CN201354709Y - 风力发电机组机舱加速度检测及保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电机组机舱加速度检测及保护装置，包括加速度芯片，该加速度芯片内部包含传感部分和信号调理部分，以及由加速度芯片、运算放大器、电阻，电容，信号偏置电路组成的加速度检测电路，该加速度检测电路与由继电器、运算放大器，二级管组成的保护值设定及比较电路串联，其特征在于：通过所述加速度芯片将采集到的机舱振动信号通过所述加速度检测电路转换为0V至10V电压信号，所述电压信号分两路传输，一路经过模拟量转换后将结果输出至风力发电机组控制系统，一路输出至所述保护值设定及比较电路，所述保护值设定及比较电路将所述加速度检测电路输出的电压值与已设定临界值进行比较，从而推动所述继电器动作或不动作。

Description

风力发电机组机舱加速度检测及保护装置

技术领域：

本实用新型涉及一种机械结构加速度检测及保护的装置，尤其涉及一种应用于风力发电机组机舱加速度检测及保护的装置。

背景技术：

风力发电机组在高空中负载运行时，整个风力发电机组的核心部件----“机舱”是通过塔筒支撑在距地面50-80m高的高空中，风力发电机组运行时，包括机舱和塔筒在内的所有设备都是在一种复杂的振动环境中运行，机舱的振动频率要求必须不能引起相关设备的振动，而且振动幅度的强弱直接关系到风力发电机组能否安全稳定的运行，如果风力发电机组一直在振动幅度较大的环境下运行，风力发电机组的寿命不但会大大缩减，而且也影响到风力发电机的可利用率。尤其是在大风的天气条件下，风力发电机组的振动幅度更大，也更容易对风力发电机组产生伤害。所以有效的控制风力发电机组在高空中的振动幅度，减少风力发电机组在有害振动环境中运行的时间和次数，不但可以保护风力发电机组机的机械部件，同时也可以让整个机组更高效的运行。

日前，测量机械结构振动情况的装置主要是振动保护装置，通常的振动保护装置都是仅对地面设备进行监测，使用加速度传感器进行前端采集，然后通过对采集的信号进行分析处理，判断设备的传动系统、变速系统、轴承等零部件磨损情况，以便对磨损情况比较严重的零部件进行更换，从而保证设备的正常运行。这种振动保护装置在大型的火电场、水电厂、汽轮机厂、机械设备厂等都有使用。但是风力发电和上述领域又有所不同，最大的不同就是：风力发电机组不但有复杂的齿轮结构，大功率的发电机，精密的传动系统，而且风力发电机组是在高空摇摆的环境下运行的。在2000年8月16日公开的实用新型专利申请CN2392167披露了一种倾斜度及加速度侦测装置，该装置包含有微动机构与感测装置的侦测装置，可应用与手动操控装置中以量测其旋转倾斜方向、水平状态及其移动程度。但是，这种倾斜度及加速度侦测装置，只适用于手动操控装置(3D滑鼠装置、飞机模拟操纵装置等)，而且只具备测量功能，无法对测量到的数据进行分析，也无法对高空机械结构进行检测与保护。所以如何检测风力发电机组在高空中的摆动情况并且如何保证风力发电机组的摆动在安全范围内，还是一个有待于解决的问题。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种与现有技术相比，对风力发电机组在运行时的机舱整体摆动情况进行检测，而不是仅对机舱中的某一个部件进行检测，同时根据系统设定的值，对风力发电机组的摆动进行控制，减少风力发电机组在高空中运行时潜在的风险，保证风力发电机组的正常运行。

为了保护风机在高空安全稳定的运行，本实用新型以风力发电机组机舱作为检测对象，提供一种风力发电机组机舱加速度检测及保护装置，包括加速度芯片，该加速度芯片内部包含传感部分和信号调理部分，以及由加速度芯片、运算放大器、电阻，电容，信号偏置电路组成的加速度检测电路，该加速度检测电路与由继电器、运算放大器，二级管组成的保护值设定及比较电路串联，其特征在于：通过所述加速度芯片将采集到的机舱振动信号通过所述加速度检测电路转换为0V至10V电压信号，所述电压信号分两路传输，一路经过模拟量转换后将结果输出至风力发电机组控制系统，一路输出至所述保护值设定及比较电路，所述保护值设定及比较电路将所述加速度检测电路输出的电压值与已设定的临界值进行比较，从而推动所述继电器动作或不动作。

