趙慧嫻

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電的重要設(shè)備，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多分布在邊遠(yuǎn)地區(qū)，發(fā)生故障時(shí)很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以處理。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大部分故障可以通過(guò)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化反映出來(lái)，那么針對(duì)這些參數(shù)的變化設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要常見(jiàn)故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的?；谝陨显?，本文提出一套故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)方案來(lái)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件的主要常見(jiàn)機(jī)械故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

Abstract： Wind turbines are important equipment for wind power generation. Large wind turbines are mostly distributed in remote areas. It is difficult to find and deal with them in time when failure occurs. Most of the faults of wind turbines can be reflected by changes in parameters such as vibration and speed. Therefore， designing a monitoring system for these parameters can achieve the purpose of monitoring the main faults of wind turbines. Based on the above principles， this paper proposes a design scheme of the data acquisition module of the fault monitoring system to monitor the main common mechanical faults of the key components of the wind turbine.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；傳感器；在線監(jiān)測(cè)；故障診斷；數(shù)據(jù)采集

Key words： wind turbine；sensor；online monitoring；fault diagnosis；data acquisition

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）32-0121-03

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文介紹的風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊是針對(duì)MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械部件的在線故障診斷與安全監(jiān)測(cè)需要而開(kāi)發(fā)的，傳感器負(fù)責(zé)獲取主要部件的監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波、保護(hù)、線性化補(bǔ)償?shù)却胧椭罙/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信息被送入STM32F107VCT6進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果通過(guò)STM32F107VCT6自身所帶的以太網(wǎng)模塊送入上位機(jī)。

2 振動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV9828低頻加速度傳感器對(duì)變速箱的輸入軸、主軸等低速軸和葉輪產(chǎn)生的低頻振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試；采用秦皇島鑫華科技有限公司生產(chǎn)的AD500T加速度傳感器對(duì)變速箱的中間軸、輸出軸、發(fā)電機(jī)這些具有較高旋轉(zhuǎn)頻率結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。INA9828和AD500T正常工作時(shí)需要為它提供一個(gè)恒流電源恒流源的的大小為24V、4mA，所以首先要設(shè)計(jì)一個(gè)24V、4mA的恒流源作為所選的加速度傳感器的供電電源。根據(jù)加速度傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)和采集信號(hào)的基本特征，必須對(duì)加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形處理，為了避免外界電容元件對(duì)加速度傳感器輸出的低頻信號(hào)的影響，本文選用儀表放大器INA128作為電壓跟隨器來(lái)穩(wěn)定信號(hào)。由于低頻加速度傳感器INV9828和加速度傳感器AD500T的最大輸出電壓超出了AD采集器的參考電壓，所以對(duì)輸出電壓進(jìn)行整形，為了防止放大倍數(shù)調(diào)得太大，輸出線路有不平干擾信號(hào)，所以采用儀表放大器AD620對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在處理振動(dòng)信號(hào)時(shí)，振動(dòng)信號(hào)可以分為兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架、主軸、變速箱的輸入軸產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)是頻率比較低，大致在0.5Hz到1kHz范圍之間，所以在本設(shè)計(jì)中對(duì)頻率范圍在1kHz以上的高次諧波和噪聲干擾使用截至頻率為1kHz的低通濾波器濾除；另一種是風(fēng)機(jī)的變速箱的輸出軸和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)是頻率比較高，大體在1kHz到3kHz的范圍內(nèi)，對(duì)頻率范圍在3kHz以上的高次諧波和噪聲干擾使用截至頻率為3kHz的低通濾波器濾除。通過(guò)對(duì)各種濾波芯片進(jìn)行比較，并且結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器及系統(tǒng)本身的特性，本人采用MAX291濾波芯片對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波。振動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖2。

