風力發電機組葉片遠程自動測量裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其包括：用于獨立采集三個葉片加速度信號的振動加速度傳感器(1)；接于所述振動加速度傳感器的信號調理電路(2)，該信號調理電路接于電壓調整及控制模塊(3)；接于信號調理電路的電平平移電路(4)；接于所述電平平移電路的主控模塊(5)，該主控模塊連接有無線通信模塊(6)。本實用新型的有益效果是：成功實現了風力發電機組葉片遠程自動檢測，同時保證了系統的可靠性，也低了系統的待機功耗。
【專利說明】
風力發電機組葉片遠程自動測量裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種風力發電機組葉片遠程自動測量裝置。【背景技術】
[0002]葉片作為風力發電機組最關鍵的部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。但是，通過對大量損壞了的風力發電機進行調查，葉片的損壞率最大，主要原因如下:
[0003]1、葉片的工作但由于葉片工作在自然環境中，工作環境特別惡劣，而且長期不停地工作，時刻受外界環境中各種介質的損害，雷電、冰雹、雨雪、沙塵等長期對風機產生損害，因此隱患隨時可能變成事故。
[0004]2、在外界交變載荷作用下，風機葉片更容易出現疲勞損傷，塔架系統更易損壞。
[0005]3、在葉片服役期間復合材料的損壞或老化是一個隨時間而漸變的過程，特別是風電場環境惡劣、復雜，除了機械力學的作用，外部化學元素與葉片材料還會發生物理化學作用，從而可能導致材料的劣化與結構失效。
[0006]葉片發生事故時風電場必須停止發電進行搶修，事故嚴重時還必須更換葉片，由此產生高額的維修費用，給風電場帶來極大的經濟損失。所以研究葉片的載荷對于研究整個風力發電機的載荷具有重大的意義，葉片的載荷數據也會很有代表性。
[0007]依據風電機組葉片標準，葉片主要檢測項目包括:固有頻率和疲勞試驗，也就是加速度信號，主要難點在于:
[0008]1、由于風電葉片的實際運行狀態是一種低頻狀態，頻率響應范圍在0.3Hz?5Hz之間，傳統的加速度傳感器的頻率響應范圍一般是1 〇Hz?1000Hz，滿足不了風電葉片測試的要求。
[0009]2、即便有低頻加速度傳感器，也只能在沒有干擾噪聲的情況下獲取所需要的信號，而對于野外運行的具有較多信號干擾的風電葉片而言，幾乎是無法獲得所需要的有效信號數據的。[0〇1〇]3、國外的很多第三方檢驗機構(美國NREL、Clemson Uin.、英國NAREC、丹麥L0RC、德國IWES等)依據標準IEC61400-23(即國內翻譯版本GB/T 25384-2010風力發電機組風輪葉片全尺寸結構試驗)，斥資上億建造MW級風電機組大型葉片試驗系統，對風電葉片進行預制缺陷、模擬加載，采用傳感器采集葉片關鍵部位的載荷加速度信息，最終建立葉片載荷信息“經驗庫”，其價值在500萬元以上。但這種方式投資大耗時長，在國內很難具有實際操作性。
[0011]風力發電機組葉片遠程自動測量裝置專用于葉片載荷測試的低頻加速度信號采集系統，該系統可以通過硬件的方式剔除信號干擾，在野外獲取有效的加速度信號數據，并利用采集積累的“葉片損傷_載荷信息對應關系經驗庫”，提前在特大事故出現之前就對故障征兆進行預警，指導維護人員進行風電機組的維護，避免特大故障的發生。【實用新型內容】
[0012]本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種風力發電機組葉片遠程自動測量裝置。
[0013]為解決上述技術問題，本實用新型的實施方式提供了一種風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其包括:
[0014]用于獨立采集三個葉片加速度信號的振動加速度傳感器(1);
[0015]接于所述振動加速度傳感器的信號調理電路(2)，該信號調理電路接于電壓調整及控制模塊(3);
[0016]接于信號調理電路的電平平移電路(4);
[0017]接于所述電平平移電路的主控模塊(5)，該主控模塊連接有無線通信模塊(6)。 [〇〇18] 進一步，所述振動加速度傳感器為LIS344ALH加速度傳感器。[〇〇19]進一步，所述信號調理電路包括:[〇〇2〇] 接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中12腳的電阻R2,電阻R2接于電阻R3,該電阻R3接于LM324N四運算放大器U4A的正相輸入端，電阻R3與LM324N四運算放大器U4A的正相輸入端之間設置有接地的電容C5，LM324N四運算放大器U4A的負電源端接于電容C4，電容 C4另一端接于電阻R2和電阻R3之間；[〇〇21] 接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中10腳的電阻R7,電阻R7接于電阻R8,該電阻R8接于LM324N四運算放大器U4B的正相輸入端，電阻R8與LM324N四運算放大器U4B的正相輸入端之間設置有接地的電容C9，LM324N四運算放大器U4B的負電源端接于電容C8，電容 C8另一端接于電阻R7和電阻R8之間；[〇〇22] 接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中8腳的電阻R12,電阻R12接于電阻R13， 該電阻R13接于LM324N四運算放大器U4C的正相輸入端，電阻R13與LM324N四運算放大器U4C 的正相輸入端之間設置有接地的電容Cl 5，LM324N四運算放大器U4C的負電源端接于電容 C14,電容C14另一端接于電阻R12和電阻R13之間。
