風力發電機振動采集分析與監控系統

摘?要：本文重點是以風力機組的總體振動數據為模型，通過準確真實地檢測出在各種風力、轉速等條件下，對反映了風機總體振動狀況的各個特性點的振動數值加以分析，從而從總體上掌握了風機的工作狀況。當風機的工作振動信號處于安全門限后，可進行故障告警和停止保護動作。

關鍵詞：振動監控;風力發電機組;加速度傳感器

風力發電機組在工作時出于各種因素，機艙內的很多部位會出現震動的情況，這種震動如果頻率和幅度達到一定條件時，就會影響風電機組的正常工作，嚴重時甚至會使發電機組徹底損壞，所以，發電機的震動監測管理系統是非常重要的。而LIS3LVDQ3軸加速度感應器，能夠實時檢測出發電機內的震動情況，并將信息上傳到相關的安全檢測模塊中，如果此時的震動值已經超過了報警的閥值，安全檢測模塊就會發送命令，切斷風電機組的安全鏈，使之能夠停止運行，以避免繼續震動而使風電機組受到損傷，達到保護機組的目的。同時，監測控制系統還需要向數據分析管理模塊上傳相關振動情況的數據分析，而這種數據分析將成為對風電機組震動的頻率數據分析與頻率趨勢數據分析的重要基礎，從而進一步在線修改監測參數，以提升風電機組監測的技術水平。

1 風力發電系統的發展與現狀

風能發電設備通常由風輪、變速系統、發動機、儲能裝置等部分組成。而風能發電的對于環境的要求，有比較充足和穩定的新風能源。因為使用了多葉順漿機構以及空氣阻力裝置，又或者是設置于驅動軸上的緊急制動閘等方法來進行自動保護，因此風力發電廠的單機容量也愈來愈大，而且技術含量也愈來愈高，同時生產成本也愈來越低。

槳式風力機屬于水平旋軸風能發電機，也是這類發電機中最常見的型號。這種風力機的翼型和普通飛機翼形相差不多，但為改善啟動特性，或減少空氣動能損失，多選用葉根穩固性較高、葉尖穩固性低具有較大螺線角度的構型。當它的風力必須超過最高風力時，才輸出的額定功率。在一個運行周期內，水平旋轉軸風力發電機的葉片并不僅僅受到慣性的影響，還會有重力與慣性共同作用。然而地球的慣性運動并沒有固定的方向，但重力的方向是恒定不變的，這就意味著水平旋轉風力發電機的葉片所受到的壓力是交變載荷，這種壓力很容易使葉片發生損傷，使用成本較高。此外，水平旋轉軸風力發電機通常與地面相距幾十米，使安裝與平時的維護維修比較困難，不僅安全風險較大，還會大大增加企業的運營成本。

垂直風能發電機與以往的水平旋轉軸風力機的結構原理和型式并不相同，而是將發動機、傳動系統、傳動系統等關鍵部件從幾米高的蒸餾塔移至數十米高的地面，這不僅便于維護，而且使工作環境更加穩定和安全。而葉片的風輪采用的是特殊的La型三片式拋物面，不僅大大提高了發電機葉片的抗風能力，還能對風能的利用率大大提高;它集成了所有電機的功能;采用支架與橫梁的整體組合，提高了風輪頂部的橫向驅動力。但是，盡管垂直軸風力機葉片的承壓狀態要高于水平軸風力發電機，但是仍受制于慣性力和重力的作用，只能獲得恒定載荷，但是使用的時間會比水平軸長。

