壓電傳感器在風(fēng)電發(fā)電機振動測試中的應(yīng)用研究
2025-07-30
作者：錢顯毅，陳鵬飛
（常州工學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院）
【摘 要】風(fēng)力發(fā)電機組一般安裝在海邊、山頭、沙漠等風(fēng)力比較集中區(qū)域，因此風(fēng)力發(fā)電機組往往所處地區(qū)自然條件復(fù)雜，受到外部風(fēng)雨的影響會產(chǎn)生激勵振動，同時，風(fēng)力發(fā)電機組由于本身電機轉(zhuǎn)動也會產(chǎn)生振動，還有固有振動，這些振動，影響風(fēng)力發(fā)電機的安全運行。因此，對風(fēng)力發(fā)電機組運行時的振動狀態(tài)進行監(jiān)控，十分重要。文章重點對對風(fēng)力發(fā)電機電機振動進行研究，然后對風(fēng)力發(fā)電機振動主要相關(guān)部分進行分析，如葉片、偏航系統(tǒng)振動進行分析。根據(jù)分析結(jié)果，布置用于監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機振動的壓電傳感器，針對壓電傳感器檢測結(jié)果，設(shè)計出減振系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；電機振動；壓電傳感器；減振系統(tǒng)
1 風(fēng)能的形成
在地球表面，由于太陽光照射的緯度和位置不同，地球表面不同位置受到陽光輻射而接收的能量不同，因而產(chǎn)生溫差，溫度高的地方的空氣上升向高空流動，溫度低的地方的空氣流過來補充，形成了風(fēng)，風(fēng)能是空氣流動時的動能?？諝饬鲃拥迷娇?，風(fēng)能就越大，風(fēng)能是一種沒有污染可再生能源，是一種太陽能轉(zhuǎn)化而來的二次能源，比太陽能集中度高，易于應(yīng)用。其轉(zhuǎn)化方式目前主要是利用風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電；也可以用來作為其它形式的動力，如用風(fēng)能抽水等。
但是利用風(fēng)能發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電時會產(chǎn)生振動和噪聲，而振動和噪聲會對周圍環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機組的振動測試，研究消除風(fēng)力發(fā)電機組的振動，對保護環(huán)境和維持發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)電，延長發(fā)電機組壽命有重要意義。
2 風(fēng)力及其應(yīng)用歷史
利用風(fēng)能為人類的生活、生產(chǎn)服務(wù)已經(jīng)有數(shù)千年的歷史，在歐洲，使用風(fēng)能較早和比較成熟的國家是荷蘭、丹麥，并且荷蘭、丹麥一直在風(fēng)力應(yīng)用方面，處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位。
中國應(yīng)用風(fēng)能的歷史優(yōu)久，古代對風(fēng)能的應(yīng)用很廣泛，并且有利用人造風(fēng)和自然風(fēng)。
人造風(fēng)方面，我國在古代有風(fēng)箱、風(fēng)簾、風(fēng)車，在上世紀(jì)70年代，中國農(nóng)村燒煤，燒柴做飯還使用風(fēng)箱。自然風(fēng)方面，我國有風(fēng)帆船、風(fēng)力磨面、風(fēng)力抽水等。中國是世界上最早使用風(fēng)作為動力船的國家，也是最先進的風(fēng)帆船制造國，唐代詩人李白“乘風(fēng)破浪會有時，直掛云帆濟滄海”，鄭和下西洋，制造了當(dāng)時世界上最先進的風(fēng)帆船。
在中國廣大的沿海地區(qū)，很早以前就利用風(fēng)能作為動力，提水灌溉農(nóng)田，用風(fēng)力提取海水制鹽。
上世紀(jì)70年代，中國在新疆、內(nèi)蒙的風(fēng)口地區(qū)和山東、浙江、廣東、福建的海島上建設(shè)了8個風(fēng)力發(fā)電示范基地，推動了中國風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展，目前中國已經(jīng)成為世界上利用風(fēng)能發(fā)電最多的國家，預(yù)計到2020年底中國風(fēng)力功率將達到12000萬kw，到2050年底中國風(fēng)力功率將達到50000萬kw。
3 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與原理
風(fēng)力發(fā)電機組中的風(fēng)力機主要分為水平軸和垂直軸風(fēng)力機，現(xiàn)在主要討論水平軸風(fēng)力發(fā)電機，水平軸風(fēng)力發(fā)電機又分為上風(fēng)風(fēng)機和下風(fēng)風(fēng)機，目前風(fēng)力發(fā)電主要采用上風(fēng)風(fēng)機，風(fēng)力發(fā)電機組主要器件有五個部分。①風(fēng)車部分：葉輪、剎車機構(gòu)、變槳裝置和輪毅；②支撐部分：轉(zhuǎn)子軸承、主軸承、聯(lián)軸器、變速箱（齒輪箱）、聯(lián)軸器；③風(fēng)向控制：偏航系統(tǒng)；④塔架和基礎(chǔ)；⑤發(fā)電機、電力輸出控制系統(tǒng)及并網(wǎng)系統(tǒng)?，F(xiàn)在介紹主要器件的主要作用。圖1是風(fēng)力發(fā)電機組工作原理示意圖。
風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)流動的動能，通過風(fēng)力機的葉片，將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的動能，通過風(fēng)力機的轉(zhuǎn)軸經(jīng)由變速箱（齒輪箱），傳遞給發(fā)電機發(fā)電。
但是，風(fēng)力發(fā)電隨著風(fēng)速和風(fēng)向的變化，發(fā)電極不穩(wěn)定，并且產(chǎn)生振動，造成故障而停機，因此，檢測并監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機組及為重要，這里主要研究風(fēng)力發(fā)電機電機振動的測試方法及控制技術(shù)。
4 風(fēng)力發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)
1.風(fēng)力發(fā)電機組各部分產(chǎn)生故障的概率
新的風(fēng)力發(fā)電機組一般故障較少，隨著使用時間的延長，故障也就越來越多，因此，分析風(fēng)力發(fā)電機組各部分發(fā)生故障的概率，對風(fēng)力發(fā)電很重要。下表1是某風(fēng)力發(fā)電機組各部分發(fā)生故障統(tǒng)計表。
2.風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機振動監(jiān)測
