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传感器在风力发电机中有什么样的作用
郑成枝
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风力发电机看起来像摩天大楼一样高大，但却要依靠数十个低成本微型传感器来监测器其运行状况，以确保高效安全地运行。从表面上来看，现代风力发电机就像是一台 21 世纪的大风车，通过转子叶片将风能转换为电能，而不是像过去一样利用风能来碾磨谷物或抽水。再深入一点，风力发电机将机械工程和电气工程的创新结合在一起，为人们展现了一个完美的杰作。尽管风力发电机的转子可以达到 79 米长，塔高超过 183 米，但是它的关键部件，比如传感器的尺寸却只有几厘米。这些传感器确保了发电机这个庞然大物在面对压力、振动和其他危险时，仍能安全运行。
传感器在风电场中的作用
如果没有传感器，风力发电机的安全性不仅会降低，而且操作成本也会提高，更无法准确的预测并解决潜在的故障，导致预期寿命可能会低于 25 年。更为重要的是，风电场需要每一台发电机及其重要部件的精确数据，而这些数据需由连接在一起并与控制中心相连接的传感器提供。风力发电机就是一个典型的工业物联网例子：它们拥有从传感器到相关网络所需的一切组件，尽管它们通常采用的是以太网而非无线连接方式。风电场工业物联网可以充分利用诸如风速、功率、偏航角、变速箱温度等历史数据来分析设备的运行趋势。这样，操作员就可以通过创建一个模型来预测要在什么时候检查哪些部件。所有信息、状态警报和其他监测结果，都可以从智能手机、平板电脑或电脑上进行查看和操作。这些传感器为什么如此重要呢？因为它们可以随时监视风力发电机的结构、内部敏感位置和系统组件（图 1）。风力发电机非常复杂，通常有超过 8000 个组件。它们巨大的叶片和塔架被安装在数千吨的钢筋混凝土平台上，平台直径达 15 到 30 米，深 6 至 10 米。
传感器的关键作用
在风力发电机中，有许多种不同类型的电子和光学传感器。一般来说，他们具有以下作用：检测、监视和交互有关的参数信息，比如两个相邻组件之间距离的变化监测振动级别，如果振动幅度过大，可能会造成严重损坏监测温度、压力和机械应力的变化
涡流传感器
涡流传感器是风力发电机中最常见的传感器之一，可检测导电材料进入移动磁场时产生的电流变化。当这种情况发生时，磁场的强度可以转化为距离的变化。在风力发电机中，涡流传感器用于测量轴的润滑油层间隙，以确保承受压力的轴一直被油膜所覆盖，保证润滑度。由于这些传感器可以在充满油且具有一定压力和温度的环境下工作，所以它们可以在这些恶劣环境下可靠的监测油隙。如果间隙过大超过了限度，传感器就会发出警报，这样就可以在轴卡住时或之前进行预防性维护。这些传感器还用于测量发电机轴承在外壳内的轴向和径向旋转方式，即偏差规范。在径向上，这种情况会导致轴偏离中心旋转（并非“真的”），并在轴向上导致轴以轻微的角度旋转。虽然偏差是不可避免的，但轴承的磨损可能会超过可接受的程度，如果超过了限度（通常由高风荷载引起），发电机必须关闭并进行维修。显然，实时的监测可以保证在轴承极端损坏或甚至灾难性故障发生之前进行维护。最后，涡流传感器还可用于测量由振动、风荷载或其他因素引起的旋转效应（力矩或扭矩），这些因素会随着时间的推移而导致结构完整性下降。它们还可用于测量离合器片的轴向、径向或切向偏转，以确保在大风时安全制动转子。
位移传感器
位移传感器可用于监测结构的完整性。风力发电机所需的基础平台虽然是由大量的混凝土构成，但由于塔架高，而且发电机的转子和机舱也非常巨大，整个结构实际上都是“顶载”的，所以必须在基座处监测系统的完整性。激光位移传感器可以用来执行这一功能，它可以探测到由于风或波浪的反复撞击引起的塔架轻微震动。激光位移传感器的工作原理是将光束传输到距离很远的光学接收器上，将两者之间的偏差和位移转化为距离。激光三角测量传感器也被用于类似的目的，这种传感器将传感器、发射机和接收器组成一个三角形。由于这些设备非常精确，它们可以检测到非常小的变化，因此可以创建趋势数据来确定问题是否越来越严重以及变化速度。另一种用于精确测量位移的传感器是电容式位移传感器，可测量发电机定子和转子之间的距离，这个距离被称作发电机气隙。它的工作原理为：相互靠近的导电表面间存在电容，并且电容的变化与表面之间的距离成正比。这种测量方式可以使传感器工作在高温和高电场环境下。拉绳位移传感器是将拉绳缠绕到一个轴式传感器上，因为拉绳可以很长，所以可以在距离被测物体很远的地方测量距离的变化。当拉绳从线轴上拉出或缩回时，线轴发生旋转，然后传感器将其转换成变化的电信号。在风力发电机中，可以通过测量风门的位置来测量气流。图 4 显示了一个典型的拉绳位移传感器。
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