风电机组在线监测系统硬件设计.docx

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风电机组在线监测系统硬件设计

毕业设计（论文）

题目风电机组在线监测系统

硬件设计

专业

班级

学号

学生

指导教师

2015年

摘要

近年，随着世界对新能源的快速发展，风力发电技术已经成为当前风能利用的主要技术之一。

然而，由于风力发电机组常年运行在恶劣的环境中，其内部的轴承、齿轮箱、发电机等经常出现故障，为此我们引进了在线监测技术，以便于监测风电机组的运行状态，及早的发现风电机组的故障，减少经济损失。

针对目前的在线监测技术来说，大量的数据信息需要可靠的快速的采集并加以处理，但是目前许多数据采集系统依然不能够达到这些要求，其中往往存在许许多多的问题，如系统过于庞大，可靠性低等等。

基于ARM处理器的嵌入式数据采集系统具有低功耗、体积小、采集速度快、价格低廉等特点。

本文在对风电机组常见故障的分析基础上，着重研究了以主轴承、齿轮箱、发电机的振动信号为采集对象的基于ARM处理器的嵌入式数据采集系统。

该系统包含了五个振动传感器和两个温度传感器、信号调理电路和A/D转换电路。

在设计完采集系统后对系统做了调试实验，验证了采集系统的快速性和可靠性。

关键词：

在线监测；风电机组；齿轮箱；数据采集；ARM

HardwareDesignOfOn-lineMonitoringSystemForWindTurbine

ABSTRACT

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofnewenergyintheworld，Windpowergenerationtechnologyhasbecomeoneofthemaintechnologyofwindenergyutilization.However,duetothewindturbineyear-roundoperationinharshenvironment,theinternalbearing,gearboxandgeneratoroftenfails.Forthisreason,weintroducetheonlinemonitoringtechnologytomonitoringtheoperationofwindturbineanddiscoveryofwindturbinefaultintime,reducetheeconomicloss.

Inviewofthecurrentonlinemonitoringtechnology,alargeamountofdatarequiresreliablerapidacquisitionandprocessing,butatpresentmanyofthedataacquisitionsystemisstillnotabletomeettheserequirements,ofwhichtherearemany,manyproblems,suchasthesystemistoolarge,lowreliability,andsoon.

TheembeddeddataacquisitionsystembasedonARMprocessorhasthefeaturesoflowpowerconsumption,smallsize,fastacquisitionspeed,lowprice,etc..Theonthebaseoftheanalysisonthecommonfaultsofwindturbine,focusesonthemainbearings,gearboxandgeneratorofvibrationsignalforthecollectionofobjectsbasedonthearmprocessorembeddeddataacquisitionsystem.Thesystemcontainsfivevibrationsensorsandtwotemperaturesensor,signalconditioningcircuitandA/Dconvertercircuit.Afterthedesignofthesystem,thedebuggingexperimentisdonetoverifytherapidityandreliabilityofthesystem.

KEYWORDS：

on-linemonitoring;windturbine;gearbox;dataacquisition;ARM

第一章绪论

1.1选题的目的及意义

当前，由于世界经济的快速发展，全球能源供应紧张，环境问题日益突出。

有介于此，人类不得不寻找可再生的清洁能源。

风能具有储存量大，分布广泛，清洁无污染的特点，非常符合目前形势的需求[1]。

风力发电技术作为利用风能的重要途径之一得到了飞速发展，现在已逐渐趋于成熟化。

然而由于风力发电本身条件的限制，风电机组大多安装在人烟稀少等自然环境很恶劣的地方，常年经受极端条件的影响，随着运行时间的延长，这些机组陆续会出现一些故障，比如发电机、齿轮箱、叶片以及控制系统等发生故障，从而导致设备停机，造成严重的经济损失[2][3]。

