间短路故障,利用零序电压基波与各相定子电流基波间的相位差可以实现故障定位。

基于风速时空分布的双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障特性分析

考虑由风剪切和塔影效应引起的叶轮扫掠面内风速时空分布,研究考虑风速时空分布的双馈风力发电机组机械和电气故障特性。首先,建立了考虑风速时空分布的等效风速模型,分别推导得到了考虑风速时空分布前后的风力发电机组机械转矩、转速,正常运行时和定子绕组匝间短路故障时定子电流的解析表达式及其变化特性;其次,在Matlab/Simulink平台搭建双馈风力发电机模型和故障模型,对定子电流进行频谱分析;最后,在风力发电机组故障模拟实验台进行了实验测试与研究。结果表明:考虑等效风速后,定子绕组匝间短路故障时定子电流中除了基频和基频的奇数倍,还会有调制频率3kfw。

定子无铁心轴向磁通永磁电机的绕组损耗与效率研究

定子无铁心轴向磁通永磁电机没有定子铁心,具有输出转矩平稳、质量轻、装配简单等优势,但同时也存在绕组涡流损耗大的问题。基于利兹线绕组,对定子无铁心轴向磁通电机的绕组涡流损耗进行了分析,给出了绕组涡流损耗计算的解析公式与有限元结合的非均匀分层混合计算模型,并通过简化的全绕组三维有限元模型,验证了混合计算模型的正确性和有效性。研究了以电机效率最大化为目标的利兹线规格选型方法。由于利兹线的实际制造工艺的问题,对电机效率进行了计算和分析,并给出了利兹线选型相关的定性结论。

百万千瓦级汽轮发电机定子线棒新型交叉换位方法研究

针对百万千瓦级汽轮发电机定子线棒的传统双罗贝尔换位方法环流附加损耗较大的实际问题,提出了一种新型交叉换位方法。以一台1 055 MW汽轮发电机为例,研究新型交叉换位方法的降损原理以及换位结构,建立了定子三维全域场路耦合有限元模型,真实模拟了定子线棒换位方法以及端部渐开线结构,得到采用新型交叉换位方法时定子线棒的股线电流分布以及环流附加损耗并与传统双罗贝尔换位方法进行了比较。研究表明,提出的新型交叉换位方法可以有效平衡定子线棒股线间的环流、抑制环流附加损耗,对于1 055 MW汽轮发电机,与传统双罗贝尔换位方法相比,采用新型交叉换位方法可以使得定子线棒环流附加损耗减小31.5%。

定子电流控制的双馈风机导纳建模与次同步振荡风险分析

定子电流控制(SCC)具有参考电流不受双馈感应发电机(DFIG)参数漂移影响的优势。然而,SCC的双馈风机与串联补偿线路产生的次同步振荡会阻碍风电的安全消纳。针对这一问题,深入分析SCC-DFIG小信号传递规律,同时考虑直流母线动态、频率耦合以及控制动态特性的影响,建立了准确表征双馈风机频域特性的导纳模型。通过分析双馈风机全风速条件下的负电阻分布规律,提出一种全风速工况虚拟电阻控制策略。MATLAB/Simulink仿真结果表明,SCC较转子电流控制的双馈风机振荡风险更高,且随着SCC比例系数增大、风速减小,系统并网振荡风险增大,仿真验证了所提稳定控制策略在不同风速工况下次同步振荡抑制的有效性。

陀螺电机轴承健康评估隐马尔可夫模型适应性设计

陀螺电机的轴承一般采用小体积、高精度的角接触球轴承,其健康状况无法通过外观检查、计量等方法检测,故障具有隐蔽性、潜伏性,当故障发生时,将直接影响陀螺的精度及寿命,故需提前对潜在故障进行识别。基于电机定子电流评估的基本原理,选取若干定子电流特征参数用于故障诊断;基于隐马尔可夫模型(HMM)的基本原理,对其进行适应性设计,根据特征参数的特点,提出局部、全局线性归一化方案,并设计适用于多特征参数的模型参数求解算法、轴承健康评估算法。实例验证表明,通过对HMM的适应性设计,健康轴承、故障轴承对应HMM的模型参数正确收敛,健康评估模型成功建立;使用该模型对已知健康、故障的6块电机轴承进行健康评估,可迅速、准确获得评估结果,准确率为100%。

定子电流补偿与转子虚拟电阻协同控制策略

为解决电网电压骤升情况,研究双馈异步风力发电机在高电压穿越下的动态特性,设计出一种定子电流补偿与转子虚拟电阻协同控制的高电压穿越方案。虚拟电阻控制策略会增加直流母线侧电压,导致电网故障程度加重,定子侧增加电流补偿项的控制策略可以达到控制直流母线电压的作用。转子侧增加虚拟电阻和定子侧增加电流补偿项协同控制策略的方法,可以降低直流母线侧电压,缩短电压振荡过程,从而提高系统的高电压穿越能力。通过在Simulink仿真软件搭建增加转子侧电流补偿项的传统控制模型和定子电流补偿与转子虚拟电阻协同控制策略模型进行仿真,得出定子电流补偿与转子虚拟电阻协同控制策略可以有效抑制有功和无功功率、直流母线侧电压、电磁转矩和转子电流冲击幅度,同时加快母线侧电压恢复时间,提高系统故障穿越能力。

自动电压调节系统的自抗扰控制

自动电压调节器(Automatic Voltage Regulator, AVR)的性能往往受到同步发电机高场电感和连续负载变化的影响,电力系统中参数的不确定性对于系统整体性能是一个重大挑战,在设计控制策略时需要重点考虑。线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC)的显著特点是能够实时估计和消除总扰动,并且不依赖于准确模型。在解决终端电压变化问题时,LADRC是一种可行的解决方案。探讨了三阶线性自抗扰控制器与高阶PID的关系,研究了线性自抗扰控制在AVR电压控制问题中的应用。针对目前AVR中普遍存在的定子电流限制(Stator Current Limit, SCL)问题,提出了一种补偿方案。方案引入发电机理论输出和实际输出的误差作为额外扰动输入,利用扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)对其进行估计,这样可以令线性自抗扰控制器快速补偿误差。仿真证明了与高阶PID相比,LADRC具有更强的抗干扰性,可以取得更好的控制效果。