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傳感器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中有什么樣的作用

2021-01-06 | pdf | 0.27 MB | 次下載 | 5積分

資料介紹

  風(fēng)力發(fā)電機(jī)看起來像摩天大樓一樣高大,但卻要依靠數(shù)十個(gè)低成本微型傳感器來監(jiān)測(cè)器其運(yùn)行狀況,以確保高效安全地運(yùn)行。從表面上來看,現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像是一臺(tái) 21 世紀(jì)的大風(fēng)車,通過轉(zhuǎn)子葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能,而不是像過去一樣利用風(fēng)能來碾磨谷物或抽水。再深入一點(diǎn),風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械工程和電氣工程的創(chuàng)新結(jié)合在一起,為人們展現(xiàn)了一個(gè)完美的杰作。盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以達(dá)到 79 米長,塔高超過 183 米,但是它的關(guān)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(fā)電機(jī)這個(gè)龐然大物在面對(duì)壓力、振動(dòng)和其他危險(xiǎn)時(shí),仍能安全運(yùn)行。

  傳感器在風(fēng)電場(chǎng)中的作用

  如果沒有傳感器,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全性不僅會(huì)降低,而且操作成本也會(huì)提高,更無法準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)并解決潛在的故障,導(dǎo)致預(yù)期壽命可能會(huì)低于 25 年。更為重要的是,風(fēng)電場(chǎng)需要每一臺(tái)發(fā)電機(jī)及其重要部件的精確數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)需由連接在一起并與控制中心相連接的傳感器提供。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是一個(gè)典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)例子:它們擁有從傳感器到相關(guān)網(wǎng)絡(luò)所需的一切組件,盡管它們通常采用的是以太網(wǎng)而非無線連接方式。風(fēng)電場(chǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用諸如風(fēng)速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數(shù)據(jù)來分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)。這樣,操作員就可以通過創(chuàng)建一個(gè)模型來預(yù)測(cè)要在什么時(shí)候檢查哪些部件。所有信息、狀態(tài)警報(bào)和其他監(jiān)測(cè)結(jié)果,都可以從智能手機(jī)、平板電腦或電腦上進(jìn)行查看和操作。這些傳感器為什么如此重要呢?因?yàn)樗鼈兛梢噪S時(shí)監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部敏感位置和系統(tǒng)組件(圖 1)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)非常復(fù)雜,通常有超過 8000 個(gè)組件。它們巨大的葉片和塔架被安裝在數(shù)千噸的鋼筋混凝土平臺(tái)上,平臺(tái)直徑達(dá) 15 到 30 米,深 6 至 10 米。

  傳感器的關(guān)鍵作用

  在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,有許多種不同類型的電子光學(xué)傳感器。一般來說,他們具有以下作用:檢測(cè)、監(jiān)視和交互有關(guān)的參數(shù)信息,比如兩個(gè)相鄰組件之間距離的變化監(jiān)測(cè)振動(dòng)級(jí)別,如果振動(dòng)幅度過大,可能會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞監(jiān)測(cè)溫度、壓力和機(jī)械應(yīng)力的變化

  渦流傳感器

  渦流傳感器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最常見的傳感器之一,可檢測(cè)導(dǎo)電材料進(jìn)入移動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的電流變化。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí),磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以轉(zhuǎn)化為距離的變化。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,渦流傳感器用于測(cè)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(huán)境下工作,所以它們可以在這些惡劣環(huán)境下可靠的監(jiān)測(cè)油隙。如果間隙過大超過了限度,傳感器就會(huì)發(fā)出警報(bào),這樣就可以在軸卡住時(shí)或之前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。這些傳感器還用于測(cè)量發(fā)電機(jī)軸承在外殼內(nèi)的軸向和徑向旋轉(zhuǎn)方式,即偏差規(guī)范。在徑向上,這種情況會(huì)導(dǎo)致軸偏離中心旋轉(zhuǎn)(并非“真的”),并在軸向上導(dǎo)致軸以輕微的角度旋轉(zhuǎn)。雖然偏差是不可避免的,但軸承的磨損可能會(huì)超過可接受的程度,如果超過了限度(通常由高風(fēng)荷載引起),發(fā)電機(jī)必須關(guān)閉并進(jìn)行維修。顯然,實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)可以保證在軸承極端損壞或甚至災(zāi)難性故障發(fā)生之前進(jìn)行維護(hù)。最后,渦流傳感器還可用于測(cè)量由振動(dòng)、風(fēng)荷載或其他因素引起的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(力矩或扭矩),這些因素會(huì)隨著時(shí)間的推移而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性下降。它們還可用于測(cè)量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉(zhuǎn),以確保在大風(fēng)時(shí)安全制動(dòng)轉(zhuǎn)子。

  位移傳感器

  位移傳感器可用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需的基礎(chǔ)平臺(tái)雖然是由大量的混凝土構(gòu)成,但由于塔架高,而且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和機(jī)艙也非常巨大,整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)際上都是“頂載”的,所以必須在基座處監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整性。激光位移傳感器可以用來執(zhí)行這一功能,它可以探測(cè)到由于風(fēng)或波浪的反復(fù)撞擊引起的塔架輕微震動(dòng)。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸?shù)骄嚯x很遠(yuǎn)的光學(xué)接收器上,將兩者之間的偏差和位移轉(zhuǎn)化為距離。激光三角測(cè)量傳感器也被用于類似的目的,這種傳感器將傳感器、發(fā)射機(jī)和接收器組成一個(gè)三角形。由于這些設(shè)備非常精確,它們可以檢測(cè)到非常小的變化,因此可以創(chuàng)建趨勢(shì)數(shù)據(jù)來確定問題是否越來越嚴(yán)重以及變化速度。另一種用于精確測(cè)量位移的傳感器是電容式位移傳感器,可測(cè)量發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的距離,這個(gè)距離被稱作發(fā)電機(jī)氣隙。它的工作原理為:相互靠近的導(dǎo)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(cè)量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場(chǎng)環(huán)境下。拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞到一個(gè)軸式傳感器上,因?yàn)槔K可以很長,所以可以在距離被測(cè)物體很遠(yuǎn)的地方測(cè)量距離的變化。當(dāng)拉繩從線軸上拉出或縮回時(shí),線軸發(fā)生旋轉(zhuǎn),然后傳感器將其轉(zhuǎn)換成變化的電信號(hào)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,可以通過測(cè)量風(fēng)門的位置來測(cè)量氣流。圖 4 顯示了一個(gè)典型的拉繩位移傳感器。

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