小小传感器却能在风力发电机中发挥大作用!

2020年09月15日 11:36
风力发电机看起来像摩天大楼一样高大,但却要依靠数十个低成本微型传感器来监测器其运行状况,以确保高效安全地运行。

从表面上来看,现代风力发电机就像是一台21世纪的大风车,通过转子叶片将风能转换为电能,而不是像过去一样利用风能来碾磨谷物或抽水。再深入一点,风力发电机将机械工程和电气工程的创新结合在一起,为人们展现了一个完美的杰作。尽管风力发电机的转子可以达到79米长,塔高超过183米,但是它的关键部件,比如传感器的尺寸却只有几厘米。这些传感器确保了发电机这个庞然大物在面对压力、振动和其他危险时,仍能安全运行。

传感器在风电场中的作用

如果没有传感器,风力发电机的安全性不仅会降低,而且操作成本也会提高,更无法准确的预测并解决潜在的故障,导致预期寿命可能会低于25年。更为重要的是,风电场需要每一台发电机及其重要部件的精确数据,而这些数据需由连接在一起并与控制中心相连接的传感器提供。

风力发电机就是一个典型的工业物联网例子:它们拥有从传感器到相关网络所需的一切组件,尽管它们通常采用的是以太网而非无线连接方式。风电场工业物联网可以充分利用诸如风速、功率、偏航角、变速箱温度等历史数据来分析设备的运行趋势。这样,操作员就可以通过创建一个模型来预测要在什么时候检查哪些部件。所有信息、状态警报和其他监测结果,都可以从智能手机、平板电脑或电脑上进行查看和操作。

这些传感器为什么如此重要呢?因为它们可以随时监视风力发电机的结构、内部敏感位置和系统组件(图1)。风力发电机非常复杂,通常有超过8000个组件。它们巨大的叶片和塔架被安装在数千吨的钢筋混凝土平台上,平台直径达15到30米,深6至10米。


图1:风力发电机机舱内的基本构造以及一些传感器类型和安放位置 (来源:TE Connectivity手册)

慢速运行的叶片经过变速箱后转化为高速运行的转子(连在发电机上),变速箱被安置在一个被成为“机舱”的集装箱上,它的大小相当于一辆公共汽车,重量约为45吨。有一些机舱非常大,甚至可以在顶部安装一个直升机着陆垫,这种风力发电机平台的重量将超过272吨。

近日,英国安装了一台目前世界上最大的风力发电机,它的发电功率为5.3GW,可供500万用户使用。今年5月,丹麦能源公司 DONG Energy在爱尔兰海利物浦湾的Burbo Bank Offshore风场上,增加了32个海上发电机(图2),这对可再生能源来说有着非凡的意义,因为它标志着8MW风力发电机的第一次商用,它的发电机功率比以前提高了一倍。新的发电机大约有195m高,转子长80米,转子旋转一次可以为一个普通家庭供电29小时。


图2 :北威尔士Burbo Bank Offshore海上风电场(来源:维基百科)

最大功率风力发电机是来自Vestas Wind Systems的Vestas 164,功率为9MW,转子长178m,扫掠面积20566 m2,重32吨。风力发电机整体高219米(约为72层楼高),整体重量超过1800吨。从图3中可以看出这个风力发电机转子到底有多大。


图3:装载着涡轮叶片的车队蜿蜒穿过Edenfield前往Scout Moor风电场,即英国第二大陆上风电场 (来源:Geograph)

传感器的关键作用

在风力发电机中,有许多种不同类型的电子和光学传感器。一般来说,他们具有以下作用:

检测、监视和交互有关的参数信息,比如两个相邻组件之间距离的变化
监测振动级别,如果振动幅度过大,可能会造成严重损坏
监测温度、压力和机械应力的变化

涡流传感器

涡流传感器是风力发电机中最常见的传感器之一,可检测导电材料进入移动磁场时产生的电流变化。当这种情况发生时,磁场的强度可以转化为距离的变化。

在风力发电机中,涡流传感器用于测量轴的润滑油层间隙,以确保承受压力的轴一直被油膜所覆盖,保证润滑度。由于这些传感器可以在充满油且具有一定压力和温度的环境下工作,所以它们可以在这些恶劣环境下可靠的监测油隙。如果间隙过大超过了限度,传感器就会发出警报,这样就可以在轴卡住时或之前进行预防性维护。

这些传感器还用于测量发电机轴承在外壳内的轴向和径向旋转方式,即偏差规范。在径向上,这种情况会导致轴偏离中心旋转(并非“真的”),并在轴向上导致轴以轻微的角度旋转。虽然偏差是不可避免的,但轴承的磨损可能会超过可接受的程度,如果超过了限度(通常由高风荷载引起),发电机必须关闭并进行维修。显然,实时的监测可以保证在轴承极端损坏或甚至灾难性故障发生之前进行维护。

最后,涡流传感器还可用于测量由振动、风荷载或其他因素引起的旋转效应(力矩或扭矩),这些因素会随着时间的推移而导致结构完整性下降。它们还可用于测量离合器片的轴向、径向或切向偏转,以确保在大风时安全制动转子。

