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摘要
全球人口增長和發(fā)展中國家的經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加兩倍。地球上的全部生命都依賴于能源和碳循環(huán)。能源對(duì)經(jīng)濟(jì)級(jí)社會(huì)發(fā)展都至關(guān)重要，但這也帶來了環(huán)境方面的挑戰(zhàn)。我們必須探索能源生產(chǎn)與消費(fèi)的各個(gè)方面，包括提高能效、清潔能源、全球碳循環(huán)、碳資源、廢棄物和生物質(zhì)，還要關(guān)注它們與氣候和自然資源問題之間的關(guān)系。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展是時(shí)代的需要。
在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，基于PLC為主控制器的設(shè)計(jì)是未來的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)基于PLC的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)，旨在保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各類軸承、齒輪箱、風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)正常工作；通過選擇合適的控制方法，使系統(tǒng)能更加穩(wěn)定的運(yùn)行，進(jìn)而可以有效提高風(fēng)力利用率。
設(shè)計(jì)中主要對(duì)發(fā)電機(jī)控制電路、偏航控制電路、風(fēng)輪和齒輪箱及液壓站的運(yùn)行和工作情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并繪制了相應(yīng)的電氣原理圖。在控制電路中還說明了PLC、電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)低壓器件的型號(hào)選擇，繪制了I/O接線圖；在發(fā)電機(jī)控制電路中，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面；偏航電路中，設(shè)計(jì)了對(duì)風(fēng)、解纜功能；在齒輪箱系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了油位控制功能。
同時(shí)在設(shè)計(jì)中還詳細(xì)編寫了各部分的控制程序，并進(jìn)行了相關(guān)調(diào)試，另外利用S7-200仿真軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：可編程控制器；故障監(jiān)測(cè)；控制系統(tǒng)；傳感器；風(fēng)力發(fā)電
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In recent years, by the international and domestic macroeconomic situation, the domestic power supply load growth has slowed down, in a considerable number of thermal power output limited circumstances, wind power is still rapid development momentum, so the fan blades on-line monitoring is significant, because wind power has a short construction period, flexible installed capacity, high reliability, easy operation and maintenance, are renewable clean energy, etc., so that in the future large-scale power plants, wind power has become an inevitable development.
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Abstract
Global 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 brings 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 wind 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 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 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 circuit, 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 simulation, the simulation results meet the design requirements.
Keywords: PLC; fault monitoring; control system;sensor; wind power
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目錄
1前言 1
1.1風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和意義 1
1.2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及目的 1
2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡介 3
2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成 3
2.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成 4
2.3風(fēng)電診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能 5
2.4風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車主要故障 6
2.4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障 6
2.4.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車葉片故障 7
2.4.3風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車軸承主要故障 8
3風(fēng)電故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 9
3.1機(jī)組狀態(tài)特征參數(shù)監(jiān)測(cè) 9
3.1.1氣象參數(shù)監(jiān)測(cè) 9
3.1.2振動(dòng)監(jiān)測(cè) 10
3.1.3轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè) 10
3.1.4溫度監(jiān)測(cè) 11
3.2其他參數(shù)監(jiān)測(cè) 11
3.3控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 12
4 風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì) 13
4.1故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器 13
4.1.1轉(zhuǎn)速傳感器 13
4.1.2溫度傳感器 17
4.1.3振動(dòng)傳感器 20
4.2系統(tǒng)傳感器與系統(tǒng)控制模塊的選型設(shè)計(jì) 22
4.2.1風(fēng)速風(fēng)向傳感器的選型 22
4.2.2 溫度傳感器的選型 22
4.3 PLC概述 27
4.3.1 PLC的發(fā)展歷程 27
4.3.2 PLC的工作原理 27
4.3.3 PLC控制系統(tǒng)接線設(shè)計(jì) 31
4.3.4 PLC擴(kuò)展模塊選擇 32
5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 36
5.1主程序 36
5.2硬件中斷程序 36
5.3梯形圖和指令 37
5.3.1系統(tǒng)啟動(dòng)停止和維護(hù)急停 37
5.4軟件安全設(shè)計(jì) 37
5.4.1容錯(cuò)性設(shè)計(jì) 37
5.4.2軟件權(quán)限設(shè)計(jì) 38
6 經(jīng)濟(jì)性分析 39
7 總結(jié) 40
致謝 41
參考文獻(xiàn) 42
附錄A 外文翻譯 44
附錄B 外文文獻(xiàn) 49
1前言
1.1風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀和意義
隨著投入運(yùn)行的大規(guī)模風(fēng)電場越來越多,運(yùn)行故障也出現(xiàn)了很多，因此所需要的運(yùn)行維護(hù)成本就越來越高，對(duì)風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益造成了很大的影響。由于大部分的風(fēng)電場所處地區(qū)都太過偏遠(yuǎn)，工作環(huán)境既復(fù)雜又惡劣，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障的概率更加大,一旦機(jī)組的關(guān)鍵零部件發(fā)生故障，設(shè)備將會(huì)損壞,甚至導(dǎo)致機(jī)組停機(jī),造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于工作壽命為20年的機(jī)組,要用整個(gè)風(fēng)電場總投入的10% ~15%來作為運(yùn)行維護(hù)的成本，而對(duì)于海上風(fēng)電場來說，整個(gè)比例更是達(dá)到整個(gè)風(fēng)電場總投入的20% ~25%之高。因此,建立風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的降低，對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的維護(hù)有非常重要的意義。
