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全球范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)氣候變化也已成為各國的核心課題之一。去年9月，中國提出了力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)氧達(dá)峰，努力爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，國家制定了以產(chǎn)業(yè)政策為主的減排路線圖。其中，就包括發(fā)展清潔能源以降低煤電的供應(yīng)。最新數(shù)據(jù)顯示，截止2020年我國風(fēng)電和太陽能累計(jì)裝機(jī)容量合計(jì)5.3億千瓦，增長29%。
飛速發(fā)展的背后，風(fēng)能行業(yè)機(jī)組卻不得不面對(duì)運(yùn)維成本過高的問題。以變速箱組件為例，不僅其材料成本最高且可靠性相對(duì)較差，是風(fēng)輪機(jī)三大常見故障點(diǎn)之一，通常需要重點(diǎn)對(duì)齒輪、軸承和軸實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控。此外，轉(zhuǎn)子葉片和發(fā)電機(jī)也是風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)中故障率高發(fā)的組件。本文將從風(fēng)輪機(jī)組件上的常見故障入手，討論基于ADI MEMS的振動(dòng)傳感器和解決方案。
變速箱成本高昂，如何解決軸承故障這一最大誘因？
變速箱中軸齒輪斷齒示意圖
對(duì)于風(fēng)輪機(jī)變速箱，簡而言之它是將機(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)的設(shè)備。正因?yàn)槿绱�，變速箱在運(yùn)行過程中承受著不同風(fēng)速帶來的交替載荷，以及頻繁制動(dòng)導(dǎo)致的瞬變脈沖。其中，變速箱包括了低速轉(zhuǎn)子軸和主軸承，而軸承故障則是引發(fā)變速箱故障的最大原因。
除了以特殊的軸承涂層等方法改進(jìn)變速箱外，選擇合適的振動(dòng)傳感器來監(jiān)控變速箱軸承亦不可或缺。在此過程中，由于變速箱早期可能出現(xiàn)振動(dòng)幅度（g范圍）較低的軸承故障，這需要振動(dòng)傳感器的本底噪聲需要足夠低，通常選擇本底噪聲100µg/√Hz至200µg/√Hz的振動(dòng)傳感器。ADI的MEMS加速度計(jì)ADXL1004在拓展頻率范圍內(nèi)提供超低的噪聲密度，整個(gè)線性頻率范圍內(nèi)具有125μg/√Hz（典型值），并且針對(duì)軸承故障檢測和診斷進(jìn)行了優(yōu)化。此外，其微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 結(jié)構(gòu)還具有穩(wěn)定、可重復(fù)的靈敏度等特性，可承受高達(dá)10,000g的外部沖擊。
EVAL-ADXL1004評(píng)估套件
選擇合適的振動(dòng)傳感器至關(guān)重要，但所需的數(shù)量和放置位置也不容忽視，以確保能夠可靠測量所有齒輪嚙合和缺陷/轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。由于變速箱本身很復(fù)雜，因此建議使用至少6個(gè)振動(dòng)傳感器來實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控。監(jiān)控變速箱的低速級(jí)時(shí)，需要使用一個(gè)單軸傳感器，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)，則需要在中心齒輪、 中間軸和高速軸位置使用一個(gè)單軸傳感器。
葉片直面惡劣環(huán)境，大帶寬+差異放置傳感器是關(guān)鍵
眾所周知，風(fēng)輪機(jī)通常安裝在野外較惡劣的環(huán)境，因此機(jī)體各部件故障率較高。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要部件之一，一旦出現(xiàn)故障很容易出現(xiàn)葉片斷裂、邊緣開裂等情況，輕則造成停機(jī)，重則燒壞機(jī)組。葉片的故障信息通常依靠現(xiàn)場監(jiān)測的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行反應(yīng)，理論上當(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，研究都顯示葉片邊緣變形的固有頻率在0.5 Hz至30 Hz之間，葉片扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率高達(dá)700Hz。
