CN107810325B - 确定传动系中的扭转变形的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定例如风力涡轮机的传动系中的扭转变形的方法。为了提供可靠和简单的变形评估，该方法包括产生代表低速轴的第一转速的第一信号的步骤、产生代表高速轴的第二转速的第二信号的步骤、以及基于第一和第二信号之间的比率变化确定扭转变形的步骤。

Description

确定传动系中的扭转变形的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定包括第一轴和第二轴的类型的传动系中的扭转变形的方法和装置。第一轴和第二轴通过变速箱连接，该变速箱提供第一轴的转速(在此为第一转速)和第二轴的转速(在此为第二转速)之间的固定比率。特别地，本发明涉及风力涡轮机的传动系中的变形。
背景技术
具有过载保护的传动装置是已知的，例如，以具有扭矩转换器的扭矩测量系统的形式，该扭矩变换器包括具有应变仪的测量杆。
有时，各应变仪测量工具涉及使用滑环组件将传动部件固定到旋转轴。使用滑环用于传输测量值涉及到高成本。另外，滑环容易磨损。
对各传动部件进行扭矩测量的其它类型的各机械转换器是已知的，例如，基于小扭转角度或旋转角度来测量驱动轴的扭转的测量装置。
通常地，许多以不同方式安装的传感器可用于测量传动系的主轴中的扭矩。已知的传感器通常是复杂、易碎且昂贵的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于确定扭矩的简单且经济的解决方案，并且提供一种主要利用通常已经与风力涡轮机中的传动系相关联安装或安装在其它用途的各传动系中的设备的解决方案。
根据第一方面，本发明提供一种确定(例如风力涡轮机的)传动系的扭转变形的方法，其中产生代表第一转速的第一信号和代表第二转速的第二信号，并且基于第一和第二信号(例如基于第一和第二信号之间的比率)确定扭转变形。
第一轴和第二轴之间的比率通常由变速箱中的啮合齿固定。这通常被称为变速箱比率。第一轴可以例如是高速轴，并且第二轴可以是变速箱的相反侧上的低速轴。
比率的任何变化可以因此仅仅是传动系内(例如变速箱内)的变形的结果。传动系的这种变形与扭矩成正比。
根据本发明的解决方案仅需要用于速度感测的各传感器信号。通常这样的信号已经存在，所以本发明提供了通常可以经济的方式实现的简单且可靠的解决方案。
本方法可以包括基于第一信号和第二信号生成第三信号的步骤，以及将第三信号与参考信号进行比较的步骤。特别地，第三信号可以构成第一和第二信号的混合。
通常地，第一、第二和第三信号可以分别代表一种频率，即：与第一轴相关的频率、与第二轴相关的频率以及与组合的第三信号相关的频率。
术语第一和第二轴可以广泛地理解为简单区分传动系中的一个点和传动系中的另一个点。
第三信号可以通过在第一和第二信号上的异或(ex-or)或通过类似的信号组合方法来获得。
第三信号将代表一频率，只要第一轴和第二轴转速的关系是固定的，该频率就相对于第一轴和第二轴频率基本恒定。
如果第二轴转速相对于第一轴转速出现增加(或减小)，则这只能是传动系变形的结果，这必然是扭矩变化的结果。
如果第一轴和第二轴转速之间的关系变化，则混合频率也会改变，即使仅在短时间内。混合频率中的这种变化从而将指示出传动系中的扭矩变化。
因此，本方法可以包括检测由第三信号代表的频率变化的步骤。
频率变化只当扭矩变化时才存在。一旦扭矩恒定，则频率再次固定，但混合信号的相位不固定——相位已经移动。相位变化指示出扭矩量，且变化频率指示出扭矩的变化。
相应地，本方法可以包括检测第三信号中的相移的步骤。
本方法可以进一步包括将第三信号与参考信号进行比较的步骤，并且参考信号可以尤其地基于第一和第二信号中的至少一个。当在第三信号中代表的频率相对于第一轴频率或第二轴频率评估时，传动系速度的任何一般速度变化将不会影响评估，评估可以变得更加精确。
将第三信号与第一信号或第二信号的任意一个进行比较的另一个优点，不是直接在可能会在时间和宽度上变化的许多短脉冲上进行测量，而是基于滤波后的正弦形状的曲线进行测量，所述曲线仍给予传动系(例如在变速箱里)的力的准确并可靠的信息。
