傳感器在風力發(fā)電機中有什么樣的作用

　　風力發(fā)電機看起來像摩天大樓一樣高大，但卻要依靠數(shù)十個低成本微型傳感器來監(jiān)測器其運行狀況，以確保高效安全地運行。從表面上來看，現(xiàn)代風力發(fā)電機就像是一臺 21 世紀的大風車，通過轉子葉片將風能轉換為電能，而不是像過去一樣利用風能來碾磨谷物或抽水。再深入一點，風力發(fā)電機將機械工程和電氣工程的創(chuàng)新結合在一起，為人們展現(xiàn)了一個完美的杰作。盡管風力發(fā)電機的轉子可以達到 79 米長，塔高超過 183 米，但是它的關鍵部件，比如傳感器的尺寸卻只有幾厘米。這些傳感器確保了發(fā)電機這個龐然大物在面對壓力、振動和其他危險時，仍能安全運行。

　　傳感器在風電場中的作用

　　如果沒有傳感器，風力發(fā)電機的安全性不僅會降低，而且操作成本也會提高，更無法準確的預測并解決潛在的故障，導致預期壽命可能會低于 25 年。更為重要的是，風電場需要每一臺發(fā)電機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。風力發(fā)電機就是一個典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)例子：它們擁有從傳感器到相關網(wǎng)絡所需的一切組件，盡管它們通常采用的是以太網(wǎng)而非無線連接方式。風電場工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用諸如風速、功率、偏航角、變速箱溫度等歷史數(shù)據(jù)來分析設備的運行趨勢。這樣，操作員就可以通過創(chuàng)建一個模型來預測要在什么時候檢查哪些部件。所有信息、狀態(tài)警報和其他監(jiān)測結果，都可以從智能手機、平板電腦或電腦上進行查看和操作。這些傳感器為什么如此重要呢？因為它們可以隨時監(jiān)視風力發(fā)電機的結構、內部敏感位置和系統(tǒng)組件（圖 1）。風力發(fā)電機非常復雜，通常有超過 8000 個組件。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上，平臺直徑達 15 到 30 米，深 6 至 10 米。

　　傳感器的關鍵作用

　　在風力發(fā)電機中，有許多種不同類型的電子和光學傳感器。一般來說，他們具有以下作用：檢測、監(jiān)視和交互有關的參數(shù)信息，比如兩個相鄰組件之間距離的變化監(jiān)測振動級別，如果振動幅度過大，可能會造成嚴重損壞監(jiān)測溫度、壓力和機械應力的變化

　　渦流傳感器

　　渦流傳感器是風力發(fā)電機中最常見的傳感器之一，可檢測導電材料進入移動磁場時產生的電流變化。當這種情況發(fā)生時，磁場的強度可以轉化為距離的變化。在風力發(fā)電機中，渦流傳感器用于測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)測油隙。如果間隙過大超過了限度，傳感器就會發(fā)出警報，這樣就可以在軸卡住時或之前進行預防性維護。這些傳感器還用于測量發(fā)電機軸承在外殼內的軸向和徑向旋轉方式，即偏差規(guī)范。在徑向上，這種情況會導致軸偏離中心旋轉（并非“真的”），并在軸向上導致軸以輕微的角度旋轉。雖然偏差是不可避免的，但軸承的磨損可能會超過可接受的程度，如果超過了限度（通常由高風荷載引起），發(fā)電機必須關閉并進行維修。顯然，實時的監(jiān)測可以保證在軸承極端損壞或甚至災難性故障發(fā)生之前進行維護。最后，渦流傳感器還可用于測量由振動、風荷載或其他因素引起的旋轉效應（力矩或扭矩），這些因素會隨著時間的推移而導致結構完整性下降。它們還可用于測量離合器片的軸向、徑向或切向偏轉，以確保在大風時安全制動轉子。

　　位移傳感器

　　位移傳感器可用于監(jiān)測結構的完整性。風力發(fā)電機所需的基礎平臺雖然是由大量的混凝土構成，但由于塔架高，而且發(fā)電機的轉子和機艙也非常巨大，整個結構實際上都是“頂載”的，所以必須在基座處監(jiān)測系統(tǒng)的完整性。激光位移傳感器可以用來執(zhí)行這一功能，它可以探測到由于風或波浪的反復撞擊引起的塔架輕微震動。激光位移傳感器的工作原理是將光束傳輸?shù)骄嚯x很遠的光學接收器上，將兩者之間的偏差和位移轉化為距離。激光三角測量傳感器也被用于類似的目的，這種傳感器將傳感器、發(fā)射機和接收器組成一個三角形。由于這些設備非常精確，它們可以檢測到非常小的變化，因此可以創(chuàng)建趨勢數(shù)據(jù)來確定問題是否越來越嚴重以及變化速度。另一種用于精確測量位移的傳感器是電容式位移傳感器，可測量發(fā)電機定子和轉子之間的距離，這個距離被稱作發(fā)電機氣隙。它的工作原理為：相互靠近的導電表面間存在電容，并且電容的變化與表面之間的距離成正比。這種測量方式可以使傳感器工作在高溫和高電場環(huán)境下。拉繩位移傳感器是將拉繩纏繞到一個軸式傳感器上，因為拉繩可以很長，所以可以在距離被測物體很遠的地方測量距離的變化。當拉繩從線軸上拉出或縮回時，線軸發(fā)生旋轉，然后傳感器將其轉換成變化的電信號。在風力發(fā)電機中，可以通過測量風門的位置來測量氣流。圖 4 顯示了一個典型的拉繩位移傳感器。