风力发电机组传动轴、电机监测系统设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.课题的背景及意义

环境污染，能源短缺，油价上涨，当今社会对清洁可再生能源的强烈诉求促使风能产业遇到了前所未有的发展机遇。据估计，世界风能资源高达每年53万亿kWh，是2020年世界预期电力需求的两倍。同时与之相关的风电制造业也呈现出了蓬勃的发展前景。

风力发电系统主要由风轮、齿轮箱(可选)、发电机、功率变换器(可选)、变压器等部分构成。其中，发电机承担将风能转换为电能的任务，是风力发电系统中的核心部件。随着风力发电整体技术的发展，风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。同时，风力发电机自身技术水平的提高，又有力地促进了风力发电整体技术的进步。例如，双馈异步发电机及其控制技术的成熟，使变速恒频风力发电得以实现，成为当前风力发电系统的主流。因此，风力发电机与风力发电系统互为因果，相互促进。近年来风力发电系统的容量不断增大，特别是低速直驱永磁风力发电系统的快速发展，有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高，各种新型风力发电机不断出现。本文将对主要类型风力发电机的技术特点、适用范围、发展前景等进行综述、比较，并对风力发电机的最新研究进展做简要介绍，以期起到抛砖引玉之效。[6]

风力发电机组一般安装在荒郊、野外、山口、海边等风能较大且周围无遮挡物之处,发电机、齿轮箱等安装在机组塔架之上狭小的机舱内,距地面几十米高。常年受酷暑严寒和极端温差的影响,工作环境恶劣。传动轴、发电机是风力发电机组的核心,其安全可靠运行将直接关系到整个机组的稳定和电能的质量。风力发电机长期处在极端温度、风沙、盐蚀等恶劣气候环境下,并承受了巨大的机械应力,极易发生各类机械、电气故障。根据文献可知，电机发生故障25%，机械刹车系统占9%。

因此,研究和开发风力发电机的监测和故障诊断系统有着十分重要的意义。本系统是可以采用专用测试硬件进行设计和集成，以labview来进行软件设计，为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构。

2、该领域的研究进展情况

2.1风力发电机组的故障特点[7]

风电机组主要分为三类:①双馈式变桨变速机型，是目前大部分企业采用的主流机型;②直驱永磁式变桨变速机型是近儿年发展起来的，是未来风电的发展方向之一;③失速定桨定速机型是非主流机型，运行维护方便。考虑到目前风场中主要以双馈式变桨变速机型为主，主要针对该机型的故障及状态监测方法加以讨论。

风力发电机组一般都设在50-80m或以上的高空，其工作环境恶劣复杂，机组的受力情况也很复杂。风力发电机组在工作过程中，桨叶的转速是随风速的变化而变化。当阵风袭来，叶片受到短暂而频繁的冲击载荷，而这个冲击载荷也会传递到传动链上的各个部件，使得各个部件也受到复杂交变的冲击，对其工作寿命造成极大的影响，使风力机在运行过程中出现各种故障，尤其是风轮以及与其刚性连接的主轴、齿轮箱、发电机等在交变载荷的作用下很容易出现故障，造成机组停机。表1是西班牙纳瓦拉水电能源集团公司((EHN)对2001-2006年风力发电机主要部件的故障比例统计。据统计其中行星齿轮段占54%，中间轴占4%高速轴占38%其他原因占4%。

表格1风力发电机故障比例统计

在国家相关部门的调研中发现，各整机制造企业在运行和调试过程中均出现过质量问题，问题部件及原因如表2所示。

表格2风机整机与部件部分产品质量问题与原因

2.2风力发电机的监测诊断技术

发电机是风电机组的核心部件，负责将旋转的机械能转化为电能，并为电气系统供电。随着风力机容量的增大，发电机的规模也在逐渐增加，使得对发电机的密封保护受到制约。发电机长期运行于变工况和电磁环境中，容易发生故障。常见的故障模式有发电机振动过大、发电机过热、轴承过热、转了/定了线圈短路、转了断条以及绝缘损坏等。据统计，在发电机的所有故障中，轴承的故障率为40%，定了的故障率为38%，转了的故障率为10%其他故障占12%。

