小小傳感器卻能在風力發電機中發揮大作用!

發布時間:2020-9-15 11:36    發布者:eechina
關鍵詞: 傳感器 , 風力發電機
風力發電機看起來像摩天大樓一樣高大,但卻要依靠數十個低成本微型傳感器來監測器其運行狀況,以確保高效安全地運行。

從表面上來看,現代風力發電機就像是一臺21世紀的大風車,通過轉子葉片將風能轉換為電能,而不是像過去一樣利用風能來碾磨谷物或抽水。再深入一點,風力發電機將機械工程和電氣工程的創新結合在一起,為人們展現了一個完美的杰作。盡管風力發電機的轉子可以達到79米長,塔高超過183米,但是它的關鍵部件,比如傳感器的尺寸卻只有幾厘米。這些傳感器確保了發電機這個龐然大物在面對壓力、振動和其他危險時,仍能安全運行。

傳感器在風電場中的作用

如果沒有傳感器,風力發電機的安全性不僅會降低,而且操作成本也會提高,更無法準確的預測并解決潛在的故障,導致預期壽命可能會低于25年。更為重要的是,風電場需要每一臺發電機及其重要部件的精確數據,而這些數據需由連接在一起并與控制中心相連接的傳感器提供。

風力發電機就是一個典型的工業物聯網例子:它們擁有從傳感器到相關網絡所需的一切組件,盡管它們通常采用的是以太網而非無線連接方式。風電場工業物聯網可以充分利用諸如風速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數據來分析設備的運行趨勢。這樣,操作員就可以通過創建一個模型來預測要在什么時候檢查哪些部件。所有信息、狀態警報和其他監測結果,都可以從智能手機、平板電腦或電腦上進行查看和操作。

這些傳感器為什么如此重要呢?因為它們可以隨時監視風力發電機的結構、內部敏感位置和系統組件(圖1)。風力發電機非常復雜,通常有超過8000個組件。它們巨大的葉片和塔架被安裝在數千噸的鋼筋混凝土平臺上,平臺直徑達15到30米,深6至10米。


圖1:風力發電機機艙內的基本構造以及一些傳感器類型和安放位置 (來源:TE Connectivity手冊)

慢速運行的葉片經過變速箱后轉化為高速運行的轉子(連在發電機上),變速箱被安置在一個被成為“機艙”的集裝箱上,它的大小相當于一輛公共汽車,重量約為45噸。有一些機艙非常大,甚至可以在頂部安裝一個直升機著陸墊,這種風力發電機平臺的重量將超過272噸。

近日,英國安裝了一臺目前世界上最大的風力發電機,它的發電功率為5.3GW,可供500萬用戶使用。今年5月,丹麥能源公司 DONG Energy在愛爾蘭海利物浦灣的Burbo Bank Offshore風場上,增加了32個海上發電機(圖2),這對可再生能源來說有著非凡的意義,因為它標志著8MW風力發電機的第一次商用,它的發電機功率比以前提高了一倍。新的發電機大約有195m高,轉子長80米,轉子旋轉一次可以為一個普通家庭供電29小時。


圖2 :北威爾士Burbo Bank Offshore海上風電場(來源:維基百科)

最大功率風力發電機是來自Vestas Wind Systems的Vestas 164,功率為9MW,轉子長178m,掃掠面積20566 m2,重32噸。風力發電機整體高219米(約為72層樓高),整體重量超過1800噸。從圖3中可以看出這個風力發電機轉子到底有多大。


圖3:裝載著渦輪葉片的車隊蜿蜒穿過Edenfield前往Scout Moor風電場,即英國第二大陸上風電場 (來源:Geograph)

傳感器的關鍵作用

在風力發電機中,有許多種不同類型的電子和光學傳感器。一般來說,他們具有以下作用:

檢測、監視和交互有關的參數信息,比如兩個相鄰組件之間距離的變化
監測振動級別,如果振動幅度過大,可能會造成嚴重損壞
監測溫度、壓力和機械應力的變化

渦流傳感器

渦流傳感器是風力發電機中最常見的傳感器之一,可檢測導電材料進入移動磁場時產生的電流變化。當這種情況發生時,磁場的強度可以轉化為距離的變化。

在風力發電機中,渦流傳感器用于測量軸的潤滑油層間隙,以確保承受壓力的軸一直被油膜所覆蓋,保證潤滑度。由于這些傳感器可以在充滿油且具有一定壓力和溫度的環境下工作,所以它們可以在這些惡劣環境下可靠的監測油隙。如果間隙過大超過了限度,傳感器就會發出警報,這樣就可以在軸卡住時或之前進行預防性維護。

這些傳感器還用于測量發電機軸承在外殼內的軸向和徑向旋轉方式,即偏差規范。在徑向上,這種情況會導致軸偏離中心旋轉(并非“真的”),并在軸向上導致軸以輕微的角度旋轉。雖然偏差是不可避免的,但軸承的磨損可能會超過可接受的程度,如果超過了限度(通常由高風荷載引起),發電機必須關閉并進行維修。顯然,實時的監測可以保證在軸承極端損壞或甚至災難性故障發生之前進行維護。

最后,渦流傳感器還可用于測量由振動、風荷載或其他因素引起的旋轉效應(力矩或扭矩),這些因素會隨著時間的推移而導致結構完整性下降。它們還可用于測量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉,以確保在大風時安全制動轉子。

