選擇最佳的振動傳感器來進行風輪機狀態(tài)監(jiān)控

據(jù)保守估計，目前全球至少安裝了25萬臺風輪機。未來四年里，全球風輪機市場預計將增長278 GW的陸上容量、44.3 Gw的海上容 量。¹ 這相當于至少100,000臺3 MW的風輪機。隨著可再生能源呈現(xiàn)這種增長，加上國家電網(wǎng)的電力投入，風輪機(WT)裝置的可靠運行已成為工業(yè)和政府結(jié)構著重研究的課題。對WT可靠性的量化研究顯示，可靠性隨時間不斷提升。例如，2016年美國國家可再生能源實驗室報告2 顯示，在2007年至2013年間，包括變速箱在內(nèi)的大多數(shù)WT子系統(tǒng)的可靠性都得到了提高，變速箱停機時間縮短了7倍。但是，在2018年，變速箱仍然是三大常見故障點之一，且材料成本最高。^2,3 變速箱每次故障的平均成本最高，一次大型更換平均花費€230,000。⁴

變速箱組件的可靠性相對較差，因此需要重點對齒輪、軸承和軸實施狀態(tài)監(jiān)控。除了變速箱之外，轉(zhuǎn)子葉片和發(fā)電機是WT系統(tǒng)中 故障率最高的組件。^5,6 目前商用風輪機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有很多，其中大部分使用振動傳感器來實施變速箱分析。目前已經(jīng)有一些 商用的轉(zhuǎn)子葉片監(jiān)控系統(tǒng) ⁷ ，但這個領域尚待繼續(xù)研究。大量相關資料支持在風輪機中使用振動監(jiān)控系統(tǒng)，包括詳細調(diào)查和分 析各種系統(tǒng)的優(yōu)勢。⁸ 但很少有資料會介紹風輪機應用對振動傳感器的要求。本文從系統(tǒng)角度，提供關于風輪機組件、故障統(tǒng)計、 常見故障類型和故障數(shù)據(jù)收集方法等的見解。本文從WT組件上的常見故障入手，討論振動傳感器要求，例如帶寬、測量范圍和噪聲密度等。

系統(tǒng)組件、故障和傳感器要求

圖1和圖2顯示風輪機系統(tǒng)的主要組件，并提供風輪機變速箱的詳細結(jié)構。下面幾節(jié)將重點介紹變速箱、葉片和塔架對狀態(tài)監(jiān) 控的要求，重點介紹振動傳感器。對于其他系統(tǒng)，例如偏航驅(qū)動、機械剎車和發(fā)電機，我們一般不使用振動傳感器進行監(jiān)控，而是監(jiān)控扭矩、溫度、潤滑油參數(shù)和電信號。

圖1 風輪機系統(tǒng)組件

圖2 變速箱的結(jié)構

變速箱

風輪機變速箱將機械能從低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子輪轂傳輸?shù)礁咚侔l(fā)電機。同時，WT變速箱承受著不同風速帶來的交替載荷，以及頻 繁制動導致的瞬變脈沖。變速箱包括一個低速轉(zhuǎn)子軸和主軸承，在風力驅(qū)動轉(zhuǎn)子葉片時以0 rpm至20 rpm（不到0.3 Hz）的轉(zhuǎn)速運 行。要捕獲不斷增加的振動信號，需要振動傳感器使用直流電運行。行業(yè)認證指南特別指出，振動傳感器的性能需要達到0.1 Hz。⁹ 變速箱的高速軸通常以3200 rpm (53 Hz)的轉(zhuǎn)速運行。為了提供足夠帶寬來捕捉軸承和齒輪故障的諧波，推薦低速和高速軸振動傳感器的性能達到10 kHz及以上。⁹ 這是因為無論轉(zhuǎn)速多大，軸承諧振一般都在幾千赫范圍內(nèi)。¹⁰

到目前為止，軸承故障是引發(fā)變速箱故障的最大原因。一些研究表明，軸承故障是引發(fā)災難性齒輪故障的根本原因。 11 當高速軸上的后軸承失效時，高速軸發(fā)生傾斜，造成中間（中部）軸齒輪的傳輸不均。在這種情況下，齒輪的接觸齒極易發(fā)生故障，如圖3所示。