近年來,風(fēng)能作為一種綠色能源在世界能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著愈來愈重要的作用,風(fēng)電裝備也因此得到迅猛發(fā)展。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)(WWEA)的報(bào)告,截止2009 年底,全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量占全球電力消耗量的2% ,根據(jù)目前的增長趨勢(shì),預(yù)計(jì)到2020年底,全球裝機(jī)容量至少為MW,是2009年的10倍。在“九五冶期間,我國風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)快速發(fā)展,過去十年中,我國的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量以年平均55% 的速度高速增長,2010年已達(dá)1000萬kW。
狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷可以有效監(jiān)測(cè)出傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等的內(nèi)部故障,優(yōu)化維修策略、減少非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)和降低機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)集合了信號(hào)采集、在線監(jiān)測(cè)以及信號(hào)分析等功能;能對(duì)系統(tǒng)的各種機(jī)械參數(shù)和電氣參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,從而正確定位各系統(tǒng)的故障。
1.2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及目的
在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理的分析以后，結(jié)合實(shí)際工作條件，選擇出需要監(jiān)測(cè)和診斷部件，設(shè)計(jì)安裝傳感器位置，建立在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的硬件平臺(tái)。
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結(jié)合工程實(shí)際研究傅里葉變換、小波理論在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。將從風(fēng)力發(fā)電機(jī)采集到的實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定處理，再將其導(dǎo)入分析軟件中的進(jìn)行一定變換和處理，得到相應(yīng)的振動(dòng)波形圖。在各種波形圖分析中，獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相應(yīng)工作狀態(tài)，以達(dá)到在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的目的。
主要內(nèi)容包括：
（1） 首先介紹本文的研究背景和意義，其次分析國內(nèi)、外的研 究現(xiàn)狀，最后給出；
（2）了本文的研究內(nèi)容、研究方法和結(jié)構(gòu)組織。主要介紹風(fēng)力發(fā)電故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制及要求；
（3）從總體上介紹風(fēng)力發(fā)電故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案選型設(shè)計(jì)，并對(duì)各部分的選型比較進(jìn)行了闡述；
（4）詳細(xì)介紹風(fēng)力發(fā)電故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
（5）對(duì)本文的工作進(jìn)行總結(jié)，并在總結(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)下一步工作進(jìn)行展望。
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2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡介
2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成
風(fēng)力發(fā)電廠通常處于高山、荒原和海岸等氣候變化明顯，特別是風(fēng)速和風(fēng)向變化明顯的地帶，而裝有發(fā)電設(shè)備的狹小機(jī)艙又安裝在高高的塔架上，由于風(fēng)速和風(fēng)向不斷的變化，甚至有時(shí)會(huì)發(fā)生特別激烈的變化，使得各個(gè)部件隨時(shí)承受著嚴(yán)重的載荷作用，導(dǎo)致故障的概率就高出地面設(shè)備幾倍之多。而且在機(jī)艙內(nèi)對(duì)故障進(jìn)行處理也非常困難，大多數(shù)情況下需要?jiǎng)佑么笮推鹬貦C(jī)械，花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)其零部件要求及其嚴(yán)格，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選用材料、加工工藝和質(zhì)量控制等方面的要求都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通設(shè)備。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)分為風(fēng)輪（包括葉片、輪轂和變槳距系統(tǒng)）、機(jī)艙（包括傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）、塔架和基礎(chǔ)等極大部分。圖2-1為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備示意圖。機(jī)械傳動(dòng)、偏航、液壓、制動(dòng)、發(fā)電機(jī)和控制等系統(tǒng)大部分都裝在機(jī)艙內(nèi)部，機(jī)艙外伸部分則是輪轂支撐的風(fēng)輪。偏航機(jī)構(gòu)直接安裝在機(jī)艙底部，機(jī)艙通過偏航軸承與偏航機(jī)構(gòu)連接，并安裝在塔架上，可以隨時(shí)依據(jù)風(fēng)向變化調(diào)整迎風(fēng)方向。
圖2-1風(fēng)力發(fā)電設(shè)備示意圖
Fig.2-1 Schematic view of a wind power plant
支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架建立在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，塔頂法蘭與偏航軸承的固定全連接，塔架底部與基礎(chǔ)牢固結(jié)合。用鋼筋混凝土支撐的塔架基礎(chǔ)必須保證機(jī)組在極端惡劣的氣象條件下能夠保持塔筒垂直，是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。
風(fēng)電機(jī)組的主要部件布置要保證機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，機(jī)頭（機(jī)艙與風(fēng)輪）重心與塔架和基礎(chǔ)中心相同，整個(gè)機(jī)艙底部與塔架的連接要能夠抵御風(fēng)輪對(duì)塔架造成的動(dòng)力負(fù)載和疲勞負(fù)荷作用。
機(jī)艙外殼是玻璃纖維和環(huán)氧樹脂支撐的機(jī)艙罩，具有成本低、重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能有效地防雨、防潮和抵御鹽霧、風(fēng)砂的侵蝕。機(jī)艙上安裝有散熱器，用于齒輪箱和發(fā)電機(jī)的冷卻；有的機(jī)艙內(nèi)還安裝有加熱器，在冬季寒冷的環(huán)境下，用來保持機(jī)艙內(nèi)適當(dāng)?shù)臏囟龋欣跈C(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成
(l)主電路
主電路是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主配電系統(tǒng),主要完成發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)(包括無功功率補(bǔ)償裝置、軟并網(wǎng)控制裝置)、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī)、電磁閥等)與控制回路的連接。當(dāng)中心控制器PLC發(fā)出控制指令時(shí),由主電路將發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)中的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接為強(qiáng)電控制回路并提供電源,電源等級(jí)較多(如交流690V、400V、22oV、24V、直流24V),同時(shí)將反饋信號(hào)(如接觸器吸合、斷路器脫扣等反饋信
號(hào))送到中心控制PLC對(duì)接觸器、電動(dòng)機(jī)、供電電源等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
(2)控制電路
控制電路是由PLC中心控制器及其功能擴(kuò)展模塊組成。主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行控制、機(jī)組各部分的安全保護(hù)、故障檢測(cè)及處理、修改運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)記錄顯示以及人工操作,配置的通訊接口實(shí)現(xiàn)就地通訊和遠(yuǎn)程通訊等。
(3)傳感器及通訊接口
