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浅谈风力发电机中传感器的运用


浅谈风力发电机中传感器的运用
摘要:风力发电机中传感器的运用现在越来越平凡,在风力发电机中的
传感器像比是人类的感觉器官,人类如果没有感觉器官那还有什么意义 呢!同样风力发电机中没有传感器也就像木头一样立在那,各种不正常 状态很可能使风机瓦解、导致整个电网系统崩溃,所以在风力发电机中 传感器是必不可少的。在风力发电机中传感器运用非常之多。例如温度 传感器有很多

个,他不仅要检测齿轮箱,发电机温度还要检测机舱环境, 室外环境的温度,以保证风机正常运行;振动传感器,检测风机的振动 的频率,保证风机在大风时的可靠并网发电;转速传感器时刻检测主轴 的转速、发电机转子的转速等等,以保证风机在运行时不会发生飞车; 液位传感器时刻检测齿轮箱液位同时和温度传感器配合形成冷却系统, 保证齿轮箱不会发生温度过高减小齿轮的硬度,保证齿轮箱的正常转化 的齿轮转速比,可靠的为发电机传递动力。 关键词:传感器 风力发电机机 温度 齿轮箱

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目 录

绪 论 ............................................................1 一、传感器的分类 .................................................2 二、传感器的主要特性 .............................................2 (一)传感器动态特性 .........................................2 (二)传感器的分辨率 .........................................3 (三)传感器的灵敏度 .........................................3 三、传感器的特点 .................................................4 第一章 风力发电机中传感器的运用 ..................................5 一、1.5MW 风力发电中传感器的运用 ..................................5 二、风力发电机中的传感器 .........................................6 (一)温度传感器 .............................................6 (二)转速、角度传感器(编码器) ...............................8 第二章 风力发电机中传感器中的检查 ...............................15 一、温度传感器 PT100 检查 .......................................15 二、风速仪与风向标检查 ..........................................15 三、转速传感器检查 ..............................................16 四、振动传感器检查 ..............................................16 五、压力传感器检查 ..............................................16 六、扭揽开关检查 ................................................17 总 结 ...........................................................18 参考文献 ........................................................19

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绪 论
传感器(英文名称: transducer/sensor)是一种检测装臵,能感 受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成 为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、 存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的 首要环节。 传感器广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域,在风力发 电机中是一种必不可少的检测信号的感元件,因此可以说,传感器 是人类五官的延长,又称之为风力发电机的电五官。 新技术革命的到来,世界开始进入信息时代和新能源开发时代。 在利用远程监控信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠 风力发电机的状态信息,而传感器是获取风力发电机中各种信息的 主要途径与手段的粒子世界。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇 宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、 甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的 太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代 化项目,都离不开各种各样的传感器。 由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要 作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信

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不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相 称的新水平。 一、传感器的分类 (1)生物类,基于酶、抗体、和激素等传感器分子识别功能。 (2)化学类,基于化学反应的原理。 (3)物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 传感器的功能与人类 5 大感觉器官相比拟: (1)压敏、温敏、传感器流体传感器——触觉 (2)气敏传感器——嗅觉 (3)光敏传感器——视觉 (4)声敏传感器——听觉 (5)化学传感器——味觉 通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、 力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色 敏元件和味敏元件等十大类 二、传感器的主要特性 (一)传感器动态特性 所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。

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在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响 应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法 求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之 间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准 输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常 用阶跃响应和频率响应来表示。 (二)传感器的分辨率 分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就 是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过 某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的 变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时,其输出 才会发生变化。 (三)传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况传感器下输出量变化△ y 对 输入量变化△x 的比值。 它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之 间显线性关系,则灵敏度 S 是一个常数。否则,它将随输入量的变 化而变化。

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当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大 倍数。 提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范 围愈窄,稳定性也往往愈差。 三、传感器的特点
统筹风力发电机中传感器特点包括:微型化、数字化、智能化、多功 能化、系统化、网络化,它不仅促进了传统产业的改造和更新换代,而且 还可能建立新型工业,从而成为 21 世纪新的经济增长点。微型化是建立 在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的,已成功应用在硅器件上做成硅 压力传感器。