根据发电机的故障特点，采用的诊断方法主要是基于转了/定了电流信号、电压信号以及输出功率信号等状态检测手段。POPA等借助定了电流和转了电流信号的时域分析得到其幅值信息，再通过FFT得到电流信号的谐波分量，最后通过判断谐波分量的变化实现对发电机3种模拟故障的识别。WATSON等借助连续小波变换，对输出功率信号进行分析，识别出了发电机转了偏心故障和轴承故障。DJUROVIC等研究了稳态状况下，短时傅里叶变换方法在发电机定了开环故障中的应用。通过对比发现，虽然基于定了电流和瞬时功率的诊断方法均可识别出故障，但瞬时功率信号中包含了更多的故障信息。发电机的转了偏心现象是轴承过度磨损或其他故障隐患的表现。基于输出电流、电压、功率等信号的检测方法是识别转了偏心故障的有效手段。

另外，BENNOUNA等在变转速下建立了基于多项式的双馈式异步发电机线性与非线性数学模型，利用故障特征分析法检测出了转了偏心故障，但是此方法也仅能判断发电机出现故障类型，而不能准确找出故障源。YANG等针对同步发电机为消除变转速的影响，提出了基于转矩和主轴转速的判断准则。模拟定了绕组线圈的短路，对发电机定了绕组电流/功率信号，先用离散小波去除噪声，再使用连续小波提取特征频率，有效地识别出了故障。

2.3发电机监测系统设计

在利用labview进行传动轴及电机监测和故障诊断的基础上，许多研究者设计了自己的系统。以下是几种系统的介绍。

2.3.1基于LABVIEW的交流电机振动测试系统的设计[8]

（1）测试系统的硬件组成

电机测试系统的主要工作是通过对电机运行中的振动信号数据的采集和分析来进行的。数据采集系统一般由传感器、信号调理电路和数据采集设备组成.本系统采用工业PC计算机和数据采集设备配合必要的传感器构成硬件系统，以LabVIEW作为系统的开发平台来构建电机测试的虚拟仪器系统。在硬件系统中，首先选用了压电式加速度传感器.压电式加速度传感器是一种安装方便、使用广泛的振动检测传感器，它具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、信噪比高、安装方便等优点，综合性能最佳，适合本系统的应用.另外还选用光电传感器完成转速测量。信号调理部分，压电传感器采用电荷放大器和积分电路，而光电传感器由于直接输出数字脉冲信号，可以直接与数据采集设备连接，作为同步触发信号.其结构如图1所示。

数据采集设备是系统中最重要的一环，会对系统性能产生严重的影响.在本系统中采用NI公司的PCI-6024E数据采集卡，配合上述传感器，组成振动数据采集分析虚拟仪器。

图1传感器结构

（2）测试系统的软件实现

根据虚拟仪器的设计思想，系统的各种功能主要由软件实现。本系统以风机测试为典型对象。软件主要完成以下内容：振动信号时域、频域动态示波器、振动信号频谱分析、波形分析、动平衡、采集数据的存储、分析结果打印等内容.本系统软件主要采用LabVIEW编制，并在其中调用了VC和Excel程序.这样既有LabVIEW编程方便的特点，又有VC方便灵活、适应而宽的优点，同时还具有Excel制作报表方而的优势。振动信号的动态显示对现场应用有着重要意义，因此数字示波器是系统所必需的功能。利用此功能，运行人员可实时的观察振动信号的波形及频谱变化，利于准确判别故障类型，分析故障原因。在示波器功能中，可同时实现双通道的时域波形或单通道的幅、相频特性显示，并且可在示波过程中实现时/频域切换。

由于回转部件动不平衡引起的强迫振动的频率总是和其转速一致的，此频率和其它振动源引起的强迫振动频率不同.因此可以认为和该部件转速不一致的振动与其动不平衡无关，研究振动信号中和该部件转速有关的成分，就可以获得其动不平衡状况的信息.为了提取不平衡量和相位差可采用互相关滤波器。在滤波器中，只要将激振信号和所测得的响应信号进行互相关处理，就可以得到由激振而引起的响应幅值和相位差，消除了噪声干扰的影响。本系统采用测得的转速信号生成与之同频的正弦数字信号与所测得的响应信号进行互相关处理，从而得到与转速频率相同的基频成分，进而求出其振幅和相位。即得到不平衡量的矢量描述。

由于直接计算相关计算量很大_因此采用了快速相关的方法。快速相关是利用FFT计算相关函数，即利用圆周相关代替线性相关.互相关运算采用生成的幅值为1的同频正弦数字信号与原始数据运算，通过上述运算，保持了其频率，幅值及相位信息，经适当的处理可得到准确的原始数据所需频率成分的幅值及相位特征.对结果的验证如图2所示.

