风力发电风车故障监测系统设计

1、中文题目：风力发电风车故障监测系统设计外文题目：DESIGN OF WIND POWER WINDMILL FAULTMONITORING SYSTEM毕业设计（论文）共也页（其中：外文文献及译文 他页）图纸共1张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书本人郑重承诺：毕业设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在 指导教师的指导下， 独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。学生签名：年 月 日辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书本人郑重承诺：我已按学校相关规定对 同学的毕业设计 （论文）的选题与内容进

2、行了指导和审核，确认由该生独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。指导教师签名：摘要全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到 2050年，世界能源需求可能翻番甚至增 加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要， 但这也带来了环境方面的挑战。我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、 清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题 之间的关系。风力发电的发展是时代的需要。在风力发电控制系统中，基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于 PLC的风力发电控制系统，旨在保证风力发电机组的各

3、类轴承、齿轮箱、风轮、发电机正 常工作；通过选择合适的控制方法，使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利 用率。设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、风轮和齿轮箱及液压站的运行和工作 情况进行了设计，并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了 I/O接线图；在发电机控制电路中，设计了发电机的转速 控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序，并进行了相关调试，另外利用 S7-200 仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。关键词：可编程控制器；故障监

4、测；控制系统；传感器；风力发电AbstractGlobal population growth and economic expansion in developing countries, by 2050, world energy demand is likely to double or even triple. All life on Earth is dependent on energy and the carbon cycle. Energy level of economic and social development are essential, but it also b

5、rings environmental challenges. We must explore all aspects of energy production and consumption, including energy efficiency, clean energy, global carbon cycle, carbon resources, waste and biomass, but also concerned about their relationship to climate and natural resource issues. Development of wi

6、nd power is the need of the times.In the wind power generation control system, PLC based controller design is based on the future direction of development. The design is based wind power PLC control system designed to ensure all kinds of bearings of the wind turbine, gearbox, wind turbine, generator

7、 work; by choosing the appropriate method of controlling the operation of the system can be more stable, and thus can be effectively improve the utilization of wind power.Design of the main control circuit of the generator, yaw control circuit, and operation of the wind wheel and the work gear boxes

8、 and hydraulic stations were designed, and draw the appropriate electrical schematics. In the control circuit also described model selection PLC, low-voltage motors and corresponding devices, draws I / O wiring diagram; the generator control circuit, the design of the generator speed control; yaw ci

9、rcuit, designed for wind, untwisting functions; the gear box system designed oil level control functions.At the same time in the design of the control program also details the preparation of each part, and for the relevant commissioning, another advantage of the system S7-200 simulation software sim

10、ulation, the simulation results meet the design requirements.Keywords: PLC; fault monitoring; control system;sensor; wind powerII目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 1前言1.风力发电的发展现状和意义 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 设计的主要内容及目的 .1. HYPERLINK l bookmark13 o Current Docum

11、ent 2风力发电系统以及故障监测系统简介 3 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 风力发电系统的组成 3. HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 风力发电风车故障监测系统组成 4. HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 风电诊断系统主要实现功能5 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 风力发电风车主要故障 6. HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 风力发电机组故

12、障 6. HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 风力发电风车叶片故障 7. HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 风力发电风车轴承主要故障 7. HYPERLINK l bookmark29 o Current Document 3风电故障监测系统总体设计方案 9. HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 机组状态特征参数监测 9. HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 气象参数监测 9.振动监测10转速监测10温

13、度监测1.1 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 其他参数监测 1.1 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 控制系统总体方案设计 12 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 4风力发电风车故障监测系统硬件选型设计 1 3 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 故障监测系统传感器 .13 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 转速传感器 1.3 HYPERLINK

14、l bookmark45 o Current Document 温度传感器 1.7 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 振动传感器20系统传感器与系统控制模块的选型设计 22风速风向传感器的选型 22 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 温度传感器的选型 22PLC 概述27PLC的发展历程27PLC的工作原理27PLC控制系统接线设计31PLC扩展模块选择 32 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 5系统软件设计36主程序36 HYPERLINK l

15、 bookmark66 o Current Document 硬件中断程序36梯形图和指令37系统启动停止和维护急停 .37软件安全设计37容错性设计37 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 软件权限设计38 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 6经济性分析 39 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 7总结40 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 致谢41.参考文献42附录 A 外文翻译 44附录 B 夕

16、卜文文献 49辽宁工程技术大学（毕业论文）1前言风力发电的发展现状和意义随着投入运行的大规模风电场越来越多，运行故障也出现了很多，因此所需 要的运行维护成本就越来越高，对风电场的经济效益造成了很大的影响。由于大部分的风电场所处地区都太过偏远， 工作环境既复杂又恶劣，导致风力发电机组 发生故障的概率更加大，一旦机组的关键零部件发生故障，设备将会损坏，甚至导 致机组停机，造成非常大的经济损失。对于工作寿命为20年的机组,要用整个风电 场总投入的10% 15%来作为运行维护的成本，而对于海上风电场来说，整个比 例更是达到整个风电场总投入的 20% 25%之高。因此，建立风力发电风车故障监 测系统对风

