風力發電機故障監測系統數據采集單元的設計

趙慧嫻

摘要：風力發電機組是風力發電的重要設備，大型風力發電機組大多分布在邊遠地區，發生故障時很難被及時發現并加以處理。風力發電機的大部分故障可以通過振動、轉速等參數的變化反映出來，那么針對這些參數的變化設計監測系統就可以實現對風力發電機組的主要常見故障進行監測的目的。基于以上原理，本文提出一套故障監測系統數據采集模塊的設計方案來對風力發電機組關鍵部件的主要常見機械故障進行監測。

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.

關鍵詞：風力發電機；傳感器；在線監測；故障診斷；數據采集

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

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0121-03

1 系統簡介

本文介紹的風力發電機故障監測系統數據采集模塊是針對MW級風力發電機組機械部件的在線故障診斷與安全監測需要而開發的，傳感器負責獲取主要部件的監測信號，通過信號調理電路放大、濾波、保護、線性化補償等措施，送至A/D轉換器進行模數轉換，轉換之后的數字信息被送入STM32F107VCT6進行數據分析，分析結果通過STM32F107VCT6自身所帶的以太網模塊送入上位機。

2 振動檢測電路設計

本設計中采用北京東方振動和噪聲技術研究所生產的INV9828低頻加速度傳感器對變速箱的輸入軸、主軸等低速軸和葉輪產生的低頻振動進行測試；采用秦皇島鑫華科技有限公司生產的AD500T加速度傳感器對變速箱的中間軸、輸出軸、發電機這些具有較高旋轉頻率結構產生的高頻振動進行測試。INA9828和AD500T正常工作時需要為它提供一個恒流電源恒流源的的大小為24V、4mA，所以首先要設計一個24V、4mA的恒流源作為所選的加速度傳感器的供電電源。根據加速度傳感器的技術性能指標和采集信號的基本特征，必須對加速度傳感器的輸出信號進行整形處理，為了避免外界電容元件對加速度傳感器輸出的低頻信號的影響，本文選用儀表放大器INA128作為電壓跟隨器來穩定信號。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，所以對輸出電壓進行整形，為了防止放大倍數調得太大，輸出線路有不平干擾信號，所以采用儀表放大器AD620對輸出電壓進行調節。在處理振動信號時，振動信號可以分為兩種：一種是風力發電機的塔架、主軸、變速箱的輸入軸產生的振動信號，這些結構產生的振動信號的特點是頻率比較低，大致在0.5Hz到1kHz范圍之間，所以在本設計中對頻率范圍在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；另一種是風機的變速箱的輸出軸和發電機產生的振動信號，這些結構產生的振動信號的特點是頻率比較高，大體在1kHz到3kHz的范圍內，對頻率范圍在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。通過對各種濾波芯片進行比較，并且結合A/D轉換器及系統本身的特性，本人采用MAX291濾波芯片對振動信號進行濾波。振動檢測電路設計如圖2。

3 主軸轉速檢測電路設計

通過對風力發電機主軸的機械特性進行分析，并且對各種接近開關的性價比進行比較，本設計選用上海OMKQN滬工集團生產制造的LJ30A3-15-Z/BX型接近開關來對主軸轉速進行測量。

測量轉速的方法有很多種，比如：采用光電式傳感器測量轉速、采用數字測速中的測頻法測量轉速、采用數字測速中的測周法測量轉速。在本設計中風力發電機主軸旋轉較慢，故而采用數字測速中的測周法來對主軸轉速進行測量。將所選用的接近開關固定在主軸附近，通過采集固定主軸的螺絲來獲得轉速。根據所選接近開關的性能指標，選擇+24V作為接近開關的供電電源，主軸轉速檢測電路設計如圖3。

4 軸電壓、軸電流檢測電路設計

軸電壓、軸電流檢測電路由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器進行檢測。本設計所選用的CHV-25P/50A霍爾電壓傳感器的額定輸出電流值為25mA，它對應原邊的額定電壓50V。在使用時應在被測電壓處連接一個限流電阻，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轉換器的最大工作電壓為4V，所以傳感器輸出端連接的測量電阻的阻值為160Ω，硬件連接圖為：

5 A/D轉換模塊

系統對振動檢測輸出電壓、軸電壓和轉子絕緣監測時需要對交流電壓信號進行實時采集，并通過A/D轉換模塊進行信號轉換后送入控制模塊。本設計采用Maxim公司的高精度采樣芯片MAX1133進行信號的轉換。

MAX1133是美信公司生產的一款16位串行A/D轉換器。它具有低能耗、高精度的特點，在工作時只需一個電源供電，可以利用內部時鐘或者外部時鐘完成逐次逼近轉換，具有單極性和雙極性兩種模擬量輸入輸出方式。MAX1133內部自帶跟蹤/保持電路和校準電路。MAX1133的轉換速率最高可以達到200ksps，消耗的電流最低為7.5mA。MAX1133使用SPI協議與ARM進行數據交換，電路如圖5所示。

6 STM32F107VCT6控制模塊

轉換之后的數字信息被送入STM32F107VCT6進行數據分析，本設計采用意法半導體公司生產的STM32F107VCT6互聯型芯片作為分析控制單元。STM32F107VCT6芯片是STM32系列的新型互聯型產品，承載了STM32產品家族的高端性能。

7 系統工作流程

當系統得到上位機開始采集的指令時，控制器進入初始化階段，包括STM32F107VCT6的串口初始化、定時器初始化、中斷初始化和A/D轉換芯片初始化；之后對STM32F107VCT6的串行口和定時器的工作方式進行設置；接著ARM對各檢測模塊進行掃描，傳感器獲取的信號經調理、A/D電路測回，并送控制器與設定的標準值進行比較，判斷是否發生故障，若有故障發生則進行報警并向上位機上傳此故障數據段，若無故障發生則返回掃描階段重新采集數據。（圖7）

8 總結

本設計在風力發電機的各監測部位安裝相應的傳感器來獲取其振動信號、主軸的轉速信號、發電機軸電壓、軸電流信號，并采用互聯型微控制器STM32F107VCT6作為控制模塊，對采集信號進行預處理和分析從而判斷風力發電機目前是否處于正常工作狀態，一旦發生故障，立即向上位機報警同時將含有故障信息的數據上傳給風場在線分析系統，使監控人員可以及時根據故障數據信息執行診斷程序進行相應的維修，從而保障了風力發電機的正常運行。

參考文獻：

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