外文原文
Design of Wind Turbine Vibration Monitoring System
Abstract
In order to ensure safety of wind turbine operation and to reduce the occurrence of faults as well as to improve the reliability of wind turbine operation, a vibration monitoring for wind turbine is developed. In this paper, it analyses the enlargement of all the parts of the structure and the working mechanism, the research method of wind turbine operation vibration is introduced，with the focus being the use of the sensor principle. Finally the hardware design and software of this system is introduced and the main function of this system is described，which realizes condition monitoring of the work state of wind turbines.
Keywords: wind turbine, gearbox, piezoelectric acceleration sensor, condition monitoring
1 .Introduction
Energy is the material basis of human survival, but is now facing energy crisis, environmental crisis, renewable energy development and utilization of the major difficult problem.The current situation of the development of the wind of the word China, the United States, Germany, Spain and India ranked in the top five of the global total installed capacity of wind power in 2010. The installed capacity and growth percentage of 2006一2011 in the world is shown in Figure 1 .Wind power project in China is developing rapidly, which is the first in the world beyond for the first time in 2010. The United States ranked second. The United States, China, Germany, Spain four wind power installed capacity of total have occupied 70% of the global total wind power. The world wind power unit installed capacity is 238 million kW by the end of 201 1，with 20.6% growth than ever after statistics.
According to the global wind energy council (GWEA) statistics, The new installed wind power unit is 12904 in china (including Taiwan), the installed capacity is 18927.99 MW, year-on-year growth of 37.1%，which is the first in the world in 2010. 2001-2011 Chinas total installed capacity of wind powe is shown in figure 2.The accumulative total installed wind power unit is 34485, the installed capacity is 44733.29 MW, year-on-year growth of 73.3%, which is also the first in the world. The new installed wind power unit is 11409 in China (including Taiwan) in 2011，the wind power installed capacity is 17630.9 MW, the total installed wind power unit is 45894, installed capacity is 62364.2 MW, an annual increase of 39.4%.
In this paper, the wind turbine vibration monitoring system is proposed. The paper is organized as follows. Section 2 presents the working principle of wind generator. The design of hardware circuit is presented in section 3. Section 4 presents the design of software circuit. Section 5 presents the gray the design of the system object.
2. The Workina Princiale of Wind Generator
The wind generator is included by rotor, variable pitch system，coupling, structure (engine, foundation and tower), gear, gear box, bearing, generators, electric system，control system, sensor, braking system，hydraulic system and yaw system composition. The wind
generator can generate electricity by wind, which is in the use of wind power to drive the impeller rotation, which is changed into mechanical energy, again to improve the running speed of the impeller through the drive systems, and then the cabin of a generator transforms mechanical energy into electrical energy, and so on. Driving system consists of main shaft, gear box and part.
From the whole structure, the wind power unit can be divided into two classes: gear box acc type generator, direct drive type generator, and gear box acc type generator is in actual production of gain greater use of space. the structure of direct drive type wind power generation unit is shown in Figure 3.
The gear box is the key part to a reliable operationg of wind power unit, whose main function is to realize the transformation of the low speed to high speed. Wind power unit gear box structure is used mostly two forms: planetary wheel form and planetary wheel and parallel shaft form.Big twisting torsion load is generally installed in the low speed shaft gear box, which can transmit to the high speed shaft through the level of planetary gear two stage parallel shaft cylindrical gear,which is transformed into high speed low torque, so as to improve the form of the generator to absorb energy.
Gear box may produce various types of fault in use process, Duing to its under static and dynamic load and its structure and the complication of stress situation.the gear box may produce possible fault in all respects, including the extent of the damage, from the initial
production to finished product installation，and the process to the equipment operation and use of different. Gear box of common fault occurs in gear and bearing.
3. Design of Hardware Circuit
This paper constructs the wind power generation unit vibration testing system design, to detect wind unit key parts of the gear box operation condition. Wind power unit vibration detection system including vibration sensor, data acquisition circuit and A/D converter, microcontroller, display, and so on. lt realizes wind power unit vibration testing system design completed. Among them, the vibration sensor will change mechanical vibration quantity into the corresponding charge quantity.
