兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)檢測與保護(hù)實(shí)現(xiàn)

楊鶴立

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是剛?cè)峤M合的多體系統(tǒng)，隨著風(fēng)力機(jī)組額定功率的增加，葉片的剛度越來越小，對(duì)其控制精度的要求也更高。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)作用下繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，作用在風(fēng)力機(jī)上的空氣動(dòng)力、慣性力和彈性力等交變載荷，使得葉片產(chǎn)生變形導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與分布質(zhì)量發(fā)生改變，系統(tǒng)產(chǎn)生變形或振動(dòng)，影響風(fēng)力機(jī)的正常生產(chǎn)運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備事故。因此設(shè)計(jì)階段應(yīng)分析可能的諧振問題和引起諧振的運(yùn)行區(qū)域，風(fēng)輪、塔架、機(jī)械傳動(dòng)鏈的固有頻率不能太接近，同時(shí)它們和激勵(lì)源的頻率也不可太接近，從而規(guī)避振動(dòng)現(xiàn)象。大型變速機(jī)組的振動(dòng)問題主要集中在4個(gè)方面:①風(fēng)輪的氣動(dòng)效應(yīng)。②受到氣動(dòng)效應(yīng)和電氣特性的激勵(lì)引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的扭曲振動(dòng)。③偏航運(yùn)動(dòng)引起的滑移振動(dòng)。④風(fēng)輪-塔架耦合的整機(jī)振動(dòng)。這幾個(gè)振動(dòng)源會(huì)相互影響相互作用，我們可以把四大振源簡化成一個(gè)振動(dòng)復(fù)擺模型來分析[1-2]。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)數(shù)學(xué)模型及振動(dòng)表現(xiàn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)方式類似于物理中復(fù)擺的形式，復(fù)擺是剛體(機(jī)艙)繞固定的水平軸(塔筒)在重力的作用下作微小擺動(dòng)的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)體系。擺動(dòng)過程中機(jī)艙受到重力和傳動(dòng)鏈的回傳慣量的反作用力，而回傳慣量的力矩起著回復(fù)力矩的作用；如此反復(fù)動(dòng)作構(gòu)成了機(jī)艙在一定頻率下的振動(dòng)。機(jī)組的振動(dòng)主要還是受到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr的影響。

(1)

式中Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Tr為風(fēng)輪吸收的動(dòng)力矩，Td為傳動(dòng)鏈阻力矩，v為齒輪箱傳動(dòng)比倒數(shù)，Tm為高速軸力矩。由式(1)低速軸傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)方程可以看出，風(fēng)輪吸收的轉(zhuǎn)矩、齒輪箱齒數(shù)比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、高速軸發(fā)電機(jī)力矩都是影響風(fēng)機(jī)振動(dòng)的因素。其主要表現(xiàn)形式分為[3]：

1)在傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩Tm、阻力矩Td所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)：傳動(dòng)鏈一般包括主軸、主軸軸承、主軸軸承座、齒輪箱、齒輪箱支撐座、聯(lián)軸器和高速軸制動(dòng)器等部件，長時(shí)間的頻繁振動(dòng)將帶來低、高速軸軸承滾動(dòng)面的磨損，滾珠變形；振動(dòng)也帶來齒輪箱內(nèi)部齒間嚙合不到位產(chǎn)生打齒及磨齒現(xiàn)象，造成齒輪箱傳動(dòng)失效。

2)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Ω周期性運(yùn)動(dòng)引起的塔架-風(fēng)輪振動(dòng)耦合使得塔筒與葉輪產(chǎn)生共振，塔筒螺栓承受振動(dòng)力方向上的疲勞載荷；小風(fēng)情況下轉(zhuǎn)速不能快速提升，共振持續(xù)作用在塔筒鏈接螺栓的螺桿面上將會(huì)造成螺栓斷裂，嚴(yán)重的會(huì)造成倒塔事故。

