CN101982724A - 风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法。当叶片变形时，纵向应变检测应变片和横向应变检测应变片分别将其信号输入到差动半桥信号检测调理模块，对被检测点的应变片的应变模拟信号进行检测和调理，由模数转换器模块变换数字量，由微处理器将数字量编码，无线发射/接收模块发送信号，无线发射/接模块接收监测仪表设备发出的控制指令；监测仪表设备对被测数据进行处理、存储、显示和通过接口传输；控制中心根据检测的数据进行叶片变形重构，得到叶片的疲劳程度，达到叶片实时检测的目标。本发明对旋转叶片实现在线变形的长期监测，并通过无线数据传输技术，从数据终端获得当前时刻旋转叶片的工作状态。风力发电机和蓄电池的结合将保证监测系统及其数据传输的长期工作，有效的保证了旋转叶片工况数据的实时获取。

Description

风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法

技术领域

本发明涉及旋转叶片的动态变形的实时检测、数据采集和无线传输，特别涉及风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法。

背景技术

风力发电机叶片是风机接收风能的关键构件，其可靠性直接影响风力发电机的安全运行。兆瓦级风机叶片展长超过25m，最长的可达60m，其承载比较复杂，主要承受的有空气动力、惯性力和离心力等；影响叶片受力的因素，既有风速、风向、层流分布、叶片覆冰、地形等气象和地理环境因素，又有叶片结构、安装等机械因素。

风力发电机安装环境恶劣，叶片使用工况特殊，目前对风力发电机叶片变形的检测主要是在试验条件下的静态测量，由于模拟环境与实际环境的差别，其测试数据存在一定的误差，叶片设计和工程建设需要实际环境下的实测数据，以便优化叶片设计方案和对叶片的可靠性进行分析。为此，必须对实际运行的风力发电机叶片的变形进行实时检测，以便通过大量的实测数据，获得叶片在设计使用寿命过程中，预期承受的极限载荷和疲劳载荷的资料。然而，运动中的叶片，其变形动态实时检测及其测量信号的采集与传输是一个难题。

为了分析叶片的变形，采用的方法有：一是在叶片上布置多个检测点，获得大量的现场检测数据。但是数据的传输方式是有线连接，适用于静态检测，传感器及其调理模块的安装工程量大，测试连接线复杂；而且由于叶片旋转，难以实现在线监测。二是采用激光投影法对叶片型面的非接触全型面测量，该方法实现的是静态叶片的结构尺寸和变形的检测，而且检测准确度低，难以达到叶片变形监测的要求。

德国艾劳埃斯.乌本(专利：WO2004/055366德2004.7.1)提出的检测方法，在叶片上铺设电阻导体线，叶片的变形引起电阻线的伸长，通过对电阻导体线的电阻的检测评估叶片的变形。此方法需要预先设置叶片损坏时的电阻变化的阈值，显然难以实现叶片动态变形的监测。

叶片的应变ε与应力σ之间遵循胡克定律，即σ＝Eε，其中E为材料的弹性模量；应力σ和被测点的弯矩及结构尺寸相关，采用应变片检测被测点的应变ε，可以计算出该点的应力及挠曲变形。应变片一直被使用在机械的应变检测中，灵敏度比较高，但对环境温度的变化也非常敏感，抗干扰比较差。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供了一种风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法，可对风力发电机叶片的应变情况进行精确检测。

本发明提出的风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法，对旋转叶片实现在线变形的长期监测，并通过无线数据传输技术，从数据终端获得当前时刻旋转叶片的工作状态。微型风力发电机和蓄电池的结合将保证监测系统及其数据传输的长期工作，有效的保证了旋转叶片工况数据的实时获取。具体步骤如下：

(1)在一台风力发电机的每个叶片上选取纵向变形和横向变形的检测点，在叶片的纵向应变方向间隔安装纵向应变检测应变片，在叶片横向断面上间隔安装横向应变检测应变片；将安装在叶片上的信号调理及无线变送器与安装在轮毂上的蓄电池连接；在距离叶片一段距离处设置无线接收/发送器，该无线接收/发送器连接监测仪表设备，监测仪表设备接工业总线接口，工业总线连接到上位机；信号调理及无线变送器由差动半桥信号检测调理模块、模数转换器模块、微处理器和无线变送器的无线发射/接收模块组成；

(2)当叶片变形时，纵向应变检测应变片和横向应变检测应变片分别将其信号输入到信号调理及无线变送器，差动半桥信号检测调理模块对被检测点的应变片的应变模拟信号进行检测和调理，由模数转换器模块变换数字量，然后由微处理器将数字量编码，最后无线发射/接收模块发送信号，同时无线发射/接模块接收监测仪表设备发出的控制指令；监测仪表设备对被测数据进行处理、存储、显示和通过接口传输；控制中心根据检测的数据进行叶片变形重构，得到叶片的疲劳程度，达到叶片实时检测的目标。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用了旋转叶片的动态应变实时检测技术、微型风力发电机和蓄电池相结合的供电技术以及数据采集与风力发电机应变监测中的无线数据传输技术三者相结合，方法简单可靠，可在叶片制造过程中安装、或对运行中的叶片上加装的叶片动态变形实时监测装置。

