风力发电机:微型传感器发挥重要作用

作者:Barry Manz,Mouser Electronics 

风力发电机:微型传感器发挥重要作用
风力涡轮机可能与摩天大楼一样高,但是它们有能力高效安全地运行到数十个微小而便宜的传感器,以监测其健康。
在一个基本层面上,现代风力发电机是二十一世纪的风车,具有大的转子叶片,将微风变成电能,而不是铣削谷物或泵送水。深入挖掘,风力发电机将自己显示为设计杰作,结合机电工程创新。尽管他们的转子可能长度超过79米,而塔的高度也超过了183米,但其中一些关键部件 - 传感器 - 只有厘米长,但是在面对非常大的压力,振动和各种其他危害。

传感器在风电场中的作用

没有传感器,风力涡轮机可能会更安全,运行成本更高,无法准确预测和解决即将发生的故障,或者潜在的寿命要比预期运行的二十五年还要长。最重要的是,风力发电场需要关于每个涡轮机及其最重要的组件的精确数据,只能提供连接在一起并连接到指挥中心的传感器。
此外,风力发电机是工业物联网行动的典型(如果不合适)的例子:它们具有从传感器到连接它们的网络的所有必要成分,尽管通常通过以太网而不是无线连接。风力发电场IIoT网络可以利用诸如风速,功率,偏航角度,变速箱温度等历史运行数据的优点,分析从整个风力发电场到最低部件的趋势。从此,运营商可以创建一个可以预测哪些组件要检查和何时的模型。可以查看所有信息以及状态警报和监控的其他结果,以及从智能手机,平板电脑或计算机执行的操作。
要了解为什么这些传感器如此重要,请考虑一个风力涡轮机及其所有地方,以便它们可以用于监视所有系统组件,包括结构本身(图1)。风力涡轮机是复杂的,通常有8,000多个组件。他们的巨大的叶片和塔架结构锚定在数千吨钢筋和钢筋平台上,测量长度为30至15米,深度为6至10米。
风力发电机的基本部件

图1:机舱内的风力涡轮机的基本部件和一些传感器类型及其放置位置。(资料来源:TE Con​​nectivity小册子)
将叶片转速慢的转子速度(与发电机一起转换)的变速箱安装在称为机舱大小的塔架上方的容器中,该机舱是总线尺寸,重约45T(吨)。一些机舱足够大,可以在顶部包括直升机着陆垫,整个风力发电机平台的重量可能超过272T。
一个很好的例子是英国最新的部署之一,这是世界上最大的风力发电机组,全国的能力为5.3GW,可以为五百万个家庭提供动力。今年五月份,丹麦公司东能公司推出了向爱尔兰海上利物浦湾Burbo Bank Offshore Wind Farm(图2)增加32个电力的开关。这是可再生能源的重大事件,因为它标志着8MW涡轮机的首次商业使用,这是风力发电场原有涡轮机的产量的两倍。新的涡轮机结构约为195m高,转子长度为80m,单个转子的单次转动能为一个家庭供电29小时。
Burbo银行海上风电场

图2:距离北威尔士的Burbo Bank离岸风力发电场。(来源:维基百科)
为纪录,最大容量的传统风力发电机目前是维斯塔斯风力发电系统的Vestas 164,其输出功率高达9MW,其产生的178m转子的扫描面积为20,566平方米,重达32T。结构的顶部高219米(约72层建筑的高度),整体重量超过1800T。图3显示了真正的巨大风力发电机转子。
涡轮叶片车队绕过一个困倦的英国村庄

图3:涡轮叶片车队通过Edenfield曲折到英国第二大陆上风电场Scout Moor风电场。(来源:地理位置)

传感器的关键作用

在风力涡轮机中使用许多不同类型的电气和光学传感器。一般来说,他们
  • 检测,监控和传递有关参数的信息,例如两个组件之间距离相近的距离变化
  • 监测振动水平,如果过大,可能会造成重大损坏
  • 监测温度,压力和机械应力的变化

涡流传感器

风力涡轮机中最常见的一种类型的传感器是涡流传感器(也称为福柯电流),其检测当导电材料进入移动磁场时产生的电流的变化。当这种情况发生时,场的强度可以转化为距离的变化。
在风力涡轮机中,涡流传感器测量轴的润滑间隙,以确保其始终被通常在压力下施加的薄膜油覆盖。因为这些传感器可以抵抗油和压力以及温度,所以它们可以可靠地监测这些恶劣条件下的油隙。如果间隙变得太大并超过其规格,则可以发送警报,以便在轴绑定或抓住之前执行预防性维护。
这些传感器还测量涡轮轴如何轴向和径向地在其外壳内旋转,这一规格称为径流。径向地,这种情况导致轴偏离中心而不是“真”,轴向地导致轴以小角度旋转。虽然总是有少量的损耗,但是磨损的轴承可能会导致其超过可接受的极限,而当它太高时,通常是高风荷载的结果,必须关闭涡轮机进行维护。显然,随着时间的推移,能够监测耗尽量,这种维护在极端的损坏甚至是灾难性的故障发生之前就可以进行。
最后,还使用涡流传感器来测量施加到由振动,风载荷或其他因素引起的机舱的转弯效应(力矩或扭矩) - 这可能导致结构完整性下降的时间。它们可用于测量离合器盘的轴向,径向或切向偏转,通过在大风中制动确保转子的安全。