傳感器主要包括風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、振動(dòng)加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、偏航位置傳感器、壓力開關(guān)、紐纜開關(guān)等,用于采集和監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中的各種運(yùn)行參數(shù),包括風(fēng)向、風(fēng)速、液壓系統(tǒng)壓力、葉尖壓力、液壓油位、齒輪油壓力、齒輪油位及齒輪油溫度、剎車磨損、機(jī)組振動(dòng)、紐纜、發(fā)電機(jī)及其軸承溫度以及發(fā)電機(jī)和葉輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)輪獲取的空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送到電網(wǎng)中。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本要求是能在風(fēng)電場所處的氣候和環(huán)境條件下長期安全運(yùn)行，以較低的成本獲取最大的年發(fā)電量。
2.3風(fēng)電診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能
（1）在線監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)鏈（主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)）上各軸承、
齒輪的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)軸承、齒輪故障的早期征兆，精確定位故障部件、故障類型以及嚴(yán)重程度，并通過故障診斷專家系統(tǒng)軟件自動(dòng)報(bào)警或提示；
（2)在線監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件垂直與水平方
的振動(dòng)，故障診斷專家系統(tǒng)軟件能自動(dòng)基于VDI3834 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)超限報(bào)警或提示；
(3)在線監(jiān)測(cè)齒輪箱輸出軸與發(fā)電機(jī)輸入軸的動(dòng)態(tài)不對(duì)中、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸動(dòng)不平衡狀態(tài)，實(shí)時(shí)繪制振動(dòng)的時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)波形和不對(duì)中軸心軌跡圖；
(4)在線監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)聯(lián)軸器的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器的早期失效征兆；
(5)在線監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)接地電刷接觸異常以及電刷、滑環(huán)的磨損情況；
(6)故障診斷專家系統(tǒng)在接入功率、風(fēng)速等信號(hào)時(shí)具有基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況與故障危害程度的多物理量聯(lián)合診斷與綜合決策功能；
(7)機(jī)載主機(jī)具有離線采集功能：當(dāng)機(jī)載裝置采集模塊與計(jì)算機(jī)或服務(wù)器通信中斷時(shí)，采集模塊仍然可以自動(dòng)的進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)通訊恢復(fù)后自動(dòng)與計(jì)算機(jī)或服務(wù)器進(jìn)行連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；
(8)系統(tǒng)具有機(jī)載裝置自診斷功能，系統(tǒng)上電后和設(shè)定定時(shí)對(duì)機(jī)載裝置進(jìn)行功能自檢，并能夠發(fā)出監(jiān)測(cè)裝置設(shè)備工況功能（部件）故障或錯(cuò)誤報(bào)警。
(9)系統(tǒng)內(nèi)嵌有主流雙饋、半直驅(qū)、直驅(qū)機(jī)型傳動(dòng)鏈滾動(dòng)軸承、齒輪等故
障特征數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫軸承、齒輪及報(bào)警門限等輸入?yún)?shù)對(duì)用戶公開并可進(jìn)行編輯；
(10)系統(tǒng)應(yīng)具有用戶友好的人機(jī)界面，方便用戶操作，可方便設(shè)定設(shè)備狀態(tài)多級(jí)報(bào)警值，同時(shí)可以輸出不同的統(tǒng)計(jì)信息，包括報(bào)警次數(shù)統(tǒng)計(jì)與分布報(bào)告、儀器自檢報(bào)告、自動(dòng)診斷結(jié)果報(bào)告等。輸出報(bào)表支持Word格式；
(11)系統(tǒng)應(yīng)能提供數(shù)據(jù)的時(shí)域波形圖、頻譜圖、共振解調(diào)譜圖、棒圖、軸心軌跡圖、趨勢(shì)圖等，方便進(jìn)行人工輔助數(shù)據(jù)分析與故障診斷；
(12)系統(tǒng)支持Windows自帶遠(yuǎn)程工具或Web遠(yuǎn)程訪問功能，能通過地面系統(tǒng)分析軟件或?yàn)g覽器遠(yuǎn)程瀏覽風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)；
(13)系統(tǒng)可擴(kuò)展齒輪箱主軸或高速軸的軸向竄動(dòng)監(jiān)測(cè)功能；
(14)系統(tǒng)可擴(kuò)展架晃動(dòng)、固有頻率變化及葉輪動(dòng)不平衡狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。
(15)系統(tǒng)可擴(kuò)展語音報(bào)警提醒和短信報(bào)警功能。
2.4風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車主要故障
2.4.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要分為三類
（1）雙饋式變槳變速機(jī)型，是現(xiàn)如今許多企業(yè)采用的主流機(jī)型；
（2）直驅(qū)永磁式變槳變速機(jī)型，是近些年崛起的新型機(jī)型，是未來風(fēng)電的發(fā)展方向之一；
（3）失速定槳定速機(jī)型是非主流機(jī)型，方便進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)。
風(fēng)電機(jī)組的核心部件是發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并為電氣系統(tǒng)供電。隨著風(fēng)力機(jī)容量的增大，發(fā)電機(jī)的規(guī)模也開始逐步的擴(kuò)大，使得對(duì)發(fā)電機(jī)的密封保護(hù)受到制約。發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行于變工況和電磁環(huán)境中，容易發(fā)生故障。常見的故障模式有發(fā)電機(jī)振動(dòng)過大、發(fā)電機(jī)過熱、軸承過熱、轉(zhuǎn)子/定子線圈短路、轉(zhuǎn)子斷條以及絕緣損壞等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)電機(jī)的所有故障中，軸承的故障率為40%，定子的故障率為38%，轉(zhuǎn)子的故障率為10%，其他故障占12%。
根據(jù)發(fā)電機(jī)的故障特點(diǎn)，采用的診斷方法主要是基于轉(zhuǎn)子/定子電流信號(hào)、電壓信號(hào)以及輸出功率信號(hào)等狀態(tài)檢測(cè)手段。POPA等借助定子電流和轉(zhuǎn)子電流信號(hào)的時(shí)域分析得到其幅值信息，再通過FFT得到電流信號(hào)的諧波分量，最后通過判斷諧波分量的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)3種模擬故障的識(shí)別。WATSON等借助連續(xù)小波變換，對(duì)輸出功率信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心故障和軸承故障。DJUROVIC等研究了穩(wěn)態(tài)狀況下，短時(shí)傅里葉變換方法在發(fā)電機(jī)定子開環(huán)故障中的應(yīng)用。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然基于定子電流和瞬時(shí)功率的診斷方法均可識(shí)別出故障，但瞬時(shí)功率信號(hào)中包含了更多的故障信息。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心現(xiàn)象是軸承過度磨損或其他故障隱患的表現(xiàn)?；谳敵鲭娏?、電壓、功率等信號(hào)的檢測(cè)方法是識(shí)別轉(zhuǎn)子偏心故障的有效手段。此外，MOHANTY等針對(duì)多級(jí)齒輪箱研究通過解調(diào)異步發(fā)電機(jī)的電流信號(hào)來診斷齒輪箱故障。
另外，BENNOLrNA等在變轉(zhuǎn)速下建立了基于多項(xiàng)式的雙饋式異步發(fā)電機(jī)線性與非線性數(shù)學(xué)模型，利用故障特征分析法檢測(cè)出了轉(zhuǎn)子偏心故障，但是此方法也僅能對(duì)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障類型進(jìn)行判斷，而不能準(zhǔn)確找出故障源。YANG針對(duì)同步發(fā)電機(jī)為消除變轉(zhuǎn)速的影響，提出了基于轉(zhuǎn)矩和主軸轉(zhuǎn)速的判斷準(zhǔn)則。模擬定子繞組線圈的短路，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組電流/功率信號(hào)，先用離散小波去除噪聲，再使用連續(xù)小波提取特征頻率，有效地識(shí)別出了故障。
2.4.2風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車葉片故障
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常安裝在野外比較惡劣的環(huán)境中，經(jīng)常處于無人值守的狀態(tài)，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)尤為重要。由于環(huán)境因素，導(dǎo)致機(jī)體各部件故障率較高，葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要部件之一，對(duì)其故障監(jiān)測(cè)十分必要，一旦出現(xiàn)故障，如果處理不及時(shí)，葉片就會(huì)很快的斷裂。輕則造成停機(jī)，重則燒壞機(jī)組，影響正常供電，造成難以挽回的損失.
