CN102661787A - 一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法 - 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变换分析方法，包括：以等时间间隔同步采集风电机组转子振动信号和转速脉冲信号；依据转速脉冲信号定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列并据此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，截取成风轮旋转的整周期的时间长度；对截取的各个整周期振动信号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下的时间延拓；对得到的指定转速整周期连续振动信号进行分析。本发明以等时间间隔同步采集转子振动信号及转速脉冲串信号，利用转速脉冲串信号将振动信号变换为指定转速下的整周期信号，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
本发明涉及动力机械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变换分析方法。
背景技术
目前对风电机组振动信号的分析及处理方法的研究主要集中在齿轮箱和发电机的振动信号处理上。风电机组转子及主轴承是吸收和传递载荷的主要部件，作用在机组上的径向力、轴向力及弯矩等都先附加于风电机组转子系统上，这将引起转子的振动，而针对变速风电机组转子振动信号的处理研究尚属空白。
同时，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。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，振动信号为非平稳信号，因此，传统的转子振动信号分析方法难以直接应用，并有效提取到风电机组转子振动中的特征信息，这给风电机组转子振动信号的分析及故障诊断带来了困难。
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变换分析方法，使其可实现对风电机组转子振动信号的有效分析。
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变换分析方法，包括以下步骤：A.以等时间间隔同步采集风电机组转子振动信号和转速脉冲信号，采集时间超过8个风轮旋转周期或采样时长大于30s，其中，转速脉冲信号是在主轴上沿旋转角度等分采集；B.依据转速脉冲信号定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列并据此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，截取成风轮旋转的整周期的时间长度；C.对截取的各个整周期振动信号分别进行插值复采样；D.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，保证指定转速在计算所得转速序列变化区间内；E.对得到的指定转速整周期连续振动信号进行分析。
作为本发明的一种改进，所述的步骤A中转速脉冲信号采集的等分点数不小于30。
所述的步骤A中转速脉冲信号采集是通过沿主轴旋转角度均布反光条或采用编码器实现。
所述的步骤B中，转速序列是采用零相移滤波器平滑转速波动后所得。
所述的步骤C中，插值复采样过程中选择具有线性相位的FIR数字低通滤波器进行抗混叠滤波，插值方法选择线性插值，并保证整个周期内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E中所述的分析采用FFT分析。
采用这样的设计后，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，利用转速脉冲串信号将振动信号变换为指定转速下的整周期信号，通过这种变换，可以获得利于分析的波形图谱，利用常规的谱分析方法即可实现对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分析和故障诊断提供依据。
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为本发明转速风电机组转子振动信号的变换分析方法的示意图。
图2为本发明具体实施例的传感器安装位置示意图。
图3为本发明沿主轴周向均布反光条等相位采集转速脉冲的示意图。
图4为本发明具体实施例中同步采集振动信号的时域波形示意图。
图5为本发明具体实施例中同步采集转速信号的时域波形示意图。
图6为本发明具体实施例中利用零相移滤波平滑前的转速/时间曲线。
图7为本发明具体实施例中利用零相移滤波平滑后的转速/时间曲线。
图8为本发明具体实施例中信号整周期插值的复采样示意图。
图9为本发明具体实施例中对多个整周期振动信号变换前的时域图。
图10为对本发明具体实施例中多个整周期振动信号变换后的时域图。
图11为本发明具体实施例中信号变换前的时域波形图。
图12为本发明具体实施例中信号变换前的频谱分析图。
图13为本发明具体实施例中信号变换后的时域波形图。
图14为本发明具体实施例中信号变换后的频谱分析图。
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变换分析方法，包括以下步骤。
步骤A，以等时间间隔同步采集风电机组转子振动信号和转速脉冲信号，采集得到的转速和振动信号采样时长应满足不影响后续的分析，采集时间应保证超过8个风轮旋转周期或采样时长大于30s，对于兆瓦级风电机组应满足至少采样时间长度大于30s。由于风轮转速低（一般<20rpm），转速脉冲信号采集时在主轴上沿旋转角度等分采集，等分点数应保证相邻脉冲之间的转速波动很小（可以忽略），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。转速脉冲信号可采用沿主轴旋转角度均布反光条或采用编码器的形式实现转子等相位脉冲采集，但不局限于此种方法，通过信号采集器实现转子等相位脉冲采集，并保证相邻脉冲之内转速波动变化极小的方法均在要求之列。
