分享微型传感器在风力发电机中的应用

风力发电器看起来像摩天大楼一样高，但它们中却包含着数十个微小、不是很昂贵的传感器，这些传感器监测着它们的运行状况。 ❈

从表面上看，一个现代的风力发电机就是一个21世纪的大风车，他们通过转子叶片将风能转换为电能，而不是像过去一样利用风能来碾磨谷物或抽水。再深入一点，风力发电机将机械工程和电气工程的创新结合在一起，为人们展现了一个完美的杰作。尽管一个风力发电机的转子可以达到79米长，塔高超过183米，但是它的关键部件，比如传感器的尺寸却只有几厘米。这些传感器确保了发电机这个庞然大物在面对压力、振动和其他危险的情况下的安全。

传感器在风电场中的作用

如果没有传感器，风力发电机不仅安全性会降低，而且操作成本也会提高，更无法准确的预测并解决潜在的故障，这样他们的预期寿命可能会小于25年。更为重要的是，风力发电场需要每一台发电机重要部件工作的精确数据，而这些数据都是由传感器提供的，这些传感器连接在一起并与控制中心相连接。

风力发电机就是一个典型工业物联网的例子：

它们拥有从传感器到网络等物联网所必要的组成部分，虽然他们通常是通过以太网连接的而不是无线连接。风电场工业物联网可以充分利用诸如风速、功率、偏航角、变速箱温度等历史数据来分析设备的运行趋势。这样，操作员就可以通过创建一个模型来预测要在什么时候检查哪些部件了。物联网所获取的所有的信息、状态警报和其他监测结果，都可以从智能手机、平板电脑或电脑上进行查看和操作。

这些传感器为什么如此重要呢？因为他们可以随时监视着风力发电机的结构、内部的敏感位置和系统组件 (图1)。风力发电机非常复杂，通常有超过8000个组件。他们巨大的叶片和塔楼被安装在由数千吨的钢筋混凝土平台上，平台直径达15到30米，深6至10米。

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图1:风力发电机机舱内的基本组成部分，以及一些传感器的类型和安放位置。(来源:TE连接手册)

变速箱将叶片的慢速运行转化为更快的转子速度(连在发电机上)，变速箱被安置在一个集装箱上，这个集装箱被称为“nacelle”，它的大小相当于一辆公共汽车，重量约为45吨。有一些nacelles非常大，甚至可以在他们的顶部安装一个直升机降落垫，整个风力涡轮机平台的重量超过272吨。

近日，英国安装了一台目前世界上最大的风力发电机，它的发电功率为5300万千瓦，可以供500万用户所使用。今年5月，丹麦的东能源公司(DONG Energy)在爱尔兰海的利物浦湾的Burbo Bank Offshore风场上，增加了32个海上发电机(图2)，这对可再生能源来说是一个大事，因为它标志着8MW风力发电机第一次商用，它发电机功率比以前提高了一倍。新的涡轮机大约有195m高，转子长度80米，转子的一次旋转可以为一个普通家庭供电29小时。

图2

图2 北威尔士Burbo Bank Offshore海上风电场。(来源:维基百科)。最大功率风力涡轮机是来自Vestas Wind Systems的V164，他的功率为9兆瓦，转子长度178m，扫掠面积20566 m²，重量32吨。风力发电机整体高度219米(约为72层楼高)，整体重量超过1800吨。图3显示了巨大的风力涡轮机转子的实际尺寸。

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图3:装载着涡轮叶片的车队蜿蜒穿过Edenfield到Scout Moor风电场，这是英国第二大陆上风电场。(来源：Geograph)

传感器的关键作用

在风力发电机中，有许多种不同类型的电子和光学传感器。一般来说,他们具有以下作用：

检测、监视和交互有关的参数信息，比如两个组件之间距离的变化

监测水平振动的级别，如果振动过度，可能会造成重大损害

监测温度、压力和机械应力的变化

涡流传感器

在风力发电机中涡流传感器是最常见的传感器之一，它检测了运动的导电材料在进入磁场时所产生的感应电流。根据这种原理，电流的强度可以转换成距离的变化。

在风力发电机中，涡流传感器用于测量轴的间隙，以确保承受压力的轴一直被油膜所覆盖，以保证润滑。由于这些传感器可以在充满油且具有一定压力和温度的环境下工作，所以它们可以在不利的环境下可靠的监测润滑情况。如果轴的间隔过大，超过了限度，传感器就会发出警报，这样就可以在轴损坏之前进行预防性的维护。

这些传感器还测量了涡轮机轴承在轴向和径向的旋转方式，这是一种叫做run-out的规范。径向是轴偏离中心旋转，轴向是轴旋转一个角度。虽然磨损是不可避免的，但轴承的磨损可能会超过可接受的限度，如果超过了限度（通常由于大风引起），涡轮必须关闭并进行维修。显然，实时的监测可以保证在轴承极端损坏或甚至灾难性故障发生之前进行维护。

