CN101545459A - 风力发电机塔架运行状态监控装置 - Google Patents
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Abstract
风力发电机塔架运行状态监控装置，包括振动或/和稳态加速度检测传感器以及受力方向检测传感器的传感器组、故障信息处理器，所述传感器组含按照地理坐标设置安装在塔架上层，使塔架整体在南北方向振动的加速度传感器与东西方向振动的加速度传感器，以及使敏感塔架绕其对称中心O显现扭转振动的加速度传感器和检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标的传感器J；敏感东西、南北横向振动的传感器和敏感扭转振动传感器与塔架对称中心O等距离安装；敏感南北振动的传感器的敏感轴指向北方，敏感东西方向振动的传感器的敏感轴指向东方；敏感南北振动的传感器与敏感扭转振动的传感器安装在同一位置，敏感东西振动的传感器与敏感扭转振动的传感器安装在同一位置；并且敏感扭转振动的传感器的敏感轴指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动的传感器的敏感轴则指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺时针切线方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械塔架故障诊断技术，尤其是一种风力发电机塔架运行状态监控装置，属于机械故障检测与诊断技术的范畴，主要用于以振动、稳态加速度检测分析技术在线检测、诊断风力发电的塔架的故障。
技术背景
现有建筑、工业、电力设施中经常使用塔架结构。多数塔架没有故障检测装置，而是采用自信是充分保守的设计规范来保障安全。以致不仅时有意外事故发生，如风力发电机因运转共振损毁，更何况由于缺乏对于这些设施与环境关系的认知手段，以致很难提出中肯的设计要求与改进意见。因此，为保障上述机械塔架系统的安全运行，以及通过实现对塔架与环境条件相互关系的认知使之作为设计创新的依据，需要发明风力发电机塔架运行状态监控装置。
中国专利ZL02809032.2公开了一种“风力发电设备和控制其的方法”，这种控制风力发电设备的方法，主要是通过设于风力发电机塔架顶部短舱内的两个定向在平面内，并且互相垂直的加速度传感器实现对基本平行于转子叶片平面方向上的振动，以及同时监测垂直于转子叶片平面方向上的振动。企图通过对由此获取的振动位移量来判断风力发电机塔架是否处于安全运行状态；从而通过其它技术手段来调整转子的转速使风力发电机保持正常运转功能。
但是，根据本发明人对风力发电机运行状态的研究：风力发电机的运行除了与本身的机械结构状态密切相关外，还受到所处环境下风力、风向、风速以及周围环境的影响，更由于风力发电机的风叶片具有很大的转动半径，因此会有更多的不可预知的因素影响塔架及发电机组的正常运行。譬如：风力发电机的塔架除了受到与转子轴向平行的风力和平行于叶轮平面的不平衡力作用外，还会受到左右两侧边风力不同的侧向力的作用，在这种侧向力作用下形成的扭切力或许对塔架和风机构件的作用将是更具破坏力，而如果仅仅使用检测与主轴平行的和横向垂直的加速度传感器，则要么因该传感器安装在塔架转动的对称中心而不能敏感扭转振动，要么则因该传感器不是安装在塔架转动的对称中心而将扭转振动误认为是横向振动，给正确的监控带来决策错误；除了上述平行于转轴的和垂直于转轴的横向振动外，还有由于固定塔架地脚松动等因素在上述风力作用下发生的与平行于转轴的和垂直于转轴的这两个方向不同的振动不能识别；甚至也因为使用振动传感器而不是能够监测稳态加速度的传感器而不能识别塔架倾斜及其方位状态。
因此，为现有的风力发电机提供更为全面反映运行状态的监控装置，是保证风力发电机安全运行的必备措施。
发明内容
本发明的目的：旨在提供一种能够全面监控风力发电机运行状态的塔架运行状态监控装置，即实现适时运行监控，同时也提高风机的运行使用寿命。
这种风力发电机塔架运行状态监控装置，包括振动或/和稳态加速度检测传感器以及受力方向检测传感器的传感器组1、并经采集传感器组信号和对传感器组的信号进行分析诊断的故障信息处理器2，把传感器组1检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器2，其特征在于：传感器组1含有安装在塔架上层、按照东南西北地理坐标设置，使敏感塔架整体在南北方向振动的加速度传感器N1与东西方向振动的加速度传感器E1，以及使敏感塔架绕其对称中心O显现扭转振动的加速度传感器N2、E2和检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标的传感器J；敏感东西、南北横向振动的传感器E1、N1和敏感扭转振动传感器E2、N2与塔架对称中心O等距离安装；敏感南北振动的传感器N1的敏感轴指向北方N，敏感东西方向振动的传感器E1的敏感轴指向东方E；敏感南北振动的传感器N1与敏感扭转振动的传感器N2安装在同一位置，敏感东西振动的传感器E1与敏感扭转振动的传感器E2安装在同一位置；并且敏感扭转振动的传感器E2的敏感轴指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动的传感器N2的敏感轴则指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺时针切线方向。
