摘要：本文研究并开发了一种用于永磁直驱风力发电机的出厂旋转测试系统。系统集成了多种传感器和数据采集技术，包括振动分析、噪声分析、电参数测量和转速测量等，用于评估永磁直驱风力发电机的制造质量和运行性能。测试系统的自动化程度高，能够显著提高测试效率和准确性。此外，系统还具有数据存档功能，能够将测试过程中高速采样数据保存下来，通过历史数据对比分析，提升故障诊断的准确性和效率。测试结果也可以为风力发电机的设计改进提供参考。

关键词：振动测试，旋转测试，风力发电机，数字信号处理

1.引言

在全球范围内，风力发电作为一种替代能源的角色变得越加显著，旨在减少对化石燃料依赖并降低环境污染。在风力发电系统中，永磁直驱风力发电机因其高效率和低运维成本而广受欢迎。然而，为确保其在极端天气条件下的可靠性和长期运行，发电机的质量检验尤为关键，尤其是在出厂前对其旋转性能进行全面的测试。

本研究旨在开发一种新型的永磁直驱风力发电机出厂旋转测试系统，能够准确地检测出制造和组装过程中可能出现的缺陷。

永磁直驱风力发电机出厂旋转测试系统的开发成功将有助于推动永磁直驱风力发电机技术向更高的性能和可靠性水平发展，同时也为风电设备的质量控制和性能评估提供了强有力的工具。

2.永磁直驱风力发电机的特点

永磁直驱风力发电机（Permanent Magnet Direct-Drive， PMDD）是风电技术中的一大创新，其设计旨在直接将风轮的旋转动力转换为电能，无需通过传统的齿轮箱增速机构。这一设计大幅提高了发电机的可靠性和效率，同时减少了维护成本和机械损耗。

永磁直驱风力发电机的设计通常采用外转子结构，有几个显著特点：

1）因为转子位于外侧，它可以设计得更大，这意味着更大的转矩和更好的能量捕获效率，尤其是在低风速条件下。

2）大直径的转子提供了更高的转动惯性，有助于抵抗风速波动和减少输出功率的波动，从而提升电力供应的平稳性。

3）转子的直径增大导致转速降低，这样设计的发电机可以直接与低速风轮相连，无需通过齿轮箱来增加转速，提高了能量转换的效率。

4）转子永磁材料的使用消除了对额外激磁的需求，进一步减少了损耗，并提高了整体发电效率。

5）由于永磁转子位于外部，它可以直接接触到外部的冷空气，这有助于自然冷却过程，降低发电机在高负荷下的温度，防止永磁体过热导致的磁性下降。

3.旋转测试系统的设计

永磁直驱风力发电机出厂旋转测试系统旨在高效且自动化的完成各项出厂旋转测试项目，确保所有重要参数都在规定的容许范围内，并便于记录原始数据，为未来可能发生的故障溯源提供原始数据支撑。该系统由控制系统和数据采集分析系统组成。

3.1控制系统

控制系统是一个专为检验风力发电机出厂前性能而设计的自动化控制系统。主要用于控制变频器驱动发电机，按照各项旋转测试项目要求去运转，同时保证测试过程的安全和可靠性。

1）PLC控制单元

采用PLC作为控制系统的核心，负责实现所有自动化测试流程，根据预设的测试程序来控制整个旋转测试的流程。

2）人机界面（HMI）

采用工业控制计算机作为硬件，开发相应的上位机控制软件，实现对各项旋转测试项目的参数调整、启停控制、状态监测等。

3）通讯网络

使PLC能够与发电机内部控制子系统通信，以便数据记录和远程监控。

4）供配电系统

包含各配电柜、配电箱、接线箱等，用于向变频器和发电机内部各子系统提供相应的测试用电源，包括UPS电源等。

5）变频驱动系统

用于驱动发电机旋转，使用风力发电机专用变频器，特殊定制旋转测试相关功能。与主控PLC之间采用工业以太网通讯，确保稳定可靠。

3.2数据采集分析系统

数据采集分析系统是整个旋转测试系统的核心。它负责收集测试期间发电机的运行数据，分析这些数据以验证发电机的性能和可靠性。

3.2.1数据采集硬件

1）传感器

·振动传感器：采用三轴加速度传感器，安装于轴承内环，用于检测发电机运行过程中振动水平。

·噪声传感器：采用声压级传感器，安装与发电机转子外侧径向1米左右位置，用于检测发电机运行过程中的噪声水平。

·转速传感器：利用发电机自带的磁性传感器，获取转速脉冲，计算发电机转速。

·温度传感器：利用发电机自带的PT100，监测发电机及其关键部件的温度。

·电流传感器：采用罗氏线圈测量发电机绕组三相电流。

·电压传感器：采用直入式电压传感器测量发电机绕组三相电压。

2）数据采集设备

本系统的数据采集设备使用NI（National Instruments）品牌的CompactRIO（cRIO）数据采集设备。这一平台以其高度的可定制性、坚固的设计以及对于严苛工业环境的适应能力而得到广泛应用。

