借助Dataforth信号调理模块提高风力发电机可靠性 - 文章

借助Dataforth信号调理模块提高风力发电机可靠性

作者：Dataforth

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清洁、绿色、可再生

在不断寻找替代能源的今天，清洁、绿色、可再生的能源成为人们的首选。其中，利用风能发电就是最佳途径之一。

风是空气流动的结果。意大利科学家托里切利在17世纪中叶第一次给出了正确的科学解释，“…风是由地球的两个区域之间空气温度和密度的差异而形成的”。由于表面差异，地球不均匀地接受太阳发出的热量。另外，地球自转也是风形成的一个关键因素。

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风能技术

风力发电就是把风能转化为电能。这种转化是通过风力发电机来实现的。风能转化为电能的具体过程如下：

1. 风使风轮上螺旋桨状的叶片转动
2. 风轮由叶片和轮毂组成，带动低速轴转动，速度约为30-60转/分
3. 低速轴通过一个加速变速箱与高速轴相连(加速变速箱通常为2-3档)，使转速提高到1000-1800转/分左右。这是大多数发电机的工作转速。
4. 高速轴带动发电机工作
5. 发电机产生电能

风力发电的过程清洁，环保，并且完全可再生。

实用级别的风力发电机

实用级别的风力发电机是大中型发电机，功率通常在500千瓦到6兆瓦左右。这些风力发电机排列在风电场上，产生大量电能，以满足电力市场的需求。

当今，可商用的实用级别的风力发电机大多采用丹麦式设计。这种发电机要求具有水平轴、三叶风轮、逆风定位、以及使风轮保持迎风的主动偏航系统。

风力发电机的发电量直接取决于风速。一般来说，当风速达到4米/秒(9英里/小时)左右时，风力发电机开始发电；当风速约为13米/秒(29英里/小时)时，风力发电机达到额定功率；当风速达到25米/秒(56英里/小时)左右时，风力发电机停止发电。

距离地面的高度越高，风速越快。因此，风力发电机安装在约100英尺(30米)甚至更高的塔架上，以保证获得更多的风能。

风力发电机的安全与控制

风力发电机的控制和安全运行是风能利用的关键。事实上，不同于任何其他行业，风力发电机是在没有直接监控的条件下工作的。风力发电机的各部件被安装在塔架顶部。通常，设备的例行维护大概每隔六个月进行一次。同时，转动部件产生的振动和热量也会导致部件故障和损坏。

为了解决上述问题，Dataforth 公司的 SCM5B,SCM7B, 和SensorLex® 8B信号调理模块是完全封装的，从而确保它们具有抗腐蚀性，并能适用于各种恶劣环境。除了封装的调理模块外，Dataforth 公司还提供坚固的、非封装的产品，以供在其它场合下应用。这些产品包括DSCA DIN 轨道安装型信号隔离器，DSCT DIN 轨道安装型二线制变送器和DSCL回路隔离器。

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风力发电机的内部构造示意图

风力发电机要能够在各种环境条件下运行，甚至包括一些极端的情况(如湿度为100%、温度为-40°C至85°C的环境等)。而Dataforth的信号调理模块满足了这种要求，可以在-40°C至85°C的环境下工作。

风力发电机也会产生高电压和电流。因此，电子部件必须既要能够承受高浪涌电压，还要能够抑制发电机和网络切换产生的电气噪声。Dataforth提供的信号调理模块能够达到EN61000-6-2的要求。另外，Dataforth的信号调理模块提供240VAC连续输入保护，1500Vrms隔离和ANSI/IEEE C37.90.1瞬态保护。避雷装置是风力发电机的一个突出指标，是衡量其保护基本效力的指标之一。Dataforth 信号调理模块提供了防雷击和其他过压事件的二次保护。总之，在恶劣环境中运行的风力发电机要求有可靠的、广泛的保护措施——这些措施已被设计到Datafoth所有的信号调理模块中。

事实上，Dataforth 信号调理模块的故障率要优于六西格玛标准的要求。根据公认的定义，六西格玛过程中，每一百万个部件中仅有3.4个有缺陷的，也就是99.9997%的有效率。

风力发电机要保持在安全的条件正常工作，就要求各部件在被持续保护的同时，能够被精确地监控和评估。因此，风力发电机的控制是其安全性的关键因素。如果没有有效地控制，风力发电机就会在强风中不断加速，产出高于其额定功率的电能。如果关键部件不能正常工作，例如发电机过热或者不能连贯工作，就会造成发电机转速过快，最终导致风轮停止转动。速度不受控制，被认为是一种失控情况。安全控制系统必须能够迅速恢复对风力发电机的控制，以阻止这种过快的转速。这主要是通过空气动力制动系统来实现的——和液力盘式制动系统一样，这种制动系统阻止了风轮叶片超速旋转产生过多的电量。

Dataforth 信号调理模块

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风力发电机的控制和安全性，完全取决于所有部件的绝对可靠性和系统的有效性。