所述故障信息处理器2含有AD接口电路21，还含有由微处理器运行的分析诊断系统22；各传感器输出的加速度信号N1、N2、E1、E2、及受力方向角的信号J分别接到故障信息处理器2的AD接口电路21的对应输入端N1、N2、E1、E2、J，并由故障信息处理器的分析诊断系统22中的软件按照公式：
NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2 (1)
计算塔架相对于其对称中心0的扭振信号；
按照公式n1＝N1+E2+NZ(2)和公式e1＝E1+N2-NZ(3)
计算塔架整体真实的横向振动；
按照公式y＝e1 conJ+n1 sinJ (4)
计算塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量；
按照公式P＝e1 sinJ+n1 conJ (5)
计算塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂直向右)的振动分量；
并且根据传感器(N1、N2)的信息及计算式F＝tg-1(N1/N2)(6-1)、根据传感器(E1、E2)的信息及计算式F＝tg-1(E2/E1)(6-2)
计算获取塔架的倾斜的主方位角；
根据传感器(N1、N2)的信息及计算式Q＝sin-1((2N1N2sin2F)0.5/g)(7-1)、根据传感器E1、E2的信息及计算式Q＝sin-1((2E1E2sin2F)0.5/g)(7-2)获得塔架的倾斜的主倾斜角。
所述故障信息处理器2还含有实现相对地理坐标N、E的N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度JNZ分离的，并将对应的加速度信号JNZ、Jn1、Je1运算为振幅的“分离运算器”23；传感器加速度信号N1、N2、E1、E2接到分离运算器23的输入端N1、N2、E1、E2，分离运算器输出的振幅信号NZ、n1、e1接到故障信息处理器的AD接口对应的NZ、n1、e1信号输入端；AD接口电路21将采集得到的信息N1、N2、E1、E2、J、n1、e1、NZ送到分析诊断系统22进行故障诊断。
所述分离运算器23含有按照计算式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2计算扭转振动的运算器31、按照计算式n1＝N1+E2+NZ计算N方向振动的运算器32，按照计算式e1＝E1+N2-NZ计算E方向振动的运算器33，以及对NZ、n1、e1对应的加速度振动信号运算为振幅信号的重积分器34、35、36；N1、N2、E1、E2传感器的输出信号接到按公式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2设计的运算器31的输入端N1、N2、E1、E2，运算器31的输出端JNZ接到重积分器34的输入端JNZ，重积分器34的输出端NZ输出振幅信号NZ；传感器N1、E2的信号接到按公式n1＝N1+E2+NZ设计的运算器32的输入端N1、E2，运算器31的输出端JNZ接到运算器32的输入端JNZ，运算器32的输出端Jn1的输出信号Jn1接到重积分器35的输入端Jn1，重积分器35的输出端n1输出振幅信号n1；传感器N2、E1的信号接到按公式e1＝E1+N2-NZ设计的运算器33的输入端N2、E1，运算器31的输出端JNZ接到运算器33的输入端JNZ，运算器33的输出端Je1输出的Je1信号接到重积分器36的输入端Je1，重积分器36的输出端e1输出振幅信号e1。
按照公式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2设计的运算器(31)含有运放OP1-1～OP1-3、电阻器R1～R10，其中电阻器R1＝R2＝2R3，R4＝R5＝2R6，R7＝R8，R9＝R10；并且N1信号接到电阻器R1的一端，电阻器R1的另一端接运放OP1-1的负输入端，N2信号接电阻器R2的一端，电阻器R2的另一端接运放OP1-1的副输入端，运放OP1-1的输出端与负输入端之间接电阻器R3，运放OP1-1的正输入端接地，运放OP1-1的输出为(N1+N2)/2；E1信号接到电阻器R4的一端，电阻器R4的另一端接运放OP1-2的负输入端，E2信号接电阻器R5的一端，电阻器R5的另一端接运放OP1-2的负输入端，运放OP1-2的输出端与负输入端之间接电阻器R6，运放OP1-2的正输入端接地，运放OP1-2的输出为-(E1+E2)/2；运放OP1-1的输出端将信号-(N1+N2)/2接到运放OP1-3的负输入端，运放OP1-3的负输入端与输出端之间接电阻器R8，运放OP1-2的输出端将-(E1+E2)/2信号接到电阻器R9的一端，电阻器R9的另一端接运放(OP1-3)的正输入端，运放(OP1-3)的正输入端与地之间接电阻器R10，运放OP1-3)的输出为：