位移傳感器

位移傳感器可用于監測結構的完整性。風力發電機所需的基礎平臺雖然是由大量的混凝土構成,但由于塔架高,而且發電機的轉子和機艙也非常巨大,整個結構實際上都是“頂載”的,所以必須在基座處監測系統的完整性。

激光位移傳感器可以用來執行這一功能,它可以探測到由于風或波浪的反復撞擊引起的塔架輕微震動。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸到距離很遠的光學接收器上,將兩者之間的偏差和位移轉化為距離。激光三角測量傳感器也被用于類似的目的,這種傳感器將傳感器、發射機和接收器組成一個三角形。由于這些設備非常精確,它們可以檢測到非常小的變化,因此可以創建趨勢數據來確定問題是否越來越嚴重以及變化速度。

另一種用于精確測量位移的傳感器是電容式位移傳感器,可測量發電機定子和轉子之間的距離,這個距離被稱作發電機氣隙。它的工作原理為:相互靠近的導電表面間存在電容,并且電容的變化與表面之間的距離成正比。這種測量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場環境下。

拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞到一個軸式傳感器上,因為拉繩可以很長,所以可以在距離被測物體很遠的地方測量距離的變化。當拉繩從線軸上拉出或縮回時,線軸發生旋轉,然后傳感器將其轉換成變化的電信號。在風力發電機中,可以通過測量風門的位置來測量氣流。圖4顯示了一個典型的拉繩位移傳感器。


圖4:Bourns公司的拉繩位移傳感器。它具有電纜纏繞的彈簧片,以及安裝在外殼上的旋轉傳感器,根據應用場景的不同可以選擇多種類型的傳感器(來源: Bourns)

根據應用場合的不同,拉繩傳感器可以配合各種旋轉傳感器共同使用,如電位器、霍爾效應傳感器、模擬或數字非接觸式傳感器等。例如,Bourns AMS22B5A1BHASL334N非接觸式模擬旋轉傳感器采用磁傳感技術,能夠抵抗震動、抖動、流體和灰塵,并能在-40oC至125oC的溫度范圍內工作,它的輸出分辨率為12位,線性度為±0.3%。

加速度計

加速度計用來測量速度或速率的變化,在風力發電機中用來探測主、偏航和旋轉軸承以及其他旋轉部件(如主發電機輸出軸)的振動情況,測量得到的振動數據可以用來預測可能要發生的故障。

Analog Devices的ADXL1001和ADXL1002 MEMS加速度計是很好的選擇,它們的測量結果分辨率高、噪聲密度低、靈敏度穩定,可以耐受高達10000mps2的沖擊。這兩款器件還整合了自我診斷和超量程指示功能,工作溫度范圍是-40°C至+125°C。

風速傳感器

風速傳感器安裝在機艙頂部,可以是機械式也可以是超聲波式。由于超聲波風速傳感器不需要每次進行重新校準,所以被廣泛應用在難以進行現場維護的場合。超聲波傳感器利用聲波來測量物體間的距離,傳感器發出低頻聲波,然后被目標物體反射。通過記錄聲波的發出和返回時間,就可以計算出傳感器和物體之間的距離。

Texas Instruments PGA460/PGA460-Q1超聲波處理器及其驅動SoC有一個信號調理器和DSP內核,通過由低噪聲放大器和可編程增益級組成的模擬前端來調節反射信號,將信號輸出給模數轉換器,然后,利用時變閾值對數字化信號進行近場和遠場目標檢測。

溫度傳感器

溫度傳感器被安置在溫度容易升高的地方,用于指示某些子系統元件發生過熱情況。TE Connectivity的PTF系列鉑溫度傳感器測量范圍為-200°C到+ 600°C,并且使用薄膜電阻作為傳感元件。此系列傳感器的尺寸小、重量輕,漂移小,反饋時間短。

結論

傳感器在風力發電機中至關重要,那么傳感器自身是否會發生故障呢?答案當然是肯定的。為了解決這個問題,在同一位置使用多個傳感器,將第二個作為備用傳感器,以便在第一個傳感器發生故障時可以自動切換。除了采用備用傳感器以外,應用于風電場以及其他能源系統的傳感器必須滿足以下要求:寬廣的工作溫度范圍、防塵和防水等級達到IP67或IP68,有些時候還需要具有堅固耐用的外殼。

和任何一種不斷發展的技術一樣,利用風能發電也有好有壞,有些時候,故障僅僅來自于某個電子元件,而不是發電機或渦輪葉片故障。就像在所有的工業應用中一樣,傳感器在減少發生這些故障方面起著重要作用。渦流傳感器、位移傳感器、加速度計、風力傳感器、溫度傳感器,這些都是監測發電機并判斷是否需要維護的關鍵。出于這個原因,這些龐大的機器可能會更多的使用傳感器,畢竟用10美元的元件來保護昂貴的渦輪葉片免遭災難性的故障,是非常值得的。


文章來源:貿澤電子

作者簡介:Barry Manz是Manz Communications, Inc.(曼茲通信公司)的總裁,該公司是他于1987年創立的技術媒體關系機構。他曾與100多家公司在射頻、微波、國防、測試和測量、半導體、嵌入式系統、光波及其它市場進行過合作。Barry曾為多家線下和線上貿易刊物撰寫過文章,亦撰寫過各種白皮書、應用筆記、研討會論文、技術參考指南和網頁內容。他是Journal of Electronic Defense雜志的特約編輯、Military Microwave Digest雜志的編輯、MilCOTS Digest雜志的共同創辦人,也是Microwaves & RF雜志的主編。
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