Data acquisition circuit will charge for charge conversion and the amplifier amplification, low-pass filtering, and with analog signal output; A/D converter change analog signal into the corresponding digital signal, and finally output in the form of digital signal by single-chip microcomputer and its connections LED digital tube. The wind power un
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风力发电机组振动监测系统设计
摘要：为了保证风电机组运行的安全性和减少故障的发生以及提高风机运行的可靠性，建立了风力发电机组振动监测。本文分析了结构的各部分的放大和工作机理，介绍了风力机运行振动的研究方法，重点介绍了传感器的原理。最后介绍了系统的硬件设计和软件设计，阐述了该系统的主要功能，实现了风机工作状态的状态监测。
关键词：风力机，齿轮箱，压电加速度传感器，状态监测
1引言
能源是人类赖以生存的物质基础，但目前面临着能源危机、环境危机，可再生能源的开发和利用的重大难题。目前世界上风能的发展状况是，中国、美国、德国、西班牙和印度风电机组的总装机容量2010年全球排名前五。装机总容量和2006~2011的全球增长率如图1所示。中国风电项目的迅速发展，2010年中国的装机总量首次全球第一。美国排名第二。美国，
中国，德国，西班牙四个多家的风电装机容量占全球风力发电总数的70%。直到2011年底，世界风力发电机组装机容量为2亿3800万千瓦，比上次统计的增长了20.6%。
根据全球风能理事会（GWEA）统计，在中国（包括台湾），新安装的风电机组有12904台，装机容量18927.99千瓦，同比增长37.1%，这在2010年世界排名第一。2001-2011年中国总装机容量的风电如图2所示，累计安装风力发电机组34485台，装机容量44733.29千瓦，同比增长73.3%，这也是世界上第一。在中国（包括台湾），2011年新安装风力发电机组11409 台，风电装机容量17630.9千瓦，总装机容量的风力发电机组45894台，装机容量62364.2兆瓦，年均增长39.4%。
图1：2006年—2011年世界装机容量增长率
图2：2001-2011年中国风电总装机容量
本文提出了风力涡轮机振动监测系统。本文的结构如下。第2节介绍了风力发电机的工作原理。第3节给出了硬件电路的设计。第4节介绍了软件电路的设计。 第5节介绍了系统对象的灰色设计。
2．风力发电机的工作原理
风力发电机包括转子，变桨距系统，联轴器，框架（发动机，基本件和塔），齿轮，齿轮箱，轴承，发电机，电气系统，控制系统，传感器，制动系统，液压系统和偏航系统组成。风力发电机可以通过风力发电，这是利用风力驱动叶轮旋转，将风能转变成机械能，再通过传动系统提高叶轮的运转速度，然后在发电机机舱中将机械能转换成电能等等。驱动系统由主轴、齿轮箱和其他零件组成。
从整个结构来看，风电机组可分为两类：齿轮箱ACC型发电机、直驱式发电机，齿轮箱ACC型发电机在因在空间利用上较好上而在实际生产上获得更大的应用。直驱式风力发电机组的结构如图3所示。
图3：直驱式风力发电机组的结构
齿轮箱是风力发电机组可靠运行的关键部分，其主要功能是实现将低速转变为高速。风力发电机组齿轮箱的结构主要有两种形式：行星轮形式、行星轮和平行轴形式。大扭矩载荷一般安装在低速轴齿轮箱，其中可以通过与行星齿轮两级平行的圆柱齿轮轴转化到高速轴上面，从而转化为高速低扭矩，从而改进发电机吸收能量的形式。
齿轮箱在使用过程中可能产生各种类型的故障，由于其静态和动态载荷及其结构和应力情况。从最初的生产到成品安装，和过程中对设备的操作和使用不同，齿轮箱可能在所有方面产生可能发生的故障，包括损坏的程度。齿轮箱常见故障通常在齿轮与轴承上。
