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摘要通过对电流信号用于风力发电机故障诊断的基本原理进行分析，在此基础上采用永磁同步发电机建立了一套模拟直驱型风力发电机运行的实验模型。通过采集实验模型在负载不平衡故障运行状态下的电流信号，并利用小波包工具分析出电流信号各频段分量中所隐含的特征参数，证明了电流信号用于直驱型风力发电机组故障诊断的可行性。
关键词电流信号 风力发电机组 故障诊断
文章编号1008-5807（2011）02-101-02
风机是一种将原动机的机械能转化为被输送气体压力能和动能的流体机械，是属于通用机械范畴。风机广泛应用于冶金、化工、纺织、轻工业、电力、煤炭、石油、机械、建材、农业等国民经济的各个生产部门之中。而在生产实践环节当中，风机未到维修周期的时候常常会发生一些故障，使得生产部门不得不停机检修，这就造成企业的停产损失，加大了维修费用。 此外，还可能遇到风机在维修周期内仍然可以正常运行，但是由于制度原因，必须停机检修，造成所谓的“维修过剩”，这两方面都会造成经济损失。
为了防止风机突发事故，消除设备的过剩维修，减少风机的动载荷，在风机运行过程中，使用状态监测装置监视风机的运行状况，定期分析其异常数据。出现故障时，及时采取对策，为了防止意外事故，保证风机安全经济运行。
由于电流传感器是风力发电系统中所必备的，在实际故障诊断系统中不需要另外加装传感器进行信号的获取，因此，电信号故障诊断法在风电机组故障诊断中有其独特的优势。这里将主要研究电流信号分析判断风电机组主传动链故障的基本原理，并通过小波分析对风电机组实验模型发出的电流信号进行分析，证明机组主传动链故障可以通过发电机组电流信号进行诊断。
一、风电机组主传动链故障诊断原理
图1同步风电机组能量传递示意图
如图1所示，由于大型同步发电机组转矩传递损失率大约为4%，如果忽略掉能量传递过程中损失的转矩，可以将通过风力机产生的转矩TP与同步发电机产生的电磁转矩Tg看成近似相等，
(1)
设为风力机主传动轴的角速度，则三相永磁同步发电机的电磁转矩Tg通过分析可以表示为：
(2)
式中： 为发电机单相绕组上的电动势；为单相绕组上的端电压； 之间的夹角；是同步发电机单相绕组上的电抗。
根据图1，发电机的线路方程为：
(3)
式中， 为发电机组单相绕组电流，R为发电机单相绕组的电阻。
由于在大型同步发电机组中R的值与相比非常小，式(3)可以简化为：
(4)
将式(4)代入式(2)可以得到：
(5)
对于单项N匝线圈的绕组，根据法拉利定理其电动势可以表示为：
(6)
式中，k为线圈的系数，包含线圈位置角度等信息， 表示通过转子线圈的磁通量，与线圈励磁的电压的频率相关。当同步发电机的磁极对数为p时，转子角速度为时，磁通量旋转所产生的电动势可表示为：
(7)
(8)
将式(8)代入式(5)，可以推出
(9)
当式(7)中的以及磁通量都为常数时，发电机的电磁转矩可以表示为
(10)
在稳定的状态下，风电机组主传动轴输出的机械转矩TP和电磁转矩Tg近似相等，由此可知：
(11)
从式(10)和(11)可以看出，风电机组的机械转矩可以作为同步发电机组运行状态的判断指标，但实际的故障诊断过程中，转矩测量的成本非常高的，且传感器的安装非常复杂，而电流、电压以及功率等信号的获取相对简单得多，因此，希望通过电参数信号来间接的检测风电机组机械转矩中所携带的传动链故障信息。在实际传动的过程中有：
(12)
由分析可知，转矩TP改变时，发电机组的相电流也会相应的发生变化，正是由于转矩和电流信号的这种线性关系，机械转矩出现故障都会体现到发电机的电流信号上。同时，机械传动系统的不平衡振动，同样会导致发电机气隙磁场的变化，从而将传动系统的故障频率转移到发电机中，通过电气参数表现出来。因此，理论上传动系统的各种机械故障都可以通过对发电机的电流信号进行诊断。