[0023]進一步，所述電壓調整及控制模塊(3)包括:[〇〇24]由XC622133芯片構成的主控芯片U1，其2腳、3腳接于連接器P1，該主控芯片U1的1 腳接于由XC622133芯片構成的主控芯片U2,所述主控芯片U1的5腳接有另一端接地的電容 C1；[〇〇25] 所述主控芯片U1的5腳、主控芯片U2的3腳接于主控模塊(5)。[〇〇26]進一步，所述電平平移電路(4)包括:[〇〇27] 接于LM324N四運算放大器U4A的AD627放大器U3;[〇〇28] 接于LM324N四運算放大器U4B的AD627放大器U7;[〇〇29] 接于LM324N四運算放大器U4C的AD627放大器U8;[〇〇3〇] 所述AD627放大器U3的第二引腳、AD627放大器U7的第二引腳、AD627放大器U8的第二引腳接于電阻R4和電阻R6之間，電阻R4接于振動加速度傳感器(1)，電阻R6另一端接地； [〇〇31]AD627放大器U3的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R1，AD627放大器U7的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R5，AD627放大器U8的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R11; [〇〇32]AD627放大器U3的第四引腳、第五引腳接地，AD627放大器U7的第四引腳、第五引腳接地，AD627放大器U8的第四引腳、第五引腳接地；[〇〇33] AD627放大器U3的第七引腳接于電源VCC，AD627放大器U7的第七引腳接于電源 VCC，AD627放大器U8的第七引腳接于電源VCC;[〇〇34] AD627放大器U3的第六引腳、AD627放大器U7的第六引腳、AD627放大器U8的第六引腳接于主控模塊。[〇〇35]進一步，所述主控模塊采用MSP430F135IPM芯片。
[0036]本實用新型具有如下有益效果:成功實現了風力發電機組葉片遠程自動檢測，同時保證了系統的可靠性，也低了系統的待機功耗。利用采集積累的“葉片損傷-載荷信息對應關系經驗庫”，提前在特大事故出現之前就對故障征兆進行預警，指導維護人員進行風電機組的維護，避免特大故障的發生。該檢測系統已開始應用于風力發電機組葉片檢測監控領域，取得了較好的使用效果【附圖說明】[〇〇37]圖1為風力發電機組葉片遠程自動測量裝置的原理框圖；[〇〇38]圖2為風力發電機組葉片遠程自動測量裝置的電路圖；[〇〇39]圖2a為信號調理電路詳圖；
[0040]圖2b為電壓調整及控制模塊電路詳圖；[〇〇41 ]圖2c為電平平移電路詳圖；[〇〇42]圖2d為主控模塊電路詳圖；
[0043]圖3為接于主控模塊的連接器P2的電路圖；
[0044]圖4為接于主控模塊的連接器P3的電路圖；
[0045]圖5為接于主控模塊的連接器P4的電路圖。【具體實施方式】
[0046]為了使本實用新型實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本實用新型。[〇〇47]如圖1所示，一種風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其包括:用于獨立采集三個葉片加速度信號的振動加速度傳感器1;接于所述振動加速度傳感器的信號調理電路2， 該信號調理電路接于電壓調整及控制模塊3;接于信號調理電路的電平平移電路4;接于所述電平平移電路的主控模塊5,該主控模塊連接有無線通信模塊6。[〇〇48] 其中，所述振動加速度傳感器為LIS344ALH加速度傳感器。
[0049]風力發電機組葉片遠程自動測量裝置的整體電路圖參見圖2,下面針對各模塊的電路詳圖對每個部分加以描述。
[0050]參見圖2a，所述信號調理電路包括:接于LI S344ALH加速度傳感器主控芯片U5中12 腳的電阻R2，電阻R2接于電阻R3，該電阻R3接于LM324N四運算放大器U4A的正相輸入端，電阻R3與LM324N四運算放大器U4A的正相輸入端之間設置有接地的電容C5，LM324N四運算放大器U4A的負電源端接于電容C4,電容C4另一端接于電阻R2和電阻R3之間；接于LIS344ALH 加速度傳感器主控芯片U5中10腳的電阻R7,電阻R7接于電阻R8,該電阻R8接于LM324N四運算放大器U4B的正相輸入端，電阻R8與LM324N四運算放大器U4B的正相輸入端之間設置有接地的電容C9，LM324N四運算放大器U4B的負電源端接于電容C8，電容C8另一端接于電阻R7和電阻R8之間；接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中8腳的電阻R12,電阻R12接于電阻 R13,該電阻R13接于LM324N四運算放大器U4C的正相輸入端，電阻R13與LM324N四運算放大器U4C的正相輸入端之間設置有接地的電容C15，LM324N四運算放大器U4C的負電源端接于電容C14,電容C14另一端接于電阻R12和電阻R13之間。