圖3 中軸齒輪斷齒

軸承潤滑（油）不足是導致主軸軸承故障的主要原因。可用的解決方案（例如SKF NoWear）包括特殊軸承涂層，¹² 可將缺油運行時間提高6倍以上。

即使采用特殊的軸承涂層和其他變速箱改進方法，我們?nèi)匀恍枰褂煤线m的振動傳感器來監(jiān)控變速箱的主要軸承和高速軸承。振 動傳感器的本底噪聲需要足夠低，以便能夠檢測到早期振動幅度（g范圍）較低的軸承故障。較老的MEMS技術，例如ADXL001 ，其本底噪聲為4 mg/√Hz，足以捕捉軸承外環(huán)的故障。¹³ 圖4顯示，外環(huán)故障先出現(xiàn)約0.055 g的頻率峰值，且軸承表現(xiàn)良好，從噪聲密度角度來看，本底噪聲低于2 mg/√Hz。參考的13數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的過程增益導致噪聲大幅降低，因此測量得出2 mg/√Hz本底噪聲。只有在DAQ 系統(tǒng)實現(xiàn)了足夠的過程增益，且噪聲為隨機的情況下，才適合使用本底噪聲為4 mg/√Hz的傳感器。一般情況下，最好使用本底噪聲 為100 μg/√Hz至200 μg/√Hz的振動傳感器，而不是基于過程增益，后者只有在噪聲為隨機且不相關的情況下適用。

本底噪聲在100 μg/√Hz至200 μg/√Hz之間的傳感器在捕捉正常的軸承運行狀況方面表現(xiàn)出色，在捕捉mg/√Hz范圍內(nèi)的早期故障時則 表現(xiàn)卓異。事實上，使用本底噪聲為100 μg/√Hz的MEMS傳感器甚至能夠更早檢測出軸承故障。

圖4 使用MEMS加速度計ADXL001測量軸承外環(huán)的故障

在不到0.1 g時，顯示初始軸承損壞，而在達到1 g時，通常表示深度 軸承損壞，這會觸發(fā)維護。 ¹⁴ 圖5顯示，當振動幅值超過6 g時，需維護變速箱和更換軸承。如前所述，軸承故障頻率會在更高頻率下 發(fā)生。在更高頻率下實施測量需要使用g范圍規(guī)格更大的傳感器。這是因為測得的加速度重力值與頻率成比例。因此，與在低頻率下 相比，在更高頻率下，相同的少量故障位移會導致更高的重力范圍。一般指定在50 g至200 g時使用測量范圍高達10 kHz、更高帶寬的傳感 器，尤其指定適用于風輪機應用.由于結(jié)構沖擊或突然的機械斷裂，振動傳感器也需要涵蓋沖擊載荷工況。因此，一般將典型的商用振動監(jiān)控系統(tǒng)的滿量程定為至少為50 g至100 g。

圖5 振動幅度為6 g時的軸承位移

對于風輪機主軸承，要求至少使用一個單軸振動傳感器，推薦使用兩個，并在軸向和徑向上測量。 ⁹ 軸承環(huán)上的軸向開裂可能使軸 承壽命縮短至僅一到兩年。¹⁵

由于變速箱本身很復雜，如圖2所示，所以建議使用至少6個振動傳感器來實施狀態(tài)監(jiān)控。 ⁹ 在選擇傳感器的數(shù)量和位置時，應確保能夠可靠測量所有齒輪嚙合和缺陷/轉(zhuǎn)動頻率。監(jiān)控變速箱的 低速級時，需要使用一個單軸傳感器，放置在盡可能靠近環(huán)形齒輪的位置。監(jiān)控變速箱的中間和高速級時，需要在中心齒輪、 中間軸和高速軸位置使用一個單軸傳感器。高速和中速軸承內(nèi)環(huán)的軸向開裂已成為影響風輪機變速箱壽命的主要原因。¹⁵

對于變速箱監(jiān)控，未來要改善的狀態(tài)監(jiān)控領域包括無線振動監(jiān)控系統(tǒng)的采用，但持續(xù)研究才能持續(xù)為這些解決方案提供支持。⁸

