CN112855433B - 一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，在叶根轮毂内安装2个加速度传感器，当叶轮转动时，2个加速度传感器分别将监测到的加速度数据传输至单片机，单片机根据加速度数据计算叶轮转速和叶轮转角位置。本发明提供的一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法根据加速度传感器监测到的加速度值、时间间隔等数据，可准确计算出叶轮转速、叶轮转角位置，该方法易于实现，高效稳定，能够作为编码器测速方式的补充，从而确保风电机组稳定安全运行。

Description

一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法
技术领域
本发明涉及一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，属于风电机组监测技术领域。
背景技术
风电机组是由叶轮迎风转动带动风力发电机转动，将风能转换为机械能，再转换为电能的设备。在风电机组运行过程中，需要实时测量风速和叶轮转速，并通过变桨系统实时调整叶片变桨角度来调整叶轮转速，使得叶轮转速与风速相符合。准确测量叶轮转速，并把叶轮转速或需要调整的变桨角度信息及时传递给变桨系统，对于风电机组正常运行具有重要的意义。
传统的风机叶轮转速测量都是在风电机组的机舱侧来完成，通过在低速轴安装编码器或转速传感器等转速检测装置进行测量，监测数据上传到主控系统，主控系统将叶轮转速或需要调整的变桨角度信息通过滑环传到变桨系统。但是若转速检测装置或滑环出现故障，变桨系统则无法自主判断叶轮转速是否正常，此时若叶轮转速过高可能影响风电机组运行安全，若叶轮转速偏低，则可能影响发电量。
因此，监测叶轮转角位置对于了解叶轮状态，确保风电机组安全运行也具有重要意义，亟需一种更佳稳定的方式进行叶轮转速和转角位置监测方法。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，根据加速度传感器监测到的加速度值、时间间隔等数据，可准确计算出叶轮转速、叶轮转角位置，该方法易于实现，高效稳定，能够作为编码器测速方式的补充，从而确保风电机组稳定安全运行。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，包括以下步骤：
S1、在叶根轮毂内安装2个加速度传感器，分别为第一加速度传感器和第二加速度传感器，2个加速度传感器的相互位置满足以下条件：
a1、第一加速度传感器和第二加速度传感器位于以叶轮旋转中心为圆心的圆周上，第一加速度传感器和第二加速度传感器之间的圆弧为90°；
a2、2个加速度传感器的监测方向轴线所在平面垂直于叶轮旋转中心轴线；
a3、2个加速度传感器的监测方向轴线的交点在叶轮旋转中心轴线上，即2个加速度传感器的旋转中心轴线与叶轮旋转中心轴线重合；
a4、第一加速度传感器的监测方向轴线设置于第一叶片的叶根法兰轴线和叶轮旋转中心轴线所在平面内；
S2、当叶轮转动时，2个加速度传感器分别将监测到的加速度数据传输至单片机；
S3、单片机根据加速度数据计算叶轮转速和叶轮转角位置。
在步骤S3计算叶轮转速和叶轮转角位置之前，单片机基于环境温度数据和振动数据对加速度数据进行修正处理。
步骤S3单片机通过以下过程计算叶轮转速和叶轮转角：
S3.1、将第一加速度传感器监测到的加速度关于时刻t的函数记为a1(t)，将第二加速度传感器监测到的加速度关于时刻t的函数记为a2(t)，叶轮转速的表达式为：
Figure BDA0002923579710000021
式中，ω为叶轮转速，r为2个加速度传感器距叶轮旋转中心轴线的距离；
S3.2、设加速度传感器的采集间隔为ΔT，则对于任意时刻t1有以下关系：
Figure BDA0002923579710000022
Figure BDA0002923579710000023
式中，a1(t1)为t1时刻第一加速度传感器的监测值，a1(t1+ΔT)为t1+ΔT时刻第一加速度传感器的监测值，a2(t1)为t1时刻第二加速度传感器的监测值，a2(t1+ΔT)为t1+ΔT时刻第二加速度传感器的监测值；
S3.3、根据S3.1和S3.2的表达式计算得到任意时刻叶轮转速；
S3.4、根据以下情况分类计算得到叶轮转角：
b1、若cosα＝1，则叶轮转角α＝0°；
b2、若cosα＝-1，则叶轮转角α＝180°；
b3、若cosα＝0，且cos(α+π/2)＝-1，则叶轮转角α＝90°；
b4、若cosα＝0，且cos(α+π/2)＝1，则叶轮转角α＝270°；
b5、若0＜cosα＜1，且-1＜cos(α+π/2)＜0，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
