本文從系統(tǒng)角度提供關(guān)于風(fēng)輪機(jī)元件、故障統(tǒng)計(jì)、常見故障類型和故障資料收集方法等的見解，并從風(fēng)力發(fā)電機(jī)元件上的常見故障入手，討論振動(dòng)感測器要求，例如頻寬、測量范圍和雜訊密度等。

據(jù)保守估計(jì)，目前全球至少安裝了25萬風(fēng)力發(fā)電機(jī)。未來四年里，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場預(yù)計(jì)將增加278 GW的陸上容量、44.3 Gw的海上容量。這相當(dāng)于至少100,000臺(tái)3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。隨著可再生能源呈現(xiàn)這樣的增加，加上國家電網(wǎng)的電力投入，風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WT）裝置的可靠運(yùn)行已成為工業(yè)和政府結(jié)構(gòu)著重研究的課題。

對(duì)WT可靠性的量化研究顯示，可靠性隨時(shí)間不斷提升。例如，2016年美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室報(bào)告顯示，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升，變速箱停機(jī)時(shí)間縮短了7倍。但是，在2018年時(shí)，變速箱仍然是三大常見故障點(diǎn)之一，且材料成本最高。變速箱每次故障的平均成本最高，一次大型更換平均花費(fèi)230,000歐元。

變速箱元件的可靠性相對(duì)較差，因此需要重點(diǎn)對(duì)齒輪、軸承和軸實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測。除了變速箱之外，轉(zhuǎn)子葉片和發(fā)電機(jī)是WT系統(tǒng)中故障率最高的元件。目前商用風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有很多，其中大部分使用振動(dòng)感測器來實(shí)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)，但這個(gè)領(lǐng)域尚待繼續(xù)研究。

大量相關(guān)資料支援在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，包括詳細(xì)調(diào)查和分析各種系統(tǒng)的優(yōu)勢。但很少有資料會(huì)介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用對(duì)振動(dòng)感測器的要求。本文將從系統(tǒng)角度提供關(guān)于風(fēng)輪機(jī)元件、故障統(tǒng)計(jì)、常見故障類型和故障資料收集方法等的見解，并從WT元件上的常見故障入手，討論振動(dòng)感測器要求，例如頻寬、測量范圍和雜訊密度等。

系統(tǒng)元件、故障和感測器要求

圖1和圖2顯示風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要元件，并提供風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速箱的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。下面幾節(jié)將重點(diǎn)介紹變速箱、葉片和塔架對(duì)狀態(tài)監(jiān)測的要求，重點(diǎn)介紹振動(dòng)感測器。對(duì)于其他系統(tǒng)，例如偏航驅(qū)動(dòng)、機(jī)械?車和發(fā)電機(jī)，一般不使用振動(dòng)感測器進(jìn)行監(jiān)控，而是監(jiān)控扭矩、溫度、潤滑油參數(shù)和電訊號(hào)。

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圖1 : 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)元件。

圖2 : 變速箱的結(jié)構(gòu)。

變速箱

風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速箱將機(jī)械能從低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子輪轂傳輸?shù)礁咚侔l(fā)電機(jī)。同時(shí)，WT變速箱承受著不同風(fēng)速帶來的交替載荷，以及頻繁制動(dòng)導(dǎo)致的瞬變脈沖。變速箱包括一個(gè)低速轉(zhuǎn)子軸和主軸承，在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)以0 rpm至20 rpm（不到0.3 Hz）的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。要捕捉不斷增加的振動(dòng)訊號(hào)，需要振動(dòng)感測器使用直流電運(yùn)行。

業(yè)界認(rèn)證指南特別指出，振動(dòng)感測器的性能需要達(dá)到0.1 Hz。變速箱的高速軸通常以3200 rpm（53 Hz）的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。為了提供足夠頻寬來捕捉軸承和齒輪故障的諧波，推薦低速和高速軸振動(dòng)感測器的性能達(dá)到10 kHz及以上。這是因?yàn)闊o論轉(zhuǎn)速多大，軸承諧振一般都在幾千赫范圍內(nèi)。