3)Td所對(duì)應(yīng)的偏航振動(dòng)：機(jī)組在對(duì)風(fēng)過程中執(zhí)行偏航動(dòng)作，偏航制動(dòng)力產(chǎn)生與傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩相反的偏航阻力矩，超標(biāo)的偏航振動(dòng)值將加速偏航軸承的磨損。偏航傳動(dòng)齒之間的嚙合在劇烈振動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生鐵屑，長時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致偏航傳動(dòng)失效。

4)Td所對(duì)應(yīng)的葉片振動(dòng)： 葉輪葉片在空氣中的湍流作用，導(dǎo)致每只葉片受力不均；葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中所承受的升阻比達(dá)不到設(shè)定值，引起葉片的擺振。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成葉片連接螺栓的斷裂。

由此可以得出：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)無法有效控制將會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生安全事故。即要確保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全又要使得機(jī)組能穩(wěn)定發(fā)電，那么機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測、采集、分析環(huán)節(jié)及監(jiān)控保護(hù)動(dòng)作邏輯將必不可少。故傳感器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與振動(dòng)的安全保護(hù)顯得尤為重要。

2 振動(dòng)傳感器工作原理及軟硬件構(gòu)成

2.1 傳感器工作原理介紹

振動(dòng)傳感器采用三維加速度傳感器，數(shù)據(jù)處理采用DSP，監(jiān)控保護(hù)采用巴赫曼PLC MX312加看門狗電路，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感器在232通信傳輸與看門狗通路的雙回路監(jiān)控保護(hù)。由于振動(dòng)類似于擺振，故選取傳感器的數(shù)據(jù)采集物理量為振動(dòng)加速度a，采用壓電式傳感器采集。由沖量公式可知加速度a受到風(fēng)機(jī)吸收的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr包含了機(jī)組的的四大主要振動(dòng)源，因而選取線性變量加速度a作為測量值是滿足監(jiān)控保護(hù)要求的；通過檢測到的a值反應(yīng)出機(jī)組的振動(dòng)頻率f，當(dāng)f超過門限值主控采取保護(hù)動(dòng)作[4]。

2.2 振動(dòng)傳感器主要硬件結(jié)構(gòu)

1)MEMS加速度傳感器：由多晶硅和差動(dòng)電容組成，多晶硅又指壓電晶體。晶體厚度受到加速度沖量作用產(chǎn)生變化，輸出電壓相應(yīng)變化，a與輸出電壓v成正比。在此測量電路為4路輸入，可任意分配給內(nèi)部傳感器及外部傳感器，實(shí)現(xiàn)三維空間0°～360°X，Y，Z三坐標(biāo)范圍的振動(dòng)測量。因?yàn)樗械恼駝?dòng)可以在矢量上合計(jì)簡化為一個(gè)單擺模型，為此只需要選取一個(gè)振動(dòng)檢測傳感器安裝在傳動(dòng)鏈齒輪箱彈性支撐架上便可實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組在三維空間上各方向任意振源的疊加檢測。

2)濾波及測量電路：考慮到不同的振源產(chǎn)生的不同振動(dòng)頻率及方向，選取3個(gè)Main濾波器分配給3路加速度傳感器通道及其組合，實(shí)現(xiàn)X，Y，Z三維空間范圍內(nèi)振動(dòng)信號(hào)濾波。這里采用IIR高通濾波器與II低通濾波器的組合形成帶通濾波，其截止頻率0～35 Hz可配置。監(jiān)測量程0～40 m/s2可配置，測量取有效值、峰值或峰峰值。