風(fēng)機(jī)葉片故障可分為裂紋、凹痕和破損等類型，葉片的振動(dòng)形式主要包括擺振、揮舞振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和復(fù)合振動(dòng)，葉片的故障信息通常依靠現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行反應(yīng)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障中，突變信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)往往會(huì)伴隨故障存在。理論上講，當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋時(shí)，振動(dòng)信號(hào)中會(huì)伴隨有較強(qiáng)的高頻沖擊波，并且這些離散的故障信號(hào)是可能存在任意頻段內(nèi)的。
故障診斷常用方法有時(shí)域分析方法和頻域分析方法，時(shí)域分析方法主要研究不同時(shí)刻信號(hào)之間的關(guān)系，對(duì)于某些有明顯特征的故障信號(hào)，可做出定性分析。頻域分析方法通過研究波形的諧波分量來識(shí)別多種頻率成分。這兩種方法都具有單一性，而小波分解方法具有局部化分析的功能，在時(shí)域和頻域都能快速定位。小波分解在低頻部分，可以采用寬的時(shí)間窗，頻率分辨力則大大增強(qiáng); 在高頻部分則采用寬的時(shí)間窗，頻率分辨力則會(huì)減弱。小波分解方法的這種特性非常適合非平穩(wěn)信號(hào)的故障診斷。
2.4.3風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車軸承主要故障
風(fēng)電機(jī)組主要零部件的可靠性研究表明，在風(fēng)電機(jī)組的故障中電氣和控制系統(tǒng)故障率最高，傳動(dòng)系統(tǒng)如齒輪箱、主軸承等故障率相對(duì)較低。但進(jìn)一步的研究表明電氣和控制系統(tǒng)的故障容易排除，停機(jī)時(shí)間短，并且也不需要吊車等輔助工具。從機(jī)組故障引發(fā)的停機(jī)時(shí)間、維護(hù)費(fèi)用和是否容易造成的繼發(fā)故障等角度分析，與電氣和控制系統(tǒng)相比，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警維護(hù)更為重要。
軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵部件，也是風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的非軸承如齒輪箱、槳葉等故障，亦多是由軸承故障引起或可在軸承的運(yùn)行狀態(tài)中得到反映。因此對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷和運(yùn)行維護(hù)具有重要的意義。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)用軸承大致可以分為四類：變槳軸承、偏航軸承、傳動(dòng)系統(tǒng)軸承(主軸和變速箱軸承)和發(fā)電機(jī)軸承。偏航軸承安裝在塔架與座艙的連接部，變槳軸承安裝在每個(gè)葉片的根部與輪轂連接部位(除部分小功率兆瓦級(jí)以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為不可調(diào)槳葉，無變槳軸承外，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備用一套偏航軸承和三套變槳軸承)，主軸連接輪轂和齒輪箱，都是低速重載軸承，其中偏航和變槳軸承還是不完全旋轉(zhuǎn)軸承。齒輪箱為增速箱，將葉輪的低速變?yōu)檩斎氲桨l(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速，二者的軸承與通常的發(fā)電機(jī)組除了在使用壽命和可靠性方面要求較高，并沒有其他的區(qū)別。
目前的實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)電軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別的方法主要有基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA，Supervisory Control And Data Acquisition)的方法，基于振動(dòng)分析、潤滑油檢測(cè)的方法，基于聲音、紅外圖像的方法以及多種方法相結(jié)合等方法。
3 風(fēng)電故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
3.1 機(jī)組狀態(tài)特征參數(shù)監(jiān)測(cè)
3.1.1氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)
（1）風(fēng)向風(fēng)速傳感器
風(fēng)速和風(fēng)向是風(fēng)電場的核心氣象參數(shù)，也是風(fēng)力發(fā)電必須關(guān)注的信息。風(fēng)向風(fēng)速傳感器用于測(cè)量當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向風(fēng)速，其測(cè)量到的瞬時(shí)風(fēng)向風(fēng)速，經(jīng)計(jì)算處理可輸出瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向值、 平均風(fēng)速風(fēng)向值、 最大風(fēng)速以及極大風(fēng)速等數(shù)據(jù)。如果風(fēng)電場風(fēng)速或風(fēng)向發(fā)生變化，風(fēng)向風(fēng)速傳感器就會(huì)把感測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制偏航驅(qū)動(dòng)裝置將機(jī)艙定位到合適的位置。一般將其安裝在機(jī)艙頂上打有安裝孔的支架上，當(dāng)屏蔽電纜穿過安裝孔后，用六角螺母固定；也可根據(jù)安裝需要設(shè)計(jì)特殊安裝方式。
目前國內(nèi)外風(fēng)向風(fēng)速傳感器可以分為3類。第一類為螺旋槳式風(fēng)向風(fēng)速傳感器； 第二類為風(fēng)速是三杯式、風(fēng)向是單翼式的風(fēng)向風(fēng)速傳感器；第三類為超聲波風(fēng)向風(fēng)速傳感器。螺旋槳式風(fēng)向風(fēng)速傳感器精度較差，動(dòng)態(tài)性能一般；超聲波風(fēng)向風(fēng)速傳感器目前應(yīng)用還不太成熟。徐明、朱慶春的《風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量儀設(shè)計(jì)》一文分別介紹了風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器和單翼式風(fēng)向傳感器的工作原理。風(fēng)向標(biāo)安裝在機(jī)艙頂部兩側(cè)，主要測(cè)量風(fēng)向與機(jī)艙中心線的偏差角。一般采用兩個(gè)風(fēng)向標(biāo)，以便互相校驗(yàn)，排除可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)風(fēng)向信號(hào)起動(dòng)偏航系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)風(fēng)向標(biāo)不一致時(shí)，偏航會(huì)自動(dòng)中斷。當(dāng)風(fēng)速低于3 m/s時(shí)，偏航系統(tǒng)不會(huì)起動(dòng)。一般來說，風(fēng)向風(fēng)速傳感器應(yīng)滿足以下要求。
（a）工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貧鉁貤l件，且易于現(xiàn)場安裝維護(hù)。風(fēng)杯和方向標(biāo)可采用不銹鋼、增強(qiáng)碳纖維等高強(qiáng)度、防腐蝕且防水的材料制成，可以在惡劣條件下使用。
