CN104075837A - 钢丝皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢丝皮带张力自动监测系统，包括用于检测皮带中钢丝电阻值的钢丝电阻检测器、控制所述钢丝电阻检测器启停的控制器、对所述钢丝电阻检测器采集的数据进行处理的数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器。本发明还公开了钢丝皮带张力自动监测方法。以及公开了包含上述钢丝皮带张力自动监测系统的风电机变桨系统和该系统中对同步带张力监测的自动监测方法。本发明利用皮带中钢丝电阻值与皮带张力相关性的原理，通过检测皮带中钢丝电阻值实现在线监测钢丝皮带运行状态的功能，极大地方便了需要远程监测皮带运行状态的情况。本发明风电机变桨系统中通过定期自动监测同步带的工作状态，极大的降低了风电机组存在的安全隐患。

Description

钢丝皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统

技术领域

本发明涉及皮带张力监测技术领域，特别是涉及钢丝皮带张力自动监测系统和监测方法及风电机变桨系统。

背景技术

随着风力发电机技术的日益成熟，各种成熟技术和新技术也不断应用在风力发电机上。比如风力发电机的叶轮部分，传统的控制叶片变桨角度的动力系统是液压传动，随着同步带技术的发展，其也应用到风机的变桨驱动系统中。同步带传动兼有齿轮(同步带轮)传动，链传动和带传动的各自优点，不需要润滑，滑差小，无污染，噪音小，结构紧凑，运转平稳的特点。

但同步带传动也存在很多缺陷，如果调整不当，容易出现断齿、跳齿现象，甚至发生断裂现象。由于风载荷不稳定，且风力发电机组容易发生振动，如果同步带安装使用不当，很容易发生断裂、跑偏和爬齿现象。并且，随着机组的运行，由于同步带变形及机组振动等原因引起的同步带张力改变，都会造成严重后果。在大型风力发电机机组上，目前尚没有针对同步带驱动的变桨系统的状态监测系统。对于直驱机组来说，叶片气动刹车是关键的控制系统，如果三支叶片的变桨驱动都失效的话，将带来灾难性后果。即使一只叶片的同步带损坏从而导致变桨驱动失效，也将给机组设备带来严重损坏，造成较大经济损失。

目前同步带张紧力的测试都是使用便携式皮带张力仪(Tension Meter)获得,如附图1可见，通过敲击张紧的同步带1以便使它以固有频率震荡，该静态的固有频率在脉冲光波的辅助下被传感器10测量出来。同步带的张紧力通过下面公式计算得到：T＝4×m×L²×f²

T＝皮带张力，单位：N

m＝皮带线重量，单位：kg/m

L＝未固定段的皮带长度，单位：m

f＝未固定段的皮带固有频率，单位：Hz

现阶段应用于风力发电机变桨系统的同步带张力测试是工程师抵达风机内手工直接测试，此方法首先需要将风机停止运行，并锁定叶轮，测试人员进入叶轮内部才可以进行操作。另外，此方法不能做到长期实时测量，而且受到测试条件的影响，例如在恶劣天气下有可能无法抵达风机，尤其是海上风电场，抵达风机的时间窗口更是受到限制，不能按计划完成测试。

由此可见，上述现有的皮带张力仪在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何创设一种能实现在线监测且方便可行的一种钢丝皮带张力自动监测系统，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能实现在线监测且方便可行的钢丝皮带张力自动监测系统，使其可实时监测含钢丝皮带的运行状态，从而克服现有的皮带张力仪的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种钢丝皮带张力自动监测系统，包括用于检测皮带中钢丝电阻值的钢丝电阻检测器、控制所述钢丝电阻检测器启停的控制器、对所述钢丝电阻检测器采集的数据进行处理的数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器。

作为进一步改进，所述皮带中的钢丝以分组串联的方式接入所述钢丝电阻检测器。

进一步改进，所述数据处理器还直接与所述控制器连接。

进一步改进，所述钢丝皮带为含钢丝的同步带。

本发明还要解决的技术问题是提供一种能在线监测的皮带张力自动监测方法，使其对皮带的运行状态实时监测，从而克服现有的皮带张力仪的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供了钢丝皮带张力自动监测系统的自动监测方法，其监测步骤为：