轉(zhuǎn)子葉片

風輪機的轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組件在低速下捕捉風并傳輸扭矩。導致葉片故障的主要原因包括極端風荷載、結(jié)冰或雷電等環(huán)境 影響，以及不平衡。這些因素導致斷裂和邊緣開裂，以及徑節(jié)系統(tǒng)故障。目前只有少量商用振動監(jiān)控系統(tǒng)，可以分布在葉片外部和內(nèi)部。 8 已經(jīng)使用MEMS振動傳感器在葉片上開展大量學術研究，比如Cooperman和Martinez的工作， 16 其中還包括陀螺儀和磁力儀。我們使用這些傳感器的聯(lián)合輸出來確定風輪機葉片的方向和變形。相比之下，很少有商用振動監(jiān)控系 Weidmuller BLADEcontrol^?,¹⁷  ，它使用每個轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)的振動傳感器來測量每個葉片的自動振動行為的變化。BL ADEcontrol系統(tǒng)主要用于檢測引起渦輪過度振動的轉(zhuǎn)子葉片上的極端結(jié)冰狀況。

一般來說，大型風輪機葉片（即直徑40米以上的葉片）的首級固有頻率在0.5 Hz至15 Hz之間。 ¹⁸ 對渦輪葉片 ¹⁸ 上的無線振動監(jiān)控系統(tǒng)的可行性研究顯示，因振動激勵導致的葉片頻率響應遠高于基頻。其他研究 ¹⁹ 表明，由葉片邊緣變形引起的葉片頻率與葉片扭轉(zhuǎn)變形引起的葉片頻率之間有顯著差異。葉片邊緣變形的固有頻率在0.5 Hz至30 Hz之間，葉片扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率高達700 Hz。用振動傳感器測量基頻以外的頻率需要更大的帶寬。DNVGL狀態(tài)監(jiān)控規(guī)范認證9建議對轉(zhuǎn)子葉片使用振動傳感器，它能夠測量0.1 Hz至≥10 kHz的頻率范圍，其中一個傳感器放在轉(zhuǎn)子軸上，另一個放在橫向方向上。振動傳感器在轉(zhuǎn)子葉片上可以實現(xiàn)高頻率測量范圍，它也必須具備至少50 g的大幅度測量范圍，與變速箱軸承的要求類似。

帶風機的塔

風輪機塔為風機外殼和轉(zhuǎn)子葉片總成提供結(jié)構支撐。塔身會遭受沖擊損壞，導致塔出現(xiàn)傾斜。塔傾斜之后，葉片與風向之間無法保持最佳角度。測量傾斜度需要使用操作功率可以低至0 Hz的傳感器，如此在零風條件下，也可以檢測到傾斜。

基座部分的結(jié)構破壞會導致塔搖晃。塔搖晃監(jiān)控集成在一些渦輪狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，與變速箱振動監(jiān)控相比，可以商用的選項并不多。 ⁸ Scaime狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) ²⁰ 使用加速度計、位移傳感器、應變傳感器和溫度傳感器來監(jiān)控葉片、塔和基座的狀況。根據(jù)DNVGL規(guī)范，Scaime加速度計的滿量程范圍為±2 g， 20 監(jiān)控頻率范圍為0.1 Hz至100 Hz。 9如前所述，在靜態(tài)條件下（無風力），當塔架結(jié)構發(fā)生故障導致傾斜時，頻率的最低限值降低至0 Hz。要實施傾斜測量，需要使用具有良好的直流穩(wěn)定性能的傳感器。MEMS傳感器，例如ADXL355采 用氣密封裝，可以實現(xiàn)行業(yè)領先的0 g失調(diào)穩(wěn)定性。

研究 ²¹ 證實，最小±2 g范圍的振動傳感器足以對塔實施監(jiān)控。在正常運行模式下，25 mps的最大風速可產(chǎn)生小于1 g的加速度重力電平。事實上，在"基于現(xiàn)場測量和有限元分析的風輪機塔基礎系統(tǒng)可識別應力狀態(tài)" ²¹ 研究中，額定風速為2 mps到25 mps，風輪機會在風速為25 mps時關斷（停用）。

總結(jié)