（b）采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，在接錯(cuò)線的情況下傳感器不會(huì)損壞；具有過流過壓保護(hù)。
（c）采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)精度高，可靠性強(qiáng)。風(fēng)速測(cè)量范圍寬：0～60 m/s，誤差范圍在0.5 m/s以內(nèi)；起動(dòng)風(fēng)速應(yīng)較低（約0.5 m/s）。
（d）風(fēng)向測(cè)量范圍為0～360 °，精度在2.5 °以內(nèi)。風(fēng)向測(cè)量起動(dòng)風(fēng)速低（約0.5 m/s）。
（2） 其他參數(shù)監(jiān)測(cè)
風(fēng)電場溫度、濕度、氣壓和降雨量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)也具有重要意義。常用的溫度傳感器為金屬熱電阻式傳感器。金屬熱電阻的感溫部分是由純金屬制成的，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，熱電阻材料的電阻值隨溫度變化，用測(cè)量電路可將變化的電阻值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)并輸出，從而得到被測(cè)溫度值。電容式濕度傳感器是利用物質(zhì)吸附水汽后，其電解質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量改變的特性。
3.1.2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)
對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，振動(dòng)是其在運(yùn)行過程中必然發(fā)生的現(xiàn)象，并且是很明顯的現(xiàn)象，它包含了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中大量的信息。當(dāng)齒輪箱等設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，故障信息必然包含在振動(dòng)信號(hào)中，因此通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)與分析，我們可以確定設(shè)備的故障狀況。另外，關(guān)于振動(dòng)理論在故障診斷中的研究也非常成熟。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)極其重要。
盛兆順、尹琦嶺的《設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)與應(yīng)用》一文介紹了有關(guān)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和布置的原則。實(shí)際進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量時(shí)，傳感器安裝位置不同，所得到的測(cè)量值會(huì)有較大的差異。因此，最好的辦法是對(duì)各測(cè)點(diǎn)做出標(biāo)記，以保證每次測(cè)定的部位不變。另外，還應(yīng)注意測(cè)定部位表面是否光滑潔凈，避免臟物對(duì)振動(dòng)傳遞造成衰減。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)頻帶較寬，應(yīng)將所測(cè)的振動(dòng)按頻帶分級(jí)，然后根據(jù)不同的頻率范圍選擇相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)。對(duì)于低頻帶進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般選用位移傳感器和振動(dòng)位移參數(shù)；中頻段一般選用速度傳感器和振動(dòng)速度單位；高頻帶選用加速度傳感器和加速度單位。結(jié)合風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，王之華在《基于Lab VIEW的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》一文中對(duì)傳感器的選型和布置進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
3.1.3 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)
轉(zhuǎn)速變化與機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)有著非常密切的關(guān)系，它不僅表明了機(jī)組負(fù)荷，而且設(shè)備振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)速有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，通常轉(zhuǎn)速也會(huì)有相應(yīng)的變化。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的測(cè)量點(diǎn)有兩個(gè)：即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速750r/min和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速15.4~18.1r/min。轉(zhuǎn)速測(cè)量信號(hào)用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)和脫網(wǎng)，還可用于起動(dòng)超速保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n1或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值n2時(shí)，超速保護(hù)動(dòng)作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以相互校驗(yàn)。如果不符，則提示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障。
監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速首先要獲得與轉(zhuǎn)速同步的脈沖信號(hào)，為了實(shí)際上得到作為速度測(cè)試的脈沖信號(hào)，工程上通常用渦流傳感器。韓捷、張瑞林、關(guān)惠玲等在《旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理及診斷技術(shù)》一文中介紹了渦流傳感器的原理，并且列出了安裝傳感器時(shí)應(yīng)注意的問題。常用的轉(zhuǎn)速傳感器還有非接觸磁電式脈沖傳感器和光電感應(yīng)式脈沖編碼器等。
3.1.4 溫度監(jiān)測(cè)
用于反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀況的溫度測(cè)點(diǎn)一般為8個(gè)：齒輪箱油溫、高速軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組溫度、前主軸承溫度、后主軸承溫度、控制盤溫度(主要是晶閘管的溫度）、機(jī)艙環(huán)境溫度、制動(dòng)片溫度。溫度過高將使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行，在溫度降至允許值時(shí)，仍可自動(dòng)起動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。齒輪箱內(nèi)一側(cè)裝有Pt100溫度傳感器。運(yùn)行前，保證齒輪油溫＞0 ℃，否則加熱到10 ℃再運(yùn)行。發(fā)電機(jī)的三相繞組及前后軸承里面各裝有一個(gè)Pt100溫度傳感器，發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下的溫度為130～140 ℃，一般在額定功率下運(yùn)行5～6h后達(dá)到這一溫度。
