风力发电机振动采集分析与监控系统

摘 要：本文重点是以风力机组的总体振动数据为模型，通过准确真实地检测出在各种风力、转速等条件下，对反映了风机总体振动状况的各个特性点的振动数值加以分析，从而从总体上掌握了风机的工作状况。当风机的工作振动信号处于安全门限后，可进行故障告警和停止保护动作。

关键词：振动监控;风力发电机组;加速度传感器

风力发电机组在工作时出于各种因素，机舱内的很多部位会出现震动的情况，这种震动如果频率和幅度达到一定条件时，就会影响风电机组的正常工作，严重时甚至会使发电机组彻底损坏，所以，发电机的震动监测管理系统是非常重要的。而LIS3LVDQ3轴加速度感应器，能够实时检测出发电机内的震动情况，并将信息上传到相关的安全检测模块中，如果此时的震动值已经超过了报警的阀值，安全检测模块就会发送命令，切断风电机组的安全链，使之能够停止运行，以避免继续震动而使风电机组受到损伤，达到保护机组的目的。同时，监测控制系统还需要向数据分析管理模块上传相关振动情况的数据分析，而这种数据分析将成为对风电机组震动的频率数据分析与频率趋势数据分析的重要基础，从而进一步在线修改监测参数，以提升风电机组监测的技术水平。

1 风力发电系统的发展与现状

风能发电设备通常由风轮、变速系统、发动机、储能装置等部分组成。而风能发电的对于环境的要求，有比较充足和稳定的新风能源。因为使用了多叶顺浆机构以及空气阻力装置，又或者是设置于驱动轴上的紧急制动闸等方法来进行自动保护，因此风力发电厂的单机容量也愈来愈大，而且技术含量也愈来愈高，同时生产成本也愈来越低。

桨式风力机属于水平旋轴风能发电机，也是这类发电机中最常见的型号。这种风力机的翼型和普通飞机翼形相差不多，但为改善启动特性，或减少空气动能损失，多选用叶根稳固性较高、叶尖稳固性低具有较大螺线角度的构型。当它的风力必须超过最高风力时，才输出的额定功率。在一个运行周期内，水平旋转轴风力发电机的叶片并不仅仅受到惯性的影响，还会有重力与惯性共同作用。然而地球的惯性运动并没有固定的方向，但重力的方向是恒定不变的，这就意味着水平旋转风力发电机的叶片所受到的压力是交变载荷，这种压力很容易使叶片发生损伤，使用成本较高。此外，水平旋转轴风力发电机通常与地面相距几十米，使安装与平时的维护维修比较困难，不仅安全风险較大，还会大大增加企业的运营成本。

垂直风能发电机与以往的水平旋转轴风力机的结构原理和型式并不相同，而是将发动机、传动系统、传动系统等关键部件从几米高的蒸馏塔移至数十米高的地面，这不仅便于维护，而且使工作环境更加稳定和安全。而叶片的风轮采用的是特殊的La型三片式抛物面，不仅大大提高了发电机叶片的抗风能力，还能对风能的利用率大大提高;它集成了所有电机的功能;采用支架与横梁的整体组合，提高了风轮顶部的横向驱动力。但是，尽管垂直轴风力机叶片的承压状态要高于水平轴风力发电机，但是仍受制于惯性力和重力的作用，只能获得恒定载荷，但是使用的时间会比水平轴长。

对水平转轴风力发电机，在大风发生时，桨叶的迎风角也相应改变，这样将表现出风能机组的两点问题：一是，如果实际风速超过了风轮的设计工作点风速，那么桨叶就必须可以手动地把功率控制在一定值左右，但是由于风能机材料的物理特性是有所限制的。二是当运转中的风机，在突然失去供电（突率负载）的情形下，桨叶本身必须具有刹车力量，使得风能发电机组可以在强风状况下，安然停机。早期的定桨距风力发电机组风轮并不具有刹车力量，在脱网时会完全通过设置于中低速轴以及高轴上的机械刹车装置实现制动控制，虽然这对中小型发电机组来说问题不大，但是对大功率风机组就会有较大的影响。

由此发现，相比于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风能发电机具备设计方式先进、风力效率高、启动风速较低、无噪声等诸多优势，并有着较为广泛的市场使用前景。

2 风力发电机的问题及故障分析

2.1 风力发电的原理

风能发电技术，是指使用风能驱动风力涡轮机叶片的转动，然后通过加速器提高转速，从而驱动发电机发电[1]。按照目前的风车技术，一般是每秒五米左右的风力，便能够进行风力发电。由于风能发电既具有不是能源问题，又没有产生辐射或污染环境等潜在的优点，使得风能发电正在全球上产生了一种风潮。

风力发电技术在芬兰、丹麦等欧盟发达国家十分普遍，中国也在中西部地区大力推广。小型风力发电技术系统的运行效率也相当高，所有组件都非常重要。它的叶片也可以用来承载风能或将机械能转换成电能;尾翼设计使叶片始终朝向外风方向，从而获得较大的风力;旋转时，它在磁铁的磁场中旋转，电流通过磁场中切割的磁线产生高频电压和电流，从定子引出后流入电网。

