风力发电机论文风力发电机设计论文

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基于MMA7260QT的风力发电机振动在线监测系统

摘要 本文设计一种风力发电机振动在线监测系统,介绍监测系统的工作原理、硬件电路组成及软件设计方法。该系统具有过载保护、报警制动、参数设置、实时显示、高精度等优点。

关键词 MMA7260QT;振动;窗函数;信号采集;FIR数字滤波器 0 引言

风力发电机是将风能转换成电能的设备,风能通过叶轮带动主轴、增速箱、发电机组转换成电能。发电机组的状态监测和故障预测、诊断是目前风力发电机设备维修、维护管理的主要手段,其状态监测的方法很多,主要有力、位移、振动、噪声、温度、压力等监测。由于振动引起的机械损坏比率很高,目前在诊断技术上应用最多的是机械振动信号检测, 风力发电机运行状态通常可从振动数据上体现出来,目前国内大型风力发电机组振动监测设备基本上是整机进口,价格昂贵。为此我们开发了基于加速度传感器MMA7260QT、C8051F350型单片机的振动在线监测系统,具有振动数据实时监测、分析以及超限报警制动等功能。 1 系统整体设计

风力发电机故障诊断的基本方法是时域监测、频域分析诊断,核心思想是利用加速度传感器检测振动情况,由计算机对振动数据进行

采样、滤波,提取有效振动频带内的信号,通过分析有效频带内的峰值振动频率来判断风机运行是否正常[1]。

采集系统主要包括传感器、电源电路、单片机系统和通讯电路。图1为系统硬件框图。

振动测量采用MMA7260QT 作为振动传感器,MMA7260QT采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,并且提供4个量程可选,同时带有低通滤波并已做零g补偿。芯片提供休眠模式,最低供电电流3μA 。

MMA7260QT的关键组成部分加速度感应单元,利用半导体材料经过刻蚀加工成基于可变电容原理的机械结构。当芯片受到外力产生加速度时,相当于两个极板之间的发生了相对变化,从而将加速度变化以电容值变化的形式体现出来。再通过内部电路将电容转化为电压变化,经过滤波、放大处理后输出。

通过引脚1 、2 的输入搭配,可实现对加速度范围和灵敏度的选择。

1.2 单片机系统

C8051F350是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU,具有高速、低功耗、集成度高、功能强大、体积小巧等优点,其内部有一个全差分24位A/D转换器,该转换器具有在片内校准功能。两个独立的抽取滤波器可被编程到lkHz的采样率。可使用内部的电压基准,也可用差分外部基准进行比率测量。由2.7V~3.6 V低压供电,其功能已达

到板卡级水平,使得片外功能器件减少。硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和SPI串行接口,4个通用的16位定时器,具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA),片内上电复位、电源电压监视和温度传感器;片内电压比较器,17个端口I/O(允许5V输入)。可编程增益放大器(PGA)对ADC输入进行放大,可设置的放大倍数为1、2、4、8、16、32、64和128[2]。 1.3 通讯模块

C8051F350与PC机或者其它设备交换数据是借助于RS-485串行通信来实现的。发送和接收要约定具体的数据格式和波特率(通信协议)。通信参数为9600,n,8,1。在配置每个控制器的时候,在一个网络上的所有设备都必须选择相同的串口参数。波特率9 600,1个起始位,8个数据位,1个停止位,无奇偶校验位[4,6]。 2 软件设计 2.1 下位机软件设计

下位机软件的主要功能是检测和标定振动数据,按要求将数据上传至主机,并接受PC机配置,包括有效频带宽度、报警阈值、数据标定初值等。

数据标定是下位机编程的一个重要部分,它把采集的振动数据与实际加速度对应起来。