CN102661786B - 变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法及其装置，该装置包括振动传感器、转速传感器、采集单元以及分析模块。该方法包括以下步骤：以等时间间隔同步采集转速脉冲信号和振动信号；定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列，依此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，并截取成风轮旋转整周期的振动信号序列；对各个整周期振动信号序列进行插值复采样，对复采样得到的振动信号进行指定转速下的时间延拓，得到指定转速的整周期连续振动信号并进行频谱分析。本发明可直接获得利于分析的波形图谱，为风电机组转子振动信号分析和故障诊断提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及振动测试及信号处理技术领域，特别是涉及一种针对低速变转速变工况风电机组转子振动信号的数据采集分析方法及其装置。
背景技术
风电机组是一个刚柔耦合的多体系统，其动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风能。作用在风电机组上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷会使风电机组发生变形和振动，这会影响风电机组的正常运行，严重时会导致风电机组损坏。
目前使用的数据采集分析装置均为通用型装置，数据采集主要完成数据的记录，并进行抗混叠滤波等常规处理，数据分析集成了各种通用分析方法，而并未考虑风电机组转子振动信号的特殊性。
风电机组转子运转在低转速（一般<20rpm）、动载荷下，且转速不稳定，长期变工况运行，运行工况不同于普通旋转机械，因此，常规的数据采集分析装置难以有效采集和分析风电机组转子振动中的特征信息，这对风电机组转子振动信号的分析及故障诊断带来了困难。
由此可见，如何能创设一种可通过对风电机组转子振动信号及转速信号的同步采集、周期划分及插值复采样，从而直接获得利于分析的波形图 谱，为风电机组转子振动信号分析和故障诊断提供依据的新的变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法及其装置，实属当前的重要研发课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法及其装置，使其可通过对风电机组转子振动信号及转速信号的同步采集、周期划分及插值复采样，从而直接获得利于分析的波形图谱，为风电机组转子振动信号分析和故障诊断提供依据，从而克服现有采集分析装置的不足。
为解决上述技术问题，本发明一种变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置，包括振动传感器、转速传感器、采集上述传感器数据的采集单元以及对采集到的信息进行分析的分析模块。
作为本发明的一种改进，所述的采集单元包括电源模块、采集模块、处理模块、存储模块和通讯模块，其中：电源模块为整个采集单元供电；采集模块同步采集转速信号和振动信号；处理模块对采集到的信号进行滤波处理、转速区间计算及整周期划分；存储模块存储处理得到的信号和信息；通讯模块负责采集单元与分析模块之间的通讯连接。
此外，本发明还提供了一种应用上述装置的变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法，包括以下步骤：A.利用转速传感器和振动传感器获取转速脉冲信号和振动信号；B.采集单元以等时间间隔同步采集转速脉冲信号和振动信号；C. 对步骤B所得信号进行处理，定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列，依此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，并截取成风轮旋转整周期的振动信号序列；D. 分析模块获取 采集单元存储的转速序列和信号序列数据，对各个整周期振动信号序列进行插值复采样，对复采样得到的振动信号进行指定转速下的时间延拓，得到指定转速的整周期连续振动信号并进行频谱分析。
作为进一步改进，所述的步骤D中，每个相邻转速脉冲对应的振动信号段具有相同的采样点数。
所述的步骤D中，指定转速在计算所得转速序列的变化区间内。
所述的步骤C中处理得到的转速序列及信号序列，与整周期数、转速序列区间信息分开存储。
所述的步骤B中，采集单元的采样长度不小于8个风轮旋转周期。
所述的步骤A中转速脉冲信号的采集方式为以下任意一种：沿风电机组主轴旋转角度均布多个反光条，利用转速传感器获取反光条脉冲信号；利用转速传感器计数轮毂与机舱连接处螺栓或涨紧套处螺栓；从风电机组的编码器引出等相位脉冲信号。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
1、在采集单元中内置处理模块，实现了对振动信号和转速脉冲信号的整周期信号序列截取，可智能判定采样长度是否满足后续分析要求；
2、采集单元可实现对转速脉冲信号和振动信号的智能存储；
3、分析模块与采集单元独立，分析模块实现了插值复采样和指定转速时间延拓，简化了采集单元处理模块部分的设计。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的结构示意图。
图2是本发明变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法的步骤示意图。
图3、图4是本发明具体实施例中分析模块对指定转速信号进行频谱分析的示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置，包括振动传感器11、转速传感器12、采集单元13以及分析模块14。
其中，采集单元13包括电源模块、采集模块、处理模块、存储模块和通讯模块：电源模块负责整个采集单元13的供电，采集模块负责转速信号和振动信号的同步采集，处理模块负责信号的滤波处理、转速区间计算及整周期划分，存储模块负责对处理完信号及相关信息的智能存储，通讯模块负责采集单元13与分析模块14之间的通讯。