该关系可以例如是第三信号的每整个周期(循环)有123.4567个第一脉冲信号。因此可以测量第三信号周期是否持续不同数量的循环。
第三信号与参考值的比较可以连续地进行，并且第一和第二信号的至少一个可以被确定为多个测量值的平均。
第一、第二和第三信号中的至少一个可以例如通过使用低通滤波器或带通滤波器而被进一步滤波。
在一个实施方式中，该方法包括在第一时间点确定第一轴转速与第二轴转速的第一比率的第一步骤。该方法可以进一步包括在第二时间点确定第一转速与第二转速的第二比率的第二步骤。在第三步骤中，提供表示第一比率和第二比率之间的差异的值，并且在第四步骤中，将该值与参考值比较。
第一到第四步骤可以连续地重复。
第一和第二信号尤其可以通过使用任何产生脉冲的装置(例如第一和第二轴上的杆箍)产生。杆箍可以与处理器或控制器通信，所述处理器或控制器提供上述信号的处理和扭矩的评估。杆箍可以在传感器上产生信号，例如在比第二轴转速高100-300倍的范围内的信号。
第一轴上的杆箍或卡环(taco)可以类似地产生可能比第一轴转速高10-100倍的范围内的信号。该信号可以例如通过分割而被修改，所以其具有与来自第二轴的信号几乎相同的频率。因此，产生的两个信号几乎——但不完全——相同的频率。
作为杆箍传感器的替代方案，该方法可以使用可以产生脉冲的任何其它装置，例如卡环。
第一、第二和第三信号中的至少一个可以在由风力涡轮机发电期间确定，并且信号可以用于例如通过将叶片变桨或者来自发电机的反扭矩来控制输入和输出扭矩，例如以改变电力产出，例如以将风力涡轮机欠额定或停止。可替代地或另外地，各信号可以与风力涡轮机中其它地方的信号或与其它风力涡轮机的信号组合，例如以监控产量或对风力涡轮机位置相对于其它位置进行评级。信号也可以用于预测性维护，即：以对风力涡轮机预测磨损并提供合适的检查间隔。
在第二方面，本发明提供一种风力涡轮机，包括具有高速轴(HS)和低速轴(LS)的传动系，第一轴(例如HS)和第二轴(例如LS)通过传动装置连接，该传动装置提供第一轴的第一轴转速与第二轴的第二轴转速之间的标称比率。根据第二方面的风力涡轮机进一步包括控制器，该控制器被配置以根据本发明的第一方面的方法进行操作。
在另外的各方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机的被配置为根据本发明的第一方面的方法进行操作的控制器，并且涉及一种用于风力涡轮机的控制器，该控制器被配置为例如通过将叶片变桨或改变来自风力涡轮机的发电机的反扭矩来控制输入或输出扭矩，例如以基于确定的扭转变形或基于扭转变形的变化来将风力涡轮机停机。
附图说明
图1示出了具有嵌入在机舱中的控制器的风力涡轮机；
图2示出了风力涡轮机中的传动系；
图3示出了从各杆箍获得的第一和第二信号；
图4示出构成第一和第二信号的混合的第三信号；
图5示出了平滑化之后的第三信号；以及
图6示出了混合第一和第二信号的过程。
具体实施方式
根据下面的详细说明和各具体实施例，本发明的进一步的适用范围将变得显而易见。然而，应该理解的是，本发明的详细说明和各具体实施例，只表明了本发明的优选实施方式，仅以展示的方式给出，因为本发明范围内的各种变化和修改对于参照该详细说明的本领域技术人员将变得显然。
图1示出了具有塔架2、机舱3和各叶片4的风力涡轮机1。各叶片附接至轮毂5，该轮毂形成传动系6的位于机舱内部的部分。
图2示出了不含轮毂5的传动系6。传动系包括用于接附轮毂的凸缘7，将变速箱9连接到凸缘7的轴8和用于驱动例如发电机的输出10。
变速箱9将低速转换至高速，以使发电机由输出元件10以相对于轴8和轮毂的转速而言较高的速度驱动。
从低速向高速的转换以固定的比率进行，这意味着在传动系中没有任何变形的理想情况下，轴8的转速与轴10的转速之间的比率将是恒定的。这里，轴8被称为第二轴，轴10被称为HS。
两个杆箍11、12在变速箱的相反两侧接附到传动系上。这允许确定变速箱中的扭转变形。
各杆箍例如通过无线方式与控制器13通信。控制器可以被局部容纳在机舱中，或者其可以由与多个风力涡轮机通信的中央计算机系统构成。
控制器被配置成检测扭矩并检测由轮毂施加于传动系的扭矩变化。为此目的，控制器被配置以组合来自两个杆箍11、12的信号，并将所得到的第三信号与来自其中一个杆箍的信号进行比较。评估得到的信号并确定相移和/或频率变化。