(N1+N2)/2-(E1+E2)/2＝[(N2-E2)-(E2-N1)]/2＝JNZ；
按照公式n1＝N1+E2+NZ设计的运算器32含运放OP1-4、OP2-4、电阻器R11～R16，N1信号接电阻器R11的一端，电阻器R11的另一端接运放OP1-4的负输入端，信号E1接电阻器R12的一端，电阻器R12的另一端接运放OP1-4的另一端，信号JNZ接电阻器R13的一端，电阻器R13的另一端接运放OP1-4的负输入端，运放OP1-4的正输入端接地，运放OP1-4的负输入端与输出端之间接电阻器R14，运放OP1-4的输出端经过电阻器R15接运放OP2-4的负输入端，运放OP2-4的正输入端接地，运放OP2-4的负输入端与输出端之间接电阻器R16，运放OP2-4的输出即是Jn1＝N1+E1+JNZ；
按照公式e1＝E1+N2-NZ设计的运算器33含有运放OP2-1～OP2-3、电阻器R17～R25，E1信号接电阻器R17的一端，电阻器R17的另一端接运放OP2-1的负输入端，信号N1接电阻器R18的一端，电阻器R18的另一端接运放OP2-1的负输入端，运放OP2-1的正输入端接地，在运放OP2-1的负输入端与输出端之间接电阻器R19，运放OP2-1的输出即是-(E1+N1)；信号JNZ接电阻器R20的一端，电阻器R20的另一端接运放OP2-2的负输入端，运放OP2-2的正输入端接地，在运放OP2-2的负输入端与输出端之间接电阻器R21，运放OP2-2的输出即是-JNZ，该-JNZ信号接电阻器R24的一端，电阻器R24的另一端接运放OP2-3的正输入端，运放OP2-3的正输入端还经过电阻器R25接地，信号-(E1+N1)接电阻器R22的一端，电阻器R22的另一端接运放OP2-3的负输入端，运放OP2-3的负输入端与输出端之间接电阻器R23，所以，运放OP2-3的输出信号即是：E1+N1-JNZ＝Je1，所有运放运放OP1、OP2的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V-。
所述重积分34、35、36各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R1～R6，电容器C1、C2，运放OP1～OP3，其中第一级的加速度输入信号JNZ(或Jn1、Je1)接电阻器R1，电阻器R1的另一端接OP2的负输入端，运放OP2的负输入端还经过并联的电阻器R2、电容器C1接其输出端，运放OP2的正输入端接地；运放OP2的输出端经过电阻器R4接运放OP3的负输入端，运放OP3的负输入端与输出端之间接电阻器R5，运放OP3的正输入端接地；运放OP3的输出端经电阻器R6接运放OP1的负输入端，运放OP1的负输入端与输出端之间接电容器C2，运放OP3的正输入端接地，运放OP3的输出端还经过电阻器R3接到运放OP1的负输入端；由运放OP3或运放OP2的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻器R1接第一积分器输出的准速度信号，从运放OP3或运放OP2的输出端输出同相或反相的振幅输出信号NZ(或n1、e1)；电路中电阻器R4＝R5可以是任意合适的电阻值，电容器C1＝C2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V-；每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3～1/5，最佳取值为1/4，积分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。
用示波器部分取代故障信息处理器，把分离运算器23输出的表征塔架东西方向振动的信号e1或E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器23输出的表征塔架南北方向振动的信号n1或N1接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。
根据以上技术方案提出的这种风力发电机塔架运行状态监控装置，通过设置在风力发电机塔架上的多组定位传感器，不仅能掌握与电机转子轴向平行和垂直放风力引起的外力对塔架的加速作用，同时也能及时掌握多种方位侧向外力引发的剪切力对塔架的影响。这无疑会对提高和保证风力发电机的隐形性能和使用寿命带来可靠保证。
附图说明
图1-1结构示意图机械塔架故障诊断装置结构示意图；
图1-2为传感器组安装位置示意图；
图1-3为图1-2的截面示意图；
图2-1、2-2为主倾角合成的反演分析图；
图3为含分离运算器的机械塔架故障诊断装置工作原理图；
图4为分离运算电路框图
图5-1~5-3为分离运算电路31~33的具体电路方案
图6为振动加速度(量纲：m/s2)信号运算为振动振幅(量纲：m)的电路图；
图7为重积分器对0.5Hz加速度准确积分输出振幅信号的仿真示意图；
图8为传输特性测试图；
图9-1~9-8为用差动电位计测量风力发电机受力方向(主轴方向)相对于东方的极坐标J示意图；
图10为风力发电机主轴指向北方时，发生各种振动情况的塔心轨迹图
图11为扭振轨迹图；