图2互相关滤波器滤波效果

同时，准确求出基频信号的幅值和相位即为不平衡信号的幅值和相位，在本系统中采用离散傅里叶变换DFT求得其幅值和相位。相关方法的主要误差来源于转速频率的准确性，信号频率在1%的范围内变化时，测量准确率可达到0.5%。在软件中，为提高转速的测量精度，采用以转速频率256倍的采样频率的方法重新采样，在提高振动信号采样精度的同时提高对转速信号的采样精度同时，每周期采样点数达到256点，提高犷分析精度。

（3）结语

整个系统界而友好、操作方便、功能齐全，试验结果表明研制基于虚拟仪器的自动测试系统，增加了试验过程的稳定性，避免了人为的读数误差、计算误差以及相关数据不能同时记录所引起的试验结果的偏差.提高了测试精度和试验效率.具有较高的推广应用价值.

2.3.2基于Labview的传动轴压机多通道振动测试系统设计[9]

（1）振动检测原理

振动检测的一般原理为通过对被测系统施加各种波形的激励，使其产生振动，由传感器测量其振动的响应，将此信号进行调理放大至数据采集卡要求的范围，由数据采集卡实现模数信号的转换，最后用基于虚拟软件LabVIEW编写的软件对采集到的信号进行后续处理，如滤波、分析等，从而获得系统的响应特性。

（2）多通道振动采集平台

该测试平台分为4个部分:采集驱动模块，采集滤波模块，显示与分析模块，信号保存模块等。如图3所示。

图3测试软件结构

（3）测试试验

传动轴压装时，会出现两个激励源:一个是压装时所需的液压缸推动力，另一个是压装后径向跳动二次调整。对于第一个激励源，液压缸在推动尾架时开始有一个空行程，运动比较平稳，在与轴管开始接触后，由于其存在过盈量，因而会产生一定的冲击，从而引起头架尾架和床身的波动;第二种用力锤进行脉冲激振，是在压装完成后对传动轴两端径向跳动的调整，其调整的幅度主要由检测传动轴两端的径向跳动来确定的。为了提高测试的可靠度，最大可能地减少受操作人员的经验和其他因素的影响，采用4次压装测试，载荷曲线如图4，图中横坐标为从头架开始接触到轴管到压装完成所用的时间。

图4载荷曲线图

（4）结语

根据汽车传动压装专机的工艺特点及其性能分析要求，在LabVIEW环境下通过调用USB系列数据采集仪的dll动态链接库实现软件和硬件的通信，构建了操作简单、功能齐全的而向对象的可视化多功能汽车传动轴压装专机振动检测系统。通过多次压装测试，观测在压装过程中各个重点部位的振动变化，对其振动频率、振动幅值进行测量分析等，为压机性能评价和故障诊断提供参考。

2.3.3基于声卡和LabVIEW的电机噪声测试系统[11]

（1）测试系统的硬件结构设计

测试系统的硬件部分,采用普通的PC声卡从其LineIn插口引入噪声信号并进行A/D转换传入计算机。如果传感器输出的电信号大,可以在声卡输入插孔处配置一个衰减器来确保输入到声卡的电平信号控制在允许的输入电平范围内。

测试系统的硬件组成结构用图5来表示。

图5硬件结构设计

本文将重点放在利用LabVIEW编程来实现环境噪声滤除的方面,故在此对硬件设计不作过多阐述。硬件结构的设计上,只要确保声卡能准确采集噪声信号即可。

（2）软件的具体实现

基于LabVIEW强大的图形化编程功能,将噪声测试系统分为噪声采集和噪声分析两个子模块。本文在介绍各模块功能实现的同时,通过仿真试验来验证该噪声测试系统的实用性。