·控制器：

该控制器是一款高性能的工业实时控制器，内部包含可重构的硬件（FPGA）。通过对FPGA的定制化编程，配合数据采集卡，可实现多个传感器数据的高速、实时、并行处理。确保了测试数据的同步性和可靠性。

·振动和噪声采集卡：

振动噪声采集卡是一种特殊的模块，设计用于采集振动信号和噪声数据，能够连接到加速度传感器、麦克风。具备高精度的模拟输入通道，支持24位A/D转换；每个通道支持高达51.2kHz采用率的同步采集功能，确保所有传感器数据在相同时间点被捕获，以便进行时间域或频率域分析；采用抗干扰设计，能够抵抗电磁干扰和其他噪声源，以确保信号的高保真度。

·模拟量采集卡

模拟量采集卡用于从传感器接收模拟信号并将其转化为数字信号，使得这些信号可以由cRIO的实时处理器和FPGA模块进一步处理。本系统选用支持多通道同步采用的模拟量采集卡，每通道采样率100kHz，用于采集发电机绕组电压和电流数据。

·高速数字量采集卡

高速数字量采集卡特别适用于需要快速捕捉和分析数字信号的应用，用于采集发电机内部磁性传感器的信号变化，用以计算出发电机实时转速。

·温度采集卡

温度采集卡用于采集发电机内部PT100信号，用以检测发电机绕组、永磁体和其他关键部件的温度。

3.2.2数据分析系统

本测试系统的数据分析软件同样采用NI（National Instruments）品牌的Labview编程环境开发。利用其强大的图形编程能力，以及它对硬件的高度兼容性，提供了一个完整的解决方案，用以快速实现数据采集、处理和分析。具有如下特点：

1）图形化编程语言：使用图形化的编程语言，代替了传统的文本编程语言。

2）硬件集成：强大的硬件集成能力，与National Instruments硬件产品紧密结合，支持各种数据采集设备、仪器和传感器。

3）实时性和可靠性：支持实时操作系统，适用于要求高实时性能的测试、测量和控制应用。可以开发出稳定可靠的应用程序，用于长时间连续运行的环境。

4）分析和算法库：内置了丰富的数学和信号处理函数库，方便进行复杂的数据分析和算法开发。

数据分析软件包含3个部分：

·cRIO控制器的FPGA软件。

·cRIO控制器的实时应用程序。

·上位计算机的测试分析软件。

3.2.2.1  FPGA软件设计

FPGA能够以极高的速率在硬件层面实现精确的定时和同步，实现各采集模块数据采集和预处理，减少需要传输到控制器的数据量。软件具备如下功能：

1）振动噪声数据：以51.2kHz采样率对振动噪声数据采集卡各通道数据进行同步连续采样；

2）模拟量数据：以51.2kHz采样率对电压、电流传感器数据进行同步连续采样；

3）高速数字量数据：以51.2kHz采样率对发电机转速传感器数字量进行同步连续采样。

以上数据均在同一个循环程序结构内以51.2kHz速率运行，确保各通道数据的同步性。每次循环运行都将各通道数据的类型、格式统一，并将所采集的二维数组数据传输至DMA通道，以供实时应用程序使用。

3.2.2.2实时应用程序设计

运行于cRIO控制器内的实时应用程序与FPGA协同工作，通过DMA接收FPGA传输的原始采集数据，再对采集数据进一步运算分析处理，利用内置的网络功能，将数据传输至上位计算机，进行分析、报告和记录。实时操作系统保证了代码的执行具有确定性。数据处理按如下顺序进行：

1）对FPGA所传输数据进行低通滤波，截止频率为5kHz；

2）对以上数据进行重采样，采样频率为10kHz；

3）重采样后的数据将作为原始记录数据通过网络流通讯传输至上位计算机，每1秒钟数据打包上传1次。

3.2.2.3测试分析软件设计

运行于计算机操作系统的旋转测试分析软件。接收主控PLC和cRIO控制器传输来的数据，将实时应用程序传输的采集数据进行循环处理，处理周期1s。并以数据、图形、表格、曲线等形式展现数据，实现人机交互。根据试验大纲要求判定旋转测试结果，并出具测试报告文件。同时具备原始数据存档记录功能，保留试验原始数据，方便后期使用。