可是近年我国新增的风力发电机组装机容量正在不断增加，机械结构也越来越复杂，部件间的相互联系也更加紧密，如果其中某一部件出现故障，可能会导致整个机组停机[2]。

为了避免经济的损失，我们需要提高机组运行的可靠性，预防故障，提前发现机组的异常，时刻了解机组的运行状态，把握它的发展趋势。

为此，我们需要利用先进的状态监测手段，来了解风电机组的运行状态与趋势。

从而分析形成的或正在形成的故障，以此来避免由于故障而产生的损失[4]。

我国风电产业发展迅速，发电技术越来越趋于成熟化，但是在线监测系统的发展却非常滞后，不能满足我国风电市场的需求，对风电厂的效率产生了严重的影响[5]。

所以，随着我国风电产业的迅速发展，在线监测系统的研究有着重要的现实意义。

为了解决上述问题，应该着重研究精确数据采集系统，用于为在线监测系统提供可靠的数据来源。

由于风电机组运行环境的要求，数据采系统一定要具有快速性，可靠性，体积小以及低成本的特点，为此本课设便围绕着以ARM为核心的数据采集系统来展开研究。

1.2状态监测在国内外的发展现状

状态监测技术其主要对设备易发生故障区域进行监测，得到监测的数据，然后将数据传输到后台，由后台对所得到的数据进行处理和分析，对数据处理和分析的过程也称为故障诊断技术。

故障诊断与状态监测是一个整体。

状态监测最初是由于航天、军事工业的需求而发展起来的，它起源于20世纪60年代后期美国是研究在线监测技术最早的国家，欧洲和日本随后也认识到了状态监测技术的重要性，积极投入开发。

目前对风电机组监测的主要对象有：

风电机组的主轴轴承，齒轮箱轴承，齿轮箱和发电机前后轴承等[6]。

1.2.1国外发展现状

目前，随着世界对信息技术和计算机技术的不断的发展以及风电技术的不断开拓，国外风机监控技术的研究与应用已逐渐趋于成熟，并建立了较为全面的监测分析系统[7][8]。

如美国的Palomar公司所生产的8000系列的机器监测与保护系统（PalomarSeries8000MachincryMonitoringSystem），它是一种较为典型的状态监测系统。

其中，8000系列主要应用在冶金、电力、机械、化工等行业，它是一种可行性很高的多功能仪表，主要由转速、振动、偏心、轴向位移、热膨胀、油箱油位、阀位这些检测仪组成。

丹麦B&K公司所开发的3560型产品，它是一个具有PULSE多通道的分析系统，这个系统能够提供几乎所有旋转型机械的全自动综合预测性和综合性监测，也可以基于过程参数和振动参数的组来诊断各种轴系的不平衡以及齿轮箱和轴承的故障[9]。

丹麦Vestas（维斯塔斯）公司是世界上具有代表性的风电公司，该公司开发了名为VestasOnline监控系统，这个监控系统主要功能有：

1、对风场进行实时的无功、有功功率控制；2、对气象仪表、风机以及变电站进行控制与监测；3、用图表或文本来提供风电场的性能报告；4、提供生产率报告、综合报告；计算其可利用率；5、浏览风机的实时数据，其中包含风机的运行状态、风力状态、电力状态等；6、平均每隔10分钟会生成一次数据报告，这些数据报告包括标准偏差值、最大值、最小值、平均值等；7、可以提供高级功率的曲线报告，这些报告包括多台风机的离散曲线、参考和风能分布曲线、功率曲线；8、可以实现远程控制一台风机或多台风机[10]。

1.2.2国内发展现状

我国的在线监测技术起步较晚，初期大多引进国外的监测系统，自己开发的监测系统则相对较少。

但由于国外监测系统价格高昂，所以自80年代中后期，我国有关的研究院，高校及企业都对监测系统进行了研究。

截止目前我国在理论研究、测试技术、仪器研制等方面，都取得了很大成果，并开发出了各种性能可靠的旋转机械状态监测系统[11]。

国内比较著名的状态监测系统有：

明阳风电做的EN3600风电机组在线监测系统，其系统采用的是“集散式拓扑结构”。

“集”指的是所有分析功能全都通过建立在风电场的升压站数据服务器系统中的分析监控软件来实现的，“散”指的是数据采集主要通过安装在风机机舱中的传感器、数据采集卡等设备来实现采集过程的。