17、电机组运行风险的降低，对机组安全经济运行的维护有非常重要的意 义。近年来，风能作为一种绿色能源在世界能源结构中发挥着愈来愈重要的作用，风电装备也因此得到迅猛发展。根据世界风能协会 （WWEA）的报告，截止2009年 底，全球风力发电机组发电量占全球电力消耗量的 2%，根据目前的增长趋势，预计 至IJ202好底,全球装机容量至少为1.9父106 MW,是200处的10倍。在 九五冶期间, 我国风力发电场的建设快速发展，过去十年中，我国的风力发电装机容量以年平均 55%的速度高速增长，201N已达1000万kW0状态监测和故障诊断可以有效监测出传动系统、发电机系统等的内部故障 ， 优化维修策略、减

18、少非计划停机次数和降低机组的运行维护费用等。风力发电机 组的状态监测和故障诊断系统集合了信号采集、在线监测以及信号分析等功能 ； 能对系统的各种机械参数和电气参数等进行监测，并将采集到的数据进行分析处理，从而正确定位各系统的故障。设计的主要内容及目的在对风力发电机工作原理的分析以后，结合实际工作条件，选择出需要监测和诊断部件，设计安装传感器位置，建立在线监测和故障诊断的硬件平台。1李广达：风力发电风车故障监测系统设计结合工程实际研究傅里叶变换、小波理论在风力发电机组传动链的振动监测 中的优势。将从风力发电机采集到的实际振动数据， 经过一定处理，再将其导入 分析软件中的进行一定变换和处理， 得到

19、相应的振动波形图。在各种波形图分析 中，获得风力发电机组的相应工作状态，以达到在线监测和故障诊断的目的。主要内容包括：(1)首先介绍本文的研究背景和意义， 其次分析国内、外的研 究现状，最 后给出；(2) 了本文的研究内容、研究方法和结构组织。主要介绍风力发电故障监测系统的控制及要求；(3)从总体上介绍风力发电故障监测系统总体方案选型设计，并对各部分 的选型比较进行了阐述；(4)详细介绍风力发电故障监测系统的设计；(5)对本文的工作进行总结，并在总结的基础上对下一步工作进行展望。辽宁工程技术大学（毕业论文）2风力发电系统以及故障监测系统简介风力发电系统的组成风力发电厂通常处于高山、荒原和海岸等

20、气候变化明显，特别是风速和风向 变化明显的地带，而装有发电设备的狭小机舱又安装在高高的塔架上，由于风速和风向不断的变化，甚至有时会发生特别激烈的变化，使得各个部件随时承受着 严重的载荷作用，导致故障的概率就高出地面设备几倍之多。 而且在机舱内对故 障进行处理也非常困难，大多数情况下需要动用大型起重机械， 花费大量的时间 和精力。因此风力发电机组对其零部件要求及其严格，在设计结构、选用材料、 加工工艺和质量控制等方面的要求都远远高于普通设备。风力发电机组的整体结构分为风轮（包括叶片、轮毂和变桨距系统）、机舱 （包括传动系统、发电机系统、辅助系统、控制系统等）、塔架和基础等极大部 分。图2-1为风

21、力发电设备示意图。机械传动、偏航、液压、制动、发电机和控 制等系统大部分都装在机舱内部，机舱外伸部分则是轮毂支撑的风轮。偏航机构 直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接， 并安装在塔架上，可 以随时依据风向变化调整迎风方向。图2-1风力发电设备示意图Fig.2-1 Schematic view of a wind power plant支撑风力发电机的塔架建立在坚实的基础上， 塔顶法兰与偏航轴承的固定全李广达：风力发电风车故障监测系统设计连接，塔架底部与基础牢固结合。用钢筋混凝土支撑的塔架基础必须保证机组在 极端恶劣的气象条件下能够保持塔筒垂直，是机组稳定运行。风电机组的主要部件布

22、置要保证机组在运行时， 机头（机舱与风轮）重心与 塔架和基础中心相同，整个机舱底部与塔架的连接要能够抵御风轮对塔架造成的 动力负载和疲劳负荷作用。机舱外壳是玻璃纤维和环氧树脂支撑的机舱罩，具有成本低、重量轻、强度 高的特点，能有效地防雨、防潮和抵御盐雾、风砂的侵蚀。机舱上安装有散热器， 用于齿轮箱和发电机的冷却；有的机舱内还安装有加热器，在冬季寒冷的环境下， 用来保持机舱内适当的温度，有利于机组运转。风力发电风车故障监测系统组成（l）主电路主电路是风力发电机组的主配电系统，主要完成发电机与电网（包括无功功率 补偿装置、软并网控制装置）、各执行机构（如电动机、电磁阀等）与控制回路的连 接。当中心

