全球范围内，应对气候变化也已成为各国的核心课题之一。去年9月，中国提出了力争在2030年前实现氧达峰，努力争取在2060年前实现碳中和的目标。为实现碳中和目标，国家制定了以产业政策为主的减排路线图。其中，就包括发展清洁能源以降低煤电的供应。最新数据显示，截止2020年我国风电和太阳能累计装机容量合计5.3亿千瓦，增长29%。

飞速发展的背后，风能行业机组却不得不面对运维成本过高的问题。以变速箱组件为例，不仅其材料成本最高且可靠性相对较差，是风轮机三大常见故障点之一，通常需要重点对齿轮、轴承和轴实施状态监控。此外，转子叶片和发电机也是风轮机系统中故障率高发的组件。本文将从风轮机组件上的常见故障入手，讨论基于ADI MEMS的振动传感器和解决方案。

变速箱成本高昂，如何解决轴承故障这一最大诱因？

变速箱中轴齿轮断齿示意图

对于风轮机变速箱，简而言之它是将机械能从低转速的转子轮毂传输到高速发电机的设备。正因为如此，变速箱在运行过程中承受着不同风速带来的交替载荷，以及频繁制动导致的瞬变脉冲。其中，变速箱包括了低速转子轴和主轴承，而轴承故障则是引发变速箱故障的最大原因。

除了以特殊的轴承涂层等方法改进变速箱外，选择合适的振动传感器来监控变速箱轴承亦不可或缺。在此过程中，由于变速箱早期可能出现振动幅度（g范围）较低的轴承故障，这需要振动传感器的本底噪声需要足够低，通常选择本底噪声100µg/√Hz至200µg/√Hz的振动传感器。ADI的MEMS加速度计ADXL1004在拓展频率范围内提供超低的噪声密度，整个线性频率范围内具有125μg/√Hz（典型值），并且针对轴承故障检测和诊断进行了优化。此外，其微机电系统 (MEMS) 结构还具有稳定、可重复的灵敏度等特性，可承受高达10,000g的外部冲击。

EVAL-ADXL1004评估套件

选择合适的振动传感器至关重要，但所需的数量和放置位置也不容忽视，以确保能够可靠测量所有齿轮啮合和缺陷/转动频率。由于变速箱本身很复杂，因此建议使用至少6个振动传感器来实施状态监控。监控变速箱的低速级时，需要使用一个单轴传感器，放置在尽可能靠近环形齿轮的位置。监控变速箱的中间和高速级时，则需要在中心齿轮、 中间轴和高速轴位置使用一个单轴传感器。

叶片直面恶劣环境，大带宽+差异放置传感器是关键

众所周知，风轮机通常安装在野外较恶劣的环境，因此机体各部件故障率较高。叶片作为风力发电机组的主要部件之一，一旦出现故障很容易出现叶片断裂、边缘开裂等情况，轻则造成停机，重则烧坏机组。叶片的故障信息通常依靠现场监测的震动信号进行反应，理论上当叶片出现裂纹时，振动信号中会伴随有较强的高频冲击波，研究都显示叶片边缘变形的固有频率在0.5 Hz至30 Hz之间，叶片扭转变形的固有频率高达700Hz。

此时选用振动传感器不仅要测量基频以外的频率，还需要考虑更大的带宽。DNVGL状态监控规范认证建议，对转子叶片使用振动传感器测量0.1 Hz至≥10 kHz的频率范围。在数量和位置方面，其中一个传感器放在转子轴上，另一个放在横向方向上。ADI推出的两款MEMS加速度计ADXL1001和ADXL1002，其带宽高达11 kHz能够轻松满足风轮机应用的检测要求，同时两款器件的满量程范围分别为±100g (ADXL1001)和±50g (ADXL1002)，能够在转子叶片上实现更高频率的测量范围。

与基于压电的传感器相比，MEMS在长时间使用时具有更好的灵敏度和线性度。ADI加速度计的非线性程度很低，通常可以忽略不计。上面提到的ADXL1001在满量程范围内，具有小于0.025%的典型非线性规格。此外，风轮机通常在-40?C到+55?C的温度下运行，而ADXL1001/ADXL1002拥有在−40°C至+125°C的温度范围内工作的能力，可从容应对严苛的运行环境。

牵一发而动全身，传感器该如何对塔身倾斜说不？

如果说变速箱和叶片是风轮机稳定运行的核心，那么风轮机塔则是这个核心背后的基础。后者在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。因此一旦塔身会遭受冲击损坏，出现倾斜则会牵一发而动全身，导致叶片与风向之间无法保持最佳角度。

当塔架结构发生故障导致倾斜时，频率的最低限值降低至0Hz。而当频率在等于或低于0.3Hz时，压电振动技术难以或无法捕获振动特征。此时要实施倾斜测量，需要使用具有良好的直流稳定性能的传感器。采用气密封装的ADXL355/ADXL357加速度计无疑是一款绝佳的传感器产品，它可以实现行业领先的0g失调稳定性，同时具有可选测量范围。在温度范围内提供低噪声、小失调漂移和长期稳定性，实现校准工作量极小的精密应用。

此外，ADXL355/ADXL357具有良好的直流稳定性，这对于测量风轮机塔的倾斜度非常重要。ADXL355/ ADXL357的气密封装保证了良好的长期稳定性。在10年使用寿命中，ADXL355的重复性在±3.5 mg以内，为倾斜测量提供了高度精准的传感器。

结语

如果2060年要实现碳中和目标，中国的电力需求会增至目前的三倍以上。按照2000小时年发电小时数计算，需要有100亿千瓦左右的新能源装机量。作为可再生能源中最具开发前景的一种能源，风能承担着推动能源结构转向可再生能源的重任。而风轮机作为该产业中的重要资产，预测和诊断机器的健康状况以保证稳定运行是从业者必须解决的问题。作为业界卓越的半导体公司，ADI以优秀的MEMS振动传感器与精密转换器、隔离和电源等技术相结合，利用深厚的领域专长和系统级方法，帮助客户最大限度地延长机器的正常运行时间和提高效率，用实际行动推动全球绿色发展。