壓電傳感器在風電發電機振動測試中的應用研究
2025-07-30
作者：錢顯毅，陳鵬飛
（常州工學院電氣與光電工程學院）
【摘 要】風力發電機組一般安裝在海邊、山頭、沙漠等風力比較集中區域，因此風力發電機組往往所處地區自然條件復雜，受到外部風雨的影響會產生激勵振動，同時，風力發電機組由于本身電機轉動也會產生振動，還有固有振動，這些振動，影響風力發電機的安全運行。因此，對風力發電機組運行時的振動狀態進行監控，十分重要。文章重點對對風力發電機電機振動進行研究，然后對風力發電機振動主要相關部分進行分析，如葉片、偏航系統振動進行分析。根據分析結果，布置用于監測風力發電機振動的壓電傳感器，針對壓電傳感器檢測結果，設計出減振系統。
【關鍵詞】風力發電；電機振動；壓電傳感器；減振系統
1 風能的形成
在地球表面，由于太陽光照射的緯度和位置不同，地球表面不同位置受到陽光輻射而接收的能量不同，因而產生溫差，溫度高的地方的空氣上升向高空流動，溫度低的地方的空氣流過來補充，形成了風，風能是空氣流動時的動能。空氣流動得越快，風能就越大，風能是一種沒有污染可再生能源，是一種太陽能轉化而來的二次能源，比太陽能集中度高，易于應用。其轉化方式目前主要是利用風車將風能轉化為發電；也可以用來作為其它形式的動力，如用風能抽水等。
但是利用風能發電，風力發電機組發電時會產生振動和噪聲，而振動和噪聲會對周圍環境產生負面影響，因此，監測風力發電機組的振動測試，研究消除風力發電機組的振動，對保護環境和維持發電機穩定發電，延長發電機組壽命有重要意義。
2 風力及其應用歷史
利用風能為人類的生活、生產服務已經有數千年的歷史，在歐洲，使用風能較早和比較成熟的國家是荷蘭、丹麥，并且荷蘭、丹麥一直在風力應用方面，處于世界領導地位。
中國應用風能的歷史優久，古代對風能的應用很廣泛，并且有利用人造風和自然風。
人造風方面，我國在古代有風箱、風簾、風車，在上世紀70年代，中國農村燒煤，燒柴做飯還使用風箱。自然風方面，我國有風帆船、風力磨面、風力抽水等。中國是世界上最早使用風作為動力船的國家，也是最先進的風帆船制造國，唐代詩人李白“乘風破浪會有時，直掛云帆濟滄海”，鄭和下西洋，制造了當時世界上最先進的風帆船。
在中國廣大的沿海地區，很早以前就利用風能作為動力，提水灌溉農田，用風力提取海水制鹽。
上世紀70年代，中國在新疆、內蒙的風口地區和山東、浙江、廣東、福建的海島上建設了8個風力發電示范基地，推動了中國風能發電的發展，目前中國已經成為世界上利用風能發電最多的國家，預計到2020年底中國風力功率將達到12000萬kw，到2050年底中國風力功率將達到50000萬kw。
3 風力發電機的結構與原理
風力發電機組中的風力機主要分為水平軸和垂直軸風力機，現在主要討論水平軸風力發電機，水平軸風力發電機又分為上風風機和下風風機，目前風力發電主要采用上風風機，風力發電機組主要器件有五個部分。①風車部分：葉輪、剎車機構、變槳裝置和輪毅；②支撐部分：轉子軸承、主軸承、聯軸器、變速箱（齒輪箱）、聯軸器；③風向控制：偏航系統；④塔架和基礎；⑤發電機、電力輸出控制系統及并網系統。現在介紹主要器件的主要作用。圖1是風力發電機組工作原理示意圖。
風力發電的原理是利用風流動的動能，通過風力機的葉片，將風的動能轉化為風力機轉軸轉動的動能，通過風力機的轉軸經由變速箱（齒輪箱），傳遞給發電機發電。
但是，風力發電隨著風速和風向的變化，發電極不穩定，并且產生振動，造成故障而停機，因此，檢測并監控風力發電機組及為重要，這里主要研究風力發電機電機振動的測試方法及控制技術。
4 風力發電機組振動監測系統
1.風力發電機組各部分產生故障的概率
新的風力發電機組一般故障較少，隨著使用時間的延長，故障也就越來越多，因此，分析風力發電機組各部分發生故障的概率，對風力發電很重要。下表1是某風力發電機組各部分發生故障統計表。
2.風力發電機組的發電機振動監測