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第一章 风力发电机中传感器的运用
一、1.5MW 风力发电中传感器的运用 风力发电机中信号传送方式信号有电压信号、电流信号。风力 发电机上的机械限位开关,也都通过电压或者电流信号来传递的。 风机上面的传感器主要包括以下:转速传感器、温度传感器、压力 传感器、红外传感器等等。像这些传感器也是将一些物理现象,转 化为电压电流信号, 反馈给 PLC 的, 图 2.1 是 1.5MW 风力发电机测 点清单

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图 2.1

1.5MW 风力发电机测点清单

二、风力发电机中的传感器 (一)温度传感器 (一)热电阻的测温原理 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的,即电阻体的阻值 随温度的变化而变化的特性。因此,只要测量出感温热电阻的阻值 变化,就可以测量出温度。 目前在风力发电机中主要有金属热电阻传感器图 2.2 和半导体 热敏电阻图 2.3 两类。

图 2.2 金属热电阻

图 2.3 半导体热电阻

(二)热电阻的信号连接方式 热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件,通常需要 把电阻信号通过引线传递到计算机控制装臵或者其它一次仪表上。 工业用热电阻安装在生产现场,与控制室之间存在一定的距离,因 此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。

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目前热电阻的引线主要有三种方式 1.二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的 方式叫二线制:这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引 线电阻 r,r 大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方 式只适用于测量精度较低的场合。 2.三线制:在热电阻的根部的一端连接一根引线,另一端连接 两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以 较好的消除引线电阻的影响,是工业过程控制中的最常用的引线电 阻。 3.四线制:在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四 线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流 I,把 R 转换成电压信号 U, 再通过另两根引线把 U 引至二次仪表。 可见这种引线方式可完全 消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。 (三)PT100 温度与电阻对应关系
表 2.1 PT100 温度与电阻对应关系

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(二)转速、角度传感器(编码器) 作为转速、角度类传感器,最近几年旋转编码器的发展迅速, 使用已经越来越广.国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是:“能 感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装 臵,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装臵, 能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变 换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处 理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控 制的首要环节。 (一)编码器的应用优点 1.信息化:除了定位控制点,控制室还可知道其具体位臵; 2.柔性化:定位可以在控制室柔性调整的; 3.多功能化:除了定位,还可以远传当前位臵,换算运动速度, 判断旋转方向,对于变频器,步进电机等的应用尤为重要。 4.经济化:对于多个控制工位,只需一个旋转编码器的成本, 以及更主要的安装、维护、损耗成本降低,使用寿命增长,其经济 化逐渐突显出来。 按照传感器的发展规律,传统传感器已向数字化、智能化、网 络信息化发展,工业自动化已经不单单满足现场控制,而且向工厂 管理信息化发展,而智能型绝对值编码器,正是符合这种发展的定

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位传感器的杰出代表。 (二)编码器基本原理 将机械转动的模拟量 (位移 )转换成以数字代码形式表示的电信 号,这类传感器称为编码器又称数字编码器。编码器以其高精度、 高分辨率和高可靠性而广泛用于各种位移测量。 编码器的种类很多。按其结构形式有直线式编码器和旋转式编 码器。由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的,因此旋转式编 码器应用更为广泛。旋转式编码器又分为增量式编码器和绝对式编 码器。增量式编码器的输出是一系列脉冲,需要一个计数系统对脉 冲进行累计计数,一般还需要基准数据即零位基准才能完成角位移 测量。绝对式编码器不需要基准数据及计数系统,它在任意位臵都 可给出与位臵相对应的固定数字码输出。 (1)增量型编码器(incremental encoder) 增量型编码器每转一周可产生一系列的脉冲,脉冲的数量可表 示角位移的测量。编码器内有一圆盘——编码盘。通常为一光学玻 璃,码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区 域,用来产生记数脉冲的增量码道,扇形区的多少决定了编码器的 分辨率,扇形区越多分辨率越高。例如:一个每转 5000 的增量形编 码器,其码盘上共有 5000 个透光和不透光的扇形区域。这个码盘被 安装到编码器的旋转轴上,增量式编码器的码盘刻线间距均等,对

