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全球范圍內(nèi)，應對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年前實現(xiàn)氧達峰，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和的目標。為實現(xiàn)碳中和目標，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。最新數(shù)據(jù)顯示，截止2020年我國風電和太陽能累計裝機容量合計5.3億千瓦，增長29%。
飛速發(fā)展的背后，風能行業(yè)機組卻不得不面對運維成本過高的問題。以變速箱組件為例，不僅其材料成本最高且可靠性相對較差，是風輪機三大常見故障點之一，通常需要重點對齒輪、軸承和軸實施狀態(tài)監(jiān)控。此外，轉子葉片和發(fā)電機也是風輪機系統(tǒng)中故障率高發(fā)的組件。本文將從風輪機組件上的常見故障入手，討論基于ADI MEMS的振動傳感器和解決方案。
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
對于風輪機變速箱，簡而言之它是將機械能從低轉速的轉子輪轂傳輸?shù)礁咚侔l(fā)電機的設備。正因為如此，變速箱在運行過程中承受著不同風速帶來的交替載荷，以及頻繁制動導致的瞬變脈沖。其中，變速箱包括了低速轉子軸和主軸承，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變速箱外，選擇合適的振動傳感器來監(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)振動幅度（g范圍）較低的軸承故障，這需要振動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的振動傳感器。ADI的MEMS加速度計ADXL1004在拓展頻率范圍內(nèi)提供超低的噪聲密度，整個線性頻率范圍內(nèi)具有125μg/√Hz（典型值），并且針對軸承故障檢測和診斷進行了優(yōu)化。此外，其微機電系統(tǒng) (MEMS) 結構還具有穩(wěn)定、可重復的靈敏度等特性，可承受高達10,000g的外部沖擊。
EVAL-ADXL1004評估套件
選擇合適的振動傳感器至關重要，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/轉動頻率。由于變速箱本身很復雜，因此建議使用至少6個振動傳感器來實施狀態(tài)監(jiān)控。監(jiān)控變速箱的低速級時，需要使用一個單軸傳感器，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時，則需要在中心齒輪、 中間軸和高速軸位置使用一個單軸傳感器。
葉片直面惡劣環(huán)境，大帶寬+差異放置傳感器是關鍵
眾所周知，風輪機通常安裝在野外較惡劣的環(huán)境，因此機體各部件故障率較高。葉片作為風力發(fā)電機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，重則燒壞機組。葉片的故障信息通常依靠現(xiàn)場監(jiān)測的震動信號進行反應，理論上當葉片出現(xiàn)裂紋時，振動信號中會伴隨有較強的高頻沖擊波，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，葉片扭轉變形的固有頻率高達700Hz。
此時選用振動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)范認證建議，對轉子葉片使用振動傳感器測量0.1 Hz至≥10 kHz的頻率范圍。在數(shù)量和位置方面，其中一個傳感器放在轉子軸上，另一個放在橫向方向上。ADI推出的兩款MEMS加速度計ADXL1001和ADXL1002，其帶寬高達11 kHz能夠輕松滿足風輪機應用的檢測要求，同時兩款器件的滿量程范圍分別為±100g (ADXL1001)和±50g (ADXL1002)，能夠在轉子葉片上實現(xiàn)更高頻率的測量范圍。
與基于壓電的傳感器相比，MEMS在長時間使用時具有更好的靈敏度和線性度。ADI加速度計的非線性程度很低，通�？梢院雎圆挥�。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，風輪機通常在-40?C到+55?C的溫度下運行，而ADXL1001/ADXL1002擁有在−40°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)工作的能力，可從容應對嚴苛的運行環(huán)境。
牽一發(fā)而動全身，傳感器該如何對塔身傾斜說不？
如果說變速箱和葉片是風輪機穩(wěn)定運行的核心，那么風輪機塔則是這個核心背后的基礎。后者在風力發(fā)電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組震動。因此一旦塔身會遭受沖擊損壞，出現(xiàn)傾斜則會牽一發(fā)而動全身，導致葉片與風向之間無法保持最佳角度。
當塔架結構發(fā)生故障導致傾斜時，頻率的最低限值降低至0Hz。而當頻率在等于或低于0.3Hz時，壓電振動技術難以或無法捕獲振動特征。此時要實施傾斜測量，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加速度計無疑是一款絕佳的傳感器產(chǎn)品，它可以實現(xiàn)行業(yè)領先的0g失調(diào)穩(wěn)定性，同時具有可選測量范圍。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，實現(xiàn)校準工作量極小的精密應用。
此外，ADXL355/ADXL357具有良好的直流穩(wěn)定性，這對于測量風輪機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的重復性在±3.5 mg以內(nèi)，為傾斜測量提供了高度精準的傳感器。
結語
如果2060年要實現(xiàn)碳中和目標，中國的電力需求會增至目前的三倍以上。按照2000小時年發(fā)電小時數(shù)計算，需要有100億千瓦左右的新能源裝機量。作為可再生能源中最具開發(fā)前景的一種能源，風能承擔著推動能源結構轉向可再生能源的重任。而風輪機作為該產(chǎn)業(yè)中的重要資產(chǎn)，預測和診斷機器的健康狀況以保證穩(wěn)定運行是從業(yè)者必須解決的問題。作為業(yè)界卓越的半導體公司，ADI以優(yōu)秀的MEMS振動傳感器與精密轉換器、隔離和電源等技術相結合，利用深厚的領域?qū)ｉL和系統(tǒng)級方法，幫助客戶最大限度地延長機器的正常運行時間和提高效率，用實際行動推動全球綠色發(fā)展。
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