由于具有高精度、高可靠性、宽泛的工作温度范围、多种保护措施以及封装结构，Dataforth 坚固的隔离信号调理模块确保了风力发电机的可靠性。

控制器

作为保证发电机安全性和可操作性的核心部件，风力发电机的控制器发挥着多重作用：

§ 实际参了与安全系统的决策过程
§ 监视常规状态下风力发电机的运行情况
§ 监控数百个不同的功能参数
§ 搜集统计测量数据
§ 与风力发电机操作计算机的通信
§ 提供内部通信：Dataforth 的DCP485 DIN轨道安装型全隔离RS-232/485转换器，LDM80/85光纤通信调制解调器，以及其它LDM隔离通信产品都非常适合内部通信

控制系统由一些计算机组成，它们监控风力发电机的工作状态，同时也控制开关、阀门、液压泵等一些现场仪表。考虑到接口部件工作过程中可能会遇到的问题，控制器的内部监控和自动调节功能是至关重要的。

控制器通常安装在塔架底部和塔架顶部的引擎舱内。此外，一些新型风力发电机的轮毂中还安装了一个控制器。

为了确保控制器必要的安全性和可操作性，现代风力发电机采用了冗余后备系统的设计。

监控的参数有哪些？

现代风力发电机上，传感器要测量500多个参数，风力发电机的状态可被监控。可用于监控的Dataforth模块具体包括：

§ 发电机的电压和电流频率：SCM5B/7B/8B30, 31, 32, 40, 41 和 8B50/51 电压/电流输入模块
§ 低速轴转速：SCM5B/7B/8B45 频率输入模块
§ 高速轴转速：SCM5B/7B/8B45 频率输入模块
§ 风向和风速：SCM5B/7B/8B36 和45电位计和频率输出模块
§ 引擎舱、动叶片和轴承的振动：SCM5B48 加速度计模块
§ 液压压力：模块型号取决于变送器的型号
§ 动叶片的浆距角(针对齿距控制或者主动制动控制的风力发电机)：模块型号取决于变送器的型号
§ 偏航角：模块型号取决于变送器的型号

可能的温度测量包括：

§ 室外空气温度
§ 引擎舱和电气柜的温度
§ 发电机的温度
§ 变速箱的油温
§ 驱动轴和变速箱轴承的温度

Dataforth 的SCM5B/7B/8B 热电阻和(或)热电偶模块是上述温度测量的最佳选择。

使用Dataforth的模拟信号调理模块，可以给出具体的数值，作为模拟信号的参数(例如，温度数值)；使用Dataforth SCMD 系列的数字输入/输出模块，可以提供开关的信号，作为数字信号的参数(例如，阀门的状态)。

Dataforth 信号调理模块

Dataforth 提供业界最多(超过1000种)的仪器级别的隔离模拟信号输入/输出模块，这些模块是为数据采集，信号控制以及敏感的连接设备的调理和保护而专门设计的。在现场与计算机系统之间，小型数字输入/输出模块也可提供达4KV的隔离保护柵。

Daraforth信号调理模块的主要性能

§ 精度为±0.03 到0.05%
§ 可靠性优于六西格玛标准
§ 低输出噪声
§ 可承受高浪涌
§ 1500Vrms 隔离
§ 240VAC 连续输入保护
§ ANSI/IEEE C37.90.1 瞬态保护
§ -40°C 到 85°C 工作温度范围(大多数模块具备该功能)
§ 牢固的热塑性填充式封装
§ CE认证

Dataforth 的信号调节模块可接受各种不同类型的信号，如电压、电流、温度、位置、频率和应力等；并能测量多种宽频谱的模拟量信号，包括毫伏、伏、毫安、热电偶(线性和非线性)、热电阻、电位计、滑线电阻、滑动导线、应变桥、频率及二线制变送器。

Dataforth 拥有各种模块选型，包括窄带和宽带的电压电流输入模块，线性的2线、3线、4线热电阻模块，加速度计，电位计，应变桥，线性和非线性的热电偶输入模块，频率输入模块，RMS，以及二线制变送器接口模块。

例如，SCM7B34是2线或3线的热电阻输入模块，其特性能够满足风力发电机的使用要求。该模块采用了5级过滤方式，利用了汤姆森(贝塞尔)和布特沃斯特性优势，最大限度的提高了时间和频率响应。热电阻输入信号被专门的斩波电路切割，并在变压隔离屏障间传递。这样就抑制了共模峰值和浪涌，从而响应了小电流激励信号。然后该信号被重建和过滤，以满足控制系统的输出要求。

这些特性使SCM7B34成为风力发电机温度测量的理想选择。

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SCM7B34 Block Diagram (SC.7B34 内部结构意图)

针对一些用户的特殊要求，也可以定制相应功能的SCM5B、 SCM7B、SensorLex® 8B、DSCA和DSCT模块。

由于Dataforth信号调理模块型号多样、应用广泛、性能出色，因此能够满足风力发电机的严格的可靠性要求，成为用户的最佳选择。

Dataforth 公司成立于1984年，在工业市场和机构市场中，是全球领先的信号调理、数据采集和数据通信产品的设计商和制造商。该公司通过了ISO9001:2000质量系认证。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/24/2009)


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