[〇〇511由于LIS344ALH加速度傳感器輸出含有高頻成分，為避免模數轉換時產生混疊效應必須對信號進行低通濾波。低通濾波器的截止頻率設計在80Hz。[〇〇52]參見圖2b，所述電壓調整及控制模塊3包括:由XC622133芯片構成的主控芯片U1，其2腳、3腳接于連接器P1，該主控芯片U1的1腳接于由XC622133芯片構成的主控芯片U2,所述主控芯片U1的5腳接有另一端接地的電容C1;所述主控芯片U1的5腳、主控芯片U2的3腳接于主控模塊5。[〇〇53]電壓調整及控制模塊將鋰電池電壓穩定在3.3V，一路輸出為+3.3Vout供CPU及無線通信模塊使用，另一路Vcc供振動加速度傳感器、信號調理電路、信號電平位移電路使用。 為減少功率損耗+3.3Vout始終供電，Vcc在進入測量后由CPU控制命令開啟，這樣設計可以很大程度上減少檢測電路的功耗，延長系統的使用壽命。[〇〇54]參見圖2c，所述電平平移電路4包括:接于LM324N四運算放大器U4A的AD627放大器U3;接于LM324N四運算放大器U4B的AD627放大器U7;接于LM324N四運算放大器U4C的 AD627放大器U8;所述AD627放大器U3的第二引腳、AD627放大器U7的第二引腳、AD627放大器 U8的第二引腳接于電阻R4和電阻R6之間，電阻R4接于振動加速度傳感器1，電阻R6另一端接地;AD627放大器U3的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R1，AD627放大器U7的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R5，AD627放大器U8的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R11;AD627 放大器U3的第四引腳、第五引腳接地，AD627放大器U7的第四引腳、第五引腳接地，AD627放大器U8的第四引腳、第五引腳接地;AD627放大器U3的第七引腳接于電源VCC，AD627放大器 U7的第七引腳接于電源VCC，AD627放大器U8的第七引腳接于電源VCC;AD627放大器U3的第六引腳、AD627放大器U7的第六引腳、AD627放大器U8的第六引腳接于主控模塊。
[0055]由于LIS344ALH加速度傳感器在零加速度的情況下有Vcc/2的電壓，在本項目的應用中應在輸出電壓中減去Vcc/2，輸出電壓直接反映了加速度的數值。[〇〇56] 本案中，所述主控模塊采用MSP430F135IPM芯片，而主控模塊電路詳圖參見圖2d所不。
[0057]在下位機部分中，單片機主要是實現對采集到的振動信號進行A/D轉換并將轉換之后的數字信號傳送給無線發射模塊，同時為了滿足系統的低功耗，需要選用一款功耗較低的單片機，MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)的一款16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)的單片機，這款單片機主要針對低功耗的要求，將眾多的模擬、數字電路和微處理器集成于一塊芯片上，為用戶提供了“單片”解決方案，特點是超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊、系統工作穩定、方便高效的開發環境。[〇〇58] MSP430的電源電壓僅為1.8_3.6V，通常供電使用3.3V，處于RAM數據保持工作模式中耗電量僅為0.lyA，在活動工作模式下耗電250pA/MIPS，I/0輸入端口的泄漏電流最大值只有50I1AJSP430有特殊的時鐘系統，包含兩個不同的時鐘系統:基本時鐘系統和DC0數字振蕩器時鐘系統。這兩個時鐘系統為CPU和其他模塊提供所需要的時鐘，同時可通過編程實現時鐘的打開或關閉，來控制總體功耗。MSP430單片機有活動工作模式和5種低功耗工作模式(LPM(TLPM4)。此外，MSP430系列單片機支持矢量中斷，有十多個中斷源，各中斷可實現隨意嵌套。中斷發出請求時喚醒CPU只需要6iis，不僅可以降低單片機系統功耗，而且還可以快速響應外部請求。MSP430單片機是目前市場上單片機中功耗最低的，可以達到一枚電池使用多年的程度。
[0059]振動檢測系統是安放固定在風機的葉片上的，振動信號通過有線的方式傳輸是很困難的。本項目中采用的無線傳輸的方法，將加速度振動信號無線傳輸至上位機，在上位機對信號進行進一步分析處理。
[0060]無線發射模塊和無線接收模塊承擔著信號的發送和接收，因此選用合適的無線模塊對于信號的傳輸非常重要。SV610是高集成的無線數據傳輸模塊，采用的是性能的 Silicon Lab Si4432射頻芯片，具有極好的接收靈敏度，功耗非常低，具有業界領先的 100mW的輸出功率，擴大了通信范圍和保證了鏈路性能。模塊提供了多頻段多信道以及網絡 ID來降低傳輸過程中的干擾以提高傳輸性能，傳輸距離達到10千米。用戶可以通過PC軟件或在線修改設置串口以及RF的相關參數，在小體積、遠距離傳輸、寬范圍的工作電壓乃至豐富便捷的編程設置使之得到非常廣泛的應用。故采用SV610無線模塊作為上、下位機的無線模塊，工作電壓為2.8-6.0V，由鋰電池直接供電，工作頻段選為433MHz，藍色燈閃表示接收數據，紅色燈閃表示發送數據。