(1)所述控制器控制所述钢丝电阻检测器开启；

(2)所述钢丝电阻检测器自动检测皮带中钢丝的电阻值，并将得到的钢丝电阻值输出给所述数据处理器后，所述控制器控制所述钢丝电阻检测器停止工作；

(3)所述数据处理器对所述电阻值数据进行分类处理，对正常范围的数据存储、统计；对异常数据通过所述状态报警器报警。

进一步改进，上述步骤(3)中对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对所述一级立即更换信号通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。

还提供一种进一步改进的钢丝皮带张力自动监测方法，其监测步骤为：

(1)所述控制器控制所述钢丝电阻检测器开启；

(2)所述钢丝电阻检测器自动检测皮带中钢丝的电阻值，并将得到的钢丝电阻值输出给所述数据处理器后，所述控制器控制所述钢丝电阻检测器停止工作；

(3)所述数据处理器对所述电阻值数据进行分类处理，对正常范围的数据存储、统计；对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对所述一级立即更换信号处理步骤为传输指令给所述控制器，重复上述步骤(1)、(2)、(3)，结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。

本发明还解决的技术问题是提供一种能实现在线监测同步带运行状态的风电机变桨系统，使其可实时监测同步带的工作状态，从而克服现有风电机变桨系统的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种风电机变桨系统，所述变桨系统的驱动装置通过钢丝同步带传动，所述变桨系统包括上述的钢丝皮带张力自动监测系统，所述钢丝皮带张力自动监测系统包括三个并列的分别用于检测风电机组中三条同步带钢丝电阻值的钢丝电阻检测器，所述控制器还与所述风电机组的主控系统连接，所述状态报警器包括三个与三条同步带相对应的报警机构。

本发明还公开了上述风电机变桨系统中皮带张力自动监测系统的皮带张力自动监测方法，监测步骤为：

(1)所述控制器向主控系统发出监测所述同步带工作状态的申请；

(2)当所述主控系统通过所述控制器的申请时，风电机组停止运行，所述控制器控制所述三个钢丝电阻检测器分别开启；

(3)所述三个钢丝电阻检测器分别自动检测三条同步带中钢丝的电阻值，并将得到的钢丝电阻值均输出给所述数据处理器后，所述控制器撤销向主控系统的申请并控制所述三个钢丝电阻检测器停止工作；

(4)所述数据处理器分别对三条同步带中钢丝的电阻值数据进行分类处理，对正常范围的数据存储、统计；对异常数据通过所述状态报警器的报警机构报警。

进一步改进，所述步骤(4)中数据处理器对异常数据的处理步骤为：将异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对一级立即更换信号传输指令给所述控制器，重复上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过所述报警机构的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述报警机构的指示灯指示。

采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明钢丝皮带张力自动监测系统利用皮带中钢丝电阻值与皮带张力相关性的原理，通过检测皮带中钢丝电阻值实现在线监测钢丝皮带运行状态的功能，极大地方便了需要远程监测皮带运行状态的情况。

(2)本发明中将皮带的钢丝以分组串联的方式接入钢丝电阻检测器，克服了单根钢丝电阻值较小的缺陷，利于提高钢丝电阻值的测量精度。

(3)本发明风电机变桨系统中同步带张力监测系统通过定期对同步带中钢丝电阻值的检测以确定同步带的工作状态，及时调整同步带的张力，极大的降低了采用此类变桨系统的风电机组存在的安全隐患，提高了风电机组的可靠性和可利用率，从而提高了风电场的发电量，降低了运维成本，增加了经济效益。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1现有的皮带张力仪工作原理示意图；

图2本发明实施例中钢丝同步带结构的侧视图；

图3为图2中A-A向的横截面图；

图4本发明实施例风电机变桨系统中钢丝同步带张力监测系统工作原理示意图；

图5为未安装钢丝电阻检测器的风电机变桨系统局部图；

图6为安装了钢丝电阻检测器的风电机变桨系统局部图；

图7中图6中钢丝电阻检测器安装的局部放大图。

具体实施方式

本发明风电机变桨系统通过含钢丝的同步带传动控制叶片的变桨角度。含钢丝的同步带结构参照附图2和3所示，由于钢丝2为一种金属导体，金属导体的电阻值为：R＝ρ×L/S，其中R为电阻、ρ为电阻率、L为导线长度、S为导线横截面积。电阻率ρ是物质的固有属性，只与温度有关，故在一定的温度条件下，金属导线电阻R与导线长度L和横截面积S的倒数成线性关系，即金属导线的电阻值R越大，表明长度L/横截面积S值越大。又因为在一定的温度和风载荷条件下，风电机组中同步带1的钢丝长度L/横截面积S值增加越大，表明该同步带1张力变化越大。本发明就是利用同步带1中钢丝2电阻值与同步带张力具有相关性的原理，通过定期检测同步带1中钢丝2电阻值的变化率来监测同步带1的张力变化情况，确定同步带1是否有良好的工作状态，以及时调整同步带1的张力。