3 主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸的機(jī)械特性進(jìn)行分析，并且對(duì)各種接近開(kāi)關(guān)的性價(jià)比進(jìn)行比較，本設(shè)計(jì)選用上海OMKQN滬工集團(tuán)生產(chǎn)制造的LJ30A3-15-Z/BX型接近開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有很多種，比如：采用光電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速、采用數(shù)字測(cè)速中的測(cè)頻法測(cè)量轉(zhuǎn)速、采用數(shù)字測(cè)速中的測(cè)周法測(cè)量轉(zhuǎn)速。在本設(shè)計(jì)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)較慢，故而采用數(shù)字測(cè)速中的測(cè)周法來(lái)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。將所選用的接近開(kāi)關(guān)固定在主軸附近，通過(guò)采集固定主軸的螺絲來(lái)獲得轉(zhuǎn)速。根據(jù)所選接近開(kāi)關(guān)的性能指標(biāo)，選擇+24V作為接近開(kāi)關(guān)的供電電源，主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖3。

4 軸電壓、軸電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

軸電壓、軸電流檢測(cè)電路由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)。本設(shè)計(jì)所選用的CHV-25P/50A霍爾電壓傳感器的額定輸出電流值為25mA，它對(duì)應(yīng)原邊的額定電壓50V。在使用時(shí)應(yīng)在被測(cè)電壓處連接一個(gè)限流電阻，避免燒毀傳感器。此霍爾傳感器的額定輸出電流為25mA，而本人所選的A/D轉(zhuǎn)換器的最大工作電壓為4V，所以傳感器輸出端連接的測(cè)量電阻的阻值為160Ω，硬件連接圖為：

5 A/D轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)檢測(cè)輸出電壓、軸電壓和轉(zhuǎn)子絕緣監(jiān)測(cè)時(shí)需要對(duì)交流電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后送入控制模塊。本設(shè)計(jì)采用Maxim公司的高精度采樣芯片MAX1133進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

MAX1133是美信公司生產(chǎn)的一款16位串行A/D轉(zhuǎn)換器。它具有低能耗、高精度的特點(diǎn)，在工作時(shí)只需一個(gè)電源供電，可以利用內(nèi)部時(shí)鐘或者外部時(shí)鐘完成逐次逼近轉(zhuǎn)換，具有單極性和雙極性兩種模擬量輸入輸出方式。MAX1133內(nèi)部自帶跟蹤/保持電路和校準(zhǔn)電路。MAX1133的轉(zhuǎn)換速率最高可以達(dá)到200ksps，消耗的電流最低為7.5mA。MAX1133使用SPI協(xié)議與ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，電路如圖5所示。

6 STM32F107VCT6控制模塊

轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信息被送入STM32F107VCT6進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F107VCT6互聯(lián)型芯片作為分析控制單元。STM32F107VCT6芯片是STM32系列的新型互聯(lián)型產(chǎn)品，承載了STM32產(chǎn)品家族的高端性能。

7 系統(tǒng)工作流程

當(dāng)系統(tǒng)得到上位機(jī)開(kāi)始采集的指令時(shí)，控制器進(jìn)入初始化階段，包括STM32F107VCT6的串口初始化、定時(shí)器初始化、中斷初始化和A/D轉(zhuǎn)換芯片初始化；之后對(duì)STM32F107VCT6的串行口和定時(shí)器的工作方式進(jìn)行設(shè)置；接著ARM對(duì)各檢測(cè)模塊進(jìn)行掃描，傳感器獲取的信號(hào)經(jīng)調(diào)理、A/D電路測(cè)回，并送控制器與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生故障，若有故障發(fā)生則進(jìn)行報(bào)警并向上位機(jī)上傳此故障數(shù)據(jù)段，若無(wú)故障發(fā)生則返回掃描階段重新采集數(shù)據(jù)。（圖7）

8 總結(jié)

本設(shè)計(jì)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各監(jiān)測(cè)部位安裝相應(yīng)的傳感器來(lái)獲取其振動(dòng)信號(hào)、主軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)、發(fā)電機(jī)軸電壓、軸電流信號(hào)，并采用互聯(lián)型微控制器STM32F107VCT6作為控制模塊，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和分析從而判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前是否處于正常工作狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，立即向上位機(jī)報(bào)警同時(shí)將含有故障信息的數(shù)據(jù)上傳給風(fēng)場(chǎng)在線分析系統(tǒng)，使監(jiān)控人員可以及時(shí)根據(jù)故障數(shù)據(jù)信息執(zhí)行診斷程序進(jìn)行相應(yīng)的維修，從而保障了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

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