上述风力发电机组机舱加速度检测及保护装置中，所述加速度芯片通过所述加速度检测电路输出加速度范围为-0.5g～0.5g，所述加速度芯片输出特性为700mv/g(5vdc电源时)，在理论上，0g时对应的电压输出为2.5V，对应输出的信号范围为2.5vdc±0.35vdc。

上述的风力发电机组机舱加速度检测及保护装置中，所述保护值设定及比较电路中的临界值分别为3vdc和7vdc，当所述电压信号小于3vdc或大于7vdc时，即输出15vdc高电平，从而推动继电器K1动作，否则比较输出-15Vdc，继电器K1不动作。

上述的风力发电机组机舱加速度检测及保护装置中，由所述加速度检测电路-0.5g～0.5g＝0vdc～10vdc，根据所述风机的实际情况和系统的要求，设定转速保护的加速度值在±0.2g，即任意轴向振动幅值超过0.2g，所述保护值设定及比较电路即执行保护动作。

上述的风力发电机组机舱加速度检测及保护装置中，其特征在于，所述振动的范围对应一定的角度范围，通过所述保护值设定及比较电路进行机舱振动时倾斜角度的测量。

本实用新型相对于现有技术的重要特点是：既可以检测机舱的振动加速度情况也可以检测机舱的倾斜角度。也就意味着本装置不但可以通过控制加速度值来保护风机还可以通过检测机舱振动时倾斜的角度对风机进行保护。同时本装置可以独立的应用到任何相关设备上，本装置给风力发电机组控制系统提供两种信号接入：

一是：直接送干节点信号给控制系统。系统只需要对接收的干节点信号进行简单的判断处理就可以确定风机的状态。

二是：送模拟量电压信号给PLC，PLC根据程序中的设定值，把对应的电压信号转换成对应的机舱振动加速度，然后比较这个加速度和程序中设定的临界值，对风机做出相关的控制。

上述的两种方式可以根据不同的机型，供不同需求的客户选择，第二种方式可以给客户提供了更多关于风机振动方面的信息。通过检测机舱的加速度或者倾斜度，判断风机的加速度值或者倾斜度是否在系统设置的安全范围内，保护风机高效稳定运行的

本实用新型的目的，特征及优点将结合实施例，参照附图作进一步的说明。

附图说明

图1表示本实用新型所述的风力发电机组机舱加速度检测及保护装置的整体结构图；

图2表示本实用新型所述的加速度芯片内部结构功能图；

图3表示本实用新型所述的加速度芯片与信号偏置电路的连接图；

图4表示本实用新型所述的加速度检测电路图；

图5表示本实用新型所述的保护设定及比较电路图；

图6表示本实用新型所述的保护设定及比较电路的分压电路图。

具体实施方式

参照附图，将详细叙述本实用新型的具体实施方式。

见图1，从图上可以看到，整个装置的电路结构可以分为5个部分，信号采集----加速度信号通过加速度芯片1采集，加速度信号检测电路2主要是对加速度芯片1采集到的原始信号进行一系列的处理，处理完成的信号通过一个信号偏置电路3，转换成设备可以识别的信号，这部分信号分为两部分来处理，一部分是直接通过系统的信号总线送到控制系统4中，控制系统根据这部分信号，通过换算，计算出被保护设备的振动情况。但是不会发出任何的控制命令。另外一部分是送到保护值设定及对比电路5，对采集检测的加速度信号做一个对比判断，并根据对比电路的结果控制继电器的得电与失电6。并将这个开关量信号送给控制系统。控制系统根据这路信号判断被保护装置是否在安全的振动范围内运行，并执行相应的控制命令。

参照图2、图3，加速度芯片可选择ADXL322芯片，ADXL322芯片式加速度传感器，芯片内部包含传感部分和信号调理部分，可实现加速度开环测量，输出与加速度成比例的模拟电压，此芯片也可用来检测倾斜度。

ADXL322具有自检功能，ST脚控制自检特征，其逻辑输入低电平0.6V，逻辑输入高电平2.4V，ST输入阻抗(对地)为50kΩ，当ST脚被置为V_S(V_S＝5V)电压时，X_OUT，Y_OUT输出610mV，随电源电压变化输出变化。ST脚电压不应超过Vs+0.3V，ST脚与电源Vs之间需要加一个钳位二极管。自测试电路如图2所示，为了使ST脚电压不超过5V，Test端输入电压为5V，采用10k和1k电阻分压后，保证ST端输入电压不会超过5V。