在风电机组运行的实验阶段，通过测试在不同工况条件下(如不同温度不同风载荷条件下)同步带1中钢丝2电阻值的变化来确定与同步带1张力的关系式，建立趋势数据库，同时进行仿真并与机组设计载荷进行对比。最后根据实验数据和设计要求，设定不同的预警值，产生不同的报警级别。

参照附图4至7可见，为能够在线监测同步带1的张力，本发明风电机变桨系统包括钢丝同步带张力自动监测系统，所述钢丝同步带张力自动监测系统包括用于检测同步带1中钢丝2电阻值的钢丝电阻检测器6、控制钢丝电阻检测器6启停的控制器、对钢丝电阻检测器6采集的数据进行处理的数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器。

钢丝电阻检测器6安装于同步带1两端的连接处，同步带1位于风电机组轮毂4外侧与变桨轴承5齿轮配合。根据同步带1型号的不同，内部钢丝2的总数在40-50根，单根钢丝的电阻值较小且同步带1在工作过程其伸长率≤0.2％，为了便于测量和提高测量精度，在设备安装时，将同步带1两端的钢丝2分组串联，分别组成若干被测对象接入钢丝电阻检测器6内。由于风电机组包括三条同步带，钢丝同步带张力自动监测系统包括三个分别用于检测风电机组中三条同步带钢丝电阻值的钢丝电阻检测器6，三个钢丝电阻检测器6并列的与控制器和数据处理器连接。

上述控制钢丝电阻检测器6的控制器还与风力发电机的主控系统通讯连接。在合适的测试工况下，控制器向主控系统发出监测同步带1工作状态的申请，当主控系统通过此申请时，风力发电机组停止运行，控制器发出指令，三个钢丝电阻检测器6分别开始对三条同步带1中钢丝2的电阻值进行检测，并将得到的钢丝电阻值均输出给数据处理器。数据传输完成后，控制器撤销向主控系统发出监测同步带1工作状态的申请并控制钢丝电阻检测器6停止工作。

数据处理器对钢丝电阻检测器6传输的数据分类处理，根据趋势数据库中设定的不同预警值，对正常范围的数据，存储一段时间内的三支同步带钢丝电阻值的数据，并进行数据统计后输出，超出数据自动溢出；根据长期测定的数据，修正钢丝电阻值与同步带张力的关系式，并相应调整不同的预警值。对于异常数据，可以分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对一级立即更换信号通过状态报警器的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过状态报警器的相应指示灯指示。

为了清楚准确的了解三条同步带各自的工作状态，状态报警器包括三个与三条同步带相对应的报警机构。报警机构根据不同的报警级别分为报警器和不同颜色的指示灯。

为了确保监测结果的准确性，在数据处理器和控制器之间还设有一反馈线连接，对第一次测定结果为一级信号或可能数据错误的结果，数据处理器通过反馈线传输指令给控制器，控制器再次发出指令，使钢丝电阻检测器6对同步带1中钢丝2的电阻值进行测定，测得数据传输给数据处理器，对结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过报警机构的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过报警机构的不同指示灯指示。

本发明风电机变桨系统中钢丝同步带张力自动监测系统的作用相当于给机组的变桨系统增加了一个反馈装置，解决了变桨系统电机旋编无反馈的问题，并且本发明不影响机组的正常运行，且可以接入机组的安全链以及状态监测系统，起到保护和预警作用。

本发明中钢丝同步带张力自动监测系统通过定期自动监测同步带的工作状态，及时调整同步带的张力，极大的降低了采用此类变桨系统的风力发电机组存在的安全隐患，提高了风力发电机机组的可靠性和可利用率，从而提高了风电场的发电量，降低了运维成本，增加了经济效益。