針對上述風力發電機組出現故障的統計，實施風 力發電機組振動狀態的監控顯得十分重要，風力發電機組振動狀態的監控，主要是對風力發電機系統振動信號進行在線實時監控，發現異常，實時處理。這里研究基于壓電式傳感器對風力發電機組電機振動狀態實時檢測，然后根據是檢測信號，反饋給消除或減少風力發電機組的發電機的振動。
3.風力發電機組的振動監測系統構成和原理
風力發電機組產生的振動由很多原因造成，主要有3個方面原因造成振動。①風振：風力機的葉片、葉輪、齒輪箱、主軸、電機、塔架等在風力的作用下，都會產生振動；②固有振動：各部件的固有振動；③共振：外界振動和部件固有振動頻率相同或接近時，所形成的共振。振動監測的目的，就是將這些振動檢測并記錄下來，并在超過限值時，發出報警，通過人工或者自身減振系統減小振動。
風力發電機電機振動在線監測系統主要由5個部分構成，分別是：①信號檢測傳感器；②數據采集模塊；③工控主機模塊；④記錄、顯示、打印模塊；⑤電源模塊。圖2是風力發電機電機振動在線監測系統的示意圖。其各部分的作用，這里不作介紹。
5 風力發電機電機故障診斷方法
1.風力發電機組系統振動監測點
在檢測風力發電機機組振動時，主要監測點要分布風力發電機主軸附近，盡量靠近主軸的承載區域，選擇的測量點必須有一定的強度，并且振動衰減少，信號強、容易檢測到測量點。
對于風力發電機組，檢測振動時，采用壓電式傳感器，在檢測時，一般采用水平、垂直、軸向三個方向進行，以確保測量結果的有效性和可靠性。圖3風力發電機電機振動在線監測分布示意圖。
隨著我國對海洋的開發和利用，海上風力發電設備將進行批量化生產、安裝和使用，海上風電設備的防振減振更為重要，因為整套風電設備會隨著海浪一起振動。中國為了促進南海及南海周邊的和平，建設南海風力發電系統十分重要。由于每天經過南海的國際船只高達7000多艘，中國也應加快南海國際船舶服務站建設，為過往的國際船只提供加油、加水、為船員提供休息、就餐、娛樂等服務，國際船舶服務站也要建設自身的風力發電設備。
風力發電機組的振動狀態，直接影響了風力發電系統發電質量和電量的輸出，因此，監測風電設備的振動，十分重要。
2.風力發電機組系統振動診斷方法
隨著網絡科技和通信技術的發展，利用網絡可以將風力發電機組監測到的振動信息實時傳送到風力發電機的監控中心，利用計算機將監測到的信息進行儲存、分析、處理。風力發電機組系統振動診斷方法是：①時域分析法；②頻譜分析法；③時頻分析法。目前在這3種方法中，首先時頻分析法，這種分析方法，兼顧頻域和時域全貌，又能顧及局部特性，能準確、高效地分析風力發電的振動特性。常用有小波分析、短時傅里葉變換、時頻分析等方法。
6 結論
風力發電電機的振動監測系統，可以以電機振動為主，風力發電的風力發電機整機、葉片、偏航系統、齒輪箱、主軸承的振動為輔進行檢測，監控效果好，能實時傳輸，提高了風力發電機發電質量和總發電量，可作為風力發電系統參考。
參考文獻:
【1】任麗娜，楊歡歡，劉爽爽，劉福才．風力機傳動鏈扭轉振動無源控制［J］．太陽能學報，2015（8）
【2】趙斌，馬飛，陳建兵．風力發電塔系統TMD控制振動臺試驗研究［J］．土木工程學報，2015（8）
【3】王瑞闖，林富洪．風力發電機在線監測與診斷系統研究［J］．華東電力，2009（1）
【4】柯世堂，王同光，趙林，葛耀君．風力機風振背景－共振響應特性及耦合項分析［J］．中國電機工程學報，2013（9）
【5】錢顯毅，沈明輝．風能及太陽能發電技術［M］．北京：北京交通大學出版社，2013
【6】錢愛玲，錢顯毅．風光發電技術［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2015
【7】錢顯毅，錢顯忠．新能源與發電技術［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2015
來源：《科技創業月刊》
（版權歸原作者或機構所有）