二、永磁同步发电机绕组故障诊断机理
永磁同步风电机组，一般采用外转子结构，其磁极对一般安装在转子上，利用转子转动的离心力提高其可靠度。在永磁同步风电机组中常见的具有破坏性的故障一般为发电机绕组间短路，短路时强大的电枢磁场有可能会对永磁体产生永久的去磁效果，因此发电机组都有相应的保护装置，故障特征也十分明显，不作为故障诊断的研究范围。
但是，在实际的机组运行过程中，早期的绕组匝间短路通常不会立即引起机组停机，从匝间短路到机组故障停机是一个时间积累的过程。而机组保护装置通常不能发现这种故障早期的征兆。因此，对发电机组早期的匝间短路故障进行诊断，可以提供更加有效的维修依据，对减少发电机组事故停机具有重要的意义。
根据图1，对式(11)进行变换，可以得到
(13)
从式(13)中可以看出，若发电机定子绕组发生短路故障时，风机转矩和转速比会发生变化，并通过一定的频率表现出来。再结合式(12)可以看出，同步发电机组的定子绕组发生匝间短路时，其故障信息可以通过电流信号表现出来。因此，采用电流信号作为直驱型同步风电机组诊断的基本信号，在原理上是可行的。
三、结语
简要介绍了通过对风机电流信号的采集，提取电流信号的特征参数，利用提取出来的电流信号产生的纹波、谐波等信号的特征，再根据风机的运行原理，结合一些基本的电机常识，经过一些简单的运算和推理，最终说明的风机故障信息可以通过电流信号表现出来，也因此可以采用电流信号作为直驱型同步风机故障诊断的基本信号。
当然，随着科学技术的日益发展和测量仪器精确度的提高，会有更多的电站风机故障诊断技术涌现出来，因此，风机故障诊断技术势必会得到进一步的发展和应用。
参考文献：
[1]戴文进,徐龙权.电机学.北京:清华大学出版社,2008.
[2]彭鸿才.电机原理及拖动.北京:机械工业出版社，1996.
[3]郭冰.直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述.微特电机，2007，(11)：56~59.
[4]王昌长,李福祺,高胜友.电力设备在线监测与故障诊断.北京:清华大学出 版社，2006.
[5]马宏忠.电机状态监测与故障诊断.北京:机械工业出版社，2007.
关键词电流信号 风力发电机组 故障诊断
文章编号1008-5807（2011）02-101-02
风机是一种将原动机的机械能转化为被输送气体压力能和动能的流体机械，是属于通用机械范畴。风机广泛应用于冶金、化工、纺织、轻工业、电力、煤炭、石油、机械、建材、农业等国民经济的各个生产部门之中。而在生产实践环节当中，风机未到维修周期的时候常常会发生一些故障，使得生产部门不得不停机检修，这就造成企业的停产损失，加大了维修费用。 此外，还可能遇到风机在维修周期内仍然可以正常运行，但是由于制度原因，必须停机检修，造成所谓的“维修过剩”，这两方面都会造成经济损失。
为了防止风机突发事故，消除设备的过剩维修，减少风机的动载荷，在风机运行过程中，使用状态监测装置监视风机的运行状况，定期分析其异常数据。出现故障时，及时采取对策，为了防止意外事故，保证风机安全经济运行。
由于电流传感器是风力发电系统中所必备的，在实际故障诊断系统中不需要另外加装传感器进行信号的获取，因此，电信号故障诊断法在风电机组故障诊断中有其独特的优势。这里将主要研究电流信号分析判断风电机组主传动链故障的基本原理，并通过小波分析对风电机组实验模型发出的电流信号进行分析，证明机组主传动链故障可以通过发电机组电流信号进行诊断。
一、风电机组主传动链故障诊断原理
图1同步风电机组能量传递示意图
如图1所示，由于大型同步发电机组转矩传递损失率大约为4%，如果忽略掉能量传递过程中损失的转矩，可以将通过风力机产生的转矩TP与同步发电机产生的电磁转矩Tg看成近似相等，
(1)
设为风力机主传动轴的角速度，则三相永磁同步发电机的电磁转矩Tg通过分析可以表示为：
(2)
