CN104067011A - 旋转系统状态监控装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配置用于监控旋转系统状态的装置，所述旋转系统包括主轴承、监控装置，所述监控装置包括配置成布置在靠近主轴承的第一位置用于确定指示第一位置的电流的第一测量值的第一测量设备，以及连接于测量设备的控制单元，其中所述控制单元还配置成形成基于所述第一测量值的第一参数，与具有数个预定电流流型的所述第一参数匹配，数个预定电流流型的每一个指示所述旋转系统的状态，如果发现匹配电流流型就确定相应状态的相关水平，并且如果所述相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。本发明提供改进的旋转系统监控和故障预测。

Description

旋转系统状态监控装置与方法

技术领域

本发明涉及配置用于监控状态的装置，特别涉及具有连接于主轴的桨片的大规模旋转系统。本发明还涉及相应的方法、计算机程序产品以及管理服务器，配置用于监控这种状态。

背景技术

具有连接于主轴的桨片的大规模旋转系统已经有很长的应用，例如具有大规模旋转系统的技术领域是水平轴线风轮机领域。已知的是，为了最优化旋转系统的运行效率，在运行期间控制桨片的桨距(纵向旋转状态)。在例如风轮机的旋转系统中，例如由于风力和电流状态等，连接主轴与固定结构—风轮机的发动机舱—的主轴承在运行期间受到相当大的并且变化的力。

为了改进例如风轮机的可用时间，可以监控各种参数，例如振动、润滑压力等，并且将其传输到远距离位置用于工作人员检查。

例如，EP2290233描述了用于风轮机的管理的系统，尤其涉及确定和分析风轮机的运行有关的运行特征并且确定风轮机的故障是否可重置。

虽然目前在现有技术中描述的监控帮助安排维修，并且从而可以改进风轮机和其它类似旋转系统的可用性，但是无法及时检测到的失效模式仍然存在。

因此，需要对以上用于风轮机和其它旋转系统的管理的系统提供改进，从而能够更加有效、持久以及故障监控和故障预测。因此，可以增加风轮机的比如运行时间。

发明内容

由于上面所述，本发明的主要目标是提供涉及与旋转系统有关的监控和故障预测的改进，从而提高旋转系统的效率。

根据本发明的一方面，这些或其它目标通过配置成监控旋转系统状态的装置来实现，所述旋转系统包括主轴承，监控装置，所述监控装置包括配置成布置在靠近主轴承的第一位置的用于确定指示第一位置的电流的第一测量值的第一测量设备，以及连接于测量设备的控制单元，其中所述控制单元还配置成形成基于第一测量值的第一参数、与具有数个预定电流流型的第一参数匹配，数个预定电流流型的每一个指示旋转系统的状态、如果发现匹配电流流型就确定相应状态的相关水平，并且如果相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。

从电机领域中已知产生在电机的轴上的电压会导致从轴流到连接于轴的轴承的放电电流。这种放电电流会依次导致轴承环中或滚动元件中的火花痕迹、点蚀和焊接，从而损坏轴承。最终，放电电流会导致轴承失效。在例如风轮机的大规模旋转系统领域，主轴承不连接于发动机，因此主轴中电荷的累积并不是期望的。因此，不应有电流通过主轴承。

但是，由于例如旋转系统中的主轴可围住用于提供电力给一个或更多个布置在轮毂的电动机的电缆，部分电流可能选择电缆外部的不同路径。原因可能是，例如，安装在轮毂中的设备可能具有对于轮毂和/或轴的电容耦合。此外，可能有取决于在轮毂上的接地导体的构造的地电位。因此，轴电压可导致经过轴承流到地面的电流。轴可电阻性地和/或电容性地联接于轴承，或者导致通过轴承的阻性电流或者导致电荷的电容性的累积从而产生放电电流。此外，由于控制变桨发动机的系统可以是用电容性联接于地面的开关偏置的给变距引擎提供动力的开关系统，具有高频泛音的电流会流经轴承。相比具有更低频的电流这种泛音可能对于轴承的损害更大，因为从轴到轴承以及从轴承到地面的电容性联接的阻抗由于增加的频率而减小。

因此，同样在轴承并不布置成电动机一部分的情况下，需要测量流经主轴承的电流。特别地，通过检测和监控在主轴承附近的第一位置(与感应电压有关)流动的电流，并且用数个预定电流流型的其中一个对比和匹配有关于电流流型的第一参数，它可以确定例如发生在旋转系统主轴承的特定状态。

