风力发电机故障监测系统数据采集单元的设计

赵慧娴

摘要：風力发电机组是风力发电的重要设备，大型风力发电机组大多分布在边远地区，发生故障时很难被及时发现并加以处理。风力发电机的大部分故障可以通过振动、转速等参数的变化反映出来，那么针对这些参数的变化设计监测系统就可以实现对风力发电机组的主要常见故障进行监测的目的。基于以上原理，本文提出一套故障监测系统数据采集模块的设计方案来对风力发电机组关键部件的主要常见机械故障进行监测。

Abstract： Wind turbines are important equipment for wind power generation. Large wind turbines are mostly distributed in remote areas. It is difficult to find and deal with them in time when failure occurs. Most of the faults of wind turbines can be reflected by changes in parameters such as vibration and speed. Therefore， designing a monitoring system for these parameters can achieve the purpose of monitoring the main faults of wind turbines. Based on the above principles， this paper proposes a design scheme of the data acquisition module of the fault monitoring system to monitor the main common mechanical faults of the key components of the wind turbine.

关键词：风力发电机；传感器；在线监测；故障诊断；数据采集

Key words： wind turbine；sensor；online monitoring；fault diagnosis；data acquisition

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0121-03

1 系统简介

本文介绍的风力发电机故障监测系统数据采集模块是针对MW级风力发电机组机械部件的在线故障诊断与安全监测需要而开发的，传感器负责获取主要部件的监测信号，通过信号调理电路放大、滤波、保护、线性化补偿等措施，送至A/D转换器进行模数转换，转换之后的数字信息被送入STM32F107VCT6进行数据分析，分析结果通过STM32F107VCT6自身所带的以太网模块送入上位机。

2 振动检测电路设计

本设计中采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV9828低频加速度传感器对变速箱的输入轴、主轴等低速轴和叶轮产生的低频振动进行测试；采用秦皇岛鑫华科技有限公司生产的AD500T加速度传感器对变速箱的中间轴、输出轴、发电机这些具有较高旋转频率结构产生的高频振动进行测试。INA9828和AD500T正常工作时需要为它提供一个恒流电源恒流源的的大小为24V、4mA，所以首先要设计一个24V、4mA的恒流源作为所选的加速度传感器的供电电源。根据加速度传感器的技术性能指标和采集信号的基本特征，必须对加速度传感器的输出信号进行整形处理，为了避免外界电容元件对加速度传感器输出的低频信号的影响，本文选用仪表放大器INA128作为电压跟随器来稳定信号。由于低频加速度传感器INV9828和加速度传感器AD500T的最大输出电压超出了AD采集器的参考电压，所以对输出电压进行整形，为了防止放大倍数调得太大，输出线路有不平干扰信号，所以采用仪表放大器AD620对输出电压进行调节。在处理振动信号时，振动信号可以分为两种：一种是风力发电机的塔架、主轴、变速箱的输入轴产生的振动信号，这些结构产生的振动信号的特点是频率比较低，大致在0.5Hz到1kHz范围之间，所以在本设计中对频率范围在1kHz以上的高次谐波和噪声干扰使用截至频率为1kHz的低通滤波器滤除；另一种是风机的变速箱的输出轴和发电机产生的振动信号，这些结构产生的振动信号的特点是频率比较高，大体在1kHz到3kHz的范围内，对频率范围在3kHz以上的高次谐波和噪声干扰使用截至频率为3kHz的低通滤波器滤除。通过对各种滤波芯片进行比较，并且结合A/D转换器及系统本身的特性，本人采用MAX291滤波芯片对振动信号进行滤波。振动检测电路设计如图2。

3 主轴转速检测电路设计

通过对风力发电机主轴的机械特性进行分析，并且对各种接近开关的性价比进行比较，本设计选用上海OMKQN沪工集团生产制造的LJ30A3-15-Z/BX型接近开关来对主轴转速进行测量。

测量转速的方法有很多种，比如：采用光电式传感器测量转速、采用数字测速中的测频法测量转速、采用数字测速中的测周法测量转速。在本设计中风力发电机主轴旋转较慢，故而采用数字测速中的测周法来对主轴转速进行测量。将所选用的接近开关固定在主轴附近，通过采集固定主轴的螺丝来获得转速。根据所选接近开关的性能指标，选择+24V作为接近开关的供电电源，主轴转速检测电路设计如图3。

4 轴电压、轴电流检测电路设计

轴电压、轴电流检测电路由霍尔电压传感器、霍尔电流传感器进行检测。本设计所选用的CHV-25P/50A霍尔电压传感器的额定输出电流值为25mA，它对应原边的额定电压50V。在使用时应在被测电压处连接一个限流电阻，避免烧毁传感器。此霍尔传感器的额定输出电流为25mA，而本人所选的A/D转换器的最大工作电压为4V，所以传感器输出端连接的测量电阻的阻值为160Ω，硬件连接图为：

5 A/D转换模块

系统对振动检测输出电压、轴电压和转子绝缘监测时需要对交流电压信号进行实时采集，并通过A/D转换模块进行信号转换后送入控制模块。本设计采用Maxim公司的高精度采样芯片MAX1133进行信号的转换。

MAX1133是美信公司生产的一款16位串行A/D转换器。它具有低能耗、高精度的特点，在工作时只需一个电源供电，可以利用内部时钟或者外部时钟完成逐次逼近转换，具有单极性和双极性两种模拟量输入输出方式。MAX1133内部自带跟踪/保持电路和校准电路。MAX1133的转换速率最高可以达到200ksps，消耗的电流最低为7.5mA。MAX1133使用SPI协议与ARM进行数据交换，电路如图5所示。

6 STM32F107VCT6控制模块

转换之后的数字信息被送入STM32F107VCT6进行数据分析，本设计采用意法半導体公司生产的STM32F107VCT6互联型芯片作为分析控制单元。STM32F107VCT6芯片是STM32系列的新型互联型产品，承载了STM32产品家族的高端性能。

7 系统工作流程

当系统得到上位机开始采集的指令时，控制器进入初始化阶段，包括STM32F107VCT6的串口初始化、定时器初始化、中断初始化和A/D转换芯片初始化；之后对STM32F107VCT6的串行口和定时器的工作方式进行设置；接着ARM对各检测模块进行扫描，传感器获取的信号经调理、A/D电路测回，并送控制器与设定的标准值进行比较，判断是否发生故障，若有故障发生则进行报警并向上位机上传此故障数据段，若无故障发生则返回扫描阶段重新采集数据。（图7）

8 总结

本设计在风力发电机的各监测部位安装相应的传感器来获取其振动信号、主轴的转速信号、发电机轴电压、轴电流信号，并采用互联型微控制器STM32F107VCT6作为控制模块，对采集信号进行预处理和分析从而判断风力发电机目前是否处于正常工作状态，一旦发生故障，立即向上位机报警同时将含有故障信息的数据上传给风场在线分析系统，使监控人员可以及时根据故障数据信息执行诊断程序进行相应的维修，从而保障了风力发电机的正常运行。

参考文献：

[1]刘胜玉.风电机组嵌入式监测系统研究[D].大连理工大学， 2009.

[2]孙晨.基于ARM_Linux的无线数据采集系统[D].长安大学，2009.

[3]郭召艳.大型发电机局部放电的检测与识别技术[D].哈尔滨理工大学，2008.