23、控制器PLC发出控制指令时，由主电路将发电机、风机中的各执行机 构连接为强电控制回路并提供电源，电源等级较多（如交流690V、400V、22oV、 24V、直流24V）,同时将反馈信号（如接触器吸合、断路器脱扣等反馈信 号）送到中心控制PLC对接触器、电动机、供电电源等执行机构进行状态监测。（2）控制电路控制电路是由PLC中心控制器及其功能扩展模块组成。主要实现风力发电 机正常运行控制、机组各部分的安全保护、故障检测及处理、修改运行参数、数 据记录显示以及人工操作，配置的通讯接口实现就地通讯和远程通讯等。（3）传感器及通讯接口传感器主要包括风速仪、风向标、振动加速度传感器、转速传感器、温度传

24、感器、偏航位置传感器、压力开关、纽缆开关等，用于采集和监测风力发电机在运行过程中的各种运行参数，包括风向、风速、液压系统压力、叶尖压力、液压 油位、齿轮油压力、齿轮油位及齿轮油温度、刹车磨损、机组振动、纽缆、发电 机及其轴承温度以及发电机和叶轮转速等参数。风力发电系统是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电辽宁工程技术大学(毕业论文)能，输送到电网中。对风力发电机组的基本要求是能在风电场所处的气候和环境 条件下长期安全运行，以较低的成本获取最大的年发电量。风电诊断系统主要实现功能(1)在线监测风电机组运行时传动链(主轴、齿轮箱、发电机)上各轴承、 齿轮的运行状态，发现轴承、齿轮故

25、障的早期征兆，精确定位故障部件、故障类 型以及严重程度，并通过故障诊断专家系统软件自动报警或提示；(2)在线监测风电机组运行时主轴、齿轮箱、发电机等部件垂直与水平方的振动，故障诊断专家系统软件能自动基于VDI3834标准进行振动超限报警或提示；(3)在线监测齿轮箱输出轴与发电机输入轴的动态不对中、发电机转子轴动 不平衡状态，实时绘制振动的时域、频域数据波形和不对中轴心轨迹图；(4)在线监测风电机组运行时联轴器的运行状态，发现联轴器的早期失效征 兆；(5)在线监测发电机接地电刷接触异常以及电刷、滑环的磨损情况；(6)故障诊断专家系统在接入功率、风速等信号时具有基于风机运行工况与故障危害程度的多物

26、理量联合诊断与综合决策功能；(7)机载主机具有离线采集功能：当机载装置采集模块与计算机或服务器通信中断时，采集模块仍然可以自动的进行实时数据采集的存储。在数据通讯恢复后自动与计算机或服务器进行连接并进行数据的交互；(8)系统具有机载装置自诊断功能，系统上电后和设定定时对机载装置进行 功能自检，并能够发出监测装置设备工况功能(部件)故障或错误报警。(9)系统内嵌有主流双馈、半直驱、直驱机型传动链滚动轴承、齿轮等故障特征数据库，数据库轴承、齿轮及报警门限等输入参数对用户公开并可进行编辑；(10)系统应具有用户友好的人机界面，方便用户操作，可方便设定设备状态 多级报警值，同时可以输出不同的统计信息，

27、包括报警次数统计与分布报告、 仪 器自检报告、自动诊断结果报告等。输出报表支持Word格式；(11)系统应能提供数据的时域波形图、频谱图、共振解调谱图、棒图、轴心5李广达：风力发电风车故障监测系统设计轨迹图、趋势图等，方便进行人工辅助数据分析与故障诊断；(12)系统支持 Windows自带远程工具或 Web远程访问功能，能通过地面系 统分析软件或浏览器远程浏览风电机组状态；(13)系统可扩展齿轮箱主轴或高速轴的轴向窜动监测功能；(14)系统可扩展架晃动、固有频率变化及叶轮动不平衡状态监测功能。(15)系统可扩展语音报警提醒和短信报警功能。风力发电风车主要故障风力发电机组故障风力发电机组主要分为

28、三类(1)双馈式变桨变速机型，是现如今许多企业采用的主流机型；(2)直驱永磁式变桨变速机型，是近些年崛起的新型机型，是未来风电的 发展方向之一；(3)失速定桨定速机型是非主流机型，方便进行运行维护。风电机组的核心部件是发电机，发电机负责将旋转的机械能转化为电能， 并 为电气系统供电。随着风力机容量的增大，发电机的规模也开始逐步的扩大， 使 得对发电机的密封保护受到制约。 发电机长期运行于变工况和电磁环境中， 容易 发生故障。常见的故障模式有发电机振动过大、发电机过热、轴承过热、转子 / 定子线圈短路、转子断条以及绝缘损坏等。据统计，在发电机的所有故障中，轴 承的故障率为40%,定子的故障率为3