三.硬件电路设计
本文构建了风力发电机组振动测试系统的设计，检测风机关键部件的齿轮箱的运行状况。风力发电机组振动检测系统包括振动传感器、数据采集电路、A/D转换器、单片机、显示等实现风电机组的振动测试系统的设计。其中，振动传感器将机械振动量转换成相应的电量。
数据采集电路将电荷转换和放大器放大，低通滤波，并用模拟信号输出；A/D转换器把模拟信号转换成相应的数字信号，并通过单片机及其连接的LED数码管以数字信号的形式输出。风电机组振动试验系统图如图4所示。该系统采用压电加速度传感器，该传感器安装在风力发电机的齿轮箱上，齿轮箱是受振动影响最大的一个部位。电荷放大电路如图5所示。
图4：风电机组振动测试系统图
图5：电荷放大器电路
通过以下电路可以实现对电路运算放大器、芯片和MCU电源的供电要求。我们需要改变正常的220伏交流电（AC）为20V的电压调节器电路如图6所示。
图6：电压调节器电路
ADC0809是八位数模转换器、多路开关与微处理器兼容的控制逻辑CMOS组件。它是逐次逼近型A/D转换器，可直接与单片机连接。ADC0809的一般要求电压范围为0一5V模拟信号单极性输入。在这个系统中，传感器的输出信号很小，必须进行放大，并进行检测。如有必要，可在输入端设置采样保持器，加强预处理，避免信号失真。
报警显示电路如图7所示。可通过单片机与数码管显示连接电路转换的电压值。在这个系统中，变速箱的第一限制：7.5m/s，第二限制：10m/s，所以，把齿轮箱输出的承受极限设置为7.84m/s，因此最大电压为4V，风力发电机的输出电压能够承受5V。当数值超出一定范围时，它通过控制室显示报警器。本系统分别通过单片机P3.4和P3.5口控制两灯。当输出电压超过4V时，它显示蓝色闪光报警。然而，当输出电压低于限制的1 V时，它通过单片机P3.5口显示黄光报警。
图7：报警显示电路
4。软件电路设计
本系统的软件程序包括主程序、定时器中断服务程序、A/D数据采集程序，数码管显示程序。主程序进行初始化系统，然后最初设定定时器，高低位报警限，A/D记录，微机A/D开始收集数据，并使数据与设定值比较，判断是否有故障，若无故障，则继续显示程序，如果有故障，则立即报警，及时消除潜在的故障。
5。系统对象设计
系统对象的设计如图8所示。在本系统的实际显示中，电源灯为红色显示。它模拟电压的幅值由风电机组振动传感器采用电位器转换，它增加了四手动高低压报警值，可满足高、低电压报警值设定需求的不同情况下的风电机组，同时也增加了高压报警蜂鸣器。
图8：系统对象设计
6。结论
在本文中，风力涡轮机的操作振动进行了介绍，重点是使用传感器的原则。介绍了系统的硬件设计和软件设计，阐述了系统的主要功能，实现了风机工作状态的状态监测。
基于机械和电信号的风力发电机组状态监测与故障诊断
摘要：一些大型风力涡轮机使用同步发电机，直接连接到涡轮，和一个完全额定变换器变换功率从机电源。本文认为，在这种变速机的机械和电气故障的状态监测和诊断。提出了一种新的状态监测技术，消除了变风量在机械状态监测中的负面影响。这种技术有多个功能，能够检测风力涡轮机机械和电气故障。它的有效的证实了风力涡轮机状态监测试验台上的实验。此外，一个潜在的使用风力发电机的电信号诊断风力涡轮机传动机械故障的方法将被介绍。风机转子不平衡的诊断将作为一个例子，它通过功率分析预示着风力机电故障。本文为风力涡轮机提供了一个更简单和更便宜的状态监测和故障诊断系统。
关键词：风力机，状态监测，故障诊断
- 引言：
随着风力涡轮机技术的进步和政府有利于“绿色”或可再生能源的决定，风力涡轮机是一个日益可行的经济的替代传统的化石燃料发电的方法。在一些国家，特别是德国和丹麦，他们一直在电力网络中发挥着重要作用，虽然不是没有一些问题。然而，由于风力涡轮机的可变负载和恶劣的操作环境，风力涡轮机会有相对较高的故障率和他们的状态监测信号容易变化，并变化范围较大。然而，风力涡轮机开始显示出的可靠性，这是比其他一些形式的发电更好，例如柴油发电机。因此，发展经济状况监测和故障诊断技术将是非常可取的。SCADA技术被广泛应用于风力涡轮机，但数据率，每5一10分钟，速度太慢，对于大多数的旋转机械故障诊断。