CN101550909B - 一种风力发电机及其动平衡监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动平衡监控系统，用于风力发电机，包括传感器组、控制装置、平衡重块和驱动装置；所述控制装置接收由所述传感器组获取的动平衡状态信号，并根据所述动平衡状态信号以及预定策略控制所述驱动装置；所述驱动装置在所述控制装置的控制下，驱动所述平衡重块沿所述风力发电机的桨叶的延伸方向产生适当的位移量，以便所述风力发电机保持动平衡。该动平衡监控系统在满足风力发电机实时的动平衡要求的前提下，风力发电机的桨叶具有较为简单的结构，便于桨叶的生产、安装与维护，并且具有较高的可靠性。

Description

一种风力发电机及其动平衡监控系统 

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种用于风力发电机的动平衡监控系统。此外，本发明还涉及一种包括上述动平衡监控系统的风力发电机。 

背景技术

随着我国经济建设的快速发展及人民生活水平的逐步提高，工业生产用电及人民日常生活用电需求日益扩大，风力发电机得到了快速的发展。 

风力发电机处于工作状态时，利用风力带动风力发电机的桨叶旋转，进而带动发电机发电。 

由于风力发电机在制造以及安装过程中存在误差，并且在运转一段时间之后可能出现桨叶积水、结冰甚至磨损现象，这些因素均可能导致桨叶质量的不平衡，使风力发电机产生振动。 

在一种现有技术中，通过在风力发电机的制造和安装过程中，控制每组桨叶的重量互差、中心互差和安装误差，使桨叶在旋转过程中产生较小的附加离心力，达到减少风力发电机的振动的目的。但是，制造以及安装过程中的误差控制只能保证风力发电机运行初期的动平衡，无法满足持久的、实时的动平衡要求，并且桨叶存在积水、结冰和磨损等问题均是在风力发电机运行一段时间后产生的，很难通过风力发电机制造和安装中的误差控制得到有效的解决。 

请参考图1，图1为现有技术中一种风力发电机的桨叶结构的剖视示意图。 

为解决上述技术问题，现有技术中一种风力发电机内设置有动平衡监控系统，该系统包括传感器组、控制装置、设置于风力发电机的桨叶6’内腔端部位置和风力发电机的轮毂2’内腔中部位置的储液箱1’，以及连接两上述位置的储液箱1’的液体流通管路；所述液体流通管路包括管道5’，和靠近所述轮毂2’设置，用于控制液体流向与流量的泵4’。 

当桨叶转动时，由设置于风力发电机的主轴轴承上的两振动传感器分别获取风力发电机的主轴水平方向及垂直方向的振动信号，控制装置根据该振动信号计算不平衡力的大小和方位，并根据预定策略控制相应的泵4’工作，调配相应的储液箱1’内部的液体量，使风力发电机保持动平衡。这种通过调配储液箱1’内部的液体量保证风力发电机动平衡的方法，需要在较大程度上改变桨叶6’的内部结构，造成桨叶6’的生产、安装以及维护成本增加；并且，在桨叶6’转动时，所述储液箱1’内部的液体可能发生泄露，造成更严重的不平衡，加剧了风力发电机的振动，因此可靠性较低。 

因此，如何在满足风力发电机实时动平衡要求的前提下，优化桨叶的内部结构，提高可靠性是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力发电机的动平衡监控系统，该系统在满足风力发电机实时的动平衡要求的前提下，风力发电机具有较高的可靠性，且其桨叶具有较为简单的内部结构，便于桨叶的生产与安装。本发明的另一目的是提供一种包括上述动平衡监控系统的风力发电机。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种动平衡监控系统，用于风力发电机，包括传感器组、控制装置、驱动装置和安装在所述风力发电机的桨叶中的平衡重块；所述控制装置接收由所述传感器组获取的动平衡状态信号，并根据所述动平衡状态信号以及预定策略控制所述驱动装置；所述驱动装置在所述控制装置的控制下，驱动所述平衡重块沿该平衡重块所安装的桨叶的延伸方向产生适当的位移量，以便所述风力发电机保持动平衡。 

优选地，所述平衡重块的材料完全为固体材料。 

优选地，所述驱动装置包括连接所述平衡重块的传动机构，和驱动所述传动机构的电机。 

优选地，所述传动机构为沿所述桨叶的延伸方向设置的螺杆，所述平衡重块具有与所述螺杆相配合的螺纹孔，并通过所述螺纹孔可活动地套装于所述螺杆上；所述风轮动平衡监控系统进一步包括与所述螺杆大体平行设置的平衡重块导向机构。 