29、8%,转子的故障率为10%,其他故障占 12%。根据发电机的故障特点，采用白诊断方法主要是基于转子/定子电流信号、电压信号以及输出功率信号等状态检测手段。POPA等借助定子电流和转子电流信号的时域分析得到其幅值信息，再通过 FFT得到电流信号的谐波分量，最后 通过判断谐波分量的变化实现对发电机 3种模拟故障的识别。WATSON等借助 连续小波变换，对输出功率信号进行分析，识别出了发电机转子偏心故障和轴承 故障。DJUROVIC等研究了稳态状况下，短时傅里叶变换方法在发电机定子开 环故障中的应用。通过对比发现，虽然基于定子电流和瞬时功率的诊断方法均可 识别出故障，但瞬时功率信号中包含了更多的故障

30、信息。发电机的转子偏心现象辽宁工程技术大学（毕业论文）是轴承过度磨损或其他故障隐患的表现。 基于输出电流、电压、功率等信号的检 测方法是识别转子偏心故障的有效手段。止匕外， MOHANTY等针对多级齿轮箱 研究通过解调异步发电机的电流信号来诊断齿轮箱故障。另外，BENNOLrNA等在变转速下建立了基于多项式的双馈式异步发电机线 性与非线性数学模型，利用故障特征分析法检测出了转子偏心故障，但是此方法也仅能对发电机出现故障类型进行判断， 而不能准确找出故障源。YANG针对同 步发电机为消除变转速的影响，提出了基于转矩和主轴转速的判断准则。 模拟定 子绕组线圈的短路，对发电机定子绕组电流/功率信号，

31、先用离散小波去除噪声， 再使用连续小波提取特征频率，有效地识别出了故障。风力发电风车叶片故障风力发电机组通常安装在野外比较恶劣的环境中，经常处于无人值守的状 态，对其运行状态的监测尤为重要。由于环境因素，导致机体各部件故障率较高， 叶片作为风力发电机组的主要部件之一，对其故障监测十分必要，一旦出现故障， 如果处理不及时，叶片就会很快的断裂。轻则造成停机，重则烧坏机组，影响正 常供电，造成难以挽回的损失.风机叶片故障可分为裂纹、凹痕和破损等类型，叶片的振动形式主要包括摆 振、挥舞振动、扭转振动和复合振动，叶片的故障信息通常依靠现场监测的震动 信号进行反应。在风力发电机组故障中，突变信号和非平稳信

32、号往往会伴随故障 存在。理论上讲，当叶片出现裂纹时，振动信号中会伴随有较强的高频冲击波， 并且这些离散的故障信号是可能存在任意频段内的。故障诊断常用方法有时域分析方法和频域分析方法，时域分析方法主要研究 不同时刻信号之间的关系，对于某些有明显特征的故障信号，可做出定性分析。 频域分析方法通过研究波形的谐波分量来识别多种频率成分。这两种方法都具有单一性，而小波分解方法具有局部化分析的功能，在时域和频域都能快速定位。小波分解在低频部分，可以采用宽的时间窗，频率分辨力则大大增强；在高频部分则采用宽的时间窗，频率分辨力则会减弱。小波分解方法的这种特性非常适合 非平稳信号的故障诊断。风力发电风车轴承主要

33、故障风电机组主要零部件的可靠性研究表明，在风电机组的故障中电气和控制系7李广达：风力发电风车故障监测系统设计统故障率最高，传动系统如齿轮箱、主轴承等故障率相对较低。但进一步的研究 表明电气和控制系统的故障容易排除， 停机时间短，并且也不需要吊车等辅助工 具。从机组故障引发的停机时间、维护费用和是否容易造成的继发故障等角度分 析，与电气和控制系统相比，机械传动系统的状态监测与预警维护更为重要。轴承是旋转机械的关键部件，也是风电机组机械传动系统的核心部件， 机械 传动系统的非轴承如齿轮箱、桨叶等故障，亦多是由轴承故障引起或可在轴承的 运行状态中得到反映。因此对轴承的运行状态进行实时监测，对整个机械

34、传动系 统的故障诊断和运行维护具有重要的意义。风力发电机用轴承大致可以分为四类：变桨轴承、偏航轴承、传动系统轴承（主轴和变速箱轴承）和发电机轴承。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部，变桨 轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位 （除部分小功率兆瓦级以下的风力发 电机为不可调桨叶，无变桨轴承外，每台风力发电机设备用一套偏航轴承和三套 变桨轴承），主轴连接轮毂和齿轮箱，都是低速重载轴承，其中偏航和变桨轴承 还是不完全旋转轴承。齿轮箱为增速箱，将叶轮的低速变为输入到发电机的高转 速，二者的轴承与通常的发电机组除了在使用寿命和可靠性方面要求较高，并没有其他的区别。目前的实际应用的风电轴承运行状态监测与故

