风电机组多通道瞬变数据采集器研发

【摘要】：随着化石燃料的逐渐减少且价格增加、环境问题的日益突出,这让人们不得不开始重视可再生能源的开发与利用,风能作为一种清洁能源已经被各界人士的广泛关注。风电厂近年来如雨后春笋般涌现出来,正是因为作为清洁能源能够在保护环境的前提下发电,且不会利用现如今已经匮乏的化石燃料。加速风力发电发展对于环境保护、实现可持续的发展、清洁能源使用的增加有着深远的意义。 近年来许多风电场建成投产,运营公司最关注的内容在于减少成本、提高效率,增加风电机组服役时间。现在风力发电对设备的维护技术还不成熟,远远达不到风力发电机组发展的速度,叶片、齿轮箱、主轴、发电机等关键部件的损坏在风电机组运行过程中十分常见,更有风电机组倒塌的惨剧发生。因此在风电机组的维修、维护方面,更需要有专业的设备和人员来进行维修与诊断。 风电机组要十几年甚至几十年才能够收回成本,而人工值守的方式实在会耗费大量的人力物力,因此实现减少故障的途径主要靠先天的设计制造优势与后天对设备的保养。争取优化的设计、完善的制造、专业化的安装调试,最后再对风电机组进行不间断的远程状态监控与故障诊断。 风电机组在运行中会受到变载荷激励而产生振动。而振动信号是典型的瞬变信号,设备运行状态的故障与否都可以明显的从信号幅值的变化范围和变化的快慢等特征中揭示出来。如果振动发生显著改变,振动信号也会随之发生明显的变化,通过对振动信号的分析与诊断,就可能感知或预判设备的故障。本文就针对风电机组振动信号的采集介绍了相关采集系统的情况。 根据风力发电机组状态监测与分析的需求,设计开发了一套多通道振动数据采集板。该采集板能够实现连续监测风力发电机组运行过程中的振动、冲击、晃度、转速、负荷等参数。采集板基于STM32F103进行设计。系统提供针对风力发电机组的振动信号通过接入的传感器转化为电信号并通过数模转换后由单片机控制经W5300网络芯片传输到上位机进行进一步的分析处理。 【关键词】：风电机组 振动 信号采集 状态监测
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315;TP274.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 概述10-19
• 1.1 研究意义及技术背景10-12
• 1.1.1 风电的背景和意义10-11
• 1.1.2 采集系统的背景和意义11-12
• 1.2 风力发电以及风力发电机组采集系统技术现状12-18
• 1.2.1 风力发电技术现状12-13
• 1.2.2 采集系统技术现状13-18
• 1.2.2.1 采集板技术现状13-14
• 1.2.2.2 ADC技术现状14
• 1.2.2.3 嵌入式芯片技术现状14-15
• 1.2.2.4 风力发电机组监测系统技术现状15-18
• 1.3 研究内容18-19
• 第2章 典型机械量测量技术基础19-33
• 2.1 概述19
• 2.2 振动研究意义19-20
• 2.3 数据采集系统的基本组成20-30
• 2.3.1 常用传感器介绍20-24
• 2.3.1.1 振动测量20-21
• 2.3.1.2 声测量21-22
• 2.3.1.3 扭矩测量22
• 2.3.1.4 应力应变测量22-23
• 2.3.1.5 其它量测量23-24
• 2.3.2 风电机组传感器介绍24-26
• 2.3.2.1 加速度传感器24-25
• 2.3.2.2 湿度传感器25-26
• 2.3.2.3 油品分析传感器26
• 2.3.2.4 倾角传感器26
• 2.3.3 信号调理26-29
• 2.3.3.1 信号放大电路27-28
• 2.3.3.2 信号滤波电路28-29
• 2.3.4 数据采集29-30
• 2.4 数据采集系统的硬件特性30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 数据采集器开发目标与选型33-46
• 3.1 目标与总体结构设计33-34
• 3.2 开发工具34-35
• 3.3 传感器选型与测点选择35-38
• 3.3.1 传感器选型35-37
• 3.3.2 传感器测点选择37-38
• 3.4 ADC选型介绍38-44
• 3.4.1 ADC类型介绍38-42
• 3.4.2 ADC芯片选择42-44
• 3.5 主控芯片选型44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 数据采集器开发46-60
• 4.1 概述46
• 4.2 电源模块设计46-47
• 4.3 信号调理模块设计47-52
• 4.3.1 运算放大器选择47-48
• 4.3.2 电流型传感器信号调理电路48-49
• 4.3.3 电压型传感器信号调理电路49
• 4.3.4 耦合电容设计49-50
• 4.3.5 滤波器设计50-52
• 4.3.5.1 四阶低通滤波器设计50-51
• 4.3.5.2 二阶低通滤波器设计51-52
• 4.4 速度采集模块设计52-54
• 4.5 A/D转换器54-56
• 4.6 STM32及外围接口电路56-58
• 4.6.1 电源电路56-57
• 4.6.2 系统复位电路57
• 4.6.3 时钟电路57
• 4.6.4 JTAG接口电路57-58
• 4.7 以太网网络通讯58-59
• 4.8 本章小结59-60
• 第5章 数据采集器软件设计与调试60-68
• 5.1 开发工具60
• 5.2 采集器软件流程60-62
• 5.3 测试板调试62-64
• 5.4 振动信号处理64-67
• 5.4.1 信号时域分析64-66
• 5.4.2 信号频域分析66
• 5.4.3 信号时频分析66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 结论与展望68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士期间发表论文及参与项目73-74
• 致谢74

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