根据本发明的一个实施方式，布置在轮毂的至少一个电动机可以是变桨控制发动机，其布置在轮毂并配置成控制至少一个所述桨片的桨距。例如，所检测电流的频率型式可以指示布置在旋转系统轮毂的一个或数个变桨控制发动机的状态。另外，不同运行模式和风力状态可通过对于通过主轴承的电流的分析而识别出。

变桨控制发动机的不同状态(例如，“开始模式”、“稳定运行模式”和“停止模式”)对于主轴承可能有不同的(消极的)影响。因此，所期望的是将作为结果的状态分类、并且不同地设定相关水平，以防旋转系统处在具有较长周期的运转模式，例如当旋转系统处在具有基本上恒定的主轴旋转速度的稳定运行模式下。

因此，通过本发明可以预测和预先指示例如主轴承的可能的故障，通过用预定电流流型对比所检测的电流，其中每个电流流型可涉及与旋转系统运转有关的特定状态。预定电流流型例如可基于使用第一测量设备记录的历史数据确定。

但是，可能不需要长时间地记录数据，其中长时间可指的是超过例如一小时的时间。但是，在有代表性的实施方式中，在较短时间记录的数据、例如旋转系统规律的“核对”，可用于确定旋转系统的基本上实时的状态。也就是，可以仅仅基于来自测量设备的较短取样期间直接得出旋转系统的状态的结论。

在本文中，主轴承应当理解成适于用在旋转系统中的任何类型的轴承，例如单排或双排圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、球形滚子轴承或滚珠轴承。轴承还包括布置在外环和内环之间的用于使滚动元件保持在位的保持器。例如，保持器可由金属材料制成，比如黄铜或钢，或者由聚合物制成，例如聚醚醚酮(PEEK)或类似聚合物为基的材料。

在优选的实施方式中，监控装置还包括第二测量设备，配置为布置在主轴承另一侧上的、靠近主轴承的第二位置，用于确定指示在第二位置的电流的第二测量值，所述控制单元连接于测量设备，其中第一参数基于与流过主轴承的电流的第一和第二测量值之间的差确定。

因此，通过确定例如在主轴承的一侧上流动电流和在主轴承的另一侧上流动的电流之间的差，可计算出泄漏电流(型式)并且进而与相应的预定电流流型对比和匹配。关于变桨发动机状态的以上讨论，还应注意到的是，例如在长时间内(例如稳定运行模式)的小泄漏电流比起在较短时间内(停止模式)的更大泄漏电流对主轴承的牵连更大。当分类作为结果的状态时，优选地考虑这种观察现象。

优选地，第一和第二测量设备的至少一个包括配置用于围绕旋转系统的主轴布置的线圈。通过在主轴周围布置线圈，经过主轴的电流变化会引起线圈中的电压。可优先使用空芯线圈，例如Rogowski式线圈。线圈以环形的方式布置在主轴周围从而使得电流所产生的交变磁场引发线圈中的电压。电压被积分从而产生代表主轴中电流的波形。因而，第一和第二波形产生并且通过取两个波形的差，推出经过轴承的电流。但是，同样地可以先取两个在线圈中感应的电压之间的差然后将得到的电压差积分从而推出经过轴承的电流。利用用来测量电流的线圈的优势在于，它可以围绕主轴布置而不干涉旋转系统的其它部分。此外，通过使用开放式的Rogowski式线圈，大大简化了线圈在现有系统中的整合。但是，可围绕主轴布置的、能检测电流的任何种类的线圈都是可行的。另外，由于线圈和任何活动部分之间没有接触，部件之间没有磨损并且因此所需维护保持在最低值。

在优选的实施方式中，控制单元还可配置成接收与旋转系统有关的状态信息，包括主轴的旋转速度、旋转系统的运转模式的至少一个。如果旋转系统包括一个或数个变桨发动机，关于一个或数个变桨发动机的运转状态可被控制单元接收。另外，关于风轮机，控制单元优选地可布置成也接收外部风速、风向、温度等其中之一的信息。来自旋转系统的每个不同部件的信息可被结合，用于确定状态并且预测例如旋转系统的主轴承或其它部件的可能的故障。

在优选实施方式中，控制单元距离旋转系统远距离地布置、通过网络连接于第一和第二测量设备的至少一个。因此，有关于状态的信息、以及如果相关水平在预定极限值之上的警告指示可在用于数个旋转系统的例如风电场的管理点接收到。

根据本发明的另一方面，提供一种用于监控旋转系统状态的方法，所述旋转系统包括主轴承，所述方法包括从布置在靠近主轴承第一位置的第一测量设备接收指示电流的第一测量值、形成基于第一测量值的第一参数、与具有数个预定电流流型的第一参数匹配，数个预定电流流型的每一个指示旋转系统的状态、如果发现匹配电流流型就确定相应状态的相关水平、并且如果相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。这方面提供与上述相似的优势。