这个系统一共由三级构成。

第一级是机舱中的采集设备，其中主要包括加速度传感器、数据采集卡、环网交换机、光电转换装置等设备。

第二级为设置于升压站内中控室的数据服务器，所有的分析程序均安装于此服务器中。

第三级是设立在集团中的数据库，这个数据库可以将集团中所有的数据全部都传送到数据中心去[12]。

金风作为国内风电的龙头企业，也开发了相关的监测系统。

如SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition，在线监控与数据采集）系统，这个系统可以实现采集多个风场中多种机型的运行数据并进行监控。

SCADA系统主要由这些设备和系统构成：

前置适配器；监控系统；远程监控系统；代理服务器；远程数据中心。

主要功能有：

根据不同的权限来实时监控风机；对故障进行报警和跟踪分析；绘制风机功率曲线与趋势图；风机一些参数信息的显示；可利用率的计算；任意时段的组合报表都可自动计算；可以对历史的数据进行查询、统计和分析；远程生成图表并分析；提供多种图形及数据的对比分析；对风场的变电站运行情况进行监视与记录；对整个风电场的生产数据做出报表；监视并记录各个测风塔的风速与风向数据；还可以根据测风数据与发电量做出风电场的风功率曲线，并考核风电机组的性能，对前期的可行性进行研究报告并做出最后的评估[13]。

1.2.3存在的问题

整体来说，国外对于风力发电机的在线监测、分析以及诊断都有着较为良好的发展。

近年伴随着人工智能的快速发展，许多新的理论与方法都被引进到在线监测的开发中，从而使得在线监测技术不断的趋于完美。

然而针对目前的在线监测技术来说，大量的数据信息需要可靠的快速的采集并加以处理，但是目前许多数据采集系统依然不能够达到这些要求，其中往往存在许许多多的问题，如系统过于庞大，可靠性低等等。

与此相比基于嵌入式实时操作系统的数据采集系统在高速采集方面有着巨大的优势，尤其在功能复杂及系统庞大的应用中越来越重要。

首先，嵌入式操作系统使得系统的可靠性得到了提高；其次，就嵌入式操作系统而言，它不仅仅使得系统的开发周期得到了缩减，更加提高了系统开发的效率；再次，嵌入式操作系统将32位CPU的多任务能力发挥的非常充分[14]。

基于32位处理器的嵌入式操作系统，不仅具有传统的单片机系统的优点，如低成本、体积小、功耗又低的特点，还有很良好的PC平台开发环境，它的开发资源十分丰富、用户界面也很友好，因此嵌入式操作系统在人机接口、控制算法、多传感器技术等方面具有着非常特殊的优势，所以它在数据采集的领域也有良好的发展前景[15]。