對水平轉軸風力發電機，在大風發生時，槳葉的迎風角也相應改變，這樣將表現出風能機組的兩點問題：一是，如果實際風速超過了風輪的設計工作點風速，那么槳葉就必須可以手動地把功率控制在一定值左右，但是由于風能機材料的物理特性是有所限制的。二是當運轉中的風機，在突然失去供電（突率負載）的情形下，槳葉本身必須具有剎車力量，使得風能發電機組可以在強風狀況下，安然停機。早期的定槳距風力發電機組風輪并不具有剎車力量，在脫網時會完全通過設置于中低速軸以及高軸上的機械剎車裝置實現制動控制，雖然這對中小型發電機組來說問題不大，但是對大功率風機組就會有較大的影響。

由此發現，相比于傳統的水平軸風力發電機，垂直軸風能發電機具備設計方式先進、風力效率高、啟動風速較低、無噪聲等諸多優勢，并有著較為廣泛的市場使用前景。

2 風力發電機的問題及故障分析

2.1 風力發電的原理

風能發電技術，是指使用風能驅動風力渦輪機葉片的轉動，然后通過加速器提高轉速，從而驅動發電機發電[1]。按照目前的風車技術，一般是每秒五米左右的風力，便能夠進行風力發電。由于風能發電既具有不是能源問題，又沒有產生輻射或污染環境等潛在的優點，使得風能發電正在全球上產生了一種風潮。

風力發電技術在芬蘭、丹麥等歐盟發達國家十分普遍，中國也在中西部地區大力推廣。小型風力發電技術系統的運行效率也相當高，所有組件都非常重要。它的葉片也可以用來承載風能或將機械能轉換成電能;尾翼設計使葉片始終朝向外風方向，從而獲得較大的風力;旋轉時，它在磁鐵的磁場中旋轉，電流通過磁場中切割的磁線產生高頻電壓和電流，從定子引出后流入電網。

2.2 風力發電存在的問題

風力作為能源使用的時間較短，但是風力發電作為可再生能源，不僅發電能力強，對環境的污染也微乎其微，因此在世界范圍內受到了廣泛的青睞，尤其是在我國較為偏遠的山區、大草原等傳統發電線路難以實現的地區，利用風力發電改善了其用電困難的情況。而且這些地方的年平均風能能達到中國規定的國家標準，非常適合建設各種類型和等級的風電機組，投資相對較小，靈活性和輕便性較好。因此，風能作為一種資源，具有多重利用價值，而且可以綜合利用。單個風電場在發電時，必須因地制宜調節裝機位置，以解決每戶的供電問題。當風電機組采用并網方式進行發電時，必須以最高容量向電網輸送能量。

然而，風力發電也存在著很多問題，如生產成本、發電效益以及管理水平，尤其是管理。對風力渦輪機的工作狀況以及性能的評價，很大程度上依賴于其控制器。也可以說，控制器是整個風力發電的核心與靈魂，同時也是制約著整個風力發電發展的諸多瓶頸。而怎樣沖破這一瓶頸，并尋找解決的辦法，是當前探討與研究中的熱門話題。

2.3 風力發電機故障振動的特點分析

國內外研發技術人員在對不同類型風電機組的機械結構進行梳理后，對風電機組的故障進行了調查總結，發現最常見的故障主要集中在機艙的機械部分。盡管低速軸和中速軸、齒輪箱、高速軸和風力渦輪機偏航系統經常出現故障，但這些故障的根本原因在于軸和齒輪等部件的問題。

2.3.1 軸

主軸與風力發電機的齒輪箱相連。膜片聯軸器用于完成齒輪箱與高速軸之間的連接，齒輪箱內部也依靠旋轉軸傳遞能量。軸在每個部件中起著非常重要的作用，因此確保軸的安全穩定運行在整個風力渦輪機中起著至關重要的作用。

2.3.2 齒輪

齒輪是一種機械元件，利用齒的嚙合傳遞扭矩。通過齒輪之間的合作，可以實現改變扭矩、旋轉、運動形式和方向的目的。因此，齒輪傳動的方法具有相當高的傳動效率，傳動比也非常精確。同時，它還可以應用于不同的功率，因此該設備作為一種機械部件，得到了廣泛的應用。齒輪的失效不僅受設計、制造、裝配等因素的影響，還受其運行過程中的熱處理和潤滑等因素的影響。正常情況下，設備運行一段時間后會產生一些缺陷。