變頻柜內(nèi)和模塊內(nèi)部均內(nèi)置加熱器，且配置有溫度和濕度傳感器，對(duì)抗低溫和高濕環(huán)境。所有線路板均帶有防腐涂層，柜體防護(hù)等級(jí)為IP54，保證了變頻器在惡劣環(huán)境下的可靠工作。
3.2 其他參數(shù)監(jiān)測(cè)
電網(wǎng)頻率作為衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)，需加以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。測(cè)量值經(jīng)平均值算法處理與電網(wǎng)上、下限頻率進(jìn)行比較，超出時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)。電網(wǎng)頻率直接影響發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)出力?？刹捎脝纹瑱C(jī)、DSP和鎖相環(huán)等進(jìn)行電網(wǎng)頻率測(cè)量。
功率因數(shù)通過分別測(cè)量電壓相角和電流相角獲得，經(jīng)過移相補(bǔ)償算法和平均值算法處理后，用于統(tǒng)計(jì)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率。目前已有儀表專門用于監(jiān)測(cè)相角，如基于GPS 的相角測(cè)量裝置、數(shù)字雙鉗相位伏安表等。
本次監(jiān)測(cè)的主要物理量有風(fēng)機(jī)葉片的的應(yīng)力應(yīng)變、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、風(fēng)速、風(fēng)壓（壓力分布）、溫度等。
3.3控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
參考當(dāng)下控制系統(tǒng)的使用，可選擇PLC控制系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)，
單片機(jī)控制：優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對(duì)較低；缺點(diǎn)，用單片機(jī)制作的主控板受制版工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差，故障率高，不易擴(kuò)展，對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng),開發(fā)周期長。一個(gè)采用單片機(jī)制作的主控板不經(jīng)過很長時(shí)間的實(shí)際驗(yàn)證很難形成一個(gè)真正的產(chǎn)品。
PLC控制：優(yōu)點(diǎn)：PLC是經(jīng)過幾十年實(shí)際應(yīng)用中檢驗(yàn)過的控制器，其抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開發(fā)周期短。缺點(diǎn)：成本相對(duì)單片機(jī)要高！
所以，綜上所述，本系統(tǒng)選用PLC控制系統(tǒng)。總體控制方案方案設(shè)計(jì)圖如圖3-1所示
圖3-1 系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)圖
Fig.3-1 The overall control system design scheme
4 風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)
4.1 故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組異?；蛘叱霈F(xiàn)故障時(shí)，一般情況下都會(huì)伴隨著輸出參數(shù)的變化，如齒輪箱振動(dòng)與噪聲、齒輪箱油溫等狀態(tài)特征參數(shù)或者電網(wǎng)電壓、電流等電氣參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，操作人員從這些參數(shù)的提示中判斷風(fēng)電系統(tǒng)的整體性能或部分機(jī)械的故障情況，就可以預(yù)防設(shè)備疲勞運(yùn)行，輔助查找故障根源，減少維修保養(yǎng)費(fèi)用，還能延長風(fēng)機(jī)使用壽命。
傳感器則負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量，送至信號(hào)變換與處理模塊進(jìn)行處理之后，參數(shù)就可以在上位機(jī)進(jìn)行顯示與記錄。而風(fēng)力發(fā)電風(fēng)車故障檢測(cè)系統(tǒng)中所用到的傳感器，主要分為如下幾種：
4.1.1轉(zhuǎn)速傳感器
（1）旋轉(zhuǎn)傳感器
由磁芯的N極出來的磁力線通過鐵罩進(jìn)入S極，形成開磁路形狀態(tài)的磁性回路。在磁鼓的旋轉(zhuǎn)面上安裝一塊小鐵片，當(dāng)磁鼓旋轉(zhuǎn)通過傳感器下面時(shí)，則由于瞬時(shí)閉磁回路導(dǎo)致磁通量急變，從而在線圈的兩端產(chǎn)微小的脈沖電壓。其工作原理見圖2-1，旋轉(zhuǎn)傳感器工作原理圖
圖4-1 旋轉(zhuǎn)傳感器工作原理圖
Fig.4-1 Rotation sensor operating principle
（a）PR9373和PR9375型轉(zhuǎn)速傳感器
這種傳感器可用余額測(cè)量電渦流型非接觸轉(zhuǎn)速。PR9375型還可用于獲取起停止信號(hào)或驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備。
詳細(xì)參數(shù)如表4-1，PR9373型轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)
表4-1 PR9373型轉(zhuǎn)速傳感器參數(shù)
Table 4-1 PR9373 type speed sensor parameters
型號(hào)
PR9373
PR9375
測(cè)量范圍（kHz）
工作距離（mm）
電源電壓（VDC）
溫度范圍（℃）
電纜長（m）
外形尺寸（mm）
0～5
1～2
6～27
-20～100
3
140×120
0～1.5
2.5～3.5
10～25
-20～70
2
Φ24×185
PR9131型傳感器詳細(xì)參數(shù)
表4-2 PR9131型傳感器詳細(xì)參數(shù)
Table 4-2 PR9131type speed sensor parameters
型號(hào)
PR9131/10
PR9131/20
用途
測(cè)量原理
測(cè)量范圍（Hz）
觸發(fā)對(duì)象
電磁
10～17000
磁性材料
光電
1～14000
黑白相間區(qū)
用于非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速或出發(fā)閃頻儀
工作距離（mm）
溫度范圍（℃）
0.5～5
-20～60
以上PR型轉(zhuǎn)速傳感器廠商名稱 Philips（荷蘭）
（b）GD型回轉(zhuǎn)不均勻傳感器
該傳感器是有慣性元件、彈性元件和阻尼元件組成的具有磁滯阻尼的單自由度扭振系統(tǒng)。當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)際上是理想的加速度為零的勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭振系統(tǒng)，它與待測(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不均勻回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相比較，差值即是待測(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差。