图12-1~12-2为0.15Hz强迫振动分量与塔架0.396Hz的固有频率广义共振的信息对应示意图；
图13-1~13-8一个从启动到定速运转过程，系统出的共振和阵风激励的广义共振时的对应图。
具体实施方式
实施例1：
这种风力发电机塔架运行状态监控装置，含有传感器组1，故障信息处理器2，传感器组1含有安装在塔架上层，按照地理坐标(东南西北)敏感塔架整体南北方向振动的传感器N1和东西方向振动的传感器E1，和敏感塔架绕其对称中心O扭转振动的传感器N2、E2，还含有检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标传感器J；故障信息处理器2含有AD接口电路21和分析诊断系统(软件)22；传感器的输出信号N1、N2、E1、E2、J分别接到故障信息处理器2的AD接口电路21的输入端N1、N2、E1、E2、J，由故障信息处理器的分析诊断系统22的软件按照下述公式计算所需的：
则塔架相对于全对称中心O的扭振信号
NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2，(1)顺时钟方向为正。
塔架整体真实的横向振动：
n1＝N1+E2+NZ，(2)
e1＝E1+N2-NZ，(3)
塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量：
y＝e1 conJ+n1 sinJ，(4)
塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂直向右)的振动分量：
P＝e1 sinJ+n1 conJ，(5)
塔架的倾斜的主方位角：
根据传感器N1、N2的信息：F＝tg-1(N1/N2)(6-1)
根据传感器E1、E2的信息：F＝tg-1(E2/E1)(6-2)
塔架的倾斜的主倾斜角：
根据传感器N1、N2的信息：Q＝sin-1((2N1N2sin2F)0.5/g)(7-1)
根据传感器E1、E2的信息：Q＝sin-1((2E1E2sin2F)0.5/g)(7-2)
其特征在于(4)还含有实现相对地理坐标N、E的N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动Je1以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动JNZ分离的，并将对应的加速度信号JNZ、Jn1、Je1运算为振幅的“分离运算器”23，传感器信号N1、N2、E1、E2接到分离运算器23的输入端N1、N2、E1、E2，分离运算器23输出的振幅信号NZ、n1、e1接到故障信息处理器的AD接口对应的NZ、n1、e1信号输入端。
为了简化故障信息处理器实时计算的工作量和机时矛盾，应当尽可能把部分运算用专用硬件实现，其特征在于传感器的输出信号N1、N2、E1、E2还接到分离运算器23的输入端N1、N2、E1、E2，分离运算器23分离后的信号n1、e1、NZ分别接到故障信息处理器2的AD接口电路21的输入端n1、e1、NZ，AD接口电路21将采集得到的信息N1、N2、E1、E2、J、n1、e1、NZ送到分析诊断系统22进行故障诊断。如附图3。
附图4为一种可用于风力发电机塔架横向振动与扭转振动测量的分离运算电路框图，由于塔架振动含有许多随机发生的甚低频振动，而且每一次振动可能都有别于其他次振动，不能沿用对于高速旋转机械振动信号处理的、对许多次振动信号进行统计的方法来处理，而需要针对几乎每一瞬时的振动信息作立即决策；为了提高运算的实时性，减小故障信息处理器因上述原因需要对AD采样数据流进行实时运算的工作量、机时开销和防止因此而影响数据处理的实时性。特别设计的分离运算电路3。其分离运算器23含有扭转振动NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2运算器31，N方向振动n1＝N1+E2+NZ运算器32，E方向振动e1＝E1+N2-NZ运算器33，以及对NZ、n1、e1对应的加速度振动信号运算为振幅信号的重积分器34、35、36；N1、N2、E1、E2传感器的输出信号接到NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2运算器31的输入端N1、N2、E1、E2，31的输出端JNZ接到重积分器34的输入端JNZ，34的输出端NZ输出振幅信号NZ；传感器N1、E2的信号接到n1＝N1+E2+NZ运算器32的输入端N1、E2，运算器31的输出端JNZ接到32的输入端JNZ，32的输出端Jn1的输出信号Jn1接到重积分器35的输入端Jn1，35的输出端n1输出振幅信号n1；传感器N2、E1的信号接到e1＝E1+N2-NZ运算器33的输入端N2、E1，运算器31的输出端JNZ接到33的输入端JNZ，33的输出端Je1输出的Je1信号接到重积分器36的输入端Je1，36的输出端e1输出振幅信号e1。如附图4。