表1基于風輪機應用需求提供振動傳感器的需求摘要。DNVGL狀態(tài)監(jiān)控規(guī)范認證中給出了傳感器的數(shù)量、測量方向和頻率范圍。 ⁹ 如 前所述，0 Hz性能對于監(jiān)控塔架的結(jié)構問題非常重要。表1還根據(jù)本文提供的現(xiàn)場研究和測量總結(jié)了合適的幅度范圍和噪聲密度。

故障數(shù)據(jù)收集方法

所有大規(guī)模實體WT都有標準的監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，主要用于實施參數(shù)監(jiān)控。監(jiān)控參數(shù)的示例包括變速箱軸承溫度和潤滑、主動功率輸出和相電流。一些參考資料 ⁶ 討論使用SCADA數(shù)據(jù)進行風輪機狀態(tài)監(jiān)控，以檢測趨勢。英國杜倫大學的一項調(diào)查 7 列出了多達10個商用狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以適配并與使用標準協(xié)議的現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)完全集成。GE Energy ADAPT.Wind就是這樣一個示例。 ²² 對未來技術趨勢的廣泛調(diào)查 7 顯示，在風輪機上安裝振動監(jiān)控系統(tǒng)是一個明顯的傾向。

用于風輪機狀態(tài)監(jiān)控的合適的振動傳感器

在等于或低于0.3 Hz時，壓電振動技術難以或無法捕獲振動特征。這意味著無法對低速WT部件，例如轉(zhuǎn)子葉片、主軸承、低速變速箱，塔等實施正常監(jiān)控?；贛EMS的傳感器的性能可以低至0 Hz，可以捕捉所有主要風輪機組件中的關鍵故障。這為客戶提供了用 于WT的單一振動傳感器解決方案，僅使用MEMS來測量從0 Hz到高達10 kHz及以上的故障。

除了能夠捕捉所有關鍵故障之外，MEMS還具有以下優(yōu)點：

●   寬重力測量范圍和超低的μg/√Hz噪聲密度，可以輕松滿足表1中給出的要求。

●   MEMS具有內(nèi)置自測(BIST)功能。系統(tǒng)操作員無需訪問WT來測試/確保傳感器正確運行，可以節(jié)約成本。相比之下，壓電技術不具備BIST功能。

●   與基于壓電的解決方案相比，MEMS接口在數(shù)據(jù)接口和電源供應方面更加靈活。在將高阻抗壓電傳感器輸出解譯到長電纜 時，可用的選項有限。最常采用的是雙線IEPE接口，使用第二根接地線通過共享電源/數(shù)據(jù)線為壓電傳感器供電。IEPE使用與壓電解決方案匹配的放大器來提供低阻抗電纜驅(qū)動解決方案。IEPE接口解決方案可以使用MEMS傳感器，但MEMS傳感器也能與使用現(xiàn)場總線（RS-485、CAN）或基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡操作的現(xiàn)有系統(tǒng)輕松集成。這是因為MEMS傳感器可以提供模擬輸出或數(shù)字輸出（SPI、IC），并輕松傳輸至其他協(xié)議。

●   環(huán)保性能：WT通常在-40?C到+55?C的溫度下運行，而MEMS器件很容易滿足這一要求。

與基于壓電的傳感器相比，MEMS在長時間使用時具有更好的靈敏度和線性度。ADI加速度計的非線性程度很低，通常可以      忽略不計。例如， ADXL1001 MEMS加速度計在滿量程范圍內(nèi)具有小于0.025%的典型非線性規(guī)格。相比之下，對基于壓電傳感器的標準化測量的學術研究顯示，非線性度為0.5%或更低。23

如今可用的基于MEMS的振動傳感器和解決方案

傳感器

使用 ADXL1002、 ADXL1003、 ADXL1005、 和 ADcmXL3021 MEMS傳感器（如圖2 所示）可以輕松滿足風輪機應用的振動監(jiān)控對帶寬、范圍和噪 聲密度的要求。 ADXL355 和 ADXL357 也適合用于實施風輪機塔監(jiān)控， 具有較低的帶寬和范圍測量性能。ADXL355/ADXL357具有良好的直流穩(wěn)定性，這對于測量風輪機塔的傾斜度非常重要。ADXL355/ ADXL357的氣密封裝保證了良好的長期穩(wěn)定性。在10年使用壽命中，ADXL355的重復性在±3.5 mg以內(nèi)，為傾斜測量提供了高度精準的 傳感器。