十字彈簧鉸鏈位于儀器中心，一端與定子相連，另一端與扭振系統(tǒng)連接，其中兩組片簧很薄，故可得到較小的扭轉(zhuǎn)剛度。扭振系統(tǒng)兩端有足夠大的振動(dòng)質(zhì)量塊，故可獲得較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。阻尼裝置是利用永久磁鐵在阻尼片中產(chǎn)生渦流，從而得到跟速度成正比的合適阻 尼。鎖緊裝置用于保護(hù)扭振系統(tǒng)，避免由于運(yùn)輸和使用時(shí)的沖擊導(dǎo)致?lián)p壞。電感裝置用于將待測(cè)的角位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并輸入到放大器中。限程裝置用于控制儀器測(cè)量范圍，以及指示超程、測(cè)量錯(cuò)誤。
幾種GD型回轉(zhuǎn)不均勻傳感器詳細(xì)參數(shù)見表4-3，GD型回轉(zhuǎn)不均勻傳感器。
表4-3 GD型回轉(zhuǎn)不均勻傳感器
Table 4-3 GD type rotary unevenness sensor
型號(hào)
參數(shù)
最大誤差
（″）
最小誤差
（″）
可測(cè)誤差頻域（Hz）
固有頻率（Hz）
可測(cè)
傳動(dòng)比
使用轉(zhuǎn)速
（°/s）
參考價(jià)格（萬元）
GD9
GD18
GD40
1000
1400
1000
0.2
0.1
0.04
3～1000
1～400
0.3～200
3
1
0.3
1～1000
1～1000
1～1000
≤1000
≤600
≤120
6
GD型回轉(zhuǎn)不均勻傳感器有如下兩種主要用途：
（a）測(cè)量傳動(dòng)鏈的動(dòng)態(tài)傳動(dòng)精度。將兩個(gè)傳感器置于傳動(dòng)鏈的兩端。即可測(cè)出該段傳動(dòng)連的傳動(dòng)高精度，從而可分析出各傳動(dòng)件的傳動(dòng)誤差。因此，用傳感器可監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)傳動(dòng)過程。并可通過反饋修正誤差，從而提高傳動(dòng)精度。
（b）監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)件絕對(duì)回轉(zhuǎn)不均勻性，評(píng)定誤差大小，分析產(chǎn)生誤差的部位。
GZ600轉(zhuǎn)速傳感器
GZ600轉(zhuǎn)速傳感器可與任一轉(zhuǎn)速表傳感器配套，并借助磁記錄器或數(shù)字計(jì)數(shù)來測(cè)記飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或其他機(jī)械旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。
配套傳感器主要參數(shù)見表4-4，GZ600配套傳感器參數(shù)
表4-4 GZ600配套傳感器參數(shù)
Table 4-4 GZ600 supporting sensor parameters
配套傳感器
測(cè)量轉(zhuǎn)速
（r/min）
輸出脈沖
（個(gè)/s）
誤差
（個(gè)/s）
GZT-2
10～105%
5000～52500
±50
GZ-2
2000～15000
5000～37500
±50
生產(chǎn)廠家 中國飛行試驗(yàn)研究中心（西安）
（c）SZGB-3型和SZGB-20型光電轉(zhuǎn)速傳感器
SZGB-3型光電轉(zhuǎn)速傳感器主要用于單向計(jì)數(shù)器，可測(cè)量轉(zhuǎn)速和線速度，SZGB-20型光電轉(zhuǎn)速傳感器主要用于雙向計(jì)數(shù)器，可測(cè)量位移。它們的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)是密封結(jié)構(gòu)，故性能穩(wěn)定；光源用紅外發(fā)光管，故功耗小，壽命長。原理和結(jié)構(gòu)圖如圖4-3圖4-4所示。
圖4-2 原理圖
Fig. 4-2 Schematics
圖4-3 結(jié)構(gòu)圖
Fig. 4-3 Structure of SZGB
兩種傳感器詳細(xì)參數(shù)如表4-5，SZGB型傳感器
表4-5 SZGB型傳感器
Table 4-5 SZGB sensor
指標(biāo)
型號(hào)
SZGB-3型（單向）
SZGB-20型（雙向）
輸出波形
方波
相位差為90°±30°的兩相矩形波
輸出信號(hào)幅值
“1”≈電源電壓
“0”≈0V
“1”＞10V
“0”≤1V
輸出脈沖數(shù)
10…，20…，30…，60…，120…，180…，240…，300…，360…，420…，480…，500…，600
10…，20…，30…，60…，120…，180…，240…，300…，360
最高工作頻率（kHz）
10
5
最高轉(zhuǎn)速（r/min）
≤10000
6000
供電電源
12VDC，20mA
12VDC，60mA
工作條件
0～+45℃；≤85%RH
0～+45℃；≤85%RH
重量（kg）
1.9
1.7
廠商名稱 上海自動(dòng)化儀表公司
4.1.2 溫度傳感器
各類溫度傳感器型號(hào)及其適用條件
（1）集成溫度傳感器
（a）線性集成溫度傳感器
線性集成溫度傳感器是電流型傳感器，它采用現(xiàn)行集成電路和薄膜工藝，故輸出阻抗高，適合數(shù)千米距離測(cè)溫和控溫，同時(shí)線性度好。這種光傳感器可用于是石油、地質(zhì)、電力等部門精密測(cè)量和控制溫度。集成溫度傳感器適用條件見表4-6。
表4-6 集成溫度傳感器
Table 4-6 Integrated temperature sensor
量程（℃）
輸出電阻
MΩ）
時(shí)間常數(shù)（s）
工作電壓（V）
定標(biāo)系數(shù)（mV/°K）
線性度
參考價(jià)格（元）
-55～125
＞1
＜1
4～30
1
I級(jí)
T級(jí)
K級(jí)
L級(jí)
70～130
±3
±1.5
±0.8
±0.4
集成溫度傳感器可用于測(cè)量氣象、工廠和倉庫的溫度。
（b）薄膜熱敏傳感器
SiC薄膜的電阻隨溫度變化，利用這種現(xiàn)象可監(jiān)測(cè)溫度。其主要技術(shù)參數(shù)如下表4-7，SiC薄膜熱敏傳感器參數(shù)
表4-7 SiC薄膜熱敏傳感器參數(shù)
Table 4-7 SiC film thermal sensor parameters
電阻（kΩ）
阻值
誤差
（%）
B常數(shù)
（K）
B常數(shù)
誤差
（%）
功耗
（mW）
工作溫度（℃）
散熱
系數(shù)
（mW/℃）
熱時(shí)間常數(shù)（s）
容許
功率
(mW)
重量（mg）
100～800
10
2100
2
5
＜300
0.9
2.5
＜20
13
薄膜熱敏傳感器有如下用途：
（1） 測(cè)量烤箱、烹調(diào)器械及石油、煤氣爐等暖氣設(shè)備的氣溫；
（2） 測(cè)量蒸汽鍋爐和熱水鍋爐等液體溫度；
（3） 測(cè)量復(fù)印機(jī)、烹調(diào)器等加熱器的表面溫度。
廠商名稱 松下電子
（c）MWFT型薄膜鉑電阻
該電阻是新一代工業(yè)鉑電阻，它有結(jié)構(gòu)小巧、響應(yīng)快和可靠性高等特點(diǎn)。因此，它不僅可部分替代繞線式鉑電阻，可用于監(jiān)測(cè)和控制特殊環(huán)境（表面、動(dòng)態(tài)等）的溫度。具體參數(shù)見表4-8，MWFT型薄膜鉑電阻參數(shù)。
表4-8 MWFT型薄膜鉑電阻
Table 4-8 MWFT type thin film platinum resistance
R0(Ω)
R100/R0
量程（℃）
絕緣電阻（MΩ）
時(shí)間常數(shù)（s）
室溫
600℃
100±0.1
1.3950±0.0012
-70～600
＞100
＞1
＜0.3
研制單位 中國科學(xué)院上海冶金研究所
（d）鋼弦式溫度傳感器
TGH-80型鋼弦式溫度傳感器
鋁外殼熱脹細(xì)數(shù)高于鋼弦，升溫時(shí)張緊鋼弦使頻率上升，降溫時(shí)鋼弦頻率隨之降低，故有頻率信號(hào)可測(cè)得溫度。這樣構(gòu)成的傳感器可用于有瓦斯及美晨爆炸危險(xiǎn)的礦井進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，亦可在厚煤層分層開采時(shí)預(yù)防自然發(fā)火。具體參數(shù)見表4-9，TGH-80型鋼弦式溫度傳感器參數(shù)
表4-9 TGH-80型鋼弦式溫度傳感器
Table 4-9 TGH-80 steel wire temperature sensors
測(cè)量范圍（℃）
工作頻率（Hz）
靈敏度（Hz/℃）
誤差（℃）
0～80
900～2300
6～15
≤1
研制單位 山東礦業(yè)學(xué)院礦壓研究所
（2）表面溫度傳感器
（a）CBW型表面溫度傳感器