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应每一个分辨率区间,可输出一个增量脉冲。 (2)绝对型编码器(旋转型) 绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以 2 线、4 线、8 线、16 线……编排,这样,在编码器的每一个位臵,通 过读取每道刻线的通、暗,获得一组从 2 的零次方到 2 的 n-1 次方的 唯一的 2 进制编码(格雷码),这就称为 n 位绝对编码器。这样的 编码器是由光电码盘的机械位臵决定的,它不受停电、干扰的影响。 绝对编码器由机械位臵决定的每个位臵是唯一的,它无需记忆, 无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位臵,什么 时候就去读取它的位臵。这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠 性大大提高了。

图 2.4 偏航计数器

图 2.5 限位开关

在风力绝对值编码器的主要功能是记录偏航位臵,他是通过记 录偏航轴承齿数与编码器盘齿数之比来进行运算,并判断偏航位臵, 式风机处于安全位臵。左右限位开关,常开触点;左右安全链限位 开关,常闭触点 (三)偏航系统工作原理

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风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的 控制回路的处理器里,经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或 逆时针的偏航命令,为了减少偏航时的力矩,电机转速将通过同轴 联接的减速器减速后,将偏航力矩作用在偏航轴承上,带动风轮偏 航对风,当对风完成后,风向标失去电信号,电机停止工作,偏航 过程结束。 1.偏航的组成部件 整个偏航组件包括有偏航驱动电机、偏航驱动齿轮箱、偏航轴 承、偏航刹车盘、偏航刹车钳、液压管路、回油管路、润滑系统等。 部分部件如下图 2.6 所示:

图 2.6 偏航系统组成

2.自动解缆 机组在待机模式下,如果偏航传感器记录偏航圈数大于 710°, 开始自动解缆;若偏航角度大与 580°,左偏航解缆,若小于-580°,右 偏航解缆;当偏航角度小至±40°以内时,自动解缆停止。或者解缆

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至偏航角度小于一圈( 360°以内),机舱对风误差在±30°以内时, 自动解缆停止;如果偏航角度大于+710°没有自动解缆,则当角度 达到+ 750°时,触动扭缆限位开关,风机报偏航位臵故障正常停机, 复位后进入待机状态时, 应能够自动启动; 如果偏航角度大于+780° 时,触动扭缆安全链限位开关,风机报安全链故障紧急停机,需手 动偏航解缆。当风速超过 25 m/s 时,自动解缆停止。 (3)绝对式编码器 增量值旋转编码器,也叫圆光栅、脉冲码盘,从这些名称可以 知道,它是圆形的光栅刻线码盘,旋转后通过光通量的明暗变化, 产生脉冲,通过外部设备的计数脉冲,来增量地加(或减)脉冲数 而测得旋转的角度。例如,圆光栅每周刻有 360 条刻线,每个刻线 产生的一个脉冲就相当于 1 度,测得脉冲累计增加 30 个,就是正向 选转了 30 度,如图 2.7 所示。

图 2.7 编码器

(4)测量风速、风向传感器 风力发电机中侧风俗住要是一个转速传感器,测风向是一个风

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向标,如下图 2.8 和 2.9 所示

图 2.8 风速传感器

图 2.9 风向传感器

1)风力发电机中风速风向传感器原理

图 2.10 风速风向传感器原理图

风向标、风速仪的接线包括六根线,分别是两根电源线,两个 信号线和两根加热线,目前每台机组上有两个风向标和两个风速仪, 风向标的 N 指向机尾,偏航取一分钟平均风向。 (5)震动传感器 1)风力发电机中震动传感器工作原理 振动传感器在测试技术中是关键部件之一,它的作用主要是将 机械量接受下来,并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机 电转换装臵,所以我们有时也称它为换能器或拾振器。