本课题的硬件设计所做的就是基于ARM的嵌入式数据采集系统设计。

1.3本课题的主要研究内容

本课题针对国内外风力发电机组常见的故障，对其传动系统即齿轮箱和发电机安装传感器进行数据采集，主要的研究内容如下：

1、介绍风力发电机组的工作原理，并对其常见故障进行整理与分析。

2、完成测点的选取，传感器的选型，ARM芯片的选型，A/D芯片的选型。

3、完成数据采集系统的电路设计：

信号调理电路，A/D转换电路以及时序设计。

4、对已做好的数据采集系统进行仿真实验，并研究其可行性。

结论：

对本人此次工作的总结，以及对未来工作的展望。

第二章风电机组结构及常见故障

风电机组的主要作用是将风能转化为电能，其大致的工作原理是风流经风轮产生力与力矩推动风轮旋转，在经由齿轮箱加速从而带动发电机发电。

近年随着风力发电机组的大型化以及其所运行的环境，风电机组传动链的故障频率也不断的提高。

其常见的故障主要有：

主轴承故障，齿轮箱故障，联轴器故障及发电机故障。

而设计一套较好的在线监测系统，了解风电机组的工作原理与常见故障是非常有必要的。

2.1风电机组结构及其工作原理

2.1.1风电机组分类

风力发电机组可以按照其功率大小、风轮方向、功率调节方式、传动形式和发电机转速变化等进行分类[16]。

1.按功率大小分

现有风机的容量从几千瓦到几十兆瓦不等，按照容量的大小可以分为大、中、小型风机等。

小型风机一般容量不超过60KW，中型的风机一般为70-600KW，而大型的一般为600-1000KW，一般将超过1000KW的风机称为巨型风机。

风机的单机容量越大他的桨叶也就越长。

2.按风轮轴方向分

按照风力轴的空间方位的不同可以将风电机组分为水平轴型风电机组和垂直轴型风电机组。

水平轴型风电机组是风轮绕一个水平轴进行旋转，旋转面与风向垂直，水平轴型风电机组发电时开机容易，发电效率高，目前绝大多数的风电机组都采用水平轴式的；风轮围绕着一个垂直轴旋转的风机即为垂直轴风力发电机，由于它的结构特点，它可以接受来自任何方向的风，当风向改变的时候，不需要进行对风操作，与水平轴风力机相比它并没有调向装置，结构得到了很大程度上的简化。

然而由于发电效率比较低，一般的风场很少应用这种风机。

3.按功率调节方式分

风力发电机组的功率调节主要有三种：

定浆距风力发电机组、变桨距风力发电机组、主动失速调节风力发电机组。

定浆距风力发电机组的叶片是固定不变的，即整个风电机组是没有变桨系统的，桨距角不会随着风速的变化而变化，风力机的功率调节完全是依靠叶片的失速性能来进行的。

变距桨风力发电机组通过改变叶片的桨距角，来改变叶片上的受力情况，从而改变风轮的转速，保持功率输出的稳定。

主动失速调节风力发电机组兼有以上两种机组的部分特点，既有变桨距功能，又利用了叶片的时速特性，达到机组功率调节的目的。

4.按传动形式分

据风力发电机组的传动形式可以将风电机组分为直驱式风电机组和变速式风电机组。

带有齿轮箱（增速箱）的风电机组称为变速式风电机组，一般风电机组的风轮转速都比较低，而低转速发电机的体积过大，为了减小风电机组的体积，所以在风轮与发电机之间装了一个齿轮箱（增速向）来提高发电机输入轴的转速。