根据又一方面，提供用于使控制单元应用上述方法的计算机程序。这方面也提供与上述相似的优势。计算机可读媒介可以是可拆的非挥发随机存取存储器、硬盘驱动器、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、USB存储器、SD存储卡或者本领域已知的类似计算机可读媒介的其中一种。

根据本发明的又一方面，提供用于监控旋转系统的管理服务器，所述旋转系统包括主轴承，其中管理服务器配置用于接收指示在靠近主轴承的第一位置的电流的第一测量值，形成基于第一测量值的第一参数、与具有数个预定电流流型的第一参数匹配，数个预定电流流型的每一个指示旋转系统的状态、如果发现匹配电流流型就确定相应状态的相关水平、并且如果相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。

参考上述监控装置、方法和计算机程序，管理服务器以相似的方式具有优势并且允许与监控有关的改进和与旋转系统有关的故障预测，从而实现旋转系统效率增加。在以下给出的本发明的详细说明中将进一步讨论监控装置可能连接的管理服务器。

从以下详细公开、所附从属权利要求以及附图中，本发明的其它目标、特征和优势将变得明显。

附图说明

参考表示本发明至少一个实施方式的附图，现将更具体地描述本发明的这些或其它方面，其中

图1a示意性地表示布置在旋转系统中的有代表性的监控装置，并且图1b提供这种监控设备的控制单元的细节图；

图2提供使用根据本发明目前优选的实施方式的管理服务器管理的风电场的图示；以及

图3是表示本发明所述方法步骤的流程图。

具体实施方式

参考表示目前优选实施方式的附图，将更充分地描述本发明。但是，本发明可以很多不同形式表现并且不应当被解释成限制于这里提出的实施方式；倒不如说，这些实施方式是为了详尽性和完备性起见，并且向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。在全文中相同的附图标记表示相同的元件。

现参考附图，特别是参考图1，表示有代表性旋转系统的部分的示意图，例如，风轮机100，其中可采用根据本发明的测量方法和系统。在图1中所示的风轮机，轮毂102、连接于轮毂102的数个桨片104a-c、用于控制桨片104a-c的桨距的布置在轮毂102的至少一个变桨控制发动机(未示出)、附连于轮毂102并且围住用于给变桨控制发动机提供电力的电缆的主轴106、附连于用作电接地的金属结构118的轴承壳体108、以及具有附连于主轴106的内环和附连于轴承壳体108的外环的主轴承110。

在此所示的用于检测经过旋转系统的主轴承的电流的测量装置，包括在主轴承110的两侧上围绕主轴106布置的第一和第二测量设备114和116，每个以线圈形式用于测量电流。线圈114和116电连接于控制单元120并且线圈可以例如是Rogowski式线圈。在主轴106中的交流电将在线圈114和116中产生电压，在线圈中感应的电压与主轴106中的电流的倒数成比例。由控制单元120所检测的线圈中感应的电压在控制单元中积分从而以波形(代表电流)的形式表示通过主轴106的电流。

现转向提供了控制单元120的细节图的图1b，所述控制单元120包括有测量装置。控制单元120可包括微处理器、微控制器、可编程数字信息处理器或者另外的可编程器件。控制单元120还可以或者替换为包括特殊应用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或者数字信号处理器。控制单元120包括可编程器件例如上述的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器，处理器还可包括控制可编程器件运行的计算机可执行编码。

另外，控制单元120包括用于允许与例如管理服务器202有线和/或无线通信的通信接口，所述管理服务器远距离地远离风轮机100设置并且布置用于管理数个例如风电场200的风轮机，进一步地参考图2。例如，控制单元120和远距离布置的管理服务器202可通过使用移动或非移动通信协议、基于IP的协议、以及这些和其它协议的组合，例如在因特网上。

优选地，控制单元还配置用于接收从风轮机100的数个部件到相关传感器的扩展信息，包括例如与风速/方向、外部温度、振动、湿度水平等有关的信息。控制单元120依次配置用于处理并且关联扩展信息与测量值，所述测量值通过第一和可选地第二测量设备提供，用于确定要例如被传到远距离设置的管理服务器202的风轮机的状态。不同的信息可以从被确定状态提取出。例如，基于增长的电流的观察，可以预测潮湿对于控制风轮机100的变桨发动机的线缆的影响。另外，可以关于风轮机100的电相关的问题得到指示，包括，例如有关风轮机100的接地环路或风轮机100的零件的问题。其它有关电地问题可以相似方式从被确定的状态提取出。

