使用 MEMS 加速度计和 OMA 进行海上风力涡轮机塔架监控

文章出处：新闻资讯责任编辑：深圳市广陵达科技有限公司发表时间：2024-12-13 19:47:15

风力涡轮机塔架的故障很少发生。然而，当这种情况发生时，就会带来高昂的成本，或者在最坏的情况下——如果它们倒塌，就会导致风力涡轮机完全损失。

因此，许多海上风力涡轮机发电场管理人员安装了测量技术，用于对塔架进行连续结构健康监测。各种传感技术和方法用于执行结构健康监测。然而，最广泛使用的是基于振动的技术，也称为操作模态分析（OMA）。

海上风力涡轮机可以提供大量清洁、可再生的风能。为了捕获丰富的风力资源并产生更多的能源，风力涡轮机变得越来越大，因此也越来越昂贵。风力涡轮机在咸水、高湿度、强风等恶劣环境中运行，且位置偏远且难以接近。为此，必须不断监控其性能并执行预测性维护以获得预期的投资回报。

海上风力发电机组

材料和方法

风力涡轮机塔架主要由钢、钢筋混凝土或网格制成。海上风力涡轮机塔架承受着影响其结构的高外部载荷。

这导致所谓的结构退化。这意味着材料或几何特性的改变。劣化可能是由于不良设计、施工故障、事故、恶劣环境、老化过程或这些因素的任意组合造成的。

风力涡轮机塔架的故障很少发生。当发生这种情况时，通常会受到高成本的影响，或者在最坏的情况下，如果塔架倒塌，风力涡轮机将全部损失。因此，许多海上风力涡轮机发电场在塔架上应用了连续的结构健康监测解决方案。在一些国家，它甚至成为强制性的。

模态分析和运行模态分析

多种传感技术和方法用于执行此类结构健康监测。然而，最广泛使用的是基于振动的技术，也称为操作模态分析（OMA）。

模态分析对于理解和优化结构的固有动态行为至关重要。在结构中，几乎所有振动问题都与共振行为（由操作力激发的固有频率）相关的结构弱点有关。

对于许多土木工程和机械结构，由于其物理尺寸、形状或位置，很难使用锤子或振动器施加激励。土木工程结构受到波浪、风或交通等环境力的载荷。这些自然输入力不容易控制或正确测量。然而，在某些情况下，最好使用结构在真实操作和边界条件下的自然激励来确定其模态特性。

运行模态分析 (OMA) 基于仅测量实际运行条件下测试结构的响应，以实现准确的模态识别。在难以或不可能控制人工激励的情况下通常会出现这种情况。

结构的完整动态行为可以被视为一组单独的振动模式。每个都具有特有的固有频率、阻尼和振型。

频域中的动态特性可用于对结构进行建模。这种识别确定了结构的模态特征。这意味着结构的特定频率以及相关的阻尼和模态形式。

结构的振动模式提供有关构成结构的元件在特定频率下受压时的相对运动的信息。如果结构受到激发多个频率的作用，则结构的振动方式将是激发振动模式组合的结果

了解模态参数可以预测结构响应作为外部激励的函数，并且可以分析并随后解决特定共振下的问题。

因此，模态参数构成了结构的一种动态“身份证”，可用于：

• 计算模型的验证

• 他们的校准或

• 诊断目的

因此，为长期结构状况监测系统提供了基线。

结构健康监测 (SHM)

动态参数的确定使得可以参考精确的时刻 T0 来验证结构条件的持续性。一般情况下，新风机塔架的这个时间T0可以在安装或调试时取。

通过采用新颖的结构健康监测解决方案，系统连续记录数据，并可以比较不同时期的数据。这使得评估强风暴对结构动态特性的影响成为可能。此外，它还可以评估修复工作后的康复干预措施。

监控设备

风力涡轮机塔变得越来越大，目前高度超过 250m。为了更好地了解塔架状况，可以应用振动监测。需要使用 OMA 方法在不同点测量振动水平。由于所有三个方向（垂直、纵向和横向）的低频都很重要，因此 MEMS 加速度计非常适合风力涡轮机塔架结构健康状况监测。

Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-AC 是一款具有数字输出（EtherCAT 总线）的三轴加速度传感器。规格为 25 µg/√Hz 频谱噪声密度和 50 Hz 带宽下的 100 µg 残余噪声，直流响应平坦(0Hz) 至 400 Hz 和 96dB 动态范围。它在许多 SHM 应用中用于监测加速度、速度和位移，并作为第三方操作模态分析软件的输入。它还可以用作两轴静态倾角仪。

风力涡轮机塔架上的加速度和倾斜度监测