35、障识别的方法主要有基于数 据采集与监视控制系统（SCADA , Supervisory Control And Data Acquisition）的方 法，基于振动分析、润滑油检测的方法，基于声音、红外图像的方法以及多种方 法相结合等方法。辽宁工程技术大学(毕业论文)3风电故障监测系统总体设计方案机组状态特征参数监测气象参数监测(1)风向风速传感器风速和风向是风电场的核心气象参数， 也是风力发电必须关注的信息。风向 风速传感器用于测量当地的风向风速， 具测量到的瞬时风向风速，经计算处理可 输出瞬时风速风向值、平均风速风向值、最大风速以及极大风速等数据。如果 风电场风速或风向发生变化，风向风速传

36、感器就会把感测到的信号传输到控制系 统，控制偏航驱动装置将机舱定位到合适的位置。一般将其安装在机舱顶上打有 安装孔的支架上，当屏蔽电缆穿过安装孔后，用六角螺母固定；也可根据安装需 要设计特殊安装方式。目前国内外风向风速传感器可以分为 3类。第一类为螺旋桨式风向风速传感 器；第二类为风速是三杯式、风向是单翼式的风向风速传感器；第三类为超声 波风向风速传感器。螺旋桨式风向风速传感器精度较差， 动态性能一般；超声波 风向风速传感器目前应用还不太成熟。徐明、朱庆春的风向风速测量仪设计 一文分别介绍了风杯式风速传感器和单翼式风向传感器的工作原理。风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱中心线的偏差角

37、。一般采用两个风向标， 以便互相校验，排除可能产生的错误信号。控制器根据风向信号起动偏航系统。 当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。当风速低于 3 m/s时，偏航系统不会 起动。一般来说，风向风速传感器应满足以下要求。(a)工作环境温度应满足当地气温条件，且易于现场安装维护。风杯和方 向标可采用不锈钢、增强碳纤维等高强度、防腐蚀且防水的材料制成，可以在恶 劣条件下使用。(b)采用容错设计，在接错线的情况下传感器不会损坏；具有过流过压保 护。(c)采集的风速数据精度高，可靠性强。风速测量范围宽：060 m/s,误9李广达：风力发电风车故障监测系统设计差范围在0.5 m/s以内；起动风速应较低(

38、约 0.5 m/s )。(d)风向测量范围为0360 0 ,精度在2.5 0以内。风向测量起动风速 低(约 0.5 m/s )。(2)其他参数监测风电场温度、湿度、气压和降雨量等参数的监测也具有重要意义。常用的温度传感器为金属热电阻式传感器。金属热电阻的感温部分是由纯金属制成的，当 环境温度变化时，热电阻材料的电阻值随温度变化，用测量电路可将变化的电阻 值转换为对应的电信号并输出，从而得到被测温度值。电容式湿度传感器是利用 物质吸附水汽后，其电解质的介电常数发生变化，从而引起电容量改变的特性。振动监测对于风力发电机组，振动是其在运行过程中必然发生的现象， 并且是很明显 的现象，它包含了风力发电

39、机组运行过程中大量的信息。当齿轮箱等设备发生故 障时，故障信息必然包含在振动信号中， 因此通过对振动信号的监测与分析， 我 们可以确定设备的故障状况。另外，关于振动理论在故障诊断中的研究也非常成 熟。因此，对风电机组振动参数的监测极其重要。盛兆顺、尹琦岭的设备状态监测与故障诊断技术与应用 一文介绍了有关 振动测点的数量和布置的原则。实际进行振动测量时，传感器安装位置不同，所 得到的测量值会有较大的差异。因此，最好的办法是对各测点做出标记， 以保证 每次测定的部位不变。另外，还应注意测定部位表面是否光滑洁净， 避免脏物对 振动传递造成衰减。风力发电机组振动频带较宽，应将所测的振动按频带分级，然后

40、根据不同的 频率范围选择相应的测量参数。对于低频带进行测量时，一般选用位移传感器和 振动位移参数；中频段一般选用速度传感器和振动速度单位； 高频带选用加速度 传感器和加速度单位。结合风机结构，王之华在基于 Lab VIEW的大型风力发 电机组旋转机械的状态监测系统一文中对传感器的选型和布置进行了详细介 绍。转速监测转速变化与机组的运行状态有着非常密切的关系，它不仅表明了机组负荷，而且设备振动频率和转速有明显的对应关系， 当机组出现故障时，通常转速也会10辽宁工程技术大学（毕业论文）有相应的变化。风力发电机组转速的测量点有两个：即发电机转速750r/min和风轮转速15.418.1r/mino转

