CN108181944A

CN108181944A - 一种发电机绕组端部振动控制方法及系统

Info

Publication number: CN108181944A
Application number: CN201810048684.0A
Authority: CN
Inventors: 刘石; 李力; 高庆水; 杨毅; 万文军; 张楚
Original assignee: Guangdong Electric Power Design Institute; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Guangdong Electric Power Design Institute
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-06-19

Abstract

本发明公开了一种发电机绕组端部振动控制方法及系统，包括：实时监测发电机绕组端部的振动幅值；将振动幅值与预置振动幅值进行比对，若振动幅值大于预置振动幅值，则触发冷却水温度和氢气温度的调整；调整冷却水温度和氢气温度，以改变发电机绕组端部的固有频率；当监测到发电机绕组端部的振动幅值降低至目标振动幅值之下且数值稳定时，完成调整；本发明中根据发电机温度场与绕组端部结构模态频率的关系，通过冷却水温度和氢气温度来改变发电机内部的温度场，从而改变发电机绕组端部材料结构受力和弹性模量，进而改变发电机定子绕组端部的固有频率，使其避开激振力频率，降低振动幅值。

Description

一种发电机绕组端部振动控制方法及系统

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种发电机绕组端部振动控制方法及系统。

背景技术

大型发电机是一个十分复杂的系统，通常由转动部件和静止固定部件组成。绕组端部是静止固定部件的重要组成部分，其工作状况对于保证机组的安全稳定运行至关重要。绕组端部悬于定子铁芯外部，本身刚度很低，在电磁力作用下容易引发振动超标问题。因发电机端部振动过大而导致的绕组绝缘损坏、定子端部线棒引线烧断、紧固件松动故障在大型火电厂屡见不鲜。因此，分析发电机绕组端部振动状态，并在此基础上进行在线主动控制具有重要意义。

在通常情况下，发电机投入商业运行后，很难通过结构设计优化的方式控制端部振动。目前，发电机端部振动控制的常用方法是：

刚度强化法：通过在发电机外壳上增加加强筋，提高发电机外壳整体刚度和抗激振的能力，以达到降低端部振动的目的。由于发电机定子重达几百吨，为达到刚度强化的目的，加强筋布置通常较密，现场施工工作量大，成本较大且难以实施，具有很大的局限性。

