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全球范圍內，應對氣候變化也已成為各國的核心課題之一。去年9月，中國提出了力爭在2030年前實現氧達峰，努力爭取在2060年前實現碳中和的目標。為實現碳中和目標，國家制定了以產業政策為主的減排路線圖。其中，就包括發展清潔能源以降低煤電的供應。最新數據顯示，截止2020年我國風電和太陽能累計裝機容量合計5.3億千瓦，增長29%。
飛速發展的背后，風能行業機組卻不得不面對運維成本過高的問題。以變速箱組件為例，不僅其材料成本最高且可靠性相對較差，是風輪機三大常見故障點之一，通常需要重點對齒輪、軸承和軸實施狀態監控。此外，轉子葉片和發電機也是風輪機系統中故障率高發的組件。本文將從風輪機組件上的常見故障入手，討論基于ADI MEMS的振動傳感器和解決方案。
變速箱成本高昂，如何解決軸承故障這一最大誘因？
變速箱中軸齒輪斷齒示意圖
對于風輪機變速箱，簡而言之它是將機械能從低轉速的轉子輪轂傳輸到高速發電機的設備。正因為如此，變速箱在運行過程中承受著不同風速帶來的交替載荷，以及頻繁制動導致的瞬變脈沖。其中，變速箱包括了低速轉子軸和主軸承，而軸承故障則是引發變速箱故障的最大原因。
除了以特殊的軸承涂層等方法改進變速箱外，選擇合適的振動傳感器來監控變速箱軸承亦不可或缺。在此過程中，由于變速箱早期可能出現振動幅度（g范圍）較低的軸承故障，這需要振動傳感器的本底噪聲需要足夠低，通常選擇本底噪聲100µg/√Hz至200µg/√Hz的振動傳感器。ADI的MEMS加速度計ADXL1004在拓展頻率范圍內提供超低的噪聲密度，整個線性頻率范圍內具有125μg/√Hz（典型值），并且針對軸承故障檢測和診斷進行了優化。此外，其微機電系統 (MEMS) 結構還具有穩定、可重復的靈敏度等特性，可承受高達10,000g的外部沖擊。
EVAL-ADXL1004評估套件
選擇合適的振動傳感器至關重要，但所需的數量和放置位置也不容忽視，以確保能夠可靠測量所有齒輪嚙合和缺陷/轉動頻率。由于變速箱本身很復雜，因此建議使用至少6個振動傳感器來實施狀態監控。監控變速箱的低速級時，需要使用一個單軸傳感器，放置在盡可能靠近環形齒輪的位置。監控變速箱的中間和高速級時，則需要在中心齒輪、 中間軸和高速軸位置使用一個單軸傳感器。
葉片直面惡劣環境，大帶寬+差異放置傳感器是關鍵
眾所周知，風輪機通常安裝在野外較惡劣的環境，因此機體各部件故障率較高。葉片作為風力發電機組的主要部件之一，一旦出現故障很容易出現葉片斷裂、邊緣開裂等情況，輕則造成停機，重則燒壞機組。葉片的故障信息通常依靠現場監測的震動信號進行反應，理論上當葉片出現裂紋時，振動信號中會伴隨有較強的高頻沖擊波，研究都顯示葉片邊緣變形的固有頻率在0.5 Hz至30 Hz之間，葉片扭轉變形的固有頻率高達700Hz。
此時選用振動傳感器不僅要測量基頻以外的頻率，還需要考慮更大的帶寬。DNVGL狀態監控規范認證建議，對轉子葉片使用振動傳感器測量0.1 Hz至≥10 kHz的頻率范圍。在數量和位置方面，其中一個傳感器放在轉子軸上，另一個放在橫向方向上。ADI推出的兩款MEMS加速度計ADXL1001和ADXL1002，其帶寬高達11 kHz能夠輕松滿足風輪機應用的檢測要求，同時兩款器件的滿量程范圍分別為±100g (ADXL1001)和±50g (ADXL1002)，能夠在轉子葉片上實現更高頻率的測量范圍。
與基于壓電的傳感器相比，MEMS在長時間使用時具有更好的靈敏度和線性度。ADI加速度計的非線性程度很低，通常可以忽略不計。上面提到的ADXL1001在滿量程范圍內，具有小于0.025%的典型非線性規格。此外，風輪機通常在-40?C到+55?C的溫度下運行，而ADXL1001/ADXL1002擁有在−40°C至+125°C的溫度范圍內工作的能力，可從容應對嚴苛的運行環境。
牽一發而動全身，傳感器該如何對塔身傾斜說不？
如果說變速箱和葉片是風輪機穩定運行的核心，那么風輪機塔則是這個核心背后的基礎。后者在風力發電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組震動。因此一旦塔身會遭受沖擊損壞，出現傾斜則會牽一發而動全身，導致葉片與風向之間無法保持最佳角度。
當塔架結構發生故障導致傾斜時，頻率的最低限值降低至0Hz。而當頻率在等于或低于0.3Hz時，壓電振動技術難以或無法捕獲振動特征。此時要實施傾斜測量，需要使用具有良好的直流穩定性能的傳感器。采用氣密封裝的ADXL355/ADXL357加速度計無疑是一款絕佳的傳感器產品，它可以實現行業領先的0g失調穩定性，同時具有可選測量范圍。在溫度范圍內提供低噪聲、小失調漂移和長期穩定性，實現校準工作量極小的精密應用。
此外，ADXL355/ADXL357具有良好的直流穩定性，這對于測量風輪機塔的傾斜度非常重要。ADXL355/ ADXL357的氣密封裝保證了良好的長期穩定性。在10年使用壽命中，ADXL355的重復性在±3.5 mg以內，為傾斜測量提供了高度精準的傳感器。
結語
如果2060年要實現碳中和目標，中國的電力需求會增至目前的三倍以上。按照2000小時年發電小時數計算，需要有100億千瓦左右的新能源裝機量。作為可再生能源中最具開發前景的一種能源，風能承擔著推動能源結構轉向可再生能源的重任。而風輪機作為該產業中的重要資產，預測和診斷機器的健康狀況以保證穩定運行是從業者必須解決的問題。作為業界卓越的半導體公司，ADI以優秀的MEMS振動傳感器與精密轉換器、隔離和電源等技術相結合，利用深厚的領域專長和系統級方法，幫助客戶最大限度地延長機器的正常運行時間和提高效率，用實際行動推動全球綠色發展。
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