到目前為止，軸承故障是引發(fā)變速箱故障的最大原因。一些研究顯示，軸承故障是引發(fā)災(zāi)難性齒輪故障的根本原因。當(dāng)高速軸上的后軸承失效時(shí)，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(dǎo)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，可將缺油執(zhí)行時(shí)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(jìn)方法，我們?nèi)匀恍枰褂煤线m的振動(dòng)感測器來監(jiān)控變速箱的主要軸承和高速軸承。振動(dòng)感測器的本底雜訊需要足夠低，以便能夠檢測到早期振動(dòng)幅度（g范圍）較低的軸承故障。較老的MEMS技術(shù)，例如ADXL001，其本底雜訊為4 mg/vHz，足以捕捉軸承外環(huán)的故障。

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，從雜訊密度角度來看，本底雜訊低于2 mg/vHz。參考的資料獲取系統(tǒng)的過程增益導(dǎo)致雜訊大幅降低，因此測量得出2 mg/vHz本底雜訊。只有在DAQ系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了足夠的過程增益，且雜訊為隨機(jī)的情況下，才適合使用本底雜訊為4 mg/vHz的感測器。一般情況下，最好使用本底雜訊為100 ug/vHz至200 ug/vHz的振動(dòng)感測器，而不是基于過程增益，后者只有在雜訊為隨機(jī)且不相關(guān)的情況下適用。

本底雜訊在100 ug/vHz至200 ug/vHz之間的感測器在捕捉正常的軸承運(yùn)行狀況方面表現(xiàn)出色，在捕捉ug/vHz范圍內(nèi)的早期故障時(shí)則表現(xiàn)卓越。事實(shí)上，使用本底雜訊為100 ug/vHz的MEMS感測器甚至能夠更早檢測出軸承故障。

圖4 : 使用MEMS加速度計(jì)ADXL001測量軸承外環(huán)的故障。

在不到0.1g時(shí)，顯示初始軸承損壞，而在達(dá)到1g時(shí)，通常表示深度軸承損壞，這會(huì)觸發(fā)維護(hù)。圖5顯示，當(dāng)振動(dòng)幅值超過6g時(shí)，需維護(hù)變速箱和更換軸承。如前所述，軸承故障頻率會(huì)在更高頻率下發(fā)生。在更高頻率下實(shí)施測量需要使用g范圍規(guī)格更大的感測器。這是因?yàn)闇y得的加速度重力值與頻率成比例。因此，相較于低頻率，在更高頻率下，相同的少量故障位移會(huì)導(dǎo)致更高的重力范圍。

一般指定在50 g至200 g時(shí)使用測量范圍高達(dá)10 kHz、更高頻寬的感測器，尤其指定適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用。由于結(jié)構(gòu)沖擊或突然的機(jī)械斷裂，振動(dòng)感測器也需要涵蓋沖擊載荷工況。因此，一般將典型的商用振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的滿量程定為至少為50 g至100 g。

圖5 : 振動(dòng)幅度為6 g時(shí)的軸承位移。

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承而言，要求至少使用一個(gè)單軸振動(dòng)感測器，推薦使用兩個(gè)，并在軸向和徑向上測量。 [14]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。

由于變速箱本身很復(fù)雜，如圖2所示，所以建議使用至少6個(gè)振動(dòng)感測器來實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測。在選擇感測器的數(shù)量和位置時(shí)，應(yīng)確保能夠可靠測量所有齒輪嚙合和缺陷／轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。監(jiān)控變速箱的低速級(jí)時(shí)，需要使用一個(gè)單軸感測器，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(jí)時(shí)，需要在中心齒輪、中間軸和高速軸位置使用一個(gè)單軸感測器。高速和中速軸承內(nèi)環(huán)的軸向開裂已成為影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速箱壽命的主要原因。

對(duì)于變速箱監(jiān)控，未來要改善的狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域包括無線振動(dòng)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援。