（3）噪声信号的采集

噪声测试的首要工作是数据采集,LabVIEW软件中有现成的声卡采集模块,可以结合/声音读取vi和while循环结构等函数控件设计出基于声卡的噪声数据采集系统。前面板如图2所示,包括4部分:(1)采样信道设置;(2)声音格式选择;(3)声波显示Wave-form;(4)停止采集的控制按键。该模块的程序如图3所示,操作面板如图6所示。

图6数据采集的前面板

先利用计算机内部产生的信号来进行整个测试系统的仿真。在实际的电机噪声测试中,则通过硬件部分的声卡采集线路将外部噪声信号输入到计算机。设置采样频率为22050Hz,应用16位采样精度,每信道采样数为10000/ch。为了便于频谱分析和数据运算,本文只采用单声道进行噪声测试。

由于环境噪声具有很大的随机性,设想在声音采集模块中再添加一个采样选择模块。该功能模块旨在实现:通过在用户界面上对采样类型的选择,可以在电机运行和停止两种情况下对噪声信号分别采样;同时,能对电机停止工作时的环境噪声进行多次采样和数据存储,尽可能得出最具普遍性的环境噪声近似信号,作为下一步过滤电机噪声时的环境噪声参照标准。

（4）噪声信号的模拟

本文主要对经FFT变换后的噪声幅值谱进行运算处理。为了便于在不外接硬件电路的情况下,直接验证所设计的噪声测试系统算法的正确性,利用LabVIEW中的信号发生器vi设计了一个可以自定义波形的功能模块,用户只要在前面板上对相关的参数进行设置和选择,便能模拟出实际的噪声信号,从而进行电机噪声测试。自定义噪声模块的实现程序如图47所示。

图7自定义噪声模块程序

（5）噪声信号的处理

在仿真试验中,利用文中提到的自定义波形模块,设置一个正弦波来作为电机运行时的真实噪声信号,并定义一个随机的白噪声来模拟环境噪声。在对噪声信号进行FFT分析前,先利用LabVIEW控制选板中相应的数学控件,对正弦波和白噪声进行简单的波形叠加,用该合成信号模拟实际中掺杂了环境噪声的电机噪声信号。图8显示了仿真测试中声音信号的相关参数设置。

图8噪声信号参数设置

对白噪声信号及合成信号分别进行频谱分析,利用LabVIEW/应用函数0选板上的FFT

Fpectrum(Mag-Phase).vi可直接得到幅值谱和相位谱。接着,再利用应用函数选板上的解捆绑vi对FFT分析出来的幅频信号进行数据分离,分离出其幅值数组。应用Express数值板块中的相关算术控件,实现对同一频率下的合成信号幅值与白噪声幅值的平方差运算。将运算所得的一组数据开二次根号后,结合for循环、数组比较函数等,求出过滤后的噪声波形的有效值和最大值。将运算求得的最大值重新引入正弦波发生器vi的幅值输入端(正弦波发生器所需频率和相位值可以从原始的正弦波中直接测得),可重新获得初始的正弦波信号,完成对真实噪声信号的还原。仿真试验结果表明,还原信号的波形图和幅频图分别与初始正弦波的波形图及幅频图吻合,即达到了滤除白噪声的目的。

（6）结语

工业生产中所用到的大中型电机,若在其运行过程中发生故障,会影响到整条生产线的运作,和推广价值。

综上所述，目前所设计的风电机组传动轴及电机的监测系统有多种，在此不再一一赘述。在传动轴及电机的监测系统系统设计中，许多新的技术如小波变换、专家系统、神经网络等逐步得到应用与推广，齿轮箱状态监测与故障诊断系统的研究将会拥有越来越广阔的前景。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题是风力发电机组传动轴及电机监测系统设计。应先查阅相关文献，初步了解与课题相关的知识。然后构思系统的总体框架，并同时学习软件。最后根据自己对系统的构想用软件实现各个必需的功能。

研究手段：

（1）2015.1．11.20，查阅20篇中文，5篇英文资料,并完成5000字符以上的