2.2 风力发电存在的问题

风力作为能源使用的时间较短，但是风力发电作为可再生能源，不仅发电能力强，对环境的污染也微乎其微，因此在世界范围内受到了广泛的青睐，尤其是在我国较为偏远的山区、大草原等传统发电线路难以实现的地区，利用风力发电改善了其用电困难的情况。而且这些地方的年平均风能能达到中国规定的国家标准，非常适合建设各种类型和等级的风电机组，投资相对较小，灵活性和轻便性较好。因此，风能作为一种资源，具有多重利用价值，而且可以综合利用。单个风电场在发电时，必须因地制宜调节装机位置，以解决每户的供电问题。当风电机组采用并网方式进行发电时，必须以最高容量向电网输送能量。

然而，风力发电也存在着很多问题，如生产成本、发电效益以及管理水平，尤其是管理。对风力涡轮机的工作状况以及性能的评价，很大程度上依赖于其控制器。也可以说，控制器是整个风力发电的核心与灵魂，同时也是制约着整个风力发电发展的诸多瓶颈。而怎样冲破这一瓶颈，并寻找解决的办法，是当前探讨与研究中的热门话题。

2.3 风力发电机故障振动的特点分析

国内外研发技术人员在对不同类型风电机组的机械结构进行梳理后，对风电机组的故障进行了调查总结，发现最常见的故障主要集中在机舱的机械部分。尽管低速轴和中速轴、齿轮箱、高速轴和风力涡轮机偏航系统经常出现故障，但这些故障的根本原因在于轴和齿轮等部件的问题。

2.3.1 轴

主轴与风力发电机的齿轮箱相连。膜片联轴器用于完成齿轮箱与高速轴之间的连接，齿轮箱内部也依靠旋转轴传递能量。轴在每个部件中起着非常重要的作用，因此确保轴的安全稳定运行在整个风力涡轮机中起着至关重要的作用。

2.3.2 齿轮

齿轮是一种机械元件，利用齿的啮合传递扭矩。通过齿轮之间的合作，可以实现改变扭矩、旋转、运动形式和方向的目的。因此，齿轮传动的方法具有相当高的传动效率，传动比也非常精确。同时，它还可以应用于不同的功率，因此该设备作为一种机械部件，得到了广泛的应用。齿轮的失效不仅受设计、制造、装配等因素的影响，还受其运行过程中的热处理和润滑等因素的影响。正常情况下，设备运行一段时间后会产生一些缺陷。

在实际维修过程中，一些微小的缺陷是很难被发现的，但这些缺陷可以通过分析振动信号得到。齿轮传动和故障会引起一些特征振动，它们的组合会导致振幅调制和频率调制。振幅的调制是指齿的表面载体对振幅的影响。频率调制是指在某一频率附近横向频率的影响。通常，频率调制和振幅调制同时发生。

2.3.3 滚动轴承

滚动轴承是现代机器中最常见的部件之一。同时，它也起着非常重要的作用。在传动过程中主要起到固定和降低载荷摩擦系数的作用。轴承通常由四部分组成：滚动体、保持架、外圈和内圈。

这些组成部分起着非常重要的作用。任何部件故障都会导致滚动故障。轴承主要会出现磨损、拼贴、腐蚀、疲劳和断裂。滚动元件在内圈和外圈之间自由滚动。尽管由于实际生产中的误差，滚动体的表面是光滑的，但滚动体不是标准球体。因此，滚动体通常伴随着交变激振力，其中特征滚动频率在频谱中占有很大的分量。工作期间，轴承损坏点会不断冲击与其接触的零件，导致冲击振动。该频率是轴承部件发生故障的频率。因此，检查轴承故障时的关键点之一是找出故障引起的周期性冲击的特征频率。

2.3.4 其他问题

机械部件上有几个缺陷，以上总结了主要部件的一些常见故障。同时，其他缺陷也值得我们研究和分析。连接松动也不时发生，这将降低零件连接的刚度。其振动特点是：重心和轴线轨迹不稳定，频谱中存在高阶重复频率分量，且在冲击波中振幅较大。因此，当高次谐波振动的振幅超过转子旋转频率振幅的一半时，我们有理由认为存在连接松动故障。

3 风力发电机振动采集分析与监控系统的组成

所谓风力发电机振动采集分析与监控系统，主要分为三大模块，包括振动感应器、安全检测以及上位机分析系统。而根据风机振动的特性，既要遵循实用性，也要寻找最优预测系统配置的原则考虑，本系选择近年来快速发展的MEMS（微电子机械系统）加速度计，作为振动信息测量的感应器。这种感应器具备低成本、低功耗、功能完善、中低频特性良好等优点，并能够检测动静加速度，连通带也可以调整，使用起來并不复杂，而且对风机振动测量的精度也符合现阶段的要求。此外，监控系统可以把用于监控的在线监测数据和用于分析的离线分析统计信息数据分开记录，传输至不同的模块内，从而使系统的效率更高，在保证数据分析完整性的同时，也能对设施总体执行状况进行全面的分析，同时也实现了监控数据分析的即时性，从而提高管理的准确性，也能降低漏报概率以及提高监测的有效性，从整体上提高了监测分析设备的技术水平。