分离运算电路31~33的具体电路方案，旨在实现NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2，n1＝N1+E2+NZ，e1＝E1+N2-NZ等运算。其特征在于(6)，NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2运算电路含有运放OP1-1~OP1-3、电阻器R1~R10，其中R1＝R2＝2R3，R4＝R5＝2R6，R7＝R8，R9＝R10，特别是N1信号接到R1的一端R1的另一端接OP1-1的负输入端，N2信号接R2的一端，R2的另一端接OP1-1的副输入端，OP1-1的输出端与负输入端之间接电阻R3，OP1-1的正输入端接地，OP1-1的输出为-(N1+N2)/2；E1信号接到R4的一端R4的另一端接OP1-2的负输入端，E2信号接R5的一端，R5的另一端接OP1-2的负输入端，OP1-2的输出端与负输入端之间接电阻R6，OP1-2的正输入端接地，OP1-2的输出为-(E1+E2)/2；OP1-1的输出端将信号-(N1+N2)/2接到OP1-3的负输入端，OP1-3的负输入端与输出端之间接电阻R8，OP1-2的输出端将-(E1+E2)/2信号接到电阻R9的一端，R9的另一端接OP1-3的正输入端，OP1-3的正输入端与地之间接电阻R10，OP1-3的输出为：
(N1+N2)/2-(E1+E2)/2＝[(N2-E2)-(E2-N1)]/2＝JNZ；
n1＝N1+E2+NZ运算器32含OP1-4、OP2-4、电阻器R11~R16，N1信号接电阻R11的一端，R11的另一端接OP1-4的负输入端，信号E1接电阻R12的一端，R12的另一端接OP1-4的另一端，信号JNZ接电阻R13的一端，R13的另一端接OP1-4的负输入端，OP1-4的正输入端接地，OP1-4的负输入端与输出端之间接电阻R14，OP1-4的输出端经过电阻R15接OP2-4的负输入端，OP2-4的正输入端接地，OP2-4的负输入端与输出端之间接电阻R16，OP2-4的输出即是Jn1＝N1+E1+JNZ；
e1＝E1+N2-NZ运算器33含有OP2-1~OP2-3、电阻器R17~R25，E1信号接电阻R17的一端，R17的另一端接OP2-1的负输入端，信号N1接电阻R18的一端，R18的另一端接OP2-1的负输入端，OP2-1的正输入端接地，在OP2-1的负输入端与输出端之间接电阻R19，OP2-1的输出即是-(E1+N1)；信号JNZ接电阻R20的一端，R20的另一端接OP2-2的负输入端，OP2-2的正输入端接地，在OP2-2的负输入端与输出端之间接电阻R21，OP2-2的输出即是-JNZ，该-JNZ信号接电阻R24的一端，R24的另一端接OP2-3的正输入端，OP2-2-3的正输入端还经过电阻R25接地，信号-(E1+N1)接电阻R22的一端，R22的另一端接OP2-3的负输入端，OP2-3的负输入端与输出端之间接电阻R23，所以，OP2-3的输出信号即是：E1+N1-JNZ＝Je1，所有运放OP1、OP2的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V-。如附图5。
振动加速度(量纲：m/s2)信号运算为振动振幅(量纲：m)的电路，其特征在于(7)相同的重积分器34、35、36各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器R1~R6，电容器C1、C2，运放OP1~OP3，第一级的加速度输入信号JNZ(或Jn1、Je1)接电阻R1，R1的另一端接OP2的负输入端，OP2的负输入端还经过并联的电阻R2、电容C1接其输出端，OP2的正输入端接地；OP2的输出端经过电阻R4接OP3的负输入端，OP3的负输入端与输出端之间接电阻R5，OP3的正输入端接地；OP3的输出端经电阻R6接OP1的负输入端，OP1的负输入端与输出端之间接电容C2，OP3的正输入端接地，OP3的输出端还经过电阻R3接到OP1的负输入端；由OP3或OP2的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻R1接第一积分器输出的准速度信号，从OP3或OP2的输出端输出同相或反相的振幅输出信号NZ(或n1、e1)；电路中R4＝R5可以是任意合适的电阻值，C1＝C2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V-；每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3~1/5，例如1/4，积分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。(见附图6、7、8)
本重积分电路具有抗拒加速度信号中的直流分量以及超低频噪声的优点，特别是具有低频重积分精度高的优点。基于运动学，加速度信号a＝Asin(2πf)t对应的振动幅度x，是a的重积分：
x＝∫∫a dtdt＝∫∫Asin(2πf)t dtdt＝-Asin(2πf)t/(2πf)2
对于正弦振动，则幅度计算简化为：
X＝A/(2πf)2
设：正弦加速度的频率f＝0.5Hz，加速度峰值A＝1g，加速度信号灵敏度为SA＝2V/g，由于1g＝9810mm/s2，所以有振幅＝1g/(2πf)2＝994mm。设计振幅的灵敏度SX＝5V/m，则有振幅输出＝4.97V。图7是重积器对0.5Hz振动加速度准确积分输出振幅信号的仿真图。