发明内容

本发明提供了一种发电机绕组端部振动控制方法及系统，解决了目前用于控制发电机端部振动的刚度强化法，需要布置大量加强筋，现场施工工作量大且成本大的技术问题。

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制方法，包括：

实时监测发电机绕组端部的振动幅值；

将所述振动幅值与预置振动幅值进行比对，若所述振动幅值大于所述预置振动幅值，则触发冷却水温度和氢气温度的调整；

调整冷却水温度和氢气温度，以改变发电机绕组端部的固有频率；

当监测到发电机绕组端部的振动幅值降低至目标振动幅值之下且数值稳定时，完成调整。

可选地，所述调整冷却水温度和氢气温度具体包括：

根据所述目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度和氢气温度的反馈调整。

可选地，在调整冷却水温度之前还包括：

获取发电机当前的负荷对应的定冷水温度调节阀门开度，并将所述定冷水温度调节阀门开度整定为前馈量；

根据所述前馈量、所述目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度的反馈调整。

本发明提供的发电机绕组端部振动控制方法，还包括：

获取外界输入的温度设定偏置量，并根据所述温度设定偏置量进行冷却水温度和氢气温度的调整。

可选地，在调整冷却水温度和氢气温度时，实时监控并控制冷却水温度和氢气温度处于预设的范围内。

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制系统，包括：

监测模块，用于实时监测发电机绕组端部的振动幅值；

比对模块，用于将所述振动幅值与预置振动幅值进行比对，若所述振动幅值大于所述预置振动幅值，则触发冷却水温度和氢气温度的调整；

调整模块，用于调整冷却水温度和氢气温度，以改变发电机绕组端部的固有频率；

所述监测模块还用于监测到发电机绕组端部的振动幅值降低至目标振动幅值之下且数值稳定时，发出完成调整的指令。

可选地，所述调整模块具体包括：

调整单元，用于根据所述目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度和氢气温度的反馈调整。

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制系统，还包括：

前馈量获取模块，用于获取发电机当前的负荷对应的定冷水温度调节阀门开度，并将所述定冷水温度调节阀门开度整定为前馈量；

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制系统，还包括：

偏置量获取模块，用于获取外界输入的温度设定偏置量，并根据所述温度设定偏置量进行冷却水温度和氢气温度的调整。

可选地，所述监控模块还用于在调整冷却水温度和氢气温度时，实时监控并控制冷却水温度和氢气温度处于预设的范围内。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明中通过在监测到发电机绕组端部的振动幅值异常的时候，根据发电机温度场与绕组端部结构模态频率的关系，通过调整冷却水温度和氢气温度来改变发电机内部的温度场，从而改变发电机绕组端部材料结构受力和弹性模量，进而改变发电机定子绕组端部的固有频率，使其避开激振力频率，降低振动幅值，整个振动控制方法操作简单、易于实施且成本较低，解决了目前用于控制发电机端部振动的刚度强化法，需要布置大量加强筋，现场施工工作量大且成本大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的具有轴压力作用的梁的受力示意图；

图2为本发明提供的具有轴压力作用的梁的受力示意图；

图3为本发明实施例提供的一种发电机绕组端部振动控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种发电机绕组端部温度调整示意图；

图5为本发明实施例提供的一种发电机绕组端部振动控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

经本申请发明人研究发现，在大型的发电机运行的时候，发电机定子绕组端部处往往会产生一定的振动，当振动频率接近绕组端部的固有频率的时候，容易产生共振，从而使得振动加剧，引发振动超标问题。

有鉴于此，本申请发明人对绕组端部结构的固有频率进行了进一步研究，以研究如何使得发电机绕组端部的振动尽量避开其固有频率，避免振动超标问题的发生。

以下为对发电机绕组端部的结构进行固有频率的研究：请参阅图1，图1为本发明提供的具有轴压力作用的梁的受力示意图；图2为本发明提供的具有轴压力作用的梁的受力示意图。以两端固定铰支的各向同性等截面直粱为例，当温度增加时，结构受热膨胀，受边界条件约束，结构将受到压力S(x)，分析梁在沿梁纵向变化的轴压力S(x)作用下的弯曲固有振动。假设梁长为l，初始变形为0，y为弯曲横向位移，S为温度升高而产生的轴向压力，EI为梁的抗弯刚度，ρ为梁的密度，A为梁的截面积。根据牛顿第二定律，梁在dx微段横向运动满足式(1)：

忽略高阶微分的影响，式(1)可以简写为：

代入用挠度表示的转角和剪力，考虑受定常轴向力的等截面均质直梁，S(x)和抗弯刚度E(x)I(x)为常数，得到受轴向压力的梁弯曲自由振动微分方程：

令Y(x)为振动基本函数，ω_n为第n阶自振圆频率，则式(3)的解的一种形式为：

将式(4)代入式(2)，并进行化简后得：

对于简支梁，Y(x)可以表达为式(6)：

式中，D为常数。式(6)代入式(5)化简后得：

求解式(7)可以得到：

由式(8)可知，由于压力的存在(S>0，β<1)使得梁的结构的固有频率降低。这是由于轴向压力使得粱的挠度增加，相当于梁的刚度下降，所以固有频率降低。因此，当受到轴向拉力时(S<0，β>1)，结构频率将升高。同时也可知，低阶频率(即n较小)的β值小于高阶频率的β值，即低阶模态频率变化率(1-β)大于高阶，且呈单调递减趋势。