随着电力生产、航空航天、船舶推进技术领域和其他产业的状态监测的发展，它们可以被应用于风力涡轮机，但结果并没有按预期的被证实，由于特殊的风机是速度慢的和可变的，至少在大的类型上。近年来，已作出一些努力，以改善这种情况。然而，大多数的风力涡轮机状态监测和故障诊断技术提出了使用傅立叶变换（FT）为基础的技术，这是不太能够解决这个问题，由于其缺点处理非平稳信号。最近，小波分析一直试图检测风力涡轮机叶片和轴承故障。然而，如果要克服信号变化和动态范围的问题，仍然需要进一步的研究风力涡轮机状态监测和故障诊断。今天可用的所有技术是用于检测在风力涡轮机部件的局部故障。整个机器的诊断需要从许多传感器的信号，这是昂贵和难以安装。迄今为止，低成本的整个机器的诊断技术还没有实现。经验还表明，目前基于振动的技术可能是不理想的，因为他们经常给误报，因为变化的性质和动态范围的监测信号。
因此，需要进一步的努力，开发一个更简单，但更具包容性的风力涡轮机状态监测技术。为了这个目的，在此期间，为了推进前面所描述的工作，一个新的风力涡轮机状态监测标准，本文研究和潜在的方法诊断风力涡轮机机械
借助小波分析，初步研究了发电机电气信号的故障。技术在风机试验台采用三相永磁同步发电机负载的气动力由外部模型验证控制驱动电机，将风力涡轮机转子的行为。通过本文的研究，一个简单的，廉价而有效的风力发电机组状态监测与故障诊断技术被预示着。关于本研究的更多细节被描述在以下部分。
- 同步风力发电机试验台
为了模拟影响风力机在不同条件下的工作和发展新的状态监测和故障诊断技术，建立了风机测试平台，如图1所示。
图1：风力发电机组的测试和适合的换能器
该试验台由sokw直流调速控制电机与齿轮比11级变速箱。14:1的三相同步永磁发电机。该发电机有84个线圈安装在定子，108个永久磁铁安装在转子上的。每个线圈被整流，然后耦合到一个直流母线和反馈给一个电阻负载库。
该试验台是由LabVIEW控制，各种输入风速可以被应用，相关的信号可以从发电机的传动系统和终端采集。如在Fig.l，一系列传感器安装在转轴上来测量轴的转速、扭矩和振动。用安装在试验台控制柜上数据采集设备测量发电机端的负载直流电流和电压。在实验中，直流电机的速度由外部模型控制，该模型考虑了自然风和涡轮机转子的机械动作。在这个调查中，试验台模拟的发电机电气和风力涡轮机的机械故障如下：
- 发电机定子绕组故障进行了模拟，同时短路负载的地面；
- 一个完整的短路故障进行了模拟，连接的发电机和电阻银行的地面终端之一；
- 转子的不平衡故障模拟，通过直接附加质量的发电机转子的外表面上。
- 利用试验台齿轮箱的偏心故障模拟了传动系机械故障。
- 状态监测技术
为了开发一种更有效的同步发电机风机运行状态监测技术，对试验台进行了系列试验。不同的故障条件下施加到给转轴到一个固定的负载条件。实验结果在模拟发电机定子绕组故障给出了图的一部分，即数据在实验得到的多项式曲线，通过数据拟合技术在[ 9 ]中说明的简化分析。
从图2中，可以看出，在不同的运行条件下，发电机具有不同的转矩-转速特性。这表明，转矩-速度曲线可能是同步风电机的运行状态的一个潜在的指标。实验还表明，其灵敏度的故障是相对不敏感的变化负载施加到发电机上的。基于这个想法，本文开发了一个新的状态监测技术。
图2：轴转矩和速度的满负荷和半负荷测试
根据[ 10 ]，三相凸极同步电机产生的电磁转矩可以表示为：
一般来说，电路方程可化为：
是相电流，是绕组电阻。
由于大型同步发电机绕组的电阻比同步电抗小得多，有
对于N匝绕组串联阶段，感应电动势，从法拉第定律
是曲折因素，其中包括分配和布局。是每一轮的转子旋转角速度，指电源频率和和P是极对数
随着磁通的旋转，三相绕组中的电势可以表示为：
和
然后将（5）代入（2），有
当负荷，delta;，流量是恒定的，则轴转矩T和同步发电机的风力涡轮机的速度 之间存在以下关系：
SO
显然，如图所示的实验结果的正确性已经通过（9）得到了充分的证明。由（9）可知，多种功能被提出用于监测的风力涡轮机的运行状态，即
应该指出的是，图2所示转速是安装在电机上用转速表
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