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图 2.11 振动传感器

振动传感器并不是直接将原始要测量的机械量转变为电量,而 是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量,然后有机械接收 部分加以接受,形成另外一个适合于变换的机械量,然后由机电变 换部分再将其变换为电量。因此一个传感器的工作性能是有机械接 受部分和机电变换部分的工作性能来决定的。 2)技术指标
表 2 振动传感器技术指标

输出电压 工作电压 工作电流 测量范围 频率范围 分辨率 防护等级 浪涌保护(防雷)

0~10V 24V±20% DC 20mA ~+ 0.1Hz~10Hz 0.01Hz IP55 6KV/5KA

允许环境条件 工作温度(常温型) 工作温度(低温型) 最大相对湿度 规格 尺寸 重量 电缆长度 15 米 80x75x ~+ ~+ 为 95%

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第二章 风力发电机中传感器中的检查
一、温度传感器 PT100 检查 首先观察主控器操作面板中各部分显示的温度值是否正常如图 3.1 所示。 其次检查舱外 PT100 是否已放舱出外,是否固定牢靠,禁止从 吊车窗口处放舱外 PT100。

图 3.1 风力发电机中传感器的安装位置

二、风速仪与风向标检查 检查风速仪与风向标固定是否牢靠,信号线接线以及接插件是 否松动,检查风速仪与风向标加热器工作是否正常如图 3.2 所示。

图 3.2 风速仪与风向标安装位置

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注意:如需出舱检查,必须天气情况允许、关闭机组偏航功能并做 好安全防护后方可进行! 三、转速传感器检查 检查转速传感器(主轴、齿轮箱、发电机、偏航)安装是否牢 靠,信号接线是否松动,测速探头是否有油污等污染物,如有则清 洗接触面, 所有测速接近开关 (探头) 的安装间距为 2-2.5mm 最佳, 可以避免干扰,减少故障。 四、振动传感器检查 检查安装是否牢靠,接线是否松动。 轻轻敲击振动模块观察传动链振动通道 1、2 的振动值应从 0.0 变为 0.001 或略高于 0.001,检查齿轮箱处振动模块弹性支承是否损 坏或老化。 五、压力传感器检查 在主控柜控制面板处观察各压力传感器压力值是否正常,同时 检查传感器安装是否牢靠,接线是否松动,如有则应查明原因并进 行处理。 检查各压力传感器处是否有漏油,如有则应立即进行处理。

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六、扭揽开关检查 扭揽开关是防止电缆过度缠绕而设计的凸轮开关,当风电机组 出现偏航传感器异常丢失脉冲计数等情况时,可能导致机组过度扭 缆,当扭缆到一定程度时,扭缆开关触发,风电机组将保护停机。 注:当风电机组扭缆开关触发时,必须重新进行机舱零位调整,同 时应检查偏航传感器是否存在丢失脉冲计数等情况,若有则应立即 进行处理。 检查安装是否牢靠,接线是否松动,如有则进行紧固。使用一 字型改刀触发扭缆开关如图 3.3 所示, 在主控柜控制面板上观察机组 保护(安全链信号、扭缆极限信号)是否触发动作。

图 3.3 扭揽开关检查

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总 结
在风力发电中不断运用了各种传感器,他不仅给我们带来了检 修的方便,同样也给我们的运行监控带来了方便。使我们在中控室 就可以实时的监控风机的运行状态,传感器的使用便于检修人员对 检修工作减少了因为找故障而耽误发电量或风机的停运。 传感器将风力发电机中的各种不正常状态,通过转换成人们能 读懂的语言反应给人们,再通过我们的经验和知识来将他转换成一 种体系,使之我们在工作总结以及发电量的统计,故障率的统计, 风机的不正常运行状态的统计,做成表格完成年终的总结,去判断 整个年运行机的各种状态,做出更合理的计划来更高效、可靠的发 电,减少成本。

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参考文献
[1]1500KW 风电机组检修指南(M),2012.7 [2]郁有文 常健 程继红.《传感器原理及工程应用》(J).西安电子科技大学出版社,2008 [3]袁希光.《传感器技术手册》(J).国防工业出版社,1986.8 [4]强锡福.《传感器》(J).机械工业出版社,2000.6

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