在对发电机绕组端部进行温度试验时发现，在发电机绕组端部升温时结构受热膨胀，边界约束产生的轴向压力会使其固有频率降低；降温时结构冷却收缩，边界约束产生的轴向拉力会使频率升高。因此，可以通过对发电机绕组端部的温度进行控制来改变发电机绕组端部的固有频率，从而使发电机绕组端部的振动避开容易引起共振的固有频率，避免振动超标问题的发生。此外，无论是升温还是降温，低阶频率的变化率都大于高阶频率的变化率。

请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种发电机绕组端部振动控制方法的流程示意图。

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制方法，包括：

S101、实时监测发电机绕组端部的振动幅值。

在本发明实施例中，可以通过发电机端部振动监测系统实时监测发电机绕组端部的振动幅值。此外，为了便于后续的分析，还可以对发电机绕组端部振动时的频谱以及特征趋势进行监测和记录。

S102、将振动幅值与预置振动幅值进行比对，若振动幅值大于预置振动幅值，则触发冷却水温度和氢气温度的调整。

可以预先设置一个振动幅值(报警值)，并在实时监测振动幅值的期间，将监测到的振动幅值与报警值进行比较，如果振动幅值超过报警值的时候，可以认为发电机绕组端部的振动超标，此时，则可以自动触发冷却水温度和氢气温度的调整。可以理解的是，报警值的大小是根据现场发电机的大小和结构具体进行预先设置的，此处不做具体限定。

S103、调整冷却水温度和氢气温度，以改变发电机绕组端部的固有频率。

由于发电机在工作时因内部损耗而产生热量，因此一般会采用冷却介质对发电机的绕组和铁心进行冷却，以维持各部分的温度在允许的限额内。其中冷却介质一般为水和氢气，因此，通过控制用于冷却发电机绕组端部的水和氢气的温度，便可以实现对发电机绕组端部的温度的控制，从而实现发电机绕组端部的固有频率的改变。

S104、当监测到发电机绕组端部的振动幅值降低至目标振动幅值之下且数值稳定时，完成调整。

在发电机绕组端部振动降低至报警值以下且数值稳定时，可以认为发电机运行于正常状态中且暂无振动超标的风险，调整结束。

具体的，可以参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种发电机绕组端部温度调整示意图。进一步地，为了提高调整的精准度和速度，调整冷却水温度和氢气温度是具体可以根据目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度和氢气温度的反馈调整。即预先设置好进行调整后的目标振动幅值，并将目标振动幅值与当前的振动幅值进行比较，通过提高或降低冷却水和氢气的温度，尽可能使发电机绕组端部的固有频率避开当前的振动频率。需要说明的是，在进行反馈调整的时候，需要实时将目标振动幅值与当前的振动幅值进行比较，并根据比较结果指导冷却水和氢气的温度的调整。如，在降低冷却水和氢气的温度之后，反而使得当前的振动幅值更加远离目标振动幅值的时候，则降低冷却水和氢气的温度；又如，在细微降低冷却水和氢气的温度之后，当前的振动幅值只是稍微靠近目标振动幅值，则加大冷却水和氢气的温度的调整幅度，以尽可能加快降低振动幅值。

进一步地，在调整冷却水温度之前还可以包括：获取发电机当前的负荷对应的定冷水温度调节阀门开度，并将定冷水温度调节阀门开度整定为前馈量；根据前馈量、目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度的反馈调整。可以理解的是，由于调整冷却水的温度是通过调节发电机的定冷水温度调节阀门开度(定子冷却水温度调节阀门的打开角度)进行的，而进行温度调整前的发电机的定冷水温度调节阀门开度是与发电机当前的负荷对应的(即不同负荷对应不同的定冷水温度调节阀门开度)，因此，可以先获取到当前的负荷及其对应的定冷水温度调节阀门开度，并将定冷水温度调节阀门开度整定为调整前的前馈量，因此在进行定子冷却水的温度调整的时候，在该前馈量的基础上结合目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，可以通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度的反馈调整。