最后，涡流传感器也被用来测量由振动、风荷载或其他因素引起的旋转效应(力矩或扭矩)，他们可能会导致结构完整性的变化。它们还可以于测量离合器盘的轴向、径向或切向偏转，以确保转子在强风时的刹车安全。

位移传感器

各种位移传感器也用于监测结构的完整性。风力发电机所需的基础平台虽然是由大量的混凝土构成，但由于塔很高，转子和机舱巨大，因此，整个结构都是“顶载”的，所以在基座上监视系统的完整性也是必不可少的。

激光位移传感器可以用来执行这个功能，因为它可以探测到由于风或结构缺陷而引起的塔的非常小的震动。激光位移传感器的工作原理是将光束传输到距离很远的光学接收器上，位置的变化会导致光束的位移。激光三角测量传感器也被用于类似的目的，这种传感器是将传感器、发射机和接收器组成一个三角形。由于这些设备非常精确，它们可以检测到非常小的变化，因此可以分析震动的变化趋势，以此来确定问题是否越来越严重以及它变化得有多快。

另一种用于精确测量位移的传感器是电容式位移传感器，它用于测量发电机定子和转子之间的距离，这个距离被称作发电机气隙。它的工作原理是这样的：两个相近的导体之间存在电容，电容大小与两个导体之间的距离成正比。这种测量方式可以使传感器工作在高温和高电场的环境下。

拉绳位移传感器是将拉绳缠绕绕到一个轴式传感器上，因为拉绳可以很长，所以可以在距离被测物体很远的地方测量距离的变化。当拉绳从线轴上拉出或缩回时，线轴发生旋转，然后传感器将其转换成变化的电信号。在风力发电机中，可以通过测量空气瓣的位置来测量气流。图4显示了一个典型的拉绳位移传感器。

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图4 Bourns公司的拉绳位移传感器。它具有电缆缠绕的弹簧片，以及安装在外壳上的旋转传感器。根据应用场景的不同可以选择多种类型的传感器。(来源: Bourns)

根据应用场合的不同，拉绳传感器可以配合各种旋转传感器共同使用，如电位器、霍尔传感器、模拟或数字非接触式传感器等。例如，Bourns公司的AMS22B非接触式模拟旋转传感器，使用磁技术，能够抵抗震动、抖动、流体和灰尘，并能在- 40℃ - 125 ℃的温度范围内工作，它的输出分辨率为12位，线性度±0.3%。

加速度计

加速度计用来测量速度或速度的变化，它在风力涡轮机上用来探测主、偏航和旋转轴承以及其他旋转部件（如主发电机输出轴）的振动情况，测量得到的振动数据可以用来预测可能要发生的故障。

AD公司的ADXL1001和ADXL1002 MEMS加速度计是很好的选择，它们的测量结果分辨率高、噪音低、灵敏度稳定，可以忍耐高达10000mps2的电击。此外器件也整合了自我诊断和超量程功能，他们的工作温度范围是-40°C + 125°C。

风速传感器

风速传感器安装在机舱顶部，可以是机械风速传感器也可以是超声波风速传感器。由于超声波风速传感器不需要每次进行重新校准，所以在难以进行现场维护的场合，它们被使用的越来越多。超声波传感器用声波来测量物体间的距离，传感器发出低频声波，声波被目标物体反射，通过记录声波的发出和返回时间，就可以计算出传感器和物体之间的距离。

TI的PGA460 /PGA460-Q1超声波处理器及其驱动SoC有一个信号调理器和DSP核，反射信号使用模拟前端进行处理，模拟前端包括低噪声放大器和可编程增益，然后将信号输出至模数转换器，利用时变阈值处理近场和远场目标检测的数字化信号。

温度传感器

温度传感器被安置在温度容易升高的地方，温度表明某些子系统的运行情况。TE Connectivity的PTF Platinum温度传感器的测量范围为-200°C到+ 600°C，使用薄膜电阻作为敏感元件。该传感器的尺寸小、重量轻，漂移小，反馈时间短。

结论

传感器在风力发电机中至关重要，那么传感器自身是否会发生故障呢？答案当然是肯定的。为了解决这个问题，在同一位置使用多个传感器，第二个传感器当做备份，这样在第一个传感器发生故障时自动切换。除了备份外，应用于风电场以及其他能源系统的传感器，必须达到特定的工作安全，如宽的工作温度范围，灰尘和水保护符合IP67或IP68认证，有些时候还需要具有坚固耐用的外壳。

和任何一种不断发展的技术一样，利用风能产生电能的发电机有时也会发生故障，而有些时候，故障仅仅来自于某个的电子元件，而不是发电机或涡轮叶片故障。就像在所有的工业应用中一样，传感器在减少发生这些故障方面起着重要作用。涡流传感器、位移传感器、加速度计、风力传感器、温度传感器，这些都是监测发电机并判断是否维护的关键。出于这个原因，未来，在的这些巨型机器上很可能更多的使用传感器，因为用10美元来保护昂贵的涡轮叶片免遭灾难性的失败是很值得的。