式中： 为发电机单相绕组上的电动势；为单相绕组上的端电压； 之间的夹角；是同步发电机单相绕组上的电抗。
根据图1，发电机的线路方程为：
(3)
式中， 为发电机组单相绕组电流，R为发电机单相绕组的电阻。
由于在大型同步发电机组中R的值与相比非常小，式(3)可以简化为：
(4)
将式(4)代入式(2)可以得到：
(5)
对于单项N匝线圈的绕组，根据法拉利定理其电动势可以表示为：
(6)
式中，k为线圈的系数，包含线圈位置角度等信息， 表示通过转子线圈的磁通量，与线圈励磁的电压的频率相关。当同步发电机的磁极对数为p时，转子角速度为时，磁通量旋转所产生的电动势可表示为：
(7)
(8)
将式(8)代入式(5)，可以推出
(9)
当式(7)中的以及磁通量都为常数时，发电机的电磁转矩可以表示为
(10)
在稳定的状态下，风电机组主传动轴输出的机械转矩TP和电磁转矩Tg近似相等，由此可知：
(11)
从式(10)和(11)可以看出，风电机组的机械转矩可以作为同步发电机组运行状态的判断指标，但实际的故障诊断过程中，转矩测量的成本非常高的，且传感器的安装非常复杂，而电流、电压以及功率等信号的获取相对简单得多，因此，希望通过电参数信号来间接的检测风电机组机械转矩中所携带的传动链故障信息。在实际传动的过程中有：
(12)
由分析可知，转矩TP改变时，发电机组的相电流也会相应的发生变化，正是由于转矩和电流信号的这种线性关系，机械转矩出现故障都会体现到发电机的电流信号上。同时，机械传动系统的不平衡振动，同样会导致发电机气隙磁场的变化，从而将传动系统的故障频率转移到发电机中，通过电气参数表现出来。因此，理论上传动系统的各种机械故障都可以通过对发电机的电流信号进行诊断。
二、永磁同步发电机绕组故障诊断机理
永磁同步风电机组，一般采用外转子结构，其磁极对一般安装在转子上，利用转子转动的离心力提高其可靠度。在永磁同步风电机组中常见的具有破坏性的故障一般为发电机绕组间短路，短路时强大的电枢磁场有可能会对永磁体产生永久的去磁效果，因此发电机组都有相应的保护装置，故障特征也十分明显，不作为故障诊断的研究范围。
但是，在实际的机组运行过程中，早期的绕组匝间短路通常不会立即引起机组停机，从匝间短路到机组故障停机是一个时间积累的过程。而机组保护装置通常不能发现这种故障早期的征兆。因此，对发电机组早期的匝间短路故障进行诊断，可以提供更加有效的维修依据，对减少发电机组事故停机具有重要的意义。
根据图1，对式(11)进行变换，可以得到
(13)
从式(13)中可以看出，若发电机定子绕组发生短路故障时，风机转矩和转速比会发生变化，并通过一定的频率表现出来。再结合式(12)可以看出，同步发电机组的定子绕组发生匝间短路时，其故障信息可以通过电流信号表现出来。因此，采用电流信号作为直驱型同步风电机组诊断的基本信号，在原理上是可行的。
三、结语
简要介绍了通过对风机电流信号的采集，提取电流信号的特征参数，利用提取出来的电流信号产生的纹波、谐波等信号的特征，再根据风机的运行原理，结合一些基本的电机常识，经过一些简单的运算和推理，最终说明的风机故障信息可以通过电流信号表现出来，也因此可以采用电流信号作为直驱型同步风机故障诊断的基本信号。
当然，随着科学技术的日益发展和测量仪器精确度的提高，会有更多的电站风机故障诊断技术涌现出来，因此，风机故障诊断技术势必会得到进一步的发展和应用。
参考文献：
[1]戴文进,徐龙权.电机学.北京:清华大学出版社,2008.
[2]彭鸿才.电机原理及拖动.北京:机械工业出版社，1996.
[3]郭冰.直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述.微特电机，2007，(11)：56~59.
[4]王昌长,李福祺,高胜友.电力设备在线监测与故障诊断.北京:清华大学出 版社，2006.
[5]马宏忠.电机状态监测与故障诊断.北京:机械工业出版社，2007.