在實際維修過程中，一些微小的缺陷是很難被發現的，但這些缺陷可以通過分析振動信號得到。齒輪傳動和故障會引起一些特征振動，它們的組合會導致振幅調制和頻率調制。振幅的調制是指齒的表面載體對振幅的影響。頻率調制是指在某一頻率附近橫向頻率的影響。通常，頻率調制和振幅調制同時發生。

2.3.3 滾動軸承

滾動軸承是現代機器中最常見的部件之一。同時，它也起著非常重要的作用。在傳動過程中主要起到固定和降低載荷摩擦系數的作用。軸承通常由四部分組成：滾動體、保持架、外圈和內圈。

這些組成部分起著非常重要的作用。任何部件故障都會導致滾動故障。軸承主要會出現磨損、拼貼、腐蝕、疲勞和斷裂。滾動元件在內圈和外圈之間自由滾動。盡管由于實際生產中的誤差，滾動體的表面是光滑的，但滾動體不是標準球體。因此，滾動體通常伴隨著交變激振力，其中特征滾動頻率在頻譜中占有很大的分量。工作期間，軸承損壞點會不斷沖擊與其接觸的零件，導致沖擊振動。該頻率是軸承部件發生故障的頻率。因此，檢查軸承故障時的關鍵點之一是找出故障引起的周期性沖擊的特征頻率。

2.3.4 其他問題

機械部件上有幾個缺陷，以上總結了主要部件的一些常見故障。同時，其他缺陷也值得我們研究和分析。連接松動也不時發生，這將降低零件連接的剛度。其振動特點是：重心和軸線軌跡不穩定，頻譜中存在高階重復頻率分量，且在沖擊波中振幅較大。因此，當高次諧波振動的振幅超過轉子旋轉頻率振幅的一半時，我們有理由認為存在連接松動故障。

3 風力發電機振動采集分析與監控系統的組成

所謂風力發電機振動采集分析與監控系統，主要分為三大模塊，包括振動感應器、安全檢測以及上位機分析系統。而根據風機振動的特性，既要遵循實用性，也要尋找最優預測系統配置的原則考慮，本系選擇近年來快速發展的MEMS（微電子機械系統）加速度計，作為振動信息測量的感應器。這種感應器具備低成本、低功耗、功能完善、中低頻特性良好等優點，并能夠檢測動靜加速度，連通帶也可以調整，使用起來并不復雜，而且對風機振動測量的精度也符合現階段的要求。此外，監控系統可以把用于監控的在線監測數據和用于分析的離線分析統計信息數據分開記錄，傳輸至不同的模塊內，從而使系統的效率更高，在保證數據分析完整性的同時，也能對設施總體執行狀況進行全面的分析，同時也實現了監控數據分析的即時性，從而提高管理的準確性，也能降低漏報概率以及提高監測的有效性，從整體上提高了監測分析設備的技術水平。

3.1 振動傳感器模塊運行分析

振動感應器模組，是由加速度信號的采集電路所構成，而為讓模塊能夠更為靈敏，通常都會使用三軸加速度傳感器、單片機控制器，或是通信集成電路。其中，前三軸加速度傳感器的最大量程可選擇±2g和±6g。而加速度傳感器，最大采樣頻率是一百六十赫茲，需要設定的配置寄存器進行調整。此外，上位機在校準傳感器模塊時，需要首先將校準信息傳輸至單片或微型計算機中，然后再由單片或微型的計算機系統將數據存放在存儲芯片中，并將這些數據分派給傳感器以及相應的輔助寄存器。單片機在上電時，將先讀取存儲在芯片中的校正數據，接著再將這些數據下載到位于傳感器內的輔助寄存器中。而單片機控制器也將在接受時到路由傳感器內部所形成的中斷脈沖后，立即用SPI通信接口讀取加速度值，并將X、Y、Z軸上的數據經由通信口傳給安全檢測模塊。傳感器模塊和監控模塊之間的通信協議中增加了校驗字節，以避免在通信過程中因為線路干擾而產生的錯誤數據，導致系統誤報。

