风电机组风轮转动平衡检测技术的研究

□ 庄 骏 □ 张永明 □ 林均斌 □ 孙 斌 □ 谢 珺

上海市质量监督检验技术研究院 上海 200072

因风能具有可再生性和无污染性的优点，所以风能是目前最具有开发利用前景和技术最成熟的一种新能源和可再生能源［1］。随着风能的开发和利用，风力发电机组单机容量以及装机量逐年增加［2］。因叶片加工精度、安装质量和结冰等问题，机组风轮经常伴随着不平衡的问题，不平衡将引起机组振动，会造成部件过快失效或损坏［3］。解决这一问题的最直接和最有效的方式就是对风电机组风轮进行平衡检测，并及时进行平衡处理。

1 硬件平台

1.1 总体框架

振动数据的采集是振动分析的基础。数据采集的准确性是评价监测系统优劣的先决条件，只有当采集到的振动信号与机组振动形式完全符合时，才有可能准确判断出引起机组振动的根本原因。本文搭建了一套用于风轮转动平衡检测的低频振动信号采集系统，主要包括小型风机实验器、传感器组、信号预处理电路、PXI数据采集系统、显示器5个部分，硬件系统的总体框图如图1所示。

1.2 小型风机实验器

▲图1 硬件系统总体框图

▲图2 风机实验器结构图

为了对风力发电机组转动平衡检测技术进行研究，需要设计一个小型风机实验器，能够模拟真实风机的运行。对真实风机的机构进行简化，最终设计的小型风机实验器如图2所示。

该实验器主要由电机、叶片、轮毂、主轴、皮带轮、支架、底座组成，其中叶片长度为1.5 m，通过螺栓将叶片固定在轮毂上，然后将轮毂装在主轴上，并通过键限制轮毂的旋转；将主轴放在支架两边的轴承上，两边的支架可以在底座上左右移动，并可以在合适的位置上固定下来；电机装在支架上，由于真实风力发电机组转速一般较低，为此小型风机实验器选择的电机转速不能太高，必须是低速电机。笔者选择宜家减速机厂的三相立式齿轮减速电动机GLF28-750，额定转速为58 r/min，额定功率为0.75 kW，能够较好地满足实验要求。为了研究风机不同转速时的振动特性，本实验中，设计了通过皮带轮可以实现实验器风轮转速在10～100 r/min之间的变化，并且可以在实验器叶片上增减配重，以此研究风机的振动与不平衡质量之间的关系。

1.3 传感器组

实验中需要测量振动信号与风轮转速信号，因此需要配置振动传感器和光电传感器。平衡测量中，常用的测振传感器包括可动线圈式传感器、电容式传感器、电涡流位移传感器和压电传感器。可动线圈式传感器通常用于软支撑平衡机，当它用于硬支撑平衡机时，需要杠杆放大机构来放大支撑架的位移，但杠杆放大机构存在的摩擦会产生相移，影响信号的测量精度。电容式传感器可实现无接触测量，灵敏度高，分辨率强，但它存在相位滞后、量程范围有限等缺点。电涡流传感器也属于非接触式传感器，线性度好，测量范围宽，但价格相对较高。压电传感器具有体积小、精度和灵敏度高以及工作频率范围广［4］等特点。综合考虑灵敏度、带宽和线性度等性能，选择压电传感器作为测振传感器。风电机组风轮转速在10～100 r/min之间，即0.17～1.67 Hz，为了实验的需要，选择扬州科动电子公司的IC超低频加速度传感器KD12000L，它的电压灵敏度为20V/g（1g=9.8 m·s-2），使用频率范围为 0.05～400 Hz，最大量程为 0.2g，使用温度范围-20～80℃，需用 2～10 mA的恒流源供电。

相位是旋转机械振动分析中不可或缺的参数［5］，使用光电传感器测量转速和相位很方便。试验器中键相信号由光电传感器检测叶片上的光标在转轴转一圈时产生的脉冲来提供，测量相邻脉冲信号的时间间隔就可以测得转子的转速，同时，此脉冲信号也作为相位测量的基准。本文采用了光电传感器来测量转速和相位，其供电电压为12 V。

1.4 PXI数据采集系统

为了采集到振动信号和转速信号，选用了PXI数据采集系统，其中包括数据采集卡、机箱、控制器、电缆、接线盒5部分。实验中需要同时采集振动信号和光电传感器信号，所以数据采集卡必须具有多通道同步采样的功能，选用了NI PXIe-6368数据采集卡，它可以实现2 MS/s通道下16路同步模拟输入，分辨率为16位，量程为-10～10V。NI PXIe-6368数据采集卡的使用需要配置NI SCB-68A接线盒以及NI SHC68-68-EPM电缆，NI SCB-68A是一款屏蔽式I/O接线盒，用于将I/O信号连接至配有68针连接端口的插入式DAQ设备，NI SHC68-68-EPM电缆用于连接数据采集卡与接线盒。

为了完成数据的采集，还配置了NI PXIe-1071机箱和NI PXIe-8108控制器，NI PXIe-1071机箱具有3个混合插槽，与PXI模块兼容，NI PXIe-8108控制器具有2.53 GHz Intel Core 2 Duo T9400双核处理器。