式中，β为2个加速度传感器的旋转中心轴线和水平面的夹角；
b6、若0＜cosα＜1，且0＜cos(α+π/2)＜1，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝360°-arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b7、若-1＜cosα＜0，且0＜cos(α+π/2)＜1，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝360°-arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b8、若-1＜cosα＜0，且-1＜cos(α+π/2)＜0，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法根据加速度传感器监测到的加速度值、时间间隔等数据，可准确计算出叶轮转速、叶轮转角位置，时间复杂度低，容易实现计算全自动化处理，能够实现实时反馈；
(2)本发明提供的一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法利用加速度传感器进行测量，安装方便，通过单片机直接将数据传输给变桨系统，在滑环故障、主控系统无法为变桨系统有效传输数据的情况下，变桨系统也可判断叶轮转速、叶轮转角位置，可作为风电机组固件编码器测速方式的补充，从而确保风电机组稳定安全运行。
附图说明
图1为第一加速度传感器、第二加速度传感器安装位置正视图。
图2为第一加速度传感器、第二加速度传感器安装位置侧视图。
图3为叶轮转角位置表示图。
图4为第一传感器位于第一位置区域示意图。
图5为第一传感器位于第二位置区域示意图。
图6为第一传感器位于第三位置区域示意图。
图7为第一传感器位于第四位置区域示意图。
图中：1-第一叶片，2-第二叶片，3-第三叶片，4-第一加速度传感器，5-第二加速度传感器，6-加速度传感器的监测方向轴线，7-叶轮旋转中心轴线，8-水平面，9-初始位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，包括以下步骤：
S1、在叶根轮毂内安装2个加速度传感器，分别为第一加速度传感器和第二加速度传感器，2个加速度传感器的相互位置满足以下条件：
a1、参照图1，以具有第一叶片1、第二叶片2、第三叶片3的发电风机为例，第一加速度传感器4和第二加速度传感器5位于以叶轮旋转中心为圆心的圆周上，第一加速度传感器和第二加速度传感器之间的圆弧为90°；
a2、参照图2，2个加速度传感器的监测方向轴线6所在平面垂直于叶轮旋转中心轴线7；
a3、2个加速度传感器的监测方向轴线的交点在叶轮旋转中心轴线上，即2个加速度传感器的旋转中心轴线与叶轮旋转中心轴线重合；
a4、第一加速度传感器的监测方向轴线设置于第一叶片的叶根法兰轴线和叶轮旋转中心轴线所在平面内；
S2、当叶轮转动时，2个加速度传感器分别将监测到的加速度数据传输至单片机；单片机可以基于环境温度数据和振动数据对加速度数据进行修正处理，获得修正后的加速度数据，使计算结果更加准确；
S3、单片机根据加速度数据计算叶轮转速和叶轮转角位置：
当叶轮在风力作用下转动时，加速度传感器监测到的加速度值是旋转离心加速度与一部分重力加速度的综合值，旋转离心加速度与加速度传感器旋转半径、旋转角速度有关，加速度传感器监测到的该部分重力加速度与叶轮转角位置α、传感器旋转中心轴线和水平面8的夹角β有关，具体通过以下过程计算：
S3.1、将第一加速度传感器监测到的加速度关于时刻t的函数记为a1(t)，将第二加速度传感器监测到的加速度关于时刻t的函数记为a2(t)，表达式分别为：
a1(t)＝ω2r-gcosβcosα (1)
a2(t)＝ω2r-gcosβcos(α+π/2)＝ω2r+gcosβsinα (2)
式中，ω为叶轮转速；r为2个加速度传感器距叶轮旋转中心轴线(即叶轮旋转中心轴线)的距离，为已知量；β为2个加速度传感器的旋转中心轴线和水平面的夹角，为已知量；
α为叶轮转角，α取值范围0≤α≤360°，设定当第一加速度传感器监测方向轴线、叶片A安装法兰轴线所在平面与水平面垂直，第一加速度传感器位于旋转中心轴线正上方时，位于初始位置9，α＝0，参见图3。当叶轮转角位置α达到360°的同时，开始下一个旋转周期，即α变为0。
公式(1)、公式(2)中的“-”表示在叶轮旋转起始转角位置α＝0时，第一加速度传感器监测到的重力加速度与离心加速度方向相反。
在公式(1)、(2)两端对时间t求导，可得：
a1′(t)＝(ω2r)′-gcosβ(cosα)′ (3)