重积分器的函数X＝A/(2πf)2对应的每倍频程传输比是：
E＝[A/(2π2f)2]/A/(2πf)2＝1/4
传输比的级差是：EdB＝20logE＝-12.0412
图8的传输特性测试图证明：该重积分器有良好的重积分频率响应。
为了实现风力发电机的指向风力方向的主轴相对于东方的极坐标角J，用一个能够转动10圈的线性“测量”电位计P1与一个“平衡”电位计P2差动工作，如附图9-1~9-8，J1电位计用支撑在塔架上的支架固定，电位计的轴与风力发电机底座的、通过塔架中线的位置固定(为防止对中不良，可以使用柔性轴)，J1、J2电位计的两端并联，接到10V电源，电位计J1、J2的活动臂之间输出转角信号；安装时，J1电位计的轴旋转到1/2，即5圈，因为底座相对塔筒的单向转角最大2.7圈，故绝不会有电位计转过头而损坏的可能性；然后在风机主轴轴指向东方时，调节平衡电位计J2，使J1、J2的差动输出为零；则在底座相对塔筒每转动一周时，两个电位计相对转动为1圈；因电位计供给10V直流电压，则每转动一周，即360度，差动输出电压为1V。附图9分析了测量电位计正转2.7圈和反转2.7圈的差动输出数据，表明该差动输出数据VM1相对于转角J的函数是：
VM1＝J°/360°[V]，单位是伏特(V)，J＝VM1/360[°]。
实施例2
在技术方案中把故障信息处理器2或者其中的AD接口电路21及分析诊断系统22简化为示波器实时直接观察塔架振幅的塔心轨迹方案。
用示波器部分取代故障信息处理器，把分离运算器23输出的表征塔架东西方向振动的信号e1或E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器23输出的表征塔架南北方向振动的信号n1或N1接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。例如及时显示了某转速时叶片通过风力发电机塔架前方的气动激振力引发塔架共振的危险状况。(见附图附图4。10-1~10-3)。
在本技术方案中，当使用故障信息处理器实时采集N1、N2、E1、E2、J、n1、e1、NZ，用分析诊断系统(软件)22不仅实时绘制塔心轨迹如附图10-1~10-3。，还绘制塔体扭振轨迹如附图11，还通过对于n1、e1、y1、x1信号的逐时间段的FFT分析，不仅识别风轮不平衡引起的强迫振动分量的幅度，还识别由于阵风等随机因素激发的塔架的广义共振频率，从而识别塔架系统的固有频率的漂移，进而实现对塔架潜在隐患(刚度下降)的诊断，还实时修正原本以为固定不变的固有频率数据，为防止等于转速频率的不平衡振动以及等于转速3倍频率的叶片通过频率振动等于变化了的固有频率合拍共振提供了控制根据。附图12所示的，是在塔架受到0.15Hz的转子不平衡强迫振动时，因为偶然的阵风对塔架的激励，引起振动波型扰动，被本方法分析得到当时的0.15Hz强迫振动分量与塔架0.396Hz的固有频率广义共振的信息。
图13-1~13-8表明一个从启动到定速运转过程，系统出现叶片通过塔前激振频率的共振、叶轮不平衡的共振和丁转速运转时遇到阵风激励的两次广义共振，本发明的分析诊断系统22通过截获不同时段振动信号作FFT分析，识别了广义共振频率约0.4Hz，证明系统一阶固有频率约0.4Hz。(见附图11、12-1~12-3、13-1~13-8)。
应用本装置可对风力发电机塔架振动报警的限制值，此时对于风力发电机检测分离的振动信号n1、e1、y、p、NZ的故障诊断报警限制值按照下述方法：
设传感器安装位置距地面的高度为h[m]，传感器距离塔架的旋转中心或对称中心的半径为R[m]，转速频率为F0，
则在时间T1＝10/F0内所述横向振动n1、e1、y、p的每次振动幅度峰值超过限制值
XH＝0.5hk/50＝0.01hk[m]则报警；k为无量纲修正系数，取值范围0.5~2；
最佳值k为1，则50m高塔筒横向振幅报警限制值为大于500mm。
则在时间T1＝10/F0内所述扭转振动NZ的每次扭振幅度峰值超过限制值：
XN＝0.1hRu/(50*1.5)＝0.0013hRu[m]则报警。u为修正系数，量纲[1/m]，取值范围0.5~2；最佳值u为1，则50m高半径1.5m处塔筒扭振振幅报警限制值为大于100mm。
主倾角的稳定值(1分钟平均值)超过限制值：
XQ＝10hv/50＝0.2hv[°]则报警。v为修正系数，量纲[°/m]，取值范围0.5~2，最佳值v为1。
例如50m高塔塔筒倾角报警限制值为大于10°。
Claims (7)