优选地，所述平衡重块导向机构为导轨。 

优选地，所述平衡重块导向机构为导杆，所述平衡重块具有与所述导杆相配合的通孔，所述平衡重块通过所述通孔可滑动地套装于所述导杆外侧。 

优选地，所述传动机构包括两个分别安装于所述桨叶的两端的滑轮，和绕过两所述滑轮且与所述平衡重块固定连接的拉绳；所述电机驱动两所述滑轮同步转动，以便所述平衡重块在所述拉绳的带动下产生适当的位移量。 

优选地，所述传感器组包括至少两个设置于所述风力发电机的主轴轴承上的第一振动传感器，和设置于所述风力发电机的机舱的底架上的第二振动传感器；所述动平衡状态信号包括分别由两所述第一振动传感器获取的所述风力发电机的主轴水平方向的振动信号和垂直方向的振动信号，以及由所述第二振动传感器获取的所述机舱的振动信号。 

优选地，所述传感器组还包括设置于所述主轴轴承上的光电传感器；所述动平衡状态信号还包括由所述光电传感器获取的脉冲信号；所述控制装置根据所述脉冲信号获得基频信号，并将所述基频信号与所述振动信号进行对比，从而排除干扰信号。 

本发明还提供一种风力发电机，包括上述任一项所述的动平衡监控系统。 

本发明所提供的动平衡监控系统，用于风力发电机，包括传感器组、控制装置、平衡重块和驱动装置；当风轮桨叶转动时，所述控制装置接收由所述传感器组获取的动平衡状态信号，并根据所述动平衡状态信号以及预定策略控制所述驱动装置；所述驱动装置在所述控制装置的控制下，驱动所述平衡重块沿所述风力发电机的桨叶的延伸方向产生适当的位移量。这种通过调节平衡重块的位置进而调节不平衡 质量的方式，使得该动平衡监控系统在满足了风力发电机实时的动平衡要求的前提下，有效地避免了现有技术中通过调配液体量的方法造成的液体泄露等问题，具有较高的可靠性，并且该动平衡监控系统对桨叶的内部结构的改动程度较小，便于桨叶的生产、安装及维护，降低了成本。 

附图说明

图1为现有技术中一种风力发电机的桨叶结构的剖视示意图； 

图2为本发明一种具体实施方式所提供的风力发电机的桨叶结构的剖视示意图； 

图3为图2所示风力发电机的桨叶的结构主视示意图。 

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于风力发电机的动平衡监控系统，该系统满足了风力发电机实时的动平衡要求，具有较高的可靠性，并且其桨叶具有较为简单的内部结构，便于桨叶的生产与安装。本发明的另一核心是提供一种包括上述动平衡监控系统的风力发电机。 

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 

请参考图2和图3，图2为本发明一种具体实施方式所提供的风力发电机的桨叶结构的剖视示意图；图3为图2所示风力发电机的桨叶的结构主视示意图。 

在一种具体实施方式中，本发明所提供的动平衡监控系统包括传感器组9、控制装置、平衡重块3和驱动装置；所述控制装置接收由所述传感器组9获取的动平衡状态信号，并根据所述动平衡状态信号以及预定策略控制所述驱动装置；所述驱动装置在所述控制装置的控制下，驱动所述平衡重块3沿所述风力发电机的桨叶6的延伸方向产生适当的位移量。这样，该动平衡监控系统在满足了风力发电机实时的动平衡要求的前提下，有效地避免了现有技术中通过调配液体量的方法造成的液体泄露等问题，具有较高的可靠性，并且对桨叶的内部结构的改动程度较小，便于桨叶的生产、安装及维护，降低了成本。 

所述平衡重块3与所述驱动装置可以设置于所述桨叶6的内腔。 

在一种优选实施方式中，本发明所提供的动平衡监控系统的平衡重块3完全采用固体材质。当然，所述平衡重块的内部材料为液体或其他材料也可以实现本发明的目的，但无论如何需要保证的是，所述平衡重块的外表面须由固体材料制得。 

所述驱动装置可以包括连接所述平衡重块3的传动机构，和驱动所述传动机构的电机5。当所述桨叶6转动时，由所述控制装置根据预定策略与所述动平衡状态信号控制所述电机5工作，所述电机5驱动所述传动机构，进而带动所述平衡重块3移动适当的位移量。 