3.1 振动传感器模块运行分析

振动感应器模组，是由加速度信号的采集电路所构成，而为让模块能够更为灵敏，通常都会使用三轴加速度传感器、单片机控制器，或是通信集成电路。其中，前三轴加速度传感器的最大量程可选择±2g和±6g。而加速度传感器，最大采样频率是一百六十赫兹，需要设定的配置寄存器进行调整。此外，上位机在校准传感器模块时，需要首先将校准信息传输至单片或微型计算机中，然后再由单片或微型的计算机系统将数据存放在存储芯片中，并将这些数据分派给传感器以及相应的辅助寄存器。单片机在上电时，将先读取存储在芯片中的校正数据，接着再将这些数据下载到位于传感器内的辅助寄存器中。而单片机控制器也将在接受时到路由传感器内部所形成的中断脉冲后，立即用SPI通信接口读取加速度值，并将X、Y、Z轴上的数据经由通信口传给安全检测模块。传感器模块和监控模块之间的通信协议中增加了校验字节，以避免在通信过程中因为线路干扰而产生的错误数据，导致系统误报。

3.2 安全监控模块运行分析

安全监控模块系统实时收到传感器数据模块系统所上传的数据信息后，对各个轴承的震动统计进行实时数据分析，得到了预定周期的各轴承的峰值，并进行了矢量叠加计算后和预先设置的安全门限值作对比，一旦持续高于门限值且持续时间大于两秒钟后，可由控制继电器使风力发电机突然刹车并停止工作，进入设备故障保护状态。在振动检测数据恢复后，监测机构才准许风机继续工作。监控模组则具有记录设备发生故障事件的功能，将故障数据存储到大容量的存储芯片中，以方便于上位机读取。在该功能模块的主控CPU在接收到上位机命令时，并需要对命令进行分析，以便判断上位机命令的实际运行任务，在这里还包含了如下命令：对校准设备的参量指令：在出厂前，对传感器，以进行零点和增益的校正;对基本参数读取命令：读取当前监控模组的设置参数;故障历史数据读出命令：读取机组的历史故障数至上位机;门限设定命令：设定高振动的综合报警门限;正常传输震动数据包指令：发送经感应器检测的震动数据包至上位机，进行时间、频域解析。

3.3 上位机配置分析软件

该部分的软件系统功用主要是对监测系统模块和传感器进行初始化时间设定，并对监测数据进行了时间区域和频率区域的分类与存储。时域映射信息分析：通过计算并指示出现场测量点的三轴、两轴和单轴上的波浪状、辐值等，并设定了数据记录门限，在测量数据超过该门限时后自动保存为故障数据。为了更准确地结合风机中振荡信号的低频段分量特性，该分析软件系统采用了软件滤波方式，进而得到了在目标频率内的全时域分析信息波形。高频区域信息分析：通过对观测信息数据中的目标在高频范围内作FFT频率上的分解，获得频率图，有助于观测目标频率内的振荡特征。

根据测试结果显示，如果振动信号的强度二赫兹或者在cpu的倍频左右，则风力发电机组能够正常进行作业。因此，对监控模块进行设置时，可以将总带宽设置在一点五赫兹与三赫兹之间，这样，对风力发电机组中各轴流式的振动峰值是否在安全区域的检测更加准确，避免了出现高频率的干扰信号时，系统误报的情况。

结语

总而言之，本着分析了当前阶段风力发电机的现状与问题所在，并针对风力发电机振动采集分析与监控系统的震动传感器模块和监控模块进行了分析和研究，使系统能够完成对风力发电机振动信号采集分析与监控系统的基本功能，希望能为相关工作人员提供些许便利。

参考文献：

[1]龚敏明，王占国，郭宏榆.风力发电机组振动监控与分析系统的研究[J].今日科苑，2007：54.

[2]邵志伟.风力发电机状态监控与数据分析系统[D].华北电力大学（北京），2007.

[3]韩玉斌.基于STM32的振动信号采集系统研究与实现[D].东北石油大学，2020.

[4]李腾，吕跃刚.风力发电机组振动状态监测与故障诊断[J].科技风，2013（14）.

基金项目：辽宁省自然基金资助计划项目“大型风力机传动系统多故障耦合运行状态演化的研究”（2019-MS-176）

作者简介：谷泉（1984— ），女，汉族，辽宁沈阳人，博士，讲师，研究方向：振动噪声控制与分析、机械设备故障诊断技术。