楊鶴立

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)是剛?cè)峤M合的多體系統(tǒng)，隨著風(fēng)力機(jī)組額定功率的增加，葉片的剛度越來越小，對其控制精度的要求也更高。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)作用下繞中心軸轉(zhuǎn)動運(yùn)行時，作用在風(fēng)力機(jī)上的空氣動力、慣性力和彈性力等交變載荷，使得葉片產(chǎn)生變形導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動慣量與分布質(zhì)量發(fā)生改變，系統(tǒng)產(chǎn)生變形或振動，影響風(fēng)力機(jī)的正常生產(chǎn)運(yùn)行，嚴(yán)重時會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備事故。因此設(shè)計階段應(yīng)分析可能的諧振問題和引起諧振的運(yùn)行區(qū)域，風(fēng)輪、塔架、機(jī)械傳動鏈的固有頻率不能太接近，同時它們和激勵源的頻率也不可太接近，從而規(guī)避振動現(xiàn)象。大型變速機(jī)組的振動問題主要集中在4個方面:①風(fēng)輪的氣動效應(yīng)。②受到氣動效應(yīng)和電氣特性的激勵引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈的扭曲振動。③偏航運(yùn)動引起的滑移振動。④風(fēng)輪-塔架耦合的整機(jī)振動。這幾個振動源會相互影響相互作用，我們可以把四大振源簡化成一個振動復(fù)擺模型來分析[1-2]。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動數(shù)學(xué)模型及振動表現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動方式類似于物理中復(fù)擺的形式，復(fù)擺是剛體(機(jī)艙)繞固定的水平軸(塔筒)在重力的作用下作微小擺動的動力運(yùn)動體系。擺動過程中機(jī)艙受到重力和傳動鏈的回傳慣量的反作用力，而回傳慣量的力矩起著回復(fù)力矩的作用；如此反復(fù)動作構(gòu)成了機(jī)艙在一定頻率下的振動。機(jī)組的振動主要還是受到轉(zhuǎn)動慣量Jr的影響。

(1)

式中Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度，Tr為風(fēng)輪吸收的動力矩，Td為傳動鏈阻力矩，v為齒輪箱傳動比倒數(shù)，Tm為高速軸力矩。由式(1)低速軸傳動鏈動力學(xué)方程可以看出，風(fēng)輪吸收的轉(zhuǎn)矩、齒輪箱齒數(shù)比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、高速軸發(fā)電機(jī)力矩都是影響風(fēng)機(jī)振動的因素。其主要表現(xiàn)形式分為[3]：

1)在傳動鏈轉(zhuǎn)矩Tm、阻力矩Td所對應(yīng)的振動：傳動鏈一般包括主軸、主軸軸承、主軸軸承座、齒輪箱、齒輪箱支撐座、聯(lián)軸器和高速軸制動器等部件，長時間的頻繁振動將帶來低、高速軸軸承滾動面的磨損，滾珠變形；振動也帶來齒輪箱內(nèi)部齒間嚙合不到位產(chǎn)生打齒及磨齒現(xiàn)象，造成齒輪箱傳動失效。

2)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Ω周期性運(yùn)動引起的塔架-風(fēng)輪振動耦合使得塔筒與葉輪產(chǎn)生共振，塔筒螺栓承受振動力方向上的疲勞載荷；小風(fēng)情況下轉(zhuǎn)速不能快速提升，共振持續(xù)作用在塔筒鏈接螺栓的螺桿面上將會造成螺栓斷裂，嚴(yán)重的會造成倒塔事故。

3)Td所對應(yīng)的偏航振動：機(jī)組在對風(fēng)過程中執(zhí)行偏航動作，偏航制動力產(chǎn)生與傳動鏈轉(zhuǎn)矩相反的偏航阻力矩，超標(biāo)的偏航振動值將加速偏航軸承的磨損。偏航傳動齒之間的嚙合在劇烈振動下會產(chǎn)生鐵屑，長時間將會導(dǎo)致偏航傳動失效。

4)Td所對應(yīng)的葉片振動： 葉輪葉片在空氣中的湍流作用，導(dǎo)致每只葉片受力不均；葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中所承受的升阻比達(dá)不到設(shè)定值，引起葉片的擺振。嚴(yán)重時會造成葉片連接螺栓的斷裂。

由此可以得出：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動無法有效控制將會影響機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的會發(fā)生安全事故。即要確保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全又要使得機(jī)組能穩(wěn)定發(fā)電，那么機(jī)組的振動數(shù)據(jù)檢測、采集、分析環(huán)節(jié)及監(jiān)控保護(hù)動作邏輯將必不可少。故傳感器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與振動的安全保護(hù)顯得尤為重要。

2 振動傳感器工作原理及軟硬件構(gòu)成

2.1 傳感器工作原理介紹

振動傳感器采用三維加速度傳感器，數(shù)據(jù)處理采用DSP，監(jiān)控保護(hù)采用巴赫曼PLC MX312加看門狗電路，實(shí)現(xiàn)振動傳感器在232通信傳輸與看門狗通路的雙回路監(jiān)控保護(hù)。由于振動類似于擺振，故選取傳感器的數(shù)據(jù)采集物理量為振動加速度a，采用壓電式傳感器采集。由沖量公式可知加速度a受到風(fēng)機(jī)吸收的轉(zhuǎn)動慣量影響。轉(zhuǎn)動慣量Jr包含了機(jī)組的的四大主要振動源，因而選取線性變量加速度a作為測量值是滿足監(jiān)控保護(hù)要求的；通過檢測到的a值反應(yīng)出機(jī)組的振動頻率f，當(dāng)f超過門限值主控采取保護(hù)動作[4]。