具体地，所述传动机构可以为沿所述桨叶6的延伸方向设置的螺杆1，所述平衡重块3具有与所述螺杆1相配合的螺纹孔，并通过所述螺纹孔可活动地套装于所述螺杆1上；所述动平衡监控系统进一步包括与所述螺杆1大体平行设置的平衡重块导向机构。当所述桨叶6转动时，所述电机5驱动所述螺杆1转动，所述平衡重块3在所述螺杆1与所述平衡重块导向机构的共同作用下，沿所述桨叶6的延伸方向产生适当的位移量。 

具体地，上述平衡重块导向机构可以为沿所述桨叶6的延伸方向设置的导轨，所述平衡重块3安装于所述导轨上，并可沿所述导轨滑动。 

此外，所述平衡重块导向机构还可以为沿所述桨叶6的延伸方向设置的导杆4，所述平衡重块3具有与所述导杆4相配合的通孔，所述平衡重块3通过所述通孔可滑动地套装于所述导杆4的外侧。 

当然，本发明并不限于使用螺杆1作为传动部件，也可以为其他适合的部件。 

比如，所述传动机构包括两个分别安装于所述桨叶6的两端的滑轮，和绕过两所述滑轮，且与所述平衡重块3固定连接的拉绳；当所述桨叶6转动时，所述电机5驱动两所述滑轮同步转动，以便所述平衡重块3在所述拉绳的带动下产生适当的位移量。 

所述传感器组9包括两个设置于主轴轴承7上分别用于获取主轴 8水平方向和垂直方向的振动信号的第一振动传感器91，当所述桨叶6转动时，所述控制装置接收分别由所述第一振动传感器91获取的主轴8水平方向的振动信号和垂直方向的振动信号，并根据所述振动信号以及预定策略控制所述驱动装置；所述驱动装置在所述控制装置的控制下，驱动所述平衡重块3沿所述风力发电机的桨叶6的延伸方向产生适当的位移量。 

需要说明的是，两所述第一振动传感器91并不限于设置于主轴轴承7上，也可以设置于主轴8或其他适合的位置上。 

并且，两所述第一振动传感器91设置于主轴轴承7的同一横截面上是更为恰当的。 

所述传感器组9还可以包括设置于风力发电机的机舱10的底架上的第二振动传感器93；所述动平衡状态信号还包括由所述第二振动传感器93获取的机舱10的振动信号。 

具体地，所述机舱10的振动信号为机舱10回转平面内的振动信号。 

由于上述的振动信号均可能包含干扰信号，因此，本发明所提供的动平衡监控系统的所述传感器组9还可以包括设置于所述主轴轴承7上的光电传感器92；所述动平衡状态信号还包括由所述光电传感器92获取的脉冲信号；当所述桨叶6转动时，所述控制装置接收分别由两所述第一振动传感器91获取的主轴8水平方向和垂直方向的振动信号、所述第二振动传感器93所获取的机舱10的回转平面内的振动信号，以及由所述光电传感器92所获取的脉冲信号，并将所述脉冲信号所获得的基频信号与所述振动信号进行对比，从而排除干扰信号，并根据预定策略控制所述驱动装置。这样有效地避免了因干扰信号引起的平衡重块3的位移量的偏差，从而进一步满足了风力发电机实时的动平衡要求。 

可以采用互相关分析方法实现上述将所述基频信号与所述振动信号的对比，所述互相关分析方法的具体步骤如下： 

1)风力发电机的桨叶6的转动过程中，不平衡质量11所产生的 附加的离心力F的力学表达式为： 

F＝mrω²

其中，m为不平衡质量的大小；r为不平衡质量的位置；ω为桨叶的转动速度； 

2)根据所述光电传感器92所获取的脉冲信号，生成基频信号x(t)、y(t)： 

x(t)＝sinωt，t∈[0，t₁] 

y(t)＝cosωt，t∈[0，t₁] 

其中，t₁为信号周期的偶数倍； 

3)获取振动传感器的振动信号U(t)(假设该振动信号取自第二振动传感器93)，计算振动信号和基频信号的互相关函数，表达式为： 

$R_x\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}U\left(t\right)x(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt},$ τ＝0时， $R_x\left(0\right)=\frac{\mathrm{AT}}{2}\cos \mathrm{\φ}$