轉(zhuǎn)子葉片

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片和輪轂零組件在低速下捕捉風(fēng)并傳輸扭矩。導(dǎo)致葉片故障的主要原因包括極端風(fēng)荷載、結(jié)冰或雷電等環(huán)境影響，以及不平衡。這些因素導(dǎo)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以分布在葉片外部和內(nèi)部。已經(jīng)使用MEMS振動(dòng)感測器在葉片上開展大量學(xué)術(shù)研究，比如Cooperman和Martinez的工作，其中還包括陀螺儀和磁力儀。我們使用這些感測器的聯(lián)合輸出來確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的方向和變形。

相較之下，很少有商用振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，例如Weidmuller BLADEcontrol，它使用每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)的振動(dòng)感測器來測量每個(gè)葉片的自動(dòng)振動(dòng)行為的變化。 BL ADEcontrol系統(tǒng)主要用于檢測引起渦輪過度振動(dòng)的轉(zhuǎn)子葉片上的極端結(jié)冰狀況。

一般來說，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片（即直徑40M以上的葉片）范圍內(nèi)的自然頻率在0.5 Hz至15 Hz之間。對(duì)渦輪葉片上的無線振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可行性研究顯示，因振動(dòng)激勵(lì)導(dǎo)致的葉片頻率回應(yīng)遠(yuǎn)高于基頻。其他研究顯示，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。葉片邊緣變形的自然頻率在0.5 Hz至30 Hz之間，葉片扭轉(zhuǎn)變形的自然頻率高達(dá)700 Hz。用振動(dòng)感測器測量基頻以外的頻率需要更大的頻寬。

DNVGL狀態(tài)監(jiān)測規(guī)范認(rèn)證建議對(duì)轉(zhuǎn)子葉片使用振動(dòng)感測器，它能夠測量0.1 Hz至大(或等于)10 kHz的頻率范圍，其中一個(gè)感測器放在轉(zhuǎn)子軸上，另一個(gè)放在橫向方向上。振動(dòng)感測器在轉(zhuǎn)子葉片上可以實(shí)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。

發(fā)電機(jī)塔

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔為風(fēng)機(jī)外殼和轉(zhuǎn)子葉片總成提供結(jié)構(gòu)支撐。塔身會(huì)遭受沖擊損壞，導(dǎo)致塔出現(xiàn)傾斜。塔傾斜之后，葉片與風(fēng)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的感測器，如此在零風(fēng)條件下，也可以檢測到傾斜。

基座部分的結(jié)構(gòu)破壞會(huì)導(dǎo)致塔搖晃。塔搖晃監(jiān)控整合在一些渦輪狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，相較于變速箱振動(dòng)監(jiān)控，可以商用的選項(xiàng)并不多。 Scaime狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)使用加速度計(jì)、位移感測器、應(yīng)變感測器和溫度感測器來監(jiān)控葉片、塔和基座的狀況。根據(jù)DNVGL規(guī)范，Scaime加速度計(jì)的滿量程范圍為+/-2 g，監(jiān)控頻率范圍為0.1 Hz至100 Hz。

如前所述，在靜態(tài)條件下（無風(fēng)力），當(dāng)塔架結(jié)構(gòu)發(fā)生故障導(dǎo)致傾斜時(shí)，頻率的最低限值降低至0 Hz。要實(shí)施傾斜測量，需要使用具有良好的直流穩(wěn)定性能的感測器。 MEMS感測器，例如ADXL355采用氣密封裝，可以達(dá)到0 g失調(diào)穩(wěn)定性。

研究證實(shí)，最小+/-2 g范圍的振動(dòng)感測器足以對(duì)塔實(shí)施監(jiān)控。在正常運(yùn)行模式下，25 mps的最大風(fēng)速可產(chǎn)生小于1 g的加速度重力位準(zhǔn)。事實(shí)上，在「基于現(xiàn)場測量和有限元分析的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔基礎(chǔ)系統(tǒng)可識(shí)別應(yīng)力狀態(tài)」研究中，額定風(fēng)速為2 mps到25 mps，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)在風(fēng)速為25 mps時(shí)關(guān)斷（停用）。

總結(jié)