位移传感器

位移传感器可用于监测结构的完整性。风力发电机所需的基础平台虽然是由大量的混凝土构成,但由于塔架高,而且发电机的转子和机舱也非常巨大,整个结构实际上都是“顶载”的,所以必须在基座处监测系统的完整性。

激光位移传感器可以用来执行这一功能,它可以探测到由于风或波浪的反复撞击引起的塔架轻微震动。激光位移传感器的工作原理是将光束传输到距离很远的光学接收器上,将两者之间的偏差和位移转化为距离。激光三角测量传感器也被用于类似的目的,这种传感器将传感器、发射机和接收器组成一个三角形。由于这些设备非常精确,它们可以检测到非常小的变化,因此可以创建趋势数据来确定问题是否越来越严重以及变化速度。

另一种用于精确测量位移的传感器是电容式位移传感器,可测量发电机定子和转子之间的距离,这个距离被称作发电机气隙。它的工作原理为:相互靠近的导电表面间存在电容,并且电容的变化与表面之间的距离成正比。这种测量方式可以使传感器工作在高温和高电场环境下。

拉绳位移传感器是将拉绳缠绕到一个轴式传感器上,因为拉绳可以很长,所以可以在距离被测物体很远的地方测量距离的变化。当拉绳从线轴上拉出或缩回时,线轴发生旋转,然后传感器将其转换成变化的电信号。在风力发电机中,可以通过测量风门的位置来测量气流。图4显示了一个典型的拉绳位移传感器。


图4:Bourns公司的拉绳位移传感器。它具有电缆缠绕的弹簧片,以及安装在外壳上的旋转传感器,根据应用场景的不同可以选择多种类型的传感器(来源: Bourns)

根据应用场合的不同,拉绳传感器可以配合各种旋转传感器共同使用,如电位器、霍尔效应传感器、模拟或数字非接触式传感器等。例如,Bourns AMS22B5A1BHASL334N非接触式模拟旋转传感器采用磁传感技术,能够抵抗震动、抖动、流体和灰尘,并能在-40oC至125oC的温度范围内工作,它的输出分辨率为12位,线性度为±0.3%。

加速度计

加速度计用来测量速度或速率的变化,在风力发电机中用来探测主、偏航和旋转轴承以及其他旋转部件(如主发电机输出轴)的振动情况,测量得到的振动数据可以用来预测可能要发生的故障。

Analog Devices的ADXL1001和ADXL1002 MEMS加速度计是很好的选择,它们的测量结果分辨率高、噪声密度低、灵敏度稳定,可以耐受高达10000mps2的冲击。这两款器件还整合了自我诊断和超量程指示功能,工作温度范围是-40°C至+125°C。

风速传感器

风速传感器安装在机舱顶部,可以是机械式也可以是超声波式。由于超声波风速传感器不需要每次进行重新校准,所以被广泛应用在难以进行现场维护的场合。超声波传感器利用声波来测量物体间的距离,传感器发出低频声波,然后被目标物体反射。通过记录声波的发出和返回时间,就可以计算出传感器和物体之间的距离。

Texas Instruments PGA460/PGA460-Q1超声波处理器及其驱动SoC有一个信号调理器和DSP内核,通过由低噪声放大器和可编程增益级组成的模拟前端来调节反射信号,将信号输出给模数转换器,然后,利用时变阈值对数字化信号进行近场和远场目标检测。

温度传感器

温度传感器被安置在温度容易升高的地方,用于指示某些子系统元件发生过热情况。TE Connectivity的PTF系列铂温度传感器测量范围为-200°C到+ 600°C,并且使用薄膜电阻作为传感元件。此系列传感器的尺寸小、重量轻,漂移小,反馈时间短。

结论

传感器在风力发电机中至关重要,那么传感器自身是否会发生故障呢?答案当然是肯定的。为了解决这个问题,在同一位置使用多个传感器,将第二个作为备用传感器,以便在第一个传感器发生故障时可以自动切换。除了采用备用传感器以外,应用于风电场以及其他能源系统的传感器必须满足以下要求:宽广的工作温度范围、防尘和防水等级达到IP67或IP68,有些时候还需要具有坚固耐用的外壳。

和任何一种不断发展的技术一样,利用风能发电也有好有坏,有些时候,故障仅仅来自于某个电子元件,而不是发电机或涡轮叶片故障。就像在所有的工业应用中一样,传感器在减少发生这些故障方面起着重要作用。涡流传感器、位移传感器、加速度计、风力传感器、温度传感器,这些都是监测发电机并判断是否需要维护的关键。出于这个原因,这些庞大的机器可能会更多的使用传感器,毕竟用10美元的元件来保护昂贵的涡轮叶片免遭灾难性的故障,是非常值得的。


文章来源:贸泽电子

作者简介:Barry Manz是Manz Communications, Inc.(曼兹通信公司)的总裁,该公司是他于1987年创立的技术媒体关系机构。他曾与100多家公司在射频、微波、国防、测试和测量、半导体、嵌入式系统、光波及其它市场进行过合作。Barry曾为多家线下和线上贸易刊物撰写过文章,亦撰写过各种白皮书、应用笔记、研讨会论文、技术参考指南和网页内容。他是Journal of Electronic Defense杂志的特约编辑、Military Microwave Digest杂志的编辑、MilCOTS Digest杂志的共同创办人,也是Microwaves & RF杂志的主编。