1.5 信号预处理电路

在振动信号预处理中，振动加速度传感器的输出信号通过滤波电路、程控增益电路、积分电路等环节，输出较为纯净的振动信号。

2 软件系统

为了完成风轮转动平衡检测的研究，笔者设计了不平衡检测的软件系统，并且在LabVIEW中编写了相关的程序，其流程如图3所示。图中，DAQ通道应选取两路模拟输入端，以实现振动传感器信号和光电传感器信号的同步采样；所采集的数据类型按照传感器的输出信号类型选取，实验中选取电压信号，数据的最大值和最小值应根据数据采集卡的量程选取，这里最大值为+10V，最小值为-10V；在监测风轮转动过程中的振动时，其含有一定的高频信号，采样频率通常设置为最高分析频率的10倍以上，当然，在不影响信号处理速度的情况下，采样频率越高，得到采样的振动数据越能完整地反映机组的振动特性；风轮旋转的一个周期内采集了N个数据，为了便于FFT分析，选取N为2n（n=1,2,3,...）［6］，取 n=12，即 4 096 个点，此外，所采集到旋转机械的振动信号一般是含有多种频率成分的混合正弦信号，具有明显的周期性，在每个周期中都有反映振动特性的振动特征值。如果把每个周期特征值都单独显示，那么这些数据不仅波动较大，难以准确地体现其振动特性，而且数据刷新频率会比较快，肉眼难以识别。同时，周期数也不宜太大，否则可能会淹没一些重要的特征信息，造成不能准确、及时地反映振动特性，实验中选取每次采集和分析的周期数为4，每次采集的点数为 16 384（4 096×4=16 384）个；在风力发电机组风轮转动过程中，需要准确测量风轮转速，风轮旋转一周，光电传感器获得一个脉冲，那么至少需要采集两个周期的数据，一般风力发电机组风轮转速最低约为10 r/min，假设为了测量转速，笔者采集2.5个周期，那么测量时间为15 s，则采样频率为1 092 Hz，并且数据的读取类型为多通道读取，这样可以通过索引数组的方式分别读取振动传感器信号和光电传感器信号；数据处理包括相关滤波、相位计算、FFT变换、数据保存等，其中，相关滤波和相位计算可以实现从复杂的振动信号中提取与转速同频的正弦波幅值和相位信息，FFT是为了在频域中显示振动信号中各谐波分量，数据保存是对采集的数据进行保存，以便进行离线分析。

▲图3 软件流程图

3 实验验证

3.1 实验环境及条件

（1）所有实验在搭建的小型风机实验器上运行，风机实验器转速在10～100 r/min之间，满足真实风电机组转速较低的要求；

（2）由振动传感器KD12000L、普通光电传感器、信号预处理电路、PCI数据采集系统、显示器组成振动信号的采集系统；

（3）基于LabVIEW平台设计了风轮平衡检测软件系统；

（4） 质量为 8.33g、44g、97g 的配重。

3.2 实验内容

（1）更换皮带轮，使风轮在不加配重的情况下分别在 10 r/min、20 r/min、30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min 的转速下运行，研究不平衡位移幅值x以及相位θ与风轮转速n的关系。

（2）使风轮在特定的转速下运行，测得在风轮参考相位的叶片上不加配重，以及加8.33g、44g、97g配重下的不平衡位移，研究不平衡位移幅值x以及相位与配重质量m之间的关系。

3.3 实验结果

对振动传感器信号和光电传感器信号应用相关滤波和相位计算的程序，可以获得风轮在不同转速和不同配重下不平衡位移的幅值和相位信息。在MATLAB中对各离散点进行拟合，最终得到的经验公式为：

式中：x为不平衡位移；m为配重质量；n为风轮转速；t为时间。

该公式反映了在实验中搭建的系统其振动位移幅值与风轮转速和配重质量的关系,以及振动位移相位与风轮转速的关系。对于实际的风力发电机组，当机组运行时，由于积冰等原因而导致振动位移超过故障的阈值时，在能够监测到风轮转速的情况下，可以通过经验公式判断不平衡质量的大小和角度，并进行相应的平衡处理。

4 结束语

为了对风力发电机组风轮转动平衡检测技术进行研究，在实验中搭建了信号采集的硬件平台，设计了平衡检测的软件系统，能够较好地提取不平衡位移的幅值和相位信息。最后对不同转速和不同配重下的不平衡数据进行拟合，得到适用于本系统的经验公式。

［1］ 张国伟,龚光彩,吴治.风能利用的现状及展望 ［J］.节能技术,2007,25（1）:71-76.

［2］ Stefan Gsnger,Jean-Daniel Pitteloud.World Wind Energy Report 2012 ［R］.World Wind Energy Association WWEA,2013.

［3］ 罗川,廖明夫,杨伸记.风力发电机组动平衡系统 ［J］.科学技术与工程,2007,7（12）:2815-2819.

［4］ 陈华.高精度低转速动平衡测量系统的设计研究 ［D］.绵阳：中国工程物理研究院,2008.

［5］ 张磊.基于LabVIEW的旋转机械振动分析系统的研究与开发［D］.南京：东南大学,2008.

［6］ 徐从裕.风机动平衡试验装置的研制 ［J］.风机技术,1999（2）：26-28.