表1基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用需求提供振動(dòng)感測器的需求摘要。 DNVGL狀態(tài)監(jiān)測規(guī)范認(rèn)證中給出了感測器的數(shù)量、測量方向和頻率范圍。如前所述，0 Hz性能對(duì)于監(jiān)控塔架的結(jié)構(gòu)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雜訊密度。

故障資料收集方法

所有大規(guī)模實(shí)體WT都有標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控控制和資料擷取（SCADA）系統(tǒng)，主要用于實(shí)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(dòng)功率輸出和相電流。一些參考資料討論使用SCADA資料進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測，以檢測趨勢。

英國杜倫大學(xué)的一項(xiàng)調(diào)查列出了多達(dá)10個(gè)商用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以因應(yīng)并與使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)定的現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)完全整合，GE Energy ADAPT.Wind就是這樣一個(gè)示例。對(duì)未來技術(shù)趨勢的廣泛調(diào)查顯示，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)明顯的傾向。

適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的振動(dòng)感測器

在等于或低于0.3Hz時(shí)，壓電振動(dòng)技術(shù)難以或無法捕捉振動(dòng)特征。這表示無法對(duì)低速WT部件，例如轉(zhuǎn)子葉片、主軸承、低速變速箱，塔等實(shí)施正常監(jiān)控。

基于MEMS的感測器的性能可以低至0 Hz，可以捕捉所有主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)元件中的關(guān)鍵故障。這為客戶提供了用于WT的單一振動(dòng)感測器解決方案，僅使用MEMS來測量從0 Hz到高達(dá)10 kHz及以上的故障。

除了能夠捕捉所有關(guān)鍵故障之外，MEMS還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

?寬重力測量范圍和超低的ug/vHz雜訊密度，可以輕松滿足表1中提出的要求。

?MEMS具有內(nèi)建自測（BIST）功能。系統(tǒng)操作員無需存取WT來測試／確保感測器正確運(yùn)行，可以節(jié)約成本。相較之下，壓電技術(shù)不具備BIST功能。

?與基于壓電的解決方案相比，MEMS介面在資料介面和電源供應(yīng)方面更加靈活。在將高阻抗壓電感測器輸出解譯到長電纜時(shí)，可用的選項(xiàng)有限。最常采用的是雙線IEPE介面，使用第二根接地線透過共用電源／資料線為壓電感測器供電。 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(dòng)解決方案。 IEPE介面解決方案可以使用MEMS感測器，但MEMS感測器也能與使用現(xiàn)場匯流排（RS-485、CAN）或基于乙太網(wǎng)的網(wǎng)路操作的現(xiàn)有系統(tǒng)輕松整合。這是因?yàn)镸EMS感測器可以提供類比輸出或數(shù)位輸出（SPI、IC），并輕松傳輸至其他協(xié)議。

?環(huán)保性能：WT通常在攝氏-40度到+55度的溫度下運(yùn)行，而MEMS元件很容易滿足這一項(xiàng)要求。

?相較于與基于壓電的感測器，MEMS在長時(shí)間使用時(shí)具有更好的靈敏度和線性度。 ADI加速度計(jì)的非線性程度很低，通常可以忽略不計(jì)。例如，ADXL1001 MEMS加速度計(jì)在滿量程范圍內(nèi)具有小于0.025%的典型非線性規(guī)格。相較之下，對(duì)基于壓電感測器的標(biāo)準(zhǔn)化測量的學(xué)術(shù)研究顯示，非線性度為0.5%或更低。

基于MEMS的振動(dòng)感測器和解決方案

感測器

使用ADXL1002、ADXL1003、ADXL1005和ADcmXL3021 MEMS感測器（如圖2所示）可以輕松滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的振動(dòng)監(jiān)控對(duì)頻寬、范圍和雜訊密度的要求。 ADXL355和ADXL357也適合用于實(shí)施風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔監(jiān)控，具有較低的頻寬和范圍測量性能。 ADXL355/ADXL357具有良好的直流穩(wěn)定性，這對(duì)于測量風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fù)性在+/-3.5mg以內(nèi)，為傾斜測量提供了高度精準(zhǔn)的感測器。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測解決方案