此外，管理服务器202可依次被远距离地访问，使用例如具有提供给用户的界面的计算机206，其中计算机206连接于在因特网上204上的管理服务器202。

参考图3，在测量装置运行期间，从第一测量设备114接收第一测量值，S1。基于第一测量值，第一参数形成，S2，然后与数个预定电流流型匹配。如果发现匹配电流流型，可以确定相关水平，S4。如果相关水平在预定极限值之上，那么提供警告指示，S5。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元素或步骤，不定冠词“一个”并不排除数个。某些测量在互不相同的从属权利要求中陈述的仅有事实并不表明不能使用这些测量的组合从而产生更好效果。

本领域的技术人员认识到，本发明决不限于上述优选的实施方式。例如，即使以上公开的实施方式涉及风轮机应用中的主轴中AC电流的检测，但是同样可以提供用于例如海洋应用中的主轴中的直流电。虽然变桨控制用在很多船只中，但是对于在电解液(海水)中的不同材料的应用，可能更常涉及船只的杂散电流问题。

以上已经参考一些实施方式描述了本发明。但是，本领域技术人员可以容易地认识到，在本发明范围之内的通过所附专利权利要求限定的除以上公开的其它实施方式也是同样可能的。

Claims (13)

1.一种配置为用于监控旋转系统状态的装置，所述旋转系统包括主轴承、监控装置，所述监控装置包括：

第一测量设备，配置成布置在靠近主轴承的第一位置，用于确定指示第一位置的电流的第一测量值，以及

控制单元，连接到该测量设备，其中所述控制单元还配置成：

基于所述第一测量值形成第一参数；

匹配该第一参数与多个预定电流图形，该多个预定电流图形的每一个指示所述旋转系统的状态；

如果发现匹配电流图形就确定相应状态的相关水平；并且

如果所述相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。

2.根据权利要求1所述的监控装置，还包括第二测量设备，所述第二测量设备配置为布置在所述主轴承另一侧上的、靠近主轴承的第二位置，用于确定指示在所述第二位置的电流的第二测量值，所述控制单元连接于所述测量设备，其中所述第一参数基于与流过所述主轴承的电流的所述第一和第二测量值之间的差确定。

3.根据权利要求1和2的任一项所述的监控装置，其中所述旋转系统包括主轴，并且所述第一和第二测量设备的至少一个包括配置用于围绕所述旋转系统的所述主轴布置的线圈。

4.根据前述权利要求的任一项所述的监控装置，其中所述控制单元还配置成基于当前和历史匹配的电流图形预测所述旋转系统的故障部件。

5.根据前述权利要求的任一项所述的监控装置，其中所述控制单元还配置成接收与所述旋转系统有关的状态信息，包括所述主轴的旋转速度、所述旋转系统的运转模式的至少一个。

6.根据权利要求5所述的监控装置，其中所述预定电流图形根据所述旋转系统的运转模式动态地修正。

7.根据前述权利要求的任一项所述的监控装置，其中所述控制单元距离旋转系统远距离地布置，通过网络连接于所述第一和第二测量设备的至少一个。

8.根据权利要求7所述的监控装置，其中所述控制单元包括在管理服务器中。

9.一种用于监控旋转系统状态的方法，所述旋转系统包括主轴承，所述方法包括：

从布置在靠近所述主轴承的第一位置的所述第一测量设备接收指示电流的第一测量值；

基于所述第一测量值形成第一参数；

匹配所述第一参数与多个预定电流图形，该多个预定电流图形的每一个指示旋转系统的状态；

如果发现匹配电流图形就确定相应状态的相关水平；并且

如果所述相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

从布置在靠近所述主轴承的第二位置的所述第二测量设备接收指示电流的第二测量值；

确定与流过所述主轴承的电流对应的所述第一和第二测量值之间的差；以及

基于所述第一和第二测量值之间的差形成所述第一参数。

11.一种计算机可读媒介，所述计算机可读媒介上的计算机程序使控制单元应用权利要求10或11所述的方法。

12.一种用于监控旋转系统的管理服务器，所述旋转系统包括主轴承，其中所述管理服务器配置为：

接收指示在靠近所述主轴承的第一位置的电流的第一测量值；

基于所述第一测量值形成第一参数；

匹配所述第一参数与多个预定电流图形，该多个预定电流图形的每一个指示旋转系统的状态；

如果发现匹配电流图形就确定相应状态的相关水平；并且

如果所述相关水平在预定极限值之上就提供警告指示。

13.根据权利要求9所述的管理服务器，还包括：

从布置在靠近所述主轴承的第二位置的所述第二测量设备接收指示电流的第二测量值；

确定与流过所述主轴承的电流对应的所述第一和第二测量值之间的差；以及

基于所述第一和第二测量值之间的差形成第一参数。