41、速测量信号用于控制风力发电机组并网和脱网，还 可用于起动超速保护系统，当风轮转速超过设定值ni或发电机转速超过设定值n2时，超速保护动作，风力发电机组停机。风轮转速和发电机转速可以相互校验。 如果不符，则提示风力发电机组故障。监测转速首先要获得与转速同步的脉冲信号，为了实际上得到作为速度测试 的脉冲信号，工程上通常用涡流传感器。韩捷、张瑞林、关惠玲等在旋转机械 故障机理及诊断技术一文中介绍了涡流传感器的原理，并且列出了安装传感器 时应注意的问题。常用的转速传感器还有非接触磁电式脉冲传感器和光电感应式 脉冲编码器等。温度监测用于反映风力发电机组的工作状况的温度测点一般为8个：齿轮箱油温、高速轴承

42、温度、发电机绕组温度、前主轴承温度、后主轴承温度、控制盘温度（主要是晶闸管的温度）、机舱环境温度、制动片温度。温度过高将使风力发电机组 退出运行，在温度降至允许值时，仍可自动起动风力发电机组。 齿轮箱内一侧装 有Pt100温度传感器。运行前，保证齿轮油温 0C,否则加热到10 c再运行。 发电机的三相绕组及前后轴承里面各装有一个 Pt100温度传感器，发电机在额定 状态下的温度为130140 C, 一般在额定功率下运行56h后达到这一温度。变频柜内和模块内部均内置加热器， 且配置有温度和湿度传感器，对抗低温 和高湿环境。所有线路板均带有防腐涂层，柜体防护等级为IP54,保证了变频器在恶劣环境下

43、的可靠工作。其他参数监测电网频率作为衡量电能质量的指标， 需加以动态监测。测量值经平均值算法 处理与电网上、下限频率进行比较，超出时风力发电机组退出电网。 电网频率直 接影响发电机的同步转速，进而影响发电机的瞬时出力。可采用单片机、DSP和锁相环等进行电网频率测量。经过移相补偿算法和平均目前已有仪表专门用于监功率因数通过分别测量电压相角和电流相角获得, 值算法处理后，用于统计发电机有功功率和无功功率c11李广达：风力发电风车故障监测系统设计测相角，如基于GPS的相角测量装置、数字双钳相位伏安表等。本次监测的主要物理量有风机叶片的的应力应变、转速、振动、风速、风压（压力分布）、温度等。控制系统总

44、体方案设计参考当下控制系统的使用，可选择 PLC控制系统和单片机控制系统，单片机控制：优点，经济实惠，成本相对较低；缺点，用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差， 故障率高, 不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长。一个采用单片机制作的主控板不经过 很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。PLC控制：优点：PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干 扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短。缺点：成本相 对单片机要高！所以，综上所述，本系统选用 PLC控制系统。总体控制方案方案设计图如图3-1所示图3-1系统总体控制方案设计图Fi

45、g.3-1 The overall control system design scheme12辽宁工程技术大学(毕业论文)4风力发电风车故障监测系统硬件选型设计故障监测系统传感器当风力发电机组异常或者出现故障时，一般情况下都会伴随着输出参数的变 化，如齿轮箱振动与噪声、齿轮箱油温等状态特征参数或者电网电压、电流等电气参数。对这些参数进行实时在线监测，操作人员从这些参数的提示中判断风电 系统的整体性能或部分机械的故障情况， 就可以预防设备疲劳运行，辅助查找故 障根源，减少维修保养费用，还能延长风机使用寿命。传感器则负责将监测参数转化为电量，送至信号变换与处理模块进行处理之 后，参数就可以在上位

46、机进行显示与记录。 而风力发电风车故障检测系统中所用 到的传感器，主要分为如下几种：转速传感器(1)旋转传感器由磁芯的N极出来的磁力线通过铁罩进入 S极，形成开磁路形状态的磁性 回路。在磁鼓的旋转面上安装一块小铁片， 当磁鼓旋转通过传感器下面时，则由 于瞬时闭磁回路导致磁通量急变， 从而在线圈的两端产微小的脉冲电压。 其工作 原理见图2-1,旋转传感器工作原理图图4-1旋转传感器工作原理图Fig.4-1 Rotation sensor operating principlePR9373和PR9375型转速传感器这种传感器可用余额测量电涡流型非接触转速。PR9375型还可用于获取起13李广达：风