$R_y\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}U\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt},$ τ＝0时， $R_y\left(0\right)=\frac{\mathrm{AT}}{2}\sin \mathrm{\φ}$

4)根据R_x(0)和R_y(0)计算得到振动信号的幅值A和相位φ，表达式为： 

$A=\frac{2\sqrt{R_x{\left(0\right)}^2+R_y{\left(0\right)}^2}}{T}$

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{R_y\left(0\right)}{R_x\left(0\right)}$

以具有三片桨叶6的风力发电机为例，将所获取的振动信号的幅值和相位信息转化为所述平衡重块3的位移量的具体步骤为： 

1)安装并调试风力发电机； 

2)检测所述平衡重块3的振动影响系数： 

a)将分别设置于各桨叶6内腔的三块平衡重块3均调节至最小极限位置，检测此时的振动信号的幅值A₀； 

b)将其中一个平衡重块3调节至最大极限位置，保持其余两平衡重块3的位置不变，检测此时的振动信号的幅值A₁； 

c)计算振动影响系数β： 

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{ml}}_0}{A_1-A_0},$

其中，m为平衡重块3的质量，l₀为最小极限位置到最大极限位置的距离。 

3)计算三块平衡重块3的位移调节量。 

当检测到桨叶6不平衡引起的振动振幅超标时(这里假设超标量为ΔA)，计算合成位移量l： 

$l=\frac{\mathrm{\β\ΔA}}{m},$

根据检测到的振动信号相位信息φ，计算三块平衡重块的位移量l₁、l₂、l₃： 

l₁＝-lcosφ，l₂＝-lcos(120°-φ)，l₃＝-lcos(240°-φ)。 

除了上述动平衡监控系统，本发明还提供了一种包括上述动平衡监控系统的风力发电机，该风力发电机其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。 

以上对本发明所提供的风力发电机及其动平衡监控系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种动平衡监控系统，用于风力发电机，包括传感器组和控制装置，其特征在于，还包括驱动装置和安装在所述风力发电机的桨叶中的平衡重块；所述控制装置接收由所述传感器组获取的动平衡状态信号，并根据所述动平衡状态信号以及预定策略控制所述驱动装置；所述驱动装置在所述控制装置的控制下，驱动所述平衡重块沿该平衡重块所安装的桨叶的延伸方向产生适当的位移量，以便所述风力发电机保持动平衡。

2.根据权利要求1所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述平衡重块的材料完全为固体材料。

3.根据权利要求1所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述驱动装置包括连接所述平衡重块的传动机构，和驱动所述传动机构的电机。

4.根据权利要求3所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述传动机构为沿所述桨叶的延伸方向设置的螺杆，所述平衡重块具有与所述螺杆相配合的螺纹孔，并通过所述螺纹孔可活动地套装于所述螺杆上；所述风轮动平衡监控系统进一步包括与所述螺杆大体平行设置的平衡重块导向机构。

5.根据权利要求4所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述平衡重块导向机构为导轨。

6.根据权利要求4所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述平衡重块导向机构为导杆，所述平衡重块具有与所述导杆相配合的通孔，所述平衡重块通过所述通孔可滑动地套装于所述导杆外侧。

7.根据权利要求3所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述传动机构包括两个分别安装于所述桨叶的两端的滑轮，和绕过两所述滑轮且与所述平衡重块固定连接的拉绳；所述电机驱动两所述滑轮同步转动，以便所述平衡重块在所述拉绳的带动下产生适当的位移量。

8.根据权利要求1至7任一项所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述传感器组包括至少两个设置于所述风力发电机的主轴轴承上的第一振动传感器，和设置于所述风力发电机的机舱的底架上的第二振动传感器；所述动平衡状态信号包括分别由两所述第一振动传感器获取的所述风力发电机的主轴水平方向的振动信号和垂直方向的振动信号，以及由所述第二振动传感器获取的所述机舱的振动信号。

9. 根据权利要求8所述的动平衡监控系统，其特征在于，所述传感器组还包括设置于所述主轴轴承上的光电传感器；所述动平衡状态信号还包括由所述光电传感器获取的脉冲信号；所述控制装置根据所述脉冲信号获得基频信号，并将所述基频信号与所述振动信号进行对比，从而排除干扰信号。

10.一种风力发电机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的动平衡监控系统。

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