無線

ADI提供了一套完整的驗(yàn)證參考設(shè)計(jì)、評(píng)估系統(tǒng)和隨插即用機(jī)器健康感測器模組，以加速客戶的設(shè)計(jì)進(jìn)度。圖6顯示ADI無線振動(dòng)監(jiān)控評(píng)估平臺(tái)。該系統(tǒng)解決方案整合了機(jī)械附件、硬體、韌體和PC軟體，可以快速部署和評(píng)估單軸振動(dòng)監(jiān)測解決方案。該模組可以透過磁性方式或螺柱直接連接到電機(jī)或固定裝置。作為狀態(tài)監(jiān)測（CbM）系統(tǒng)的一部分，它也可以與同一無線Mesh網(wǎng)路上的其他模組組合使用，以提供具有多個(gè)感測器節(jié)點(diǎn)的范圍更廣的圖像。

圖6 : 無線振動(dòng)監(jiān)控評(píng)估平臺(tái)。

CbM硬體訊號(hào)鏈包含一個(gè)安裝在模組底座上的單軸ADXL1002加速度計(jì)。將ADXL1002的輸出讀入ADuCM4050低功耗微控制器，并在此對(duì)其進(jìn)行緩沖，轉(zhuǎn)換至頻域并傳輸至SmartMesh IP終端。將ADXL1002的輸出從SmartMesh晶片無線傳輸?shù)絊martMesh IP管理器。管理器連接到PC，可以進(jìn)行視覺化處理和資料保存。資料顯示為原始時(shí)域資料和FFT資料。還提供了有關(guān)時(shí)間匯總資料的其他摘要統(tǒng)計(jì)資訊。提供了PC端GUI的完整Python代碼以及部署于模組上的C語言韌體，以便客戶修改。

有線

ADI的Pioneer 1有線CbM評(píng)估平臺(tái)為ADcmXL3021三軸振動(dòng)感測器提供工業(yè)有線連結(jié)解決方案。 CbM硬體訊號(hào)鏈由三軸ADcmXL3021加速度計(jì)和Hirose flex PCB連接器組成。具備SPI和中斷輸出的ADcmXL3021 Hirose連接器與介面PCB相連，透過數(shù)米長的電纜將發(fā)送至RS-485實(shí)體層的SPI轉(zhuǎn)化發(fā)送至遠(yuǎn)端主控制器板。

圖7 : 有線振動(dòng)監(jiān)控評(píng)估平臺(tái)。

SPI到RS-485實(shí)體層的轉(zhuǎn)換可以使用隔離或非隔離的介面PCB實(shí)現(xiàn)，其中包括Coupler隔離（ADuM5401／ADuM110N）和RS-485/RS-422收發(fā)器（ADM4168E／ADM3066E）。該解決方案透過一根標(biāo)準(zhǔn)電纜將電能和資料結(jié)合在一起，降低了遠(yuǎn)端MEMS感測器節(jié)點(diǎn)的電纜和連接器成本。專用軟體GUI可以簡單配置ADcmXL3021元件，并在長電纜上捕捉振動(dòng)資料。 GUI軟體將資料視覺化顯示為原始時(shí)間域或FFT波形。

結(jié)論

本文證明基于MEMS的感測器可以測量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)中的所有關(guān)鍵故障。 MEMS感測器的頻寬、測量范圍、直流穩(wěn)定性和雜訊密度均妥善指定，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用中具有出色性能。

MEMS內(nèi)建自測（BIST）、靈活的類比/數(shù)位介面，以及長時(shí)間使用過程中的出色的靈敏度/線性度，這是MEMS感測器成為最佳風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測解決方案的另外一些原因。基于振動(dòng)檢測早期故障的維護(hù)系統(tǒng)為一項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)，將可防止整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生成本高昂的停機(jī)。

（本文作者Richard Anslow1、Dara O’Sullivan2為ADI 亞德諾公司1系統(tǒng)應(yīng)用工程師、2系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理）