這種傳感器主要用于直接測(cè)量表面溫度，其參數(shù)如下表4-10，CBW型表面溫度傳感器
表4-10 CBW型表面溫度傳感器
Table 4-10 CBW type surface temperature sensor
型號(hào)
量程（℃）
靈敏度
（Ω/℃）
時(shí)間常數(shù)（s）
工作電流（mA）
外形尺寸（mm）
CBW-1
-60～150
0.2
0.5
10
27×13×0.1
38×19×0.3
CBW-2
0～500
0.8
CBW-3
0～900
1.0
15
28×16×0.25
研制單位 航空航天工業(yè)部第三〇四研究所
（b）LNBGN型表面溫度傳感器
這種傳感器可用于測(cè)量和控制溫度，參數(shù)如表4-11，LNBGN型表面溫度傳感器
表4-11 LNBGN型表面溫度傳感器
Table 4-11 LNBGN type surface temperature sensor
工作頻率（MHz）
工作溫度（℃）
靈敏度（ppm/℃）
分辨率（℃）
20～100
-40～85
75～120
＜0.1
研制單位 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
（3）巡回檢測(cè)儀
（a）WXJ-10溫度巡回檢測(cè)儀
該檢測(cè)儀是一種數(shù)字式的10路溫度巡回檢測(cè)儀器，其采用半導(dǎo)體溫度傳感器，可在電力、塑料、輕紡、船舶、倉庫、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等部門進(jìn)行多擼塊碎溫度測(cè)量。具體參數(shù)如表4-12，WXJ-10溫度巡回檢測(cè)儀
表4-12 WXJ-10溫度巡回檢測(cè)儀
Table 4-12 WXJ-10 Temperature Data Loggers
測(cè)溫范圍（℃）
路數(shù)
傳感器
傳感器響應(yīng)時(shí)間（s）
測(cè)量誤差（℃）
巡檢速度（s）
機(jī)箱尺寸（mm）
重量（kg）
0～150
10
2CWM21
3
≤1
0.5～10
120×280×240
≤5
生產(chǎn)廠家 能源工業(yè)部第五八五所電子儀器廠
（b）XMD-1多點(diǎn)巡回?cái)?shù)字顯示儀
該儀表可對(duì)任意點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，可設(shè)定巡檢路徑，廣泛擁護(hù)化工、石油、電力等多點(diǎn)溫度測(cè)量報(bào)警的場合。具體參數(shù)如表4-13，XMD-1多點(diǎn)巡回?cái)?shù)字顯示儀
表4-13 XMD-1多點(diǎn)巡回?cái)?shù)字顯示儀
Table 4-13 XMD-1 Multi-circuit digital display
基本誤差限
Δ=±105%
FS±1℃
分辨率（℃）
1
工作環(huán)境
溫度（℃）
0～50
輸入阻抗（MΩ）
1
溫度（%RH）
≤85
供電電源（VAC）
（按用戶要求）
生產(chǎn)廠家 天津市自動(dòng)化儀表廠
4.1.3 振動(dòng)傳感器
(1)YZ-3C和YZ-9壓電式振動(dòng)傳感器
YZA-3C壓電式振動(dòng)傳感器為周圍壓縮型傳感器，具有體積小、重量輕、靈敏度高、頻率寬、抗外界干擾性能好等特點(diǎn)。其主要用于檢測(cè)飛行器和地面轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)。
YZ-9壓電式振動(dòng)傳感器為中心壓縮性振動(dòng)傳感器，主要用于檢測(cè)飛行器和地面轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)。二者參數(shù)如表4-14，YZA-3C壓電式振動(dòng)傳感器，YZ-9壓電式振動(dòng)傳感器
表4-14 YZA-3C壓電式振動(dòng)傳感器，YZ-9壓電式振動(dòng)傳感器
Table 4-14 YZA-3 Cpiezoelectric vibration sensor,YZ-9 Cpiezoelectric vibration sensor
參數(shù)
型號(hào)
YZ-3C
YZ-9
電壓靈敏度（帶2m電纜）
（mV/g）
20～35
＞13
頻率范圍（Hz）
50～5000
50～5000
頻率特性誤差（%）
≤±5
＜±5
測(cè)量范圍（g）
≤250（2450m/s2）
≤250（2450m/s2）
最大橫向靈敏度比（%）
≤10
≤7
安裝諧振頻率（kHz）
≥20
≥20
工作環(huán)境溫度（℃）
-40～100
≤80
重量（g）
＜30
＜25
外形尺寸（mm）
23×175×165
24×19.5×17
參考價(jià)格（元/只）
950
350
生產(chǎn)廠家 上海儀表廠
(2)JT系列三軸向剪切壓電加速度傳感器
該系列小型三軸向剪切壓電加速度傳感器，可同時(shí)測(cè)出三個(gè)方向（X,Y,Z）的振動(dòng)或沖擊加速度。有體積小、重量輕、靈敏度高、橫向靈敏度比小、線性度好、頻響寬和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。
該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、航天、航空、鐵路、公路、船舶運(yùn)輸、電力、冶金、地質(zhì)、礦山、石油和化工的部門檢測(cè)振動(dòng)和沖擊，從而診斷故障。兩種JT系列三軸向剪切壓電加速度傳感器具體參數(shù)如下表4-15
表4-15 JT系列三軸向剪切壓電加速度傳感器
Table 4-15 JT series tri-axial shear piezoelectric accelerometer
參數(shù)
型號(hào)
JT-Ⅰ
JT-Ⅱ
電荷靈敏度（pc/g）
～6
～2
電壓靈敏度（mVg）
～8
～5
頻率響應(yīng)（Hz）
2～5000
2～8000
安裝諧振頻率（kHz）
～25
～30
最大橫向靈敏度比（%）
≤5
≤5
幅值線性度（≤5%）g
500
800
結(jié)構(gòu)形式
剪切
剪切
重量（g）
19
4.5
尺寸(mm)
20×26×26
11×11×7
研制單位 中國工程物理研究院結(jié)構(gòu)力學(xué)研究所
4.2 系統(tǒng)傳感器與系統(tǒng)控制模塊的選型設(shè)計(jì)
4.2.1 風(fēng)速風(fēng)向傳感器的選型
由第三章所述，風(fēng)電場的環(huán)境條件，以及風(fēng)速風(fēng)向傳感器的種類，可選擇風(fēng)速風(fēng)向傳感器PHWS/WD，如果風(fēng)電場風(fēng)速或風(fēng)向發(fā)生變化，風(fēng)向風(fēng)速傳感器就會(huì)把感測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制偏航驅(qū)動(dòng)裝置將機(jī)艙定位到合適的位置。一般將其安裝在機(jī)艙頂上打有安裝孔的支架上，其各項(xiàng)參數(shù)見表4-1，PHWS/WD風(fēng)速風(fēng)向傳感器|風(fēng)向傳感器，
表4-16 PHWS/WD風(fēng)速風(fēng)向傳感器|風(fēng)向傳感器
Table 4-16 PHWS / WD Wind Sensor | Wind Sensor
項(xiàng)目
風(fēng)速傳感器
風(fēng)向傳感器
測(cè)量范圍
0~70m/s
0～360°
精度
±（0.3±0.03V）m/s
±3°(線性度)
最大回轉(zhuǎn)半徑
90mm
200mm
分辨率
0.1 m/s
1°
起動(dòng)風(fēng)速
≤0.5 m/s
≤0.8 m/s
重量
≤0.5kg
≤0.5kg
工作環(huán)境
溫度-60℃～50℃濕度≤100％RH
溫度-60℃～50℃濕度≤100％RH
輸入
5V、12V、24V 可選
5V、12V、24V 可選
輸出
a:5V方波、4～20mA 可選b:0～1000HZ 測(cè)量方法:頻率計(jì)數(shù) ;c:RS232/RS485網(wǎng)絡(luò)通訊
a: 0-5VDC;b: 4～20mA;c: RS232/RS485網(wǎng)絡(luò)通訊
4.2.2 溫度傳感器的選型
用于反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀況的溫度測(cè)點(diǎn)一般為7個(gè)：齒輪箱油溫、高速軸承溫度、發(fā)電機(jī)繞組溫度、主軸承溫度、控制盤溫度(主要