在同步带技术应用到风力发电机组的轮毂变桨系统后，对于同步带在不同风速载荷的实际受力情况一直是个空白，在设计选型时都是根据以往经验，没有实际数据来验证，无法满足优化的需求。而本发明中根据钢丝电阻检测器测试的数据，通过对同步带的实时监测，对于优化和改进同步带驱动的变桨系统起重要作用。

本发明钢丝同步带张力自动监测系统也可以应用到其它含有钢丝的同步带、平皮带或三角带等钢丝皮带传动作业的行业，如矿山传输、码头传输等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钢丝皮带张力自动监测系统，其特征在于，包括用于检测皮带中钢丝电阻值的钢丝电阻检测器、控制所述钢丝电阻检测器启停的控制器、对所述钢丝电阻检测器采集的数据进行处理的数据处理器以及与数据处理器连接的状态报警器。

2.根据权利要求1所述的钢丝皮带张力自动监测系统，其特征在于，所述皮带中的钢丝以分组串联的方式接入所述钢丝电阻检测器。

3.根据权利要求1所述的钢丝皮带张力自动监测系统，其特征在于，所述数据处理器还直接与所述控制器连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的钢丝皮带张力自动监测系统，其特征在于，所述钢丝皮带为含钢丝的同步带。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的钢丝皮带张力自动监测系统的钢丝皮带张力自动监测方法，其特征在于，监测步骤为：

(1)所述控制器控制所述钢丝电阻检测器开启；

(2)所述钢丝电阻检测器自动检测皮带中钢丝的电阻值，并将得到的钢丝电阻值输出给所述数据处理器后，所述控制器控制所述钢丝电阻检测器停止工作；

(3)所述数据处理器对所述电阻值数据进行分类处理，对正常范围的数据存储、统计；对异常数据通过所述状态报警器报警。

6.根据权利要求5所述的钢丝皮带张力自动监测方法，其特征在于，所述步骤(3)中对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对所述一级立即更换信号通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。

7.一种如权利要求3所述的钢丝皮带张力自动监测系统的钢丝皮带张力自动监测方法，其特征在于，监测步骤为：

(1)所述控制器控制所述钢丝电阻检测器开启；

(2)所述钢丝电阻检测器自动检测皮带中钢丝的电阻值，并将得到的钢丝电阻值输出给所述数据处理器后，所述控制器控制所述钢丝电阻检测器停止工作；

(3)所述数据处理器对所述电阻值数据进行分类处理，对正常范围的数据存储、统计；对异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对所述一级立即更换信号处理步骤为传输指令给所述控制器，重复上述步骤(1)、(2)、(3)，结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过所述状态报警器的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述状态报警器的指示灯指示。

8.一种风电机变桨系统，所述变桨系统的驱动装置通过钢丝同步带传动，其特征在于，所述变桨系统包括如权利要求4所述的钢丝皮带张力自动监测系统，所述钢丝皮带张力自动监测系统包括三个并列的分别用于检测风电机组中三条同步带钢丝电阻值的钢丝电阻检测器，所述控制器还与所述风电机组的主控系统连接，所述状态报警器包括三个与三条同步带相对应的报警机构。

9.一种如权利要求8所述的风电机变桨系统中钢丝同步带张力自动监测方法，其特征在于，监测步骤为：

(1)所述控制器向主控系统发出监测所述同步带工作状态的申请；

(2)当所述主控系统通过所述控制器的申请时，风电机组停止运行，所述控制器控制所述三个钢丝电阻检测器分别开启；

(3)所述三个钢丝电阻检测器分别自动检测三条同步带中钢丝的电阻值，并将得到的钢丝电阻值均输出给所述数据处理器后，所述控制器撤销向主控系统的申请并控制所述三个钢丝电阻检测器停止工作；

(4)所述数据处理器分别对三条同步带中钢丝的电阻值数据进行分类处理，对正常范围的数据存储、统计；对异常数据通过所述状态报警器的报警机构报警。

10.根据权利要求9所述的钢丝同步带张力自动监测方法，其特征在于，所述步骤(4)中数据处理器对异常数据的处理步骤为：将异常数据分一级立即更换信号、二级准备备件信号、三级持续观察信号处理，对一级立即更换信号传输指令给所述控制器，重复所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)，结果仍为一级立即更换信号的异常数据通过所述报警机构的报警器报警，对二级准备备件信号、三级持续观察信号通过所述报警机构的指示灯指示。