进一步地，除了上述的调整方式，还可以包括：获取外界输入的温度设定偏置量，并根据温度设定偏置量进行冷却水温度和氢气温度的调整。可以理解的是，在进行自动调整时若调整的速度较慢，可以人为增加一手动调节来进行干预调节，即设置温度设定偏置量，来进行冷却水温度和氢气温度的调整。需要注意的是，在调整冷却水温度和氢气温度时，可以实时监控并控制冷却水温度和氢气温度处于预设的范围内，避免温度调整幅度过大引起其他的事故。

本发明中通过在监测到发电机绕组端部的振动幅值异常的时候，根据发电机温度场与绕组端部结构模态频率的关系，通过调整冷却水温度和氢气温度来改变发电机内部的温度场，从而改变发电机绕组端部材料结构受力和弹性模量，进而改变发电机定子绕组端部的固有频率，使其避开激振力频率，降低振动幅值，整个振动控制方法无需停机处理、操作简单、易于实施且成本较低，适用于大型旋转机械，尤其适用于具有较多轴段和轴承的大机组，比如汽轮发电机组，对于大型旋转机械而言，本发明中所提供的振动控制方法更能突显出识别误差小的优势。

以上为对本发明实施例提供的一种发电机绕组端部振动控制方法的详细描述，以下将对本发明实施例提供的发电机绕组端部振动控制系统进行详细的描述。

请参阅图5，图5为本发明实施例提供的一种发电机绕组端部振动控制系统的结构示意图。

本发明实施例提供的一种发电机绕组端部振动控制系统，包括：

监测模块201，用于实时监测发电机绕组端部的振动幅值；

比对模块202，用于将振动幅值与预置振动幅值进行比对，若振动幅值大于预置振动幅值，则触发冷却水温度和氢气温度的调整；

调整模块203，用于调整冷却水温度和氢气温度，以改变发电机绕组端部的固有频率；

监测模块201还用于监测到发电机绕组端部的振动幅值降低至目标振动幅值之下且数值稳定时，发出完成调整的指令。

进一步地，调整模块具体包括：

调整单元，用于根据目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度和氢气温度的反馈调整。

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制系统，还包括：

前馈量获取模块，用于获取发电机当前的负荷对应的定冷水温度调节阀门开度，并将定冷水温度调节阀门开度整定为前馈量；

根据前馈量、目标振动幅值和发电机绕组端部当前的振动幅值，通过比例-积分-微分PID控制器进行冷却水温度的反馈调整。

本发明提供的一种发电机绕组端部振动控制系统，还包括：

偏置量获取模块，用于获取外界输入的温度设定偏置量，并根据温度设定偏置量进行冷却水温度和氢气温度的调整。

进一步地，监控模块还用于在调整冷却水温度和氢气温度时，实时监控并控制冷却水温度和氢气温度处于预设的范围内。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种发电机绕组端部振动控制方法，其特征在于，包括：

实时监测发电机绕组端部的振动幅值；

2.根据权利要求1所述的发电机绕组端部振动控制方法，其特征在于，所述调整冷却水温度和氢气温度具体包括：

3.根据权利要求2所述的发电机绕组端部振动控制方法，其特征在于，在调整冷却水温度之前还包括：

4.根据权利要求1所述的发电机绕组端部振动控制方法，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1所述的发电机绕组端部振动控制方法，其特征在于，在调整冷却水温度和氢气温度时，实时监控并控制冷却水温度和氢气温度处于预设的范围内。

6.一种发电机绕组端部振动控制系统，其特征在于，包括：

监测模块，用于实时监测发电机绕组端部的振动幅值；

7.根据权利要求6所述的发电机绕组端部振动控制系统，其特征在于，所述调整模块具体包括：

8.根据权利要求7所述的发电机绕组端部振动控制系统，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求6所述的发电机绕组端部振动控制系统，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求6所述的发电机绕组端部振动控制系统，其特征在于，所述监控模块还用于在调整冷却水温度和氢气温度时，实时监控并控制冷却水温度和氢气温度处于预设的范围内。