直驱式风力发电机组与变速式风力发电机组相比，它的传动链中少了齿轮箱（增速箱）这一环节，所以与变速式风力发电机组相比，它的优点在于故障率比较低，运行可靠性高。

然而由于风轮转速低的特点，它的体积也相对较大。

5.按发电机转速变化分

按照发电机其转速变化主要分为恒速型、多态变定速以及变速型风力发电机组。

恒速型风机，其发电机转速不会发生变化，发电机的运行一直处于一种转速不变的条件下运行的，这也就是所谓的恒速恒频运行方式。

多态定速，表示在发电机组的机舱中包含有两个或两个以上的发电机，它可以根据不同的风速，将不同大小和数量的发电机投入运行。

变速型风机，其发电机转速是在风速变化的时候发生变化，它与前面的两种风电机组是相对应的，目前主流的大型风机均采用的是变速恒频运行方式。

2.1.2风电机组结构

目前世界上使用最多最广泛的是水平轴式风力发电机组，其主要由叶片、轮毂、机舱、调速器、调向装置、传动机构、机械刹车装置和塔架等组成。

如图2.1所示（图示并无塔架）[17]。

图2.1风电机组结构图

Fig.2.1structurediagramofwindturbine

1.叶片

叶片是风电机组最重要的组成部分之一，它是风电机组中将风能转换为机械能的装置，叶片的气动性能的好坏，直接决定了风能转换效率，它直接影响到风电机组的发电效率。

2.轮毂

轮毂主要用于连接叶片组成风轮，并将风轮与发电机主轴连接起来，它主要起到一个连接与传递风轮力与力矩的作用。

目前大部分的轮毂都采用的是固定式轮毂，但也有部分风机用的是固定铰链式轮毂与自由铰链式轮毂。

3.传动机构

风力发电机组的传动机构一般是由低速轴、齿轮箱、高速轴、联轴器以及发电机构成的。

在大型风力发电组发电的过程中，风轮吸收风能开始带动主轴旋转，由于风轮的转速通常比较低，不能达到发电机需求的转速，故此在主轴与发电机之间需要加入一个齿轮箱来增速，从而达到发电机发电的转速要求[18]。

然而并不是所有的风力发电机的传动机构是由这些构成的，如直驱式永磁发电机，它是风轮直接通过主轴与发电机连接起来的，这种风力发电的传动系统相对于双馈异步风力发电机而言要简单的许多，但是其体积和重量相对较大。

4.调速器和限速装置

调速器和限速装置的主要作用是在不同的风速下保持风力发电机的转速恒定，或者不超过所设计的最高转速值，以此来保证风力机组在额定功率及其以下运行。

尤其是当风速过高的时候，调速器可用于限制功率的输出，减小叶片的载荷，从而能够保证风力发电机组的安全性。

目前调速器和限速装置大概有这么三种：

偏航式、气动阻力式和变桨距式。

而应用最广泛的是变桨距式。

5.调向装置

风力发电机组只有在风轮正对着风向的时候才能将吸收的风能最大化，如果风轮不能正着对风向，那么风轮的有效扫风面积将会减少，从而导致风力发电机组的输出功率下降。

风力发电机组有顺风式与逆风式这两种形式，目前采用的最多的是逆风式。

逆风式风力发电机组是不能够自动的对准风向的，因而必须采用调向装置来使风轮正对着风向，以此来更有效的利用风能。

调向装置最常见的有三种：

尾舵调向、侧风轮调向和风向跟踪装置调向。

一般的大型风机都使用的是风向跟踪调向，即风向标对于每一个风向都会有一个相对应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件来确定其偏航方向和偏航角度，然后将信号传送给偏航电机，偏航电机将带动机舱旋转直至对准风向为止。

6.机械刹车装置

风力机驻车系统一般都具有空气动力学刹车系统和机械刹车系统两套系统。

这两套系统其功能各异，互为补充。

空气动力学刹车是机械刹车的补充，它是风力发电机组的第二安全系统，空气动力学刹车的主要作用只是将风力发电机组的转速限定在允许的范围内。

空气动力学刹车依靠叶片攻角的改变来使叶片的升阻力及力矩发生改变，从而降低风轮的转速。

机械刹车则是依靠机械摩擦使风轮制动。

在风电机组中，机械制动器通常安装在高速轴上，以减小制动转矩，缩小制动器尺寸。

2.1.3风电机组工作原理

当风开始流过风轮的时候，由于叶片的气动性能，风会在叶片上产生力与力矩，这些力与力矩开始带动风轮转动，此时风轮将大自然中的风能转换为机械能。

需要注意的是根据贝茨理论的依据，风能最多只有59.3%的能量能被转换为机械能[19]。

这些被转换的机械能通过主轴即低速轴传送给发电机。

然而由于主轴的转速比较低，不能够直接带动发电机发电，故此在发电机与主轴之间添加了一个齿轮箱，即机低转速高扭矩的能量通过齿轮箱转换为高转速低扭矩的能量。

这些能量再通过齿轮箱的输出轴与发电机的输入轴之间的联轴器传输给发电机，带动发电机的转子转动并切割磁感线，从而产生电能。

2.2风电机组常见故障

风电机组的主要故障多存在于传动系统中，传动系统零部件在运行过程中主要承受交变载荷和冲击载荷的作用，可能产生各种类型的故障。

其中交变载荷会导致承载部件逐渐产生疲劳损伤，疲劳损伤会引起受力部位产生疲劳微裂纹，这些微裂纹随着运行时间的增加，会不断扩展，逐渐连成一片，最终造成局部金属脱落，这类故障主要发生在齿轮、轴承等部位。