47、力发电风车故障监测系统设计停止信号或驱动控制设备。详细参数如表4-1, PR9373型转速传感器参数表4-1 PR9373型转速传感器参数Table 4-1 PR9373 type speed sensor parameters型号PR9373PR9375测量范围（kHz）050 1.5工作距离（mm）122.5 3.5电源电压（VDC）62710 25温度范围（C）-20 100-20 70电缆长（m）32外形尺寸（mm）140 M20 24X 185PR9131型传感器详细参数表4-2 PR9131型传感器详细参数Table 4-2 PR9131type speed sensor para

48、meters型号PR9131/10PR9131/20用途光电测量原理电磁1-14000黑白相间区用于非接触测量转速或出发闪频仪测量范围（Hz）1017000触发对象磁性材料工作距离（mm）0.55温度范围（C）-2060以上PR型转速传感器厂商名称 Philips （荷兰）GD型回转不均匀传感器该传感器是有惯性元件、弹性元件和阻尼元件组成的具有磁滞阻尼的单自由 度扭振系统。当传感器旋转时，该系统实际上是理想的加速度为零的匀速回转运 动的扭振系统，它与待测传动机构的不均匀回转运动相比较，差值即是待测传动 机构的传动误差。十字弹簧银链位于仪器中心，一端与定子相连，另一端与扭振系统连接，其 中两组片

49、簧很薄，故可得到较小的扭转刚度。扭振系统两端有足够大的振动质量 块，故可获得较大的转动惯量。阻尼装置是利用永久磁铁在阻尼片中产生涡流， 从而得到跟速度成正比的合适阻尼。锁紧装置用于保护扭振系统，避免由于运14辽宁工程技术大学(毕业论文)输和使用时的冲击导致损坏。电感装置用于将待测的角位移量转换成电信号，并输入到放大器中。限程装置用于控制仪器测量范围，以及指示超程、测量错误。几种GD型回转不均匀传感器详细参数见表 4-3, GD型回转不均匀传感器。表4-3 GD型回转不均匀传感器Table 4-3 GD type rotary unevenness sensor型号参数最大误 差 ()最小误 差

50、 ()可测误差频 域(Hz)固后 频率 (Hz)可测 传动比使用转 速(。/s)今臼 价格(万 元)GD910000.23 100031 1000工 1000GD1814000.11 40011 1000 6006GD4010000.040.3 2000.31 1000120GD型回转不均匀传感器有如下两种主要用途：(a)测量传动链的动态传动精度。将两个传感器置于传动链的两端。即可测出该段传动连的传动高精度，从而可分析出各传动件的传动误差。因此，用传感器可监测回转传动过程。并可通过反馈修正误差，从而提高传动精度。(b)监测回转件绝对回转不均匀性，评定误差大小，分析产生误差的部位。GZ600转速

51、传感器GZ600转速传感器可与任一 GTH转速表传感器配套，并借助磁记录器或数字计数来测记飞机发动机或其他机械旋转体的转速。配套传感器主要参数见表4-4, GZ600配套传感器参数表4-4 GZ600配套传感器参数Table 4-4 GZ600 supporting sensor parameters配套传感器测量转速(r/min )输出脉冲(个/s)（个/s）GZT-210 105%50005250050GZ-220001500050003750050生产厂家 中国飞行试验研究中心(西安)SZGB-3型和SZGB-20型光电转速传感器SZGB-3型光电转速传感器主要用于单向计数器，可测量转速

52、和线速度,15李广达：风力发电风车故障监测系统设计SZGB-20型光电转速传感器主要用于双向计数器，可测量位移。它们的特点： 结构是密封结构，故性能稳定；光源用红外发光管，故功耗小，寿命长。原理和 结构图如图4-3图4-4所示。图4-2原理图Fig. 4-2 Schematics图4-3结构图16Fig. 4-3 Structure of SZGB辽宁工程技术大学（毕业论文）两种传感器详细参数如表4-5, SZGB型传感器表4-5 SZGB型传感器Table 4-5 SZGB sensor指标型号SZGB-3型（单向）SZGB-20型（双向）输出波形输出信号幅值输出脉冲数最高工作频率（kHz）

53、最高转速（r/min ）供电电源工作条件重量（kg）方波“1”电源电压“0” 0V10，20，30，60，120 ，180 ，240 ，300 ，360 -，420 -，480 ，500 ，600101000012VDC , 20mA0 +45 C; 85%RH1.9相位差为90匕0的两相矩形波“1- 10V“0” 0 1V10，20，30,60 -，120,180,240,300 ，3605600012VDC , 60mA0 +45 C; 1 14 301I125i31T级=y.51K级)划81L级0i0?i 70130集成温度传感器可用于测量气象、工厂和仓库的温度。(b)薄膜热敏传感器Si