3)DSP處理單元：DSP處理器采用TI公司的2812型處理器。主要由控制單元和信號(hào)輸入輸出單元組成。

4)看門狗回路：選擇小型功率繼電器與處理器之間加裝三極管組成。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)處理器輸出為零三極管導(dǎo)通截止，看門狗回路輸出為零；主控接收低電平信號(hào)輸出報(bào)警啟動(dòng)保護(hù)，看門狗電路中斷屬于緊急制動(dòng)停機(jī)狀態(tài)，處于最高一級(jí)報(bào)警；主要監(jiān)控在頻域振動(dòng)超限信號(hào)，對(duì)應(yīng)信號(hào)時(shí)間極短。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包括：①傳感器自檢模塊，實(shí)現(xiàn)上電初始化自檢及數(shù)據(jù)監(jiān)控。②DSP數(shù)據(jù)處理模塊，包含A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和門限值判斷。③看門狗輸出模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)警的制動(dòng)控制。④通信模塊，完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、振動(dòng)報(bào)警數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)顯示。

圖1 振動(dòng)檢測模塊的主程序流程圖

圖1是檢測器件軟件控制邏輯，系統(tǒng)上電先完成各硬件電路的初始化，存儲(chǔ)器清零及系統(tǒng)自檢。經(jīng)過加速度傳感器的數(shù)據(jù)輸出，完成不可濾波干擾信號(hào)的辨別，遇到干擾則重新采集信號(hào)；無干擾則進(jìn)入加速度電信號(hào)的帶通濾波處理，之后完成A/D轉(zhuǎn)換，并由CPU判斷加速信號(hào)是否達(dá)到振動(dòng)門限；超過門限則由看門狗硬保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)動(dòng)作。未達(dá)到則通過RS232傳遞信號(hào)至主控PLC，由PLC判斷是否執(zhí)行停機(jī)命令或采取振動(dòng)規(guī)避動(dòng)作；同時(shí)檢測信號(hào)進(jìn)入循環(huán)測量狀態(tài)對(duì)機(jī)組振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測。

3 機(jī)組振保護(hù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

PLC主控也可以通過所接收到的振動(dòng)幅值和加速度值作用時(shí)間來判斷是否需要執(zhí)行停機(jī)保護(hù)制動(dòng)或振動(dòng)規(guī)避動(dòng)作。機(jī)組出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作的觸發(fā)條件為：看門狗回路中斷或振動(dòng)通信發(fā)送設(shè)定的停機(jī)門限值[7]。

1)看門狗中斷：看門狗回路的輸入由DSP處理器內(nèi)部繼電器輸出電路決定。當(dāng)DPS在設(shè)定的極短時(shí)間內(nèi)讀取到到振動(dòng)檢測值大于預(yù)警值，立即啟動(dòng)內(nèi)部繼電器輸出電路斷開；主控單元24 V輸入電壓信號(hào)消失，觸發(fā)緊急停機(jī)保護(hù)命令。此項(xiàng)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間極短，時(shí)間上不連續(xù)，主要是在頻域下進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析。

2)振動(dòng)通信發(fā)送停機(jī)門限值：信號(hào)作用時(shí)間長且持續(xù)，振動(dòng)傳感器在連續(xù)時(shí)間內(nèi)輸出的振動(dòng)信號(hào)達(dá)到了門限值，由PLC根據(jù)設(shè)定的算法采取相應(yīng)的命令。除停機(jī)以外的其他規(guī)避執(zhí)行主要分為3類：①通過控制算法的優(yōu)化避開振動(dòng)頻率帶，如優(yōu)化驅(qū)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)矩阻尼。②機(jī)組的扇區(qū)管理。③葉片角度的調(diào)節(jié)降低不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4 結(jié)語

本文從風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)原因闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的力學(xué)振動(dòng)模型，歸納分析了風(fēng)機(jī)的主要四大振動(dòng)源；揭示了振動(dòng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行所帶來的危害及振動(dòng)監(jiān)控保護(hù)的必要性。同時(shí)基于DSP處理器設(shè)計(jì)了振動(dòng)檢測傳感器；分析并設(shè)計(jì)振動(dòng)監(jiān)控保護(hù)模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。隨著新技術(shù)的發(fā)展和新算法(如人工智能)的開發(fā)，后續(xù)必將出現(xiàn)更加精準(zhǔn)的檢測器件和更加合理的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)以確保風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。