針對上述風(fēng)力發(fā)電機組出現(xiàn)故障的統(tǒng)計，實施風(fēng) 力發(fā)電機組振動狀態(tài)的監(jiān)控顯得十分重要，風(fēng)力發(fā)電機組振動狀態(tài)的監(jiān)控，主要是對風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)振動信號進行在線實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常，實時處理。這里研究基于壓電式傳感器對風(fēng)力發(fā)電機組電機振動狀態(tài)實時檢測，然后根據(jù)是檢測信號，反饋給消除或減少風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機的振動。
3.風(fēng)力發(fā)電機組的振動監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成和原理
風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)生的振動由很多原因造成，主要有3個方面原因造成振動。①風(fēng)振：風(fēng)力機的葉片、葉輪、齒輪箱、主軸、電機、塔架等在風(fēng)力的作用下，都會產(chǎn)生振動；②固有振動：各部件的固有振動；③共振：外界振動和部件固有振動頻率相同或接近時，所形成的共振。振動監(jiān)測的目的，就是將這些振動檢測并記錄下來，并在超過限值時，發(fā)出報警，通過人工或者自身減振系統(tǒng)減小振動。
風(fēng)力發(fā)電機電機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由5個部分構(gòu)成，分別是：①信號檢測傳感器；②數(shù)據(jù)采集模塊；③工控主機模塊；④記錄、顯示、打印模塊；⑤電源模塊。圖2是風(fēng)力發(fā)電機電機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖。其各部分的作用，這里不作介紹。
5 風(fēng)力發(fā)電機電機故障診斷方法
1.風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)振動監(jiān)測點
在檢測風(fēng)力發(fā)電機機組振動時，主要監(jiān)測點要分布風(fēng)力發(fā)電機主軸附近，盡量靠近主軸的承載區(qū)域，選擇的測量點必須有一定的強度，并且振動衰減少，信號強、容易檢測到測量點。
對于風(fēng)力發(fā)電機組，檢測振動時，采用壓電式傳感器，在檢測時，一般采用水平、垂直、軸向三個方向進行，以確保測量結(jié)果的有效性和可靠性。圖3風(fēng)力發(fā)電機電機振動在線監(jiān)測分布示意圖。
隨著我國對海洋的開發(fā)和利用，海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備將進行批量化生產(chǎn)、安裝和使用，海上風(fēng)電設(shè)備的防振減振更為重要，因為整套風(fēng)電設(shè)備會隨著海浪一起振動。中國為了促進南海及南海周邊的和平，建設(shè)南海風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)十分重要。由于每天經(jīng)過南海的國際船只高達7000多艘，中國也應(yīng)加快南海國際船舶服務(wù)站建設(shè)，為過往的國際船只提供加油、加水、為船員提供休息、就餐、娛樂等服務(wù)，國際船舶服務(wù)站也要建設(shè)自身的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。
風(fēng)力發(fā)電機組的振動狀態(tài)，直接影響了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電質(zhì)量和電量的輸出，因此，監(jiān)測風(fēng)電設(shè)備的振動，十分重要。
2.風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)振動診斷方法
隨著網(wǎng)絡(luò)科技和通信技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)可以將風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)測到的振動信息實時傳送到風(fēng)力發(fā)電機的監(jiān)控中心，利用計算機將監(jiān)測到的信息進行儲存、分析、處理。風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)振動診斷方法是：①時域分析法；②頻譜分析法；③時頻分析法。目前在這3種方法中，首先時頻分析法，這種分析方法，兼顧頻域和時域全貌，又能顧及局部特性，能準(zhǔn)確、高效地分析風(fēng)力發(fā)電的振動特性。常用有小波分析、短時傅里葉變換、時頻分析等方法。
6 結(jié)論
風(fēng)力發(fā)電電機的振動監(jiān)測系統(tǒng)，可以以電機振動為主，風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機整機、葉片、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、主軸承的振動為輔進行檢測，監(jiān)控效果好，能實時傳輸，提高了風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電質(zhì)量和總發(fā)電量，可作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參考。
參考文獻:
【1】任麗娜，楊歡歡，劉爽爽，劉福才．風(fēng)力機傳動鏈扭轉(zhuǎn)振動無源控制［J］．太陽能學(xué)報，2015（8）
【2】趙斌，馬飛，陳建兵．風(fēng)力發(fā)電塔系統(tǒng)TMD控制振動臺試驗研究［J］．土木工程學(xué)報，2015（8）
【3】王瑞闖，林富洪．風(fēng)力發(fā)電機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究［J］．華東電力，2009（1）
【4】柯世堂，王同光，趙林，葛耀君．風(fēng)力機風(fēng)振背景－共振響應(yīng)特性及耦合項分析［J］．中國電機工程學(xué)報，2013（9）
【5】錢顯毅，沈明輝．風(fēng)能及太陽能發(fā)電技術(shù)［M］．北京：北京交通大學(xué)出版社，2013
【6】錢愛玲，錢顯毅．風(fēng)光發(fā)電技術(shù)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2015
【7】錢顯毅，錢顯忠．新能源與發(fā)電技術(shù)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2015
來源：《科技創(chuàng)業(yè)月刊》
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