这种故障是承受交变载荷零件的必然现象，其通常有一个由小到大，由局部到全面的发展过程[20]。

传动链的主要故障一般分为四类：

主轴承故障、齿轮箱故障、联轴器故障及发电机故障。

2.2.1主轴承组成及常见故障

风电机组的主轴承承载着风轮与主轴的交变载荷，大型风电机组的主轴承一般采用的是双列球面圆柱轴承。

风电机组在运转的过程中，滚动轴承的主要作用是连接外圈与轴承座，并保证主轴的固定性及牢靠性。

由于主轴承承载着风轮与主轴的交变载荷，而这些载荷往往都十分巨大，故此在风力机运行过程中随时都可能会产生各种各样的故障[21]。

滚动轴承常见的故障如下。

1.疲劳点蚀

在风电机组的长期运行过程中，风轮与主轴的交变载荷总是作用在主轴承上，这些交变载荷会对处于点接触或者线接触的滚动体和内、外圈的滚道上面产生周期性的交变应力，当这些交变应力循环达到一定的次数时就会在滚动体或者内、外圈的滚道上产生微裂纹。

随着微裂纹的拓展最终会使金属表面发生脱落即点蚀。

轴承的这种故障会使轴承的传动效率降低并产生噪音。

2.磨损

一般的正常使用的轴承的都能达到它的疲劳寿命，但是由于风电机的工作环境以及人为的安装与维护的过程中，难免会存在外界异物入侵及润滑不良等现象，使轴承不能在理想的环境下运行，这些因素会加剧轴承表面之间的磨损，磨损程度严重时，轴承的表面粗糙度与游隙会增大，这不仅影响了轴承的传动效率，也使得设备的震动和噪声随之增大。

3.胶合

胶合是金属表面之间粘合的现象。

这种现象的产生主要是由于轴承在润滑不足、超载、超速、高温等条件下运行，使得轴承内、外圈滚道与滚动体接触的地方产生高温并发生局部的金属熔焊的现象，最终使设备难以运转。

轻度胶合被称为划痕，而重度胶合则被称为烧轴承。

一般胶合为轴承的严重故障，它会使得设备难以运转，并产生很大的噪音。

4.保持架损坏

保持架是滚动轴承的核心部件，它主要是将滚动体与内、外圈有序的排列好，一般轴承最先损坏的部件往往是保持架。

保持架损坏的原因有很多种，最常见的有润滑不良以及轴承的冲击载荷，润滑不良会增加保持架与滚动体或者内、外圈的摩擦力，使保持架更易磨损与发热，最终使保持架断裂或者烧伤。

2.2.2齿轮箱组成及常见故障

齿轮箱主要由紧缩盘、行星轮、太阳轮、行星轮支架及带内齿的外环这五部分构成。

而齿轮箱常见的故障有：

断齿、点蚀、磨损、胶合、轴系松动、轴系不对中、轴系不平衡、轴承故障以及间隙不合适[22]。

1.断齿

风电机组长期运行在风速不稳定的条件下，因此齿轮箱中的齿轮会不断的受到周期性的交变载荷作用，在这种交变载荷的作用下会使齿轮更容易发生磨损以及轮齿根部会长期受到不稳定的弯曲应力，当弯曲应力超过齿轮材料的抗疲劳强度时，会在齿轮根部产生微裂纹，这些微裂纹随着齿轮箱的继续运行，最终会导致轮齿断裂，降低齿轮箱的传动效率以及在运行时产生噪音。

2.点蚀

轮齿之间是处于面接触与线接触的状态下的，在受到交变载荷的冲击的时候，轮齿的表面上会受到接触应力与摩擦力的作用，这些力作用在轮齿表面上，最终达到材料的