3.2 安全監控模塊運行分析

安全監控模塊系統實時收到傳感器數據模塊系統所上傳的數據信息后，對各個軸承的震動統計進行實時數據分析，得到了預定周期的各軸承的峰值，并進行了矢量疊加計算后和預先設置的安全門限值作對比，一旦持續高于門限值且持續時間大于兩秒鐘后，可由控制繼電器使風力發電機突然剎車并停止工作，進入設備故障保護狀態。在振動檢測數據恢復后，監測機構才準許風機繼續工作。監控模組則具有記錄設備發生故障事件的功能，將故障數據存儲到大容量的存儲芯片中，以方便于上位機讀取。在該功能模塊的主控CPU在接收到上位機命令時，并需要對命令進行分析，以便判斷上位機命令的實際運行任務，在這里還包含了如下命令：對校準設備的參量指令：在出廠前，對傳感器，以進行零點和增益的校正;對基本參數讀取命令：讀取當前監控模組的設置參數;故障歷史數據讀出命令：讀取機組的歷史故障數至上位機;門限設定命令：設定高振動的綜合報警門限;正常傳輸震動數據包指令：發送經感應器檢測的震動數據包至上位機，進行時間、頻域解析。

3.3 上位機配置分析軟件

該部分的軟件系統功用主要是對監測系統模塊和傳感器進行初始化時間設定，并對監測數據進行了時間區域和頻率區域的分類與存儲。時域映射信息分析：通過計算并指示出現場測量點的三軸、兩軸和單軸上的波浪狀、輻值等，并設定了數據記錄門限，在測量數據超過該門限時后自動保存為故障數據。為了更準確地結合風機中振蕩信號的低頻段分量特性，該分析軟件系統采用了軟件濾波方式，進而得到了在目標頻率內的全時域分析信息波形。高頻區域信息分析：通過對觀測信息數據中的目標在高頻范圍內作FFT頻率上的分解，獲得頻率圖，有助于觀測目標頻率內的振蕩特征。

根據測試結果顯示，如果振動信號的強度二赫茲或者在cpu的倍頻左右，則風力發電機組能夠正常進行作業。因此，對監控模塊進行設置時，可以將總帶寬設置在一點五赫茲與三赫茲之間，這樣，對風力發電機組中各軸流式的振動峰值是否在安全區域的檢測更加準確，避免了出現高頻率的干擾信號時，系統誤報的情況。

結語

總而言之，本著分析了當前階段風力發電機的現狀與問題所在，并針對風力發電機振動采集分析與監控系統的震動傳感器模塊和監控模塊進行了分析和研究，使系統能夠完成對風力發電機振動信號采集分析與監控系統的基本功能，希望能為相關工作人員提供些許便利。

參考文獻：

[1]龔敏明，王占國，郭宏榆.風力發電機組振動監控與分析系統的研究[J].今日科苑，2007：54.

[2]邵志偉.風力發電機狀態監控與數據分析系統[D].華北電力大學（北京），2007.

[3]韓玉斌.基于STM32的振動信號采集系統研究與實現[D].東北石油大學，2020.

[4]李騰，呂躍剛.風力發電機組振動狀態監測與故障診斷[J].科技風，2013（14）.

基金項目：遼寧省自然基金資助計劃項目“大型風力機傳動系統多故障耦合運行狀態演化的研究”（2019-MS-176）

作者簡介：谷泉（1984—?），女，漢族，遼寧沈陽人，博士，講師，研究方向：振動噪聲控制與分析、機械設備故障診斷技術。