采集单元13以等时间间隔同步采集振动传感器和转速传感器的振动信号和等相位转速脉冲信号，自动判断采样长度是否达到后续分析要求，智能存储转速序列和振动序列数据和整周期数、转速变化区间等信息。分析模块4实现对整周期振动信号的插值复采样及指定转速下的时间延拓。
请配合参阅图2所示，本发明应用上述装置的变转速风电机组转子振动信号的采集分析方法，包括以下步骤：
步骤A，利用转速传感器和振动传感器获取转速脉冲信号和振动信号。 其中，转速传感器采集转速脉冲信号，有以下采集方式：沿主轴旋转角度均布多个反光条（对于风轮额定转速小于20rpm的风轮，等分点数应至少满足n≥30）获得等相位脉冲，利用转速传感器读取反光条信号；利用转速传感器计数轮毂与机舱连接处螺栓或涨紧套处螺栓获得等相位脉冲；从风电机组的编码器引出等相位脉冲信号；或者其它类似可实现转子等相位脉冲采集的方式。
步骤B，采集单元中的采集模块以等时间间隔同步采集转速脉冲信号和振动信号，较佳的，采样长度应不小于8个风轮旋转周期。
步骤C，采集单元中的处理模块对步骤B所得信号进行处理，定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列，依此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，并截取成风轮旋转整周期的振动信号序列。
较佳的，采集单元中的存储模块对步骤C所得转速序列及信号序列进行智能存储，并将信号序列数据与整周期数、转速序列区间等信息分开存储。
步骤D，分析模块通过采集单元的通讯模块访问采集单元存储的转速序列和信号序列数据，对各个整周期振动信号序列进行插值复采样，对复采样得到的振动信号进行指定转速下的时间延拓，得到指定转速的整周期连续振动信号并进行频谱分析。
较佳的，分析模块的分析过程中应保证：每个相邻转速脉冲对应的振动信号段具有相同的采样点数；指定转速在计算所得转速序列变化区间内。
以下列举具体实施例来说明应用本发明装置的处理步骤：
在风电机组的主轴3上周向均布有反光条4，将振动传感器11和转速传感器12分别安装在风电机组的主轴承2和主轴3处，并将其采集到的信号发送至数据采集单元13，分析过程如下：
a）在风电机组主轴承座处用磁吸方式安装低频振动加速度传感器，用磁力表架安装转速传感器。
b）设定采集模块采样频率，并按采集单元默认采样长度为8个风轮旋转周期同步采集转速脉冲信号和振动信号。
c）采集单元对采集到的转速脉冲序列和振动信号序列进行处理并智能存储，将信号序列数据与整周期数、转速序列区间等信息分开存储。
d）分析模块通过采集单元通讯模块访问采集单元存储的转速序列和信号序列数据及相关特征信息，对各个整周期振动信号序列分别进行插值复采样，对复采样得到的振动信号进行指定转速15rpm下的时间延拓，得到15rpm的整周期连续振动信号并进行频谱分析如图3、图4所示。
本发明主要考虑了风电机组转子低转速、变工况的运行特点，利用数据采集装置以等时间间隔同步采集转子振动信号及转速脉冲串信号，并在数据采集装置内置的处理模块中实现对信号的整周期划分，在分析模块中实现整周期信号的插值复采样及指定转速下的时间延拓，实现了风电机组转子振动信号的有效分析，为风电机组转子振动信号的采集和分析提供了一种途径。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种应用于变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的采集分析方法，所述采集分析装置包括振动传感器、转速传感器、采集上述传感器数据的采集单元以及对采集到的信息进行分析的分析模块，其特征在于所述采集分析方法包括以下步骤：
A.利用转速传感器和振动传感器获取转速脉冲信号和振动信号；
B.采集单元以等时间间隔同步采集转速脉冲信号和振动信号；
C.对步骤B所得信号进行处理，定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列，依此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，并截取成风轮旋转整周期的振动信号序列；
D.分析模块获取采集单元存储的转速序列和信号序列数据，对各个整周期振动信号序列进行插值复采样，对复采样得到的振动信号进行指定转速下的时间延拓，得到指定转速的整周期连续振动信号并进行频谱分析。
2.根据权利要求1所述的应用于变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的采集分析方法，其特征在于所述的步骤D中，每个相邻转速脉冲对应的振动信号段具有相同的采样点数。
3.根据权利要求1所述的应用于变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的采集分析方法，其特征在于所述的步骤D中，指定转速在计算所得转速序列的变化区间内。
4.根据权利要求1所述的应用于变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的采集分析方法，其特征在于所述的步骤C中处理得到的转速序列及信号序列，与整周期数、转速序列区间信息分开存储。
5.根据权利要求1所述的应用于变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的采集分析方法，其特征在于所述的步骤B中，采集单元的采样长度不小于8个风轮旋转周期。
6.根据权利要求1所述的应用于变转速风电机组转子振动信号的采集分析装置的采集分析方法，其特征在于所述的步骤A中转速脉冲信号的采集方式为以下任意一种：
沿风电机组主轴旋转角度均布多个反光条，利用转速传感器获取反光条脉冲信号；
利用转速传感器计数轮毂与机舱连接处螺栓或涨紧套处螺栓；
从风电机组的编码器引出等相位脉冲信号。
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