2、现有技术是对叶片在试验环境下进行静态变形检测，人工施加载荷，通过地面测量仪表设备检测，传感器的安装复杂，供电和信号传输导线繁杂，难以实现在线叶片变形的实时检测，本发明采用了无线数据传输变送器，可对一台风力发电机的全部叶片进行同步检测，不需要外部供电和传输导线的物理连接，使得旋转运动的叶片的动态变形检测数据实时传输到监测仪表设备，实现在线叶片变形的实时监测。

3、实际风力发电机的环境恶劣，电磁干扰严重、温湿度变化范围大，本发明采用差动半桥信号检测调理电路抑制温度对应变片的影响，独立的应变片供电回路提高检测信号传输的抗干扰能力。

4、本发明的无线变送器中采用低功耗的数据采集及其传输系统，对检测与传输的休眠模式和工作模式进行管理，合理分配电池的供电，有效提高电池工作时间。采用了微功耗的硬件设计及无线传输控制技术，保证系统的用电功耗在100mW以下，才能满足微型发电机发电能量的范围内。

5、本发明的监测方法可用于风力发电机的塔座的风振变形检测。

6、本发明所述的应变检测与信号调理部分，采用多通道镜像恒流源电源供电，解决应变片供电回路和信号调理电路供电完全分开，避免长距离信号传输与供电回路的相互干扰。应变差动半桥信号调理及传输仅用三根线供电和传输，提高信号引线长距离的传输抗干扰能力，消除传输引线电阻带来的误差；采用两只应变片弯曲伸长和压缩面反向粘接，通过差动半桥抵消温度引起的应变变化量，只对变形的应变量放大输出，有效抑制了环境温度的影响。

7、本发明提出将微型风力发电机安装在轮毂上，并配合小容量的蓄电池，为监测系统供电。风力发电机只有在风力作用下，才会发生叶片变形；只要有风，微型发电机实现了电源自给；小容量电池的作用只是保证监测系统不断电，系统数据不丢失。

附图说明

图1是叶片及其动态应变的实时检测装置组成示意图。

图2是无线发射模块组成示意图。

图3是图1中叶片的动态变形实时在线监测网络结构示意图。

图4是图1中信号调理及无线变送器10的示意图。

图5是多通道镜像恒流源电源供电示意图。

图6是差动半桥信号检测调理模块示意图。

图7是多任务的数据采集与无线发送模块的流程示意图。

图8是微型风力发电机和蓄电池供电模块示意图。

图中标号：1为轮毂；2、3、4、5分别为第一叶片纵向应变检测应变片、第二叶片纵向应变检测应变片、第三叶片纵向应变检测应变片、第四叶片纵向应变检测应变片和第五叶片纵向应变检测应变片；7为叶片横向断面；8、9分别为第一横向应变检测应变片、第二横向应变检测应变片；10为信号调理及无线变送器；10-1为差动半桥信号检测调理模块；10-2为模数转换器模块；10-3为微处理器；10-4为无线变送器的无线发射/接收模块；11为无线接收/发送器；12为监测仪表设备；13为工业总线；14为蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一台风力发电机有多个叶片，叶片安装在轮毂1上，根据叶片结构，在每个叶片上选取纵向变形、横向变形、龙骨变形的检测点，粘贴应变片在被检测点。本发明在叶片的纵向应变方向间隔安装第一纵向应变检测应变片2、第二纵向应变检测应变片3、第三纵向应变检测应变片4、第四纵向应变检测应变片5，在叶片横向断面7上安装和一横向应变检测应变片8、第二横向应变检测应变片9。安装在叶片上的信号调理及无线变送器10与安装在轮毂1上的蓄电池14连接。在距离叶片一段距离处设置无线接收/发送器11，该无线接收/发送器11连接监测仪表设备12，监测仪表设备12接工业总线13接口，工业总线13连接到上位机或其它系统。

图3是本监测系统的网络结构示意图，在每个叶片安装信号调理及无线变送器10，通过有线方式连接该叶片各个被检测点P_i应变片，图中为三个叶片的信号调理及无线变送器10与监测仪表设备12的无线接收/发送器11组成星状网进行无线数据传输。

图4是信号调理及无线变送器10示意图，由差动半桥信号检测调理模块10-1、模数转换器模块10-2、微处理器10-3、无线变送器的无线发射/接收模块10-4连接组成。其中差动半桥信号检测调理模块10-1对被检测点P_i的应变片的应变模拟信号进行检测和调理，由模数转换器模块10-2变换数字量，然后由微处理器10-3将数字量编码，最后无线发射/接收模块发送信号，同时无线发射/接收模块10-4接收监测仪表设备12发出的控制指令；监测仪表设备12对被测数据进行处理、存储、显示和通过接口传输。