位移传感器

各种位移传感器也用于监控结构完整性。将风力发电机维持在目前所需的基础或平台包括大量混凝土。然而,由于塔架非常高,并且发电机的转子和发动机舱很大,所以整个结构都是有效的“顶级装载”,因此监控系统在其基座上的完整性至关重要。
可以使用激光位移传感器来执行该功能,因为它们可以通过由风或波反复击打或由结果缺陷引起的相对于塔引起的基座的非常小的移动。激光位移传感器通过将光束传输到距离远的光接收器来工作。两者之间的偏差和运动变为距离单位。激光三角测量传感器也用于类似的目的,并配有三角形的传感器,发射器和接收器。由于这些设备非常准确,因此可以检测到非常小的更改,因此可以创建趋势数据来显示问题是否正在发展以及进度有多快。
另一种精密位移传感器 - 电容型 - 测量涡轮机中定子和转子之间的距离,称为发电机气隙。它们的操作基于在彼此靠近的导电表面之间存在电容并且电容将与表面之间的距离成正比地变化的原理。这些传感器测量这些变化,并可在高温环境和高电磁场下工作。
牵引线位移传感器将缠绕在线轴式传感器上的弹簧加载线组合在一起。由于导线可能相当长,当传感器位于远离移动物体的位置时,拉线传感器可以测量距离的变化。当线从线轴延伸或缩回时,测量线轴旋转,然后将其转换为电信号变化的量度。在风力涡轮机中,它们通过检测气翼的位置来测量空气流量。典型的拉丝位移传感器如图4所示。
Bourns拉丝位移传感器

图4:来自Bourns的拉丝位移传感器显示了其上缠绕电缆的弹簧加载的卷轴和安装到外壳的旋转传感器。可以根据应用的要求使用几种类型的传感器。(来源:Bourns)
拉丝传感器也可以根据应用使用各种旋转传感器,例如电位器,霍尔效应传感器以及模拟或数字非接触传感器。该商Bourns AMS22B5A1BHASL334N非接触模拟旋转传感器,例如,使用磁技术和是冲击,振动,流体和防尘,并能工作在-40的温度范围Ò C至125 ö C.它具有12-位输出分辨率和线性度为±0.3%。

加速度计

用于测量速度或速度变化的加速度计用于风力涡轮机中,用于检测和监测主,偏航和回转轴承以及其他旋转部件(如主发电机输出轴)内的振动。收集的振动数据可用于监测随时间的变化并预测即将发生的故障。
ADI公司ADXL1001和ADXL1002 MEMS加速度计是一个很好的例子,因为它们随着时间的推移以高分辨率和低噪声密度测量振动。它们的灵敏度特性非常稳定,免受高达10,000mps 2的冲击。该器件还具有集成的自诊断功能和超范围指示器,工作在-40°C至+ 125°C的频率范围。

风传感器

风传感器安装在机舱的顶部,可以是机械式的或超声波的。由于超声波类型不需要重新校准,因此它们越来越多地用于难以进行维护的区域。超声波传感器通过使用声波测量到物体的距离,发出非常低频的声波,并在目标物体反射之后检测波。通过记录声音的产生和返回之间的经过时间,可以计算传感器和物体之间的距离。
德州仪器PGA460 / PGA460-Q1超声处理器和驱动器的SoC具有信号调节器和数字信号处理器(DSP)核心,使用一个模拟前端由低噪声放大器和可编程增益级发送输出条件的反射信号到模拟 - 数字转换器。然后使用时变阈值处理数字化信号进行近场和远场物体检测。

温度传感器

温度传感器也用于温度升高指示子系统某些类型部件过热的位置。TE Con​​nectivity的PTF铂温度传感器测量范围为-200°C至+ 600°C,并具有使用薄膜电阻作为传感元件的温度检测器。它们非常小巧轻便,随着时间的推移漂移很小,并且具有低的时间常数,可以快速反馈。

结论

所有这一切的说法,一个合理的问题可能是:如果传感器对于风力发电机的性能和安全性至关重要,如果传感器本身失效,会发生什么?答案是在一些地方使用多个传感器,第二个作为可以自主切换的备份,在第一个故障时可能会自动切换。除了这种备用方法外,还必须规定风力发电场(以及其他能源系统)中使用的传感器,以满足诸如宽工作温度范围,IP67或IP68认证等要求,防止灰尘和水,以及有时是坚固耐用的外壳。
像任何类型的不断发展的技术,从风中创造能量已经有好的和坏的日子,其中一些是由单一的电气部件故障而不是巨大的发电机或涡轮叶片故障造成的。传感器在减少这些事件的可能性方面发挥重要作用,就像在所有工业应用中一样。涡流和位移传感器,加速度计和风和温度传感器是监测涡轮机和沟通潜力以及所需维护的关键。因此,将来这些猛mamm机器可能会被雇用在更多的位置上,因为使用10美元的部件来保护昂贵的涡轮叶片免受灾难性故障并不困难。

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