控制器可以进一步被配置为另外的控制目的。控制器可以例如被配置以例如通过将电力产出欠额定来改变电力产出，或者基于确定的扭矩或者扭矩变化来将风力涡轮机停机。控制器可以例如被配置为控制叶片变桨。
实施例
下面的例子展示了第二轴有每转200个脉冲并且由于角变形而在第二轴上出现与第一轴相比0.1度的相移的情况。
然后来自第二轴的脉冲将相对于来自第一轴的脉冲偏移200×0.1°＝20°，这也将导致混合的第三信号20°的相移。这可以被检测为相移或为频率临时偏移。这样，各轴关系中的小变化导致第三信号中的较大变化。
图3示出两个信号。标记为14的信号是来自变速箱的轮毂侧的杆箍11的脉冲，标记为15的信号是来自变速箱的另一侧的杆箍12的脉冲。
图4示出了混合的第三信号。在公开的实施方式中，信号通过异或混合。这是混合两个数字信号的简单方法，但也可以采用很多其它方法。
图5示出了平滑化后的混合的第三个信号。
图6示出了混合第一和第二信号的过程。在示出的实施例中，HS表示高速轴信号(例如第一信号)，LS表示低速轴信号(例如第二信号)。在称为相位和频率比较的过程中，检测相位或频率中的偏差以评估扭矩变化。
数字和模拟方法两者都可以用于数据和信号处理。
正弦形状的变化指示出扭矩变化，静态正弦形状的相移指示出恒定扭矩的水平。

Claims (13)

1.一种确定风力涡轮机中传动系中的扭转变形的方法，所述传动系包括：由变速箱连接的第一轴和第二轴，所述变速箱提供第一轴的第一转速和第二轴的第二转速之间的差异，所述方法包括产生代表第一转速的第一信号、产生代表第二转速的第二信号、产生包括第一和第二信号的第三信号、并基于第一和第二信号确定扭转变形，其特征在于，所述方法还包括将第三信号与参考信号比较的步骤，其中，参考信号基于第一和第二信号中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，扭转变形基于第一和第二信号之间的比率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括检测由第三信号代表的频率变化的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，包括检测第三信号中的相移的步骤。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将第三信号与参考值进行比较可以连续进行。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一和第二信号中的至少一个被确定为多个测量值的平均。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一、第二和第三信号中的至少一个被滤波。
8.根据权利要求1或2所述的方法，包括在第一时间点确定第一轴转速与第二轴转速的第一比率的第一步骤，在第二时间点确定第一转速与第二转速的第二比率的第二步骤，提供表示第一比率和第二比率之间的差异的值的第三步骤，以及将所述值与参考值进行比较的第四步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，第一至第四步骤被连续重复。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一轴转速和第二轴转速中的至少一个由产生与轴旋转相关的脉冲的仪器确定。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一、第二和第三信号中的至少一个在由风力涡轮机发电期间确定。
12.一种风力涡轮机，包括具有第一轴(HS)和第二轴(LS)的传动系，第一轴和第二轴通过提供第一轴的第一轴转速和第二轴的第二轴转速之间的标称比率的传动装置连接，所述风力涡轮机进一步包括被配置为根据权利要求1-11中任一项所述的方法进行操作的控制器。
13.根据权利要求12所述的风力涡轮机，包括被配置为基于根据权利要求1-11中任一项所述的方法确定的扭矩或扭矩变化来改变输入或输出扭矩的控制器。
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