此時(shí)選用振動(dòng)傳感器不僅要測量基頻以外的頻率，還需要考慮更大的帶寬。DNVGL狀態(tài)監(jiān)控規(guī)范認(rèn)證建議，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片使用振動(dòng)傳感器測量0.1 Hz至≥10 kHz的頻率范圍。在數(shù)量和位置方面，其中一個(gè)傳感器放在轉(zhuǎn)子軸上，另一個(gè)放在橫向方向上。ADI推出的兩款MEMS加速度計(jì)ADXL1001和ADXL1002，其帶寬高達(dá)11 kHz能夠輕松滿足風(fēng)輪機(jī)應(yīng)用的檢測要求，同時(shí)兩款器件的滿量程范圍分別為±100g (ADXL1001)和±50g (ADXL1002)，能夠在轉(zhuǎn)子葉片上實(shí)現(xiàn)更高頻率的測量范圍。
與基于壓電的傳感器相比，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�？梢院雎圆挥�(jì)。上面提到的ADXL1001在滿量程范圍內(nèi)，具有小于0.025%的典型非線性規(guī)格。此外，風(fēng)輪機(jī)通常在-40?C到+55?C的溫度下運(yùn)行，而ADXL1001/ADXL1002擁有在−40°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)工作的能力，可從容應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境。
牽一發(fā)而動(dòng)全身，傳感器該如何對(duì)塔身傾斜說不？
如果說變速箱和葉片是風(fēng)輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的核心，那么風(fēng)輪機(jī)塔則是這個(gè)核心背后的基礎(chǔ)。后者在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中主要起支撐作用，同時(shí)吸收機(jī)組震動(dòng)。因此一旦塔身會(huì)遭受沖擊損壞，出現(xiàn)傾斜則會(huì)牽一發(fā)而動(dòng)全身，導(dǎo)致葉片與風(fēng)向之間無法保持最佳角度。
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0Hz。而當(dāng)頻率在等于或低于0.3Hz時(shí)，壓電振動(dòng)技術(shù)難以或無法捕獲振動(dòng)特征。此時(shí)要實(shí)施傾斜測量，需要使用具有良好的直流穩(wěn)定性能的傳感器。采用氣密封裝的ADXL355/ADXL357加速度計(jì)無疑是一款絕佳的傳感器產(chǎn)品，它可以實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的0g失調(diào)穩(wěn)定性，同時(shí)具有可選測量范圍。在溫度范圍內(nèi)提供低噪聲、小失調(diào)漂移和長期穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)工作量極小的精密應(yīng)用。
此外，ADXL355/ADXL357具有良好的直流穩(wěn)定性，這對(duì)于測量風(fēng)輪機(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±3.5 mg以內(nèi)，為傾斜測量提供了高度精準(zhǔn)的傳感器。
結(jié)語
如果2060年要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，中國的電力需求會(huì)增至目前的三倍以上。按照2000小時(shí)年發(fā)電小時(shí)數(shù)計(jì)算，需要有100億千瓦左右的新能源裝機(jī)量。作為可再生能源中最具開發(fā)前景的一種能源，風(fēng)能承擔(dān)著推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向可再生能源的重任。而風(fēng)輪機(jī)作為該產(chǎn)業(yè)中的重要資產(chǎn)，預(yù)測和診斷機(jī)器的健康狀況以保證穩(wěn)定運(yùn)行是從業(yè)者必須解決的問題。作為業(yè)界卓越的半導(dǎo)體公司，ADI以優(yōu)秀的MEMS振動(dòng)傳感器與精密轉(zhuǎn)換器、隔離和電源等技術(shù)相結(jié)合，利用深厚的領(lǐng)域?qū)ｉL和系統(tǒng)級(jí)方法，幫助客戶最大限度地延長機(jī)器的正常運(yùn)行時(shí)間和提高效率，用實(shí)際行動(dòng)推動(dòng)全球綠色發(fā)展。
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