風力發電機故障問題及振動采集

陳大明 梁翠綿

摘要：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必要的。監測控制系統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。

關鍵詞：風力發電機;故障;振動采集

1風力發電機故障振動

風電機組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。

1.1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。

1.2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。

1.3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。

2風力發電機振動采集分析與監控系統

風力發電機振動采集分析與監控系統，主要是三大模塊，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。

2.1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。

2.2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。

2.3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。

3結語

綜上所述，本文分析了當前階段風力發電機的振動問題，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]基于STM32的振動信號采集系統研究與實現[D].韓玉斌.東北石油大學2020

[2]淺析風力發電機組振動狀態監測與故障診斷[J].魏協奔，盧旭錦，孫培明，李童彬.中國設備工程.2021（15）