2.2 振動傳感器主要硬件結(jié)構(gòu)

1)MEMS加速度傳感器：由多晶硅和差動電容組成，多晶硅又指壓電晶體。晶體厚度受到加速度沖量作用產(chǎn)生變化，輸出電壓相應(yīng)變化，a與輸出電壓v成正比。在此測量電路為4路輸入，可任意分配給內(nèi)部傳感器及外部傳感器，實(shí)現(xiàn)三維空間0°～360°X，Y，Z三坐標(biāo)范圍的振動測量。因?yàn)樗械恼駝涌梢栽谑噶可虾嫌嫼喕癁橐粋€單擺模型，為此只需要選取一個振動檢測傳感器安裝在傳動鏈齒輪箱彈性支撐架上便可實(shí)現(xiàn)整個機(jī)組在三維空間上各方向任意振源的疊加檢測。

2)濾波及測量電路：考慮到不同的振源產(chǎn)生的不同振動頻率及方向，選取3個Main濾波器分配給3路加速度傳感器通道及其組合，實(shí)現(xiàn)X，Y，Z三維空間范圍內(nèi)振動信號濾波。這里采用IIR高通濾波器與II低通濾波器的組合形成帶通濾波，其截止頻率0～35 Hz可配置。監(jiān)測量程0～40 m/s2可配置，測量取有效值、峰值或峰峰值。

3)DSP處理單元：DSP處理器采用TI公司的2812型處理器。主要由控制單元和信號輸入輸出單元組成。

4)看門狗回路：選擇小型功率繼電器與處理器之間加裝三極管組成。當(dāng)出現(xiàn)報警信號時處理器輸出為零三極管導(dǎo)通截止，看門狗回路輸出為零；主控接收低電平信號輸出報警啟動保護(hù)，看門狗電路中斷屬于緊急制動停機(jī)狀態(tài)，處于最高一級報警；主要監(jiān)控在頻域振動超限信號，對應(yīng)信號時間極短。

2.3 軟件設(shè)計

軟件主要包括：①傳感器自檢模塊，實(shí)現(xiàn)上電初始化自檢及數(shù)據(jù)監(jiān)控。②DSP數(shù)據(jù)處理模塊，包含A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲和門限值判斷。③看門狗輸出模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報警的制動控制。④通信模塊，完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、振動報警數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)顯示。

圖1 振動檢測模塊的主程序流程圖

圖1是檢測器件軟件控制邏輯，系統(tǒng)上電先完成各硬件電路的初始化，存儲器清零及系統(tǒng)自檢。經(jīng)過加速度傳感器的數(shù)據(jù)輸出，完成不可濾波干擾信號的辨別，遇到干擾則重新采集信號；無干擾則進(jìn)入加速度電信號的帶通濾波處理，之后完成A/D轉(zhuǎn)換，并由CPU判斷加速信號是否達(dá)到振動門限；超過門限則由看門狗硬保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)動作。未達(dá)到則通過RS232傳遞信號至主控PLC，由PLC判斷是否執(zhí)行停機(jī)命令或采取振動規(guī)避動作；同時檢測信號進(jìn)入循環(huán)測量狀態(tài)對機(jī)組振動實(shí)時檢測。

3 機(jī)組振保護(hù)動作實(shí)現(xiàn)

PLC主控也可以通過所接收到的振動幅值和加速度值作用時間來判斷是否需要執(zhí)行停機(jī)保護(hù)制動或振動規(guī)避動作。機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動作的觸發(fā)條件為：看門狗回路中斷或振動通信發(fā)送設(shè)定的停機(jī)門限值[7]。

1)看門狗中斷：看門狗回路的輸入由DSP處理器內(nèi)部繼電器輸出電路決定。當(dāng)DPS在設(shè)定的極短時間內(nèi)讀取到到振動檢測值大于預(yù)警值，立即啟動內(nèi)部繼電器輸出電路斷開；主控單元24 V輸入電壓信號消失，觸發(fā)緊急停機(jī)保護(hù)命令。此項(xiàng)觸發(fā)對應(yīng)的作用時間極短，時間上不連續(xù)，主要是在頻域下進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析。

2)振動通信發(fā)送停機(jī)門限值：信號作用時間長且持續(xù)，振動傳感器在連續(xù)時間內(nèi)輸出的振動信號達(dá)到了門限值，由PLC根據(jù)設(shè)定的算法采取相應(yīng)的命令。除停機(jī)以外的其他規(guī)避執(zhí)行主要分為3類：①通過控制算法的優(yōu)化避開振動頻率帶，如優(yōu)化驅(qū)動鏈的轉(zhuǎn)矩阻尼。②機(jī)組的扇區(qū)管理。③葉片角度的調(diào)節(jié)降低不平衡轉(zhuǎn)動慣量。

4 結(jié)語

本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動原因闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的力學(xué)振動模型，歸納分析了風(fēng)機(jī)的主要四大振動源；揭示了振動對風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行所帶來的危害及振動監(jiān)控保護(hù)的必要性。同時基于DSP處理器設(shè)計了振動檢測傳感器；分析并設(shè)計振動監(jiān)控保護(hù)模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動監(jiān)測系統(tǒng)。隨著新技術(shù)的發(fā)展和新算法(如人工智能)的開發(fā)，后續(xù)必將出現(xiàn)更加精準(zhǔn)的檢測器件和更加合理的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)以確保風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。