1）振动噪声数据分析

·将10kHz采样数据进行低通滤波处理，截止频率为1kHz；

·将低通滤波后数据进行带通滤波，通带频率可根据电机电源频率范围进行调整；

·对滤波后的每秒钟振动噪声数据取有效值，得到声压级有效值和X、Y、Z轴的振动加速度，其中声压级有效值转换为噪声分贝数，并用波形图表记录显示；

·将滤波后的每秒钟振动数据以波形图的形式显示，并进行傅里叶变换，以柱状图形式展现频谱信息。

1）电压电流数据分析

·利用10kHz采样数据计算当前电机运行损耗功率，并用波形图表记录；

·将10kHz采样数据进行低通滤波处理，截止频率根据驱动变频器开关频率确定，一般取其二分之一；

·对滤波后的电压电流数据取有效值，得到发电机绕组电压和电流；

·将滤波后的每秒钟电压电流数据以波形图的形式显示，并进行傅里叶变换，以柱状图形式展现频谱信息。

3）转速数据分析

直接对10kHz采样的转速数据进行上升沿计数处理，再根据发电机机械设计参数计算发电机当前转速。

4）温度数据分析

温度数据每秒钟采集1次，并以波形图表记录显示。

5）测试报告输出

根据预设的振动、噪声、电压、电流、功率、温度、温升速率等判定阈值，判断各项测试是否合格，并出具测试报告。测试报告可附上相应的曲线，曲线图片可由原始数据进行分析处理描绘。

6）原始数据存档

将10kHz采样率数据和每秒钟更新的振动噪声有效值、电压电流有效值、损耗功率、转速、温度等数据全部以TDMS文件格式保存，以备后用。

4.旋转测试系统的功能

永磁直驱风力发电机的出厂测试分为静态测试和旋转测试，旋转测试必须在所有静态测试合格以后进行。旋转测试是一个详细且综合的过程，旨在全面评估和确保设备的性能、可靠性和安全性。本次研究开发的旋转测试系统主要实现如下测试项目：

1）低速旋转测试

驱动发电机低速运行，检查是否存在异常摩擦或噪音，评估其他机械结构的不平衡和对齐等问题。

2）振动和噪声测试

将发电机逐步加速至设计的最高转速，使用振动采集和分析设备监测发电机的振动和噪声特性。通过振动频谱分析，识别可能的共振频率和不平衡问题；测量和记录发电机在不同操作条件下的声级，确保其在规定的噪声标准之内。

3）空载损耗测试

将发电机逐步加速至设计的额定转速，测量无负载条件下的电压、电流和转速等参数，并计算其空载运行损耗功率，确保它们符合规定的容许偏差。

多绕组发电机可逐套绕组驱动，进行空载损耗测试，同时可监测非驱动绕组接线端的感应电压。

4）热性能测试

将发电机运行至额定转速，利用驱动变频器的矢量控制算法，为发电机绕组施加一定量的D轴电流，保持冷却系统关闭，使发电机绕组和永磁体升温，监测关键部件（特别是永磁材料）的温升速率，确保不会超过规定的容许偏差。

5.结论与展望

本次研究设计的永磁直驱风力发电机出厂旋转测试系统，已成功建设于某大型风电整机制造厂和某永磁直驱风力发电机制造厂，并投入使用且稳定运行2年以上。测试系统采用先进的传感器和数据采集技术，确保了数据采集的准确性和可靠性。通过使用LabVIEW软件，我们创建了一个用户友好的操作界面，不仅提高了测试效率，而且确保了测试过程的安全性和可靠性。在测试过程中，该系统能够准确地监测发电机的运行状态，包括转速、温度、振动、噪声、电压、电流等关键参数。通过对多台发电机进行测试，结果表明该系统在保证高效率的同时，还能提供精确可靠的数据，为发电机的质量控制和进一步优化提供了强有力的支持。

永磁直驱风力发电机出厂旋转测试系统的开发成功，有助于发电机制造厂进行质量控制，确保所有出厂的产品都符合严格的质量标准，提高产品的市场信誉。测试系统提供关键性能参数的精确测量，有助于工程师分析数据，优化设计，提升发电机性能，增加发电效率。同时长期积累的测试数据可以用于建立数据库，对发电机的长期性能和耐久性提供参考，为未来的产品迭代和技术升级提供数据支持。