1、一种风力发电机塔架运行状态监控装置，包括振动或/和稳态加速度检测传感器以及受力方向检测传感器的传感器组(1)、采集传感器组信号和对传感器组的信号进行分析诊断的故障信息处理器(2)，把传感器组(1)检测的信号通过电缆传输给故障信息处理器(2)，其特征在于：传感器组(1)含有安装在塔架上层、按照东南西北地理坐标设置，使敏感塔架整体在南北方向振动的加速度传感器(N1)与东西方向振动的加速度传感器(E1)，以及使敏感塔架绕其对称中心O显现扭转振动的加速度传感器(N2、E2)和检测外作用Y方向相对塔架东西方向并以东方为参考之极坐标的传感器(J)；敏感东西、南北横向振动的传感器(E1、N1)和敏感扭转振动传感器(E2、N2)与塔架对称中心O等距离安装；敏感南北振动的传感器(N1)的敏感轴指向北方N，敏感东西方向振动的传感器(E1)的敏感轴指向东方E；敏感南北振动的传感器(N1)与敏感扭转振动的传感器(N2)安装在同一位置，敏感东西振动的传感器(E1)与敏感扭转振动的传感器(E2)安装在同一位置；并且敏感扭转振动的传感器(E2)的敏感轴指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的反时针切线方向，敏感扭转振动的传感器(N2)的敏感轴则指向传感器安装位置相对塔架对称中心之距离为半径R的圆的顺时针切线方向。
2、根据权利要求1所述的风力发电机塔架运行状态监控装置，其特征在于：故障信息处理器(2)含有AD接口电路(21)，还含有由微处理器运行的分析诊断系统(22)；各传感器的输出信号(N1、N2、E1、E2、J)分别接到故障信息处理器(2)的AD接口电路(21)的对应输入端(N1、N2、E1、E2、J)，并由故障信息处理器的分析诊断系统(22)中的软件按照公式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2(1)计算塔架相对于其对称中心O扭振信号；按照公式n1＝N1+E2+NZ(2)和公式e1＝E1+N2-NZ(3)计算塔架整体真实的横向振动：按照公式y＝e1conJ+n1sinJ(4)计算塔架横向振动在受力方向Y轴的振动分量；按照公式P＝e1sinJ+n1conJ(5)塔架横向振动在Y轴的正交方向X轴(与Y垂直向右)的振动分量；并且根据传感器(N1、N2)的信息及计算式F＝tg-1(N1/N2)(6-1)、根据传感器(E1、E2)的信息及计算式F＝tg-1(E2/E1)(6-2)计算获取塔架的倾斜的主方位角；根据传感器(N1、N2)的信息及计算式Q＝sin-1((2N1N2sin2F)0.5/g)(7-1)、根据传感器(E1、E2)的信息及计算式Q＝sin-1((2E1E2sin2F)0.5/g)(7-2)获得塔架的倾斜的主倾斜角。
3、根据权利要求1或2或3所述的风力发电机塔架运行状态监控装置，其特征在于：所述故障信息处理器(2)还含有实现相对地理坐标N、E的N轴方向的振动加速度Jn1、E轴方向的振动加速度Je1以及相对塔架对称中心的垂直线的扭转振动加速度JNZ分离的，并将对应的加速度信号JNZ、Jn1、Je1运算为振幅的“分离运算器”(23)；传感器加速度信号(N1、N2、E1、E2)接到分离运算器(23)的输入端(N1、N2、E1、E2)，分离运算器输出的振幅信号NZ、n1、e1接到故障信息处理器的AD接口对应的NZ、n1、e1信号输入端；AD接口电路(21)将采集得到的信息(N1、N2、E1、E2、J、n1、e1、NZ)送到分析诊断系统(22)进行故障诊断。
4、根据权利要求3所述的风力发电机塔架运行状态监控装置，其特征在于：所述分离运算器(23)含有按照计算式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2计算扭转振动的运算器(31)、按照计算式n1＝N1+E2+NZ计算N方向振动的运算器(32)，按照计算式e1＝E1+N2-NZ计算E方向振动的运算器(33)，以及对NZ、n1、e1对应的加速度振动信号运算为振幅信号的重积分器(34、35、36)；N1、N2、E1、E2传感器的输出信号接到按公式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2设计的运算器(31)的输入端(N1、N2、E1、E2)，运算器(31)的输出端JNZ接到重积分器(34)的输入端JNZ，重积分器(34)的输出端NZ输出振幅信号NZ；传感器(N1、E2)的信号接到按公式n1＝N1+E2+NZ设计的运算器(32)的输入端N1、E2，运算器(31)的输出端JNZ接到运算器(32)的输入端JNZ，运算器(32)的输出端Jn1的输出信号Jn1接到重积分器(35)的输入端Jn1，重积分器(35)的输出端n1输出振幅信号n1；传感器N2、E1的信号接到按公式e1＝E1+N2-NZ设计的运算器(33)的输入端N2、E1，运算器(31)的输出端JNZ接到运算器(33)的输入端JNZ，运算器(33)的输出端Je1输出的Je1信号接到重积分器(36)的输入端Je1，重积分器(36)的输出端e1输出振幅信号e1。