[0061]本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本實用新型的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本實用新型的精神和范圍。
【主權項】
1.風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其特征在于，其包括:用于獨立采集三個葉片加速度信號的振動加速度傳感器(1);接于所述振動加速度傳感器的信號調理電路(2)，該信號調理電路接于電壓調整及控 制模塊(3);接于信號調理電路的電平平移電路(4);接于所述電平平移電路的主控模塊(5)，該主控模塊連接有無線通信模塊(6)。2.根據權利要求1所述的風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其特征在于，所述振動 加速度傳感器為LIS344ALH加速度傳感器。3.根據權利要求1所述的風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其特征在于，所述信號 調理電路包括:接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中12腳的電阻R2，電阻R2接于電阻R3，該電阻 R3接于LM324N四運算放大器U4A的正相輸入端，電阻R3與LM324N四運算放大器U4A的正相輸 入端之間設置有接地的電容C5，LM324N四運算放大器U4A的負電源端接于電容C4，電容C4另 一端接于電阻R2和電阻R3之間；接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中10腳的電阻R7，電阻R7接于電阻R8，該電阻 R8接于LM324N四運算放大器U4B的正相輸入端，電阻R8與LM324N四運算放大器U4B的正相輸 入端之間設置有接地的電容C9，LM324N四運算放大器U4B的負電源端接于電容C8，電容C8另 一端接于電阻R7和電阻R8之間；接于LIS344ALH加速度傳感器主控芯片U5中8腳的電阻R12,電阻R12接于電阻R13,該電 阻R13接于LM324N四運算放大器U4C的正相輸入端，電阻R13與LM324N四運算放大器U4C的正 相輸入端之間設置有接地的電容Cl5，LM324N四運算放大器U4C的負電源端接于電容C14，電 容C14另一端接于電阻R12和電阻R13之間。4.根據權利要求1所述的風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其特征在于，所述電壓 調整及控制模塊(3)包括:由XC622133芯片構成的主控芯片U1，其2腳、3腳接于連接器P1，該主控芯片U1的1腳接 于由XC622133芯片構成的主控芯片U2,所述主控芯片U1的5腳接有另一端接地的電容C1;所述主控芯片U1的5腳、主控芯片U2的3腳接于主控模塊(5)。5.根據權利要求1所述的風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其特征在于，所述電平 平移電路(4)包括:接于LM324N四運算放大器U4A的AD627放大器U3;接于LM324N四運算放大器U4B的AD627放大器U7;接于LM324N四運算放大器U4C的AD627放大器U8;所述AD627放大器U3的第二引腳、AD627放大器U7的第二引腳、AD627放大器U8的第二引 腳接于電阻R4和電阻R6之間，電阻R4接于振動加速度傳感器(1)，電阻R6另一端接地；AD627放大器U3的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R1，AD627放大器U7的第一引腳與 第八引腳之間接有電阻R5，AD627放大器U8的第一引腳與第八引腳之間接有電阻R11;AD627放大器U3的第四引腳、第五引腳接地，AD627放大器U7的第四引腳、第五引腳接 地，AD627放大器U8的第四引腳、第五引腳接地；AD627放大器U3的第七引腳接于電源VCC，AD627放大器U7的第七引腳接于電源VCC，AD627放大器U8的第七引腳接于電源VCC;AD627放大器U3的第六引腳、AD627放大器U7的第六引腳、AD627放大器U8的第六引腳接 于主控模塊。6.根據權利要求1所述的風力發電機組葉片遠程自動測量裝置，其特征在于，所述主控 模塊采用MSP430F135IPM芯片。
【文檔編號】F03D17/00GK205618309SQ201620399405
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】莊駿, 朱皓, 王磊
【申請人】上海中認尚科新能源技術有限公司