多通道镜像恒流源电源供电电路如图5所示，采用单片集成绝缘栅型晶体管(简称MOSFET)阵列芯片，T₀、T₁、T₂…T_N封装在一只硅片上，可以实现：1)所有的MOSFET具有相同的阈值电压、传输特性和温度特性；2)MOSFET的增益非常大，其导通特性为沟道电阻，具有的负反馈特性能够提高恒流源的稳定性。

图6给出差动半桥信号检测调理模块示意图。由图5实现的恒流源输出多路，任一路输出电流I_D给图6的差动半桥信号检测调理模块供电。当被测点形变时，应变片的电阻R_X1与R_X2所受应变大小相等，方向相反，其各自的变化量均为ΔR，其中r₁、r₂和r₃为导线引线电阻。那么引起的电压变化量为I_D×ΔR，该信号通过IC₁、IC₂和IC₃差分放大，得到输出为：U_oi＝4K₀K₃I_DΔR，K₀为IC₃放大倍数，K为IC₁、IC₂放大倍数；设计导线引线长度一致，引线电阻r₁≈r₂≈r₃，可认为常数，电路将相互抵消。应变量ε与应变电阻ΔR的关系为：ε≈ΔR/πER，因此可通过对ΔR的测量，检测到该点的应变值。

在应变片差动半桥信号检测调理模块中，应变片R_x1、R_x2选用同一批次，其电阻温度系数、线膨胀系数、灵敏度温度系数均相同，且标称电阻值也相同。由温度引起应变电阻R_x1和R_x2的变化量大小相等、方向相同，通过差动半桥相互抵消，只有应变方向相反的应变电阻应变量得到放大输出。

本发明的监测方法是：将图1中叶片的变形，反映在应变片电阻的变化；采用图5的恒流源供电电路，得到应变电阻变化量的检测；然后通过图6所示的差动半桥信号检测调理模块及其图4的数据采集模块，实现了模拟信号的数字化；最后采用图3所示的无线传输网络，将采集到的数据发送控制室，如图3的无线接收/发送器11、监测仪表设备12、工业总线13部分；由于风力发电机的叶片是旋转机械，且所有的数据采集及其无线传输都安装在叶片上，其供电部分采用了如图8所示的微型风力发电机及其蓄电池电路。最后，控制中心根据检测的数据进行叶片变形重构，得到叶片的疲劳程度，达到叶片实时检测的目标。

图7所示的流程图是图4数据采集模块的软件程序框图。该框图主要完成了两个功能，即两个子任务，一个是数据采集子任务，一个是无线数据传输子任务(应对流程图进行完整的说明)。主程序完成系统的初始化、两个子任务的建立、任务执行的时标10ms等功能；数据采集子任务完成模拟数据的数字化及其存储，并判断数据是否被发送出去；无线数据传输子任务判断存储的数据是否更新，然后决定是否无线传输更新后的数据。

图8所示的电路是微型风力发电机及其蓄电池构成的供电电路。因为大型风力发电机都是安装高度在60m以上，而且是空旷的野外，风叶上总是有微风的。微型风力发电机利用该微风发电，并通过充电器给蓄电池充电和电路供电。一般情况下，蓄电池的电压较高，约为24V左右，而数据采集及其调理电路等电路部分，只需要3～5V的直流电压，那么通过变换器，将24V电压变换到3.3V，实现整个系统的不间断供电。

Claims (1)

1.一种风力发电机叶片动态挠曲变形的在线实时监测方法，其特征具体步骤如下：

(1)在一台风力发电机的每个叶片上选取纵向变形和横向变形的检测点，在叶片的纵向应变方向间隔安装纵向应变检测应变片，在叶片横向断面上间隔安装横向应变检测应变片；将安装在叶片上的信号调理及无线变送器与安装在轮毂上的蓄电池连接；在距离叶片一段距离处设置无线接收/发送器，该无线接收/发送器连接监测仪表设备，监测仪表设备接工业总线接口，工业总线连接到上位机；信号调理及无线变送器由差动半桥信号检测调理模块、模数转换器模块、微处理器和无线变送器的无线发射/接收模块组成；

(2)当叶片变形时，纵向应变检测应变片和横向应变检测应变片分别将其信号输入到信号调理及无线变送器，差动半桥信号检测调理模块对被检测点的应变片的应变模拟信号进行检测和调理，由模数转换器模块变换数字量，然后由微处理器将数字量编码，最后无线发射/接收模块发送信号，同时无线发射/接模块接收监测仪表设备发出的控制指令；监测仪表设备对被测数据进行处理、存储、显示和通过接口传输；控制中心根据检测的数据进行叶片变形重构，得到叶片的疲劳程度，达到叶片实时检测的目标。

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