参照图4，加速度检测电路由加速度芯片U5(图中未显示，其输出信号在图中标记为：signal)运算放大器U2、U3及其他阻、容元器件构成，原理图如图3所示。

加速度传感器ADXL322特性为：2.4v～6V工作，0g时输出偏置为电源电压的50％。最大检测能力±2g，设计中检测±0.5g。自身具有低通输出能力，可以通过设置输出侧的电容确定输出低通范围：以信号衰减-3db为低通输出能力衡量时，可以按照F＝5uF/c来计算低通范围。设计允许的低通最大频率为约20hz，因此选用0.22uf电容作为传感器配置电容。由于设计允许加速度采集范围为±0.5g，而ADXL322输出特性为700mv/g(5vdc电源时)，同时0g时其输出偏置为2.5v(5vdc电源时)。因此由加速度传感器输出的信号范围为2.5vdc±0.35vdc。电路以此前提进行设计。

ADXL322输出信号经U2C电路跟随输出至由U3A、R17、-10V基准构成的偏置调整电路，由该电路将输出偏置调整为±5V，0g(2.5V)输出时，Uoffset＝0V，-0.5g(2.15V)输出时，Uoffset＝5v，0.5g(2.85V)输出时，Uoffset＝-5v。通过U3C、-10v基准构成的输出电路将加速度传感器的输出调整为-0.5g～0.5g对应0～10vdc输出。此时这路信号，直接通过系统的信号总线送至控制系统。

参照图5和图6，保护值设定及比较部分电路图，电路将信号检测部分电路的信号输出和设定的基准进行比较，当信号小于3vdc或大于7vdc时即输出15vdc高电平，从而推动继电器K1动作，否则比较输出-15Vdc，继电器K1不动作。其中3vdc/7vdc由精密10vdc基准源分压得到。电路原理图参考图5，使用并联的两组电阻，通过电阻分压，计算出需要的电压值。这两个电阻值是可以改变的，但是选择之前需要考虑到电路的功耗和电流值以及电阻的功率值。唯一的要求是R1/(R1+R2)*10＝3。所以精密的10vdc基准源经过一个简单但是非常有效的电阻分压电路后，得到3vdc和7vdc比较电压。由信号检测电路-0.5g～0.5g＝0vdc～10vdc，传感器芯片输出特性为700mv/g(5vdc电源时)，在理论上，0g时对应的电压输出为2.5V，得到对振动的保护范围为±0.2g。即任意轴向振动幅值超过0.2g电路即执行保护动作。图中二极管D12为线圈的续流回路。

本装置和控制系统之间的信号传输是通过5芯屏蔽线传输，使用屏蔽线传输，容易实现装置和控制系统的电气隔离，可靠的保护内部电路，避免外部的干扰。可有效地提取设备的振动信息，对结构复杂、振动环境恶劣、干扰信号繁杂等场合下设备的检测具有独特优势。本装置的许多位置的参数都是通过电位器来调节实现的，参数的可调范围大，设备的可移植性强，适用性广。经过现场的2年多批量化使用，已经证明了模块具有：成本低、可靠性高、抗干扰能力强等特点。

本实施例所述装置的主要原理是：利用加速度传感器芯片对机舱运行时振动的加速度(或者倾斜度)进行检测，采集到的振动信号经过处理后，分为两路信号分别处理。一路是模拟量信号，通过信号总线送到风机的PLC中，另外一路是经过比较判断的开关量信号，也是通过信号总线发送到系统的PLC。

整个装置的电路原理可以分为加速度检测和保护两个大的部分。

信号采集部分的主要原理是：通过加速度传感器把采集到的机舱振动信号通过模拟电路的转换，转换成的0-10v电压信号，这个电压值经过模拟量转换后将结果输出到主控PLC。

保护部分的主要原理是：能够检测风机机舱当前振动幅值是否超过系统设定值，检测值和设定值进行比较后，输出信号控制报警继电器线圈得电与失电。

Claims (1)

1. 一种风力发电机组机舱加速度检测及保护装置，包括加速度芯片，该加速度芯片内部包含传感部分和信号调理部分，以及由加速度芯片、运算放大器、电阻，电容，信号偏置电路组成的加速度检测电路，该加速度检测电路与由继电器、运算放大器，二级管组成的保护值设定及比较电路串联，其特征在于：通过所述加速度芯片将采集到的机舱振动信号通过所述加速度检测电路转换为0V至10V电压信号，所述电压信号分两路传输，一路经过模拟量转换后将结果输出至风力发电机组控制系统，一路输出至所述保护值设定及比较电路，所述保护值设定及比较电路将所述加速度检测电路输出的电压值与已设定临界值进行比较，从而推动所述继电器动作或不动作。

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