步骤B，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，截取成风轮旋转的整周期的时间长度。其中，转速序列是采用零相移滤波器平滑转速波动后所得，以克服了转速的波动。
步骤C，对步骤B截取的各个整周期振动信号分别进行插值复采样。插值复采样过程中选择具有线性相位的FIR数字低通滤波器进行抗混叠滤波，插值方法选择线性插值，并保证整个周期内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。在重采样过程中应用线性相位FIR数字低通滤波器及线性插值，抗混叠及抑制干扰效果较好，对风电机组转子振动这种非平稳振动信号有较好处理能力。
步骤D，对步骤C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，应保证指定转速在计算所得转速序列变化区间内；
步骤E，对步骤D得到的指定转速整周期连续振动信号进行FFT等分析。
如上所述，本发明同步采集风电机组转子的振动信号及转速脉冲信号，转速脉冲通过光电传感器或编码器按主轴旋转角度等分采集。风轮每旋转周期内的转速脉冲数应保证相邻脉冲之间的转速波动很小（可以忽略），采集的时间长度应保证超过8个风轮旋转周期。按脉冲上升沿（或下降沿）时刻计算转速序列并划分整转速脉冲数的振动信号，并对相邻两个转速脉冲信号之间的振动信号进行插值复采样。在指定分析转速下对插值复采样所得振动信号进行时间延拓，将其变换为指定转速下的整周期的振动信号，进而对信号进行FFT等分析。本发明针对变转速的风电机组，通过转速信号与振动信号的结合，以转速脉冲串信号为参考，对振动信号进行变换，通过复采样与时间延拓，实现了低转速下变转速振动信号到指定转速整周期连续振动信号的变换，从而可用FFT等经典振动分析方法实现信号的后续分析，为变转速变工况风电机组转子振动信号分析和故障诊断提供依据。
以下列举一具体实施例来进一步说明本发明的应用方式和分析步骤：
请参阅图2、图3所示，在通过齿轮箱7、联轴器8与发电机连接的主轴4上，周向均布有反光条6，将振动传感器1和转速传感器2分别安装在风电机组的主轴承3和主轴4处，并将其采集到的信号发送至数据采集装置5，分析过程如下：
1）以等时间间隔同步采集风电机组转子振动信号和转速脉冲串信号，采样时长45s，转速脉冲信号采集时，通过沿主轴旋转角度均布n=30个反光条，用光电传感器实现转子等相位脉冲采集，同步采集振动信号和转速信号时域波形如图4、图5所示；
2）定位脉冲上升沿（或下降沿）时刻序列，依此计算转速序列（v=60/(n*(t2-t1))），采用零相移滤波器平滑转速波动，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，并截取成风轮旋转的整周期的时间长度，利用零相移滤波平滑前后的转速/时间曲线如图6、图7所示；
3）请配合参阅图8所示，对步骤2）中截取的各个整周期振动信号分别进行插值复采样，插值复采样过程中选择具有线性相位的FIR数字低通滤波器进行抗混叠滤波，插值方法选择线性插值，并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N=32个；
4）对步骤3）复采样得到的振动信号进行指定转速15rpm下的时间延拓，得到指定转速15rpm的整周期连续振动信号；
5）请配合参阅图9-14所示，对步骤4）得到的15rpm下的整周期连续振动信号进行FFT频谱分析。
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)
1.一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法，其特征在于包括以下步骤：
A.以等时间间隔同步采集风电机组转子振动信号和转速脉冲信号，采集时间超过8个风轮旋转周期或采样时长大于30s，其中，转速脉冲信号是在主轴上沿旋转角度等分采集；
B.依据转速脉冲信号定位脉冲上升沿或下降沿时刻序列并据此计算转速序列，并按脉冲序列将对应的振动信号划分为振动信号段，截取成风轮旋转的整周期的时间长度；
C.对截取的各个整周期振动信号分别进行插值复采样；
D.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，保证指定转速在计算所得转速序列变化区间内；
E.对得到的指定转速整周期连续振动信号进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法，其特征在于所述的步骤A中转速脉冲信号采集的等分点数不小于30。
3.根据权利要求1所述的一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法，其特征在于所述的步骤A中转速脉冲信号采集是通过沿主轴旋转角度均布反光条或采用编码器实现。
4.根据权利要求1所述的一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法，其特征在于所述的步骤B中，转速序列是采用零相移滤波器平滑转速波动后所得。
5.根据权利要求1所述的一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法，其特征在于所述的步骤C中，插值复采样过程中选择具有线性相位的FIR数字低通滤波器进行抗混叠滤波，插值方法选择线性插值，并保证整个周期内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。
6.根据权利要求1所述的一种变转速风电机组转子振动信号的变换分析方法，其特征在于所述的步骤E中所述的分析采用FFT分析。
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