54、C薄膜的电阻随温度变化，利用这种现象可监测温度。其主要技术参数如卜表4-7, SiC薄膜热敏传感器参数53000.92.52013表4-7 SiC薄膜热敏传感器参数一散热 皿、电阻 (kQ)阻值、，B常数 功耗 十二的 热时间 容许壬目误差B吊数误差(mW 、作温系数常数功率重里(K)度(C)( mW/( mg)(%)(%)(mW)Table 4-7 SiC film thermal sensor parameters1001021002800薄膜热敏传感器有如下用途:(1)测量烤箱、烹调器械及石油、煤气炉等暖气设备的气温；(2)测量蒸汽锅炉和热水锅炉等液体温度；(3)测量复印机、烹调器等加热

55、器的表面温度。厂商名称松下电子(c) MWFT型薄膜铝电阻该电阻是新一代工业铝电阻，它有结构小巧、响应快和可靠性高等特点。因 此，它不仅可部分替代绕线式钻电阻，可用于监测和控制特殊环境(表面、动态 等)的温度。具体参数见表4-8, MWFT型薄膜铝电阻参数。表4-8 MWFT型薄膜钳电阻Table 4-8 MWFT type thin film platinum resistanceRo( Q)R100/R0量程(C)绝缘电阻( 室温MQ )600 c时间常数(s)1000.11.3950 0;0012-7060010010.1CBW-20 5000.20.838 M 9 0.3CBW-30

56、9001.01528X16 0.25研制单位航空航天工业部第三。四研究所LNBGN型表面温度传感器这种传感器可用于测量和控制温度，参数如表4-11, LNBGN型表面温度传表4-11 LNBGN型表面温度传感器Table 4-11 LNBGN type surface temperature sensor工作频率(MHz工作温度(C)灵敏度ppm/C)分辨率(C)20 100-40 8575 120V 0.1研制单位中国科学院上海硅酸盐研究所19李广达：风力发电风车故障监测系统设计（3）巡回检测仪WXJ-10温度巡回检测仪该检测仪是一种数字式的10路温度巡回检测仪器，具采用半导体温度传感 器，

57、可在电力、塑料、轻纺、船舶、仓库、农业和医药等部门进行多橹块碎温度 测量。具体参数如表4-12, WXJ-10温度巡回检测仪表4-12 WXJ-10温度巡回检测仪Table 4-12 WXJ-10 Temperature Data Loggers测温范 围（C）路数传感器传感器 响应时 间（s）测量误 差（C）巡检速度（s）机箱尺寸（mm）(kg)2CWM201501013280 2405生产厂家能源工业部第五八五所电子仪器厂XMD-1多点巡回数字显示仪该仪表可对任意点进行设定，可设定巡检路径，广泛拥护化工、石油、电力温度（RH ）等多点温度测量报警的场合。具体参数如表 4-13, XMD-1

58、多点巡回数字显示仪Table 4-13 XMD-1 Multi-circuit digital display基本误差限=105%分辨率(C)1FS 1 C表4-13 XMD-1多点巡回数字显示仪温度（C）050 输入阻抗（MQ ）1工作环境、口 一22013频率范围（Hz ）505000505000频率特性误差（）w 5/测量范围（g）250 (2450m/s2)0 250 (2450m/s2)最大横向灵敏度比（）102020工作环境温度（C）-40 10080X ( g)3025外形尺寸（mm）23X175X16524X19.5 M7参考价格（兀/只）950350生产厂家上海仪表厂（2）J

59、T系列三轴向剪切压电加速度传感器该系列小型三轴向剪切压电加速度传感器，可同时测出三个方向（ X,Y,Z） 的振动或冲击加速度。有体积小、重量轻、灵敏度高、横向灵敏度比小、线性度 好、频响宽和安装方便等优点。该系列产品广泛应用于核工业、航天、航空、铁路、公路、船舶运输、电力、 冶金、地质、矿山、石油和化工的部门检测振动和冲击，从而诊断故障。两种 JT系列三轴向剪切压电加速度传感器具体参数如下表4-15表4-15 JT系列三轴向剪切压电加速度传感器Table 4-15 JT series tri-axial shear piezoelectric accelerometer参数 型号JT-IJT-

60、n电荷灵敏度（pc/g）62电压灵敏度（mVg ）85频率响应（Hz）2 500028000安装谐振频率（kHz）2530最大横向灵敏度比55(%)21李广达：风力发电风车故障监测系统设计幅值线性度（5% g500800结构形式剪切剪切重量（g）194.5尺寸(mm)20X26X2611 M1X7研制单位中国工程物理研究院结构力学研究所系统传感器与系统控制模块的选型设计风速风向传感器的选型由第三章所述，风电场的环境条件，以及风速风向传感器的种类，可选择风 速风向传感器PHWS/WD ,如果风电场风速或风向发生变化， 风向风速传感器就 会把感测到的信号传输到控制系统，控制偏航驱动装置将机舱定位到