風輪機狀態(tài)監(jiān)控解決方案

無線

ADI提供一套完整的驗證參考設計、評估系統(tǒng)和即插即用機器健康傳感器模塊，以加速客戶的設計進度。圖6顯示ADI無線振動監(jiān)控評估平臺。 該系統(tǒng)解決方案整合了機械附件、硬件、固件和PC軟件，可以快速部署和評估單軸振動監(jiān)測解決方案。該模塊可以通過磁性方式或螺柱直接連接到電機或固定裝置。作為基于狀態(tài)的監(jiān)控(CbM)系統(tǒng)的一部分，它也可以與同一無線Mesh網(wǎng)絡上的其他模塊組合使用，以提供具有多個傳感器節(jié)點的范圍更廣的圖像。

圖6 無線振動監(jiān)控評估平臺

CbM硬件信號鏈包含一個安裝在模塊底座上的單軸ADXL1002加 速度計。將ADXL1002的輸出讀入 ADuCM4050低功耗微控制器，并在此對其進行緩沖，轉(zhuǎn)換至頻域并傳輸至SmartMesh^? IP終端。將ADXL1002的輸出從SmartMesh芯片無線傳輸?shù)絊martMesh IP管理器。管理器連接到PC，可以進行可視化處理和數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)顯示為原始時域數(shù)據(jù)和FFT數(shù)據(jù)。還提供了有關時間匯總數(shù)據(jù)的其他摘要統(tǒng)計信息。提供了PC端GUI的完整Python^?代碼以及部署于模塊上的C語言固件，以便客戶修改。

有線

ADI的 Pioneer 1有線CbM評估平臺 為 ADcmXL3021 三軸振動傳感器提 供工業(yè)有線鏈接解決方案。CbM硬件信號鏈由三軸ADcmXL3021加速度計和Hirose flex PCB連接器組成。帶有SPI和中斷輸出的ADcmXL3021 Hirose連接器與接口PCB相連，通過數(shù)米長的電纜將發(fā)送至RS-485物理層的SPI轉(zhuǎn)化發(fā)送至遠程主控制器板。SPI到RS-485 物理層的轉(zhuǎn)換可以使用隔離或非隔離的接口PCB實現(xiàn)，其中包括 iCoupler^? 隔離 (ADuM5401/ADuM110N)和RS-485/RS-422收發(fā)器(ADM4168E/ADM3066E)。該解決方案通過一根標準電纜將電能和數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，從而降低了遠程MEMS傳感器節(jié)點的電纜和連接器成本。專用軟件GUI可以簡單配置ADcmXL3021器件，并在長電纜上捕捉振動數(shù)據(jù)。GUI軟件將數(shù)據(jù)可視化顯示為原始時間域或FFT波形。

圖7 有線振動監(jiān)控評估平臺

結(jié)論

本文證明基于MEMS的傳感器可以測量風輪機的關鍵系統(tǒng)中的所有關鍵故障。MEMS傳感器的帶寬、測量范圍、直流穩(wěn)定性和噪聲 密度均妥善指定，在風輪機應用中具有出色性能。

MEMS內(nèi)置自測(BIST)、靈活的模擬/數(shù)字接口，以及長時間使用過程中的出色的靈敏度/線性度，這是MEMS傳感器成為最佳風輪機 狀態(tài)監(jiān)控解決方案的另外一些原因。基于振動檢測早期故障的維護系統(tǒng)是一項現(xiàn)代技術，可以防止整個風輪機出現(xiàn)成本高昂的停機。

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作者

Richard Anslow

Richard Anslow畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學，獲工程學士和碩士學位。他從事新產(chǎn)品定義工作，并且擔任面向客戶的角色，處理有關ADI隔離式通信產(chǎn)品系列的問題。

Dara O’Sullivan

Dara O'Sullivan是ADI公司自動化、能源與傳感器業(yè)務部電機和電源控制團隊(MPC)的高級系統(tǒng)應用工程師。其專長領域是交流電機控制應用的功率轉(zhuǎn)換和控制。Dara擁有愛爾蘭科克大學工程學士、工程碩士和博士學位。自2001年起，Dara便從事研究、咨詢和工業(yè)領域的工業(yè)與可再生能源應用方面的工作。