5、根据权利要求4所述的风力发电机塔架运行状态监控装置，其特征在于：按照公式NZ＝[(N2-E1)-(E2-N1)]/2设计的运算器(31)含有运放(OP1-1～OP1-3)、电阻器(R1～R10)，其中电阻器R1＝R2＝2R3，R4＝R5＝2R6，R7＝R8，R9＝R10；并且N1信号接到电阻器(R1)的一端，电阻器R1的另一端接运放(OP1-1)的负输入端，N2信号接电阻器(R2)的一端，电阻器(R2)的另一端接运放(OP1-1)的副输入端，运放(OP1-1)的输出端与负输入端之间接电阻器(R3)，运放(OP1-1)的正输入端接地，运放(OP1-1)的输出为(N1+N2)/2；E1信号接到电阻器(R4)的一端，电阻器(R4)的另一端接运放(OP1-2)的负输入端，E2信号接电阻器(R5)的一端，电阻器(R5)的另一端接运放(OP1-2)的负输入端，运放(OP1-2)的输出端与负输入端之间接电阻器(R6)，运放(OP1-2)的正输入端接地，运放(OP1-2)的输出为-(E1+E2)/2；运放(OP1-1)的输出端将信号-(N1+N2)/2接到运放(OP1-3)的负输入端，运放(OP1-3)的负输入端与输出端之间接电阻器(R8)，运放(OP1-2)的输出端将-(E1+E2)/2信号接到电阻器(R9)的一端，电阻器(R9)的另一端接运放(OP1-3)的正输入端，运放(OP1-3)的正输入端与地之间接电阻器(R10)，运放(OP1-3)的输出为：
(N1+N2)/2-(E1+E2)/2＝[(N2-E2)-(E2-N1)]/2＝JNZ；
按照公式n1＝N1+E2+NZ设计的运算器(32)含运放(OP1-4、OP2-4)、电阻器(R11～R16)，N1信号接电阻器(R11)的一端，电阻器(R11)的另一端接运放(OP1-4)的负输入端，信号E1接电阻器(R12)的一端，电阻器(R12)的另一端接运放(OP1-4)的另一端，信号JNZ接电阻器(R13)的一端，电阻器(R13)的另一端接运放(OP1-4)的负输入端，运放(OP1-4)的正输入端接地，运放(OP1-4)的负输入端与输出端之间接电阻器(R14)，运放(OP1-4)的输出端经过电阻器(R15)接运放(OP2-4)的负输入端，运放(OP2-4)的正输入端接地，运放(OP2-4)的负输入端与输出端之间接电阻器(R16)，运放(OP2-4)的输出即是Jn1＝N1+E1+JNZ；
按照公式e1＝E1+N2-NZ设计的运算器(33)含有运放(OP2-1～OP2-3)、电阻器(R17～R25)，E1信号接电阻器(R17)的一端,电阻器(R17)的另一端接运放(OP2-1)的负输入端，信号N1接电阻器(R18)的一端，电阻器(R18)的另一端接运放(OP2-1)的负输入端，运放(OP2-1)的正输入端接地，在运放(OP2-1)的负输入端与输出端之间接电阻器(R19)，运放(OP2-1)的输出即是-(E1+N1)；信号JNZ接电阻器(R20)的一端，电阻器(R20)的另一端接运放(OP2-2)的负输入端，运放(OP2-2)的正输入端接地，在运放(OP2-2)的负输入端与输出端之间接电阻器(R21)，运放(OP2-2)的输出即是-JNZ，该-JNZ信号接电阻器(R24)的一端，电阻器(R24)的另一端接运放(OP2-3)的正输入端，运放(OP2-3)的正输入端还经过电阻器(R25)接地，信号-(E1+N1)接电阻器(R22)的一端，电阻器(R22)的另一端接运放(OP2-3)的负输入端，运放(OP2-3)的负输入端与输出端之间接电阻器(R23)，所以，运放(OP2-3)的输出信号即是：E1+N1-JNZ＝Je1，所有运放运放(OP1、OP2)的正电源端接正电源V+，负电源端接负电源V-。
6、根据权利要求4所述的风力发电机塔架运行状态监控装置，其特征在于：相同的重积分器(34、35、36)各由两级相同的、基于二阶双二次带通滤波器结构的单积分器级联组成，其每一级二阶双二次带通滤波器含有电阻器(R1～R6)，电容器(C1、C2)，运放(OP1～OP3)，其中第一级的加速度输入信号JNZ(或Jn1、Je1)接电阻器(R1)，电阻器(R1)的另一端接(OP2)的负输入端，运放(OP2)的负输入端还经过并联的电阻器(R2)、电容器(C1)接其输出端，运放(OP2)的正输入端接地；运放(OP2)的输出端经过电阻器(R4)接运放(OP3)的负输入端，运放(OP3)的负输入端与输出端之间接电阻器(R5)，运放(OP3)的正输入端接地；运放(OP3)的输出端经电阻器(R6)接OP1的负输入端，运放(OP1)的负输入端与输出端之间接电容器(C2)，运放(OP3)的正输入端接地，运放(OP3)的输出端还经过电阻器(R3)接到运放(OP1)的负输入端；由运放(OP3)或运放(OP2)的输出端输出的是同相或反相的准速度信号；第二级积分器的输入电阻器(R1)接第一积分器输出的准速度信号，从运放(OP3)或运放(OP2)的输出端输出同相或反相的振幅输出信号NZ(或n1、e1)；电路中电阻器R4＝R5可以是任意合适的电阻值，电容器C1＝C2，所有运放的正电源端接正电源V+，所有运放的负电源端接负电源V-；每一级二阶双二次带通滤波器结构的单积分器的谐振频率F0为所需积分运算的下限频率FT的1/3～1/5，最佳取值为1/4，积分器对于FT以上频率的信号的传输系数原则上为每倍频程衰减6.02dB。
7、根据权利要求3所述的风力发电机塔架运行状态监控装置，其特征在于：所述分离运算器(23)输出的表征塔架东西方向振动的信号e1或E1接到示波器的X轴，X轴代表东方；把分离运算器(23)输出的表征塔架南北方向振动的信号n1或N1接到示波器的Y轴，Y轴代表北方；则在塔架发生振动时，示波器实时绘制塔架塔心的运动振幅或准加速度轨迹。
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