其中加速度传感器采集间隔可达ΔT≤0.02s，在时间ΔT内，叶轮转速ω变化量可忽略，可将ω视为定值，即：
(ω2r)′＝0 (4)
叶轮转角位置变化率等于叶轮转速，即α′＝ω，因此可得到
(cosα)′＝-ωsinα (5)
将公式(4)、(5)代入公式(3)，可得
a1′(t)＝ωgcosβsinα (6)
a′2(t)＝ωgcosβcosα (7)
由公式(6)、(7)得
Figure BDA0002923579710000051
由公式(1)、(2)、(8)可得叶轮转速的表达式为：
Figure BDA0002923579710000061
S3.2、设加速度传感器的采集间隔为ΔT，通常ΔT≤0.02，则对于任意时刻t1有以下关系：
Figure BDA0002923579710000062
Figure BDA0002923579710000063
式中，a1(t1)为t1时刻第一加速度传感器的监测值，a1(t1+ΔT)为t1+ΔT时刻第一加速度传感器的监测值，a2(t1)为t1时刻第二加速度传感器的监测值，a2(t1+ΔT)为t1+ΔT时刻第二加速度传感器的监测值；
S3.3、根据S3.1和S3.2的表达式(9)、(10)、(11)计算得到任意时刻叶轮转速；
S3.4、根据以下情况分类计算得到叶轮转角：
在任意时刻t1，由公式(1)可得：
Figure BDA0002923579710000064
由公式(2)可得：
Figure BDA0002923579710000065
在叶轮旋转平面内，以叶轮旋转轴线与旋转平面的交点为中心，将叶轮旋转平面分为4个区域：第一位置区域、第二位置区域、第三位置区域、第四位置区域，根据公式(12)、公式(13)，按以下分类计算α值：
b1、若cosα＝1，则叶轮转角α＝0°；
b2、若cosα＝-1，则叶轮转角α＝180°；
b3、若cosα＝0，且cos(α+π/2)＝-1，则叶轮转角α＝90°；
b4、若cosα＝0，且cos(α+π/2)＝1，则叶轮转角α＝270°；
b5、若0＜cosα＜1，且-1＜cos(α+π/2)＜0，则第一传感器位于第一位置区域，参照图4，叶轮转角α＝arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b6、若0＜cosα＜1，且0＜cos(α+π/2)＜1，则第一传感器位于第二位置区域，参照图5，叶轮转角α＝360°-arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b7、若-1＜cosα＜0，且0＜cos(α+π/2)＜1，则第一传感器位于第三位置区域，参照图6，叶轮转角α＝360°-arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b8、若-1＜cosα＜0，且-1＜cos(α+π/2)＜0，则第一传感器位于第四位置区域，参照图7，叶轮转角α＝arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
第一叶片、第二叶片和第三叶片安装位置在旋转平面内相互间隔120°，第一叶片转角位置与第一传感器转角位置相同，得到第一传感器的转角位置，即可得到叶轮的转角位置。
本发明提供的一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，根据加速度传感器监测到的加速度值、时间间隔等数据，可准确计算出叶轮转速、叶轮转角位置，该方法易于实现，高效稳定，能够作为编码器测速方式的补充，从而确保风电机组稳定安全运行。

Claims (2)

1.一种利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、在叶根轮毂内安装2个加速度传感器，分别为第一加速度传感器和第二加速度传感器，2个加速度传感器的相互位置满足以下条件：
a1、第一加速度传感器和第二加速度传感器位于以叶轮旋转中心为圆心的圆周上，第一加速度传感器和第二加速度传感器之间的圆弧为90°；
a2、2个加速度传感器的监测方向轴线所在平面垂直于叶轮旋转中心轴线；
a3、2个加速度传感器的监测方向轴线的交点在叶轮旋转中心轴线上，即2个加速度传感器的旋转中心轴线与叶轮旋转中心轴线重合；
a4、第一加速度传感器的监测方向轴线设置于第一叶片的叶根法兰轴线和叶轮旋转中心轴线所在平面内；
S2、当叶轮转动时，2个加速度传感器分别将监测到的加速度数据传输至单片机；
S3、单片机根据加速度数据计算叶轮转速和叶轮转角位置，包括以下过程：
S3.1、将第一加速度传感器监测到的加速度关于时刻t的函数记为a1(t)，将第二加速度传感器监测到的加速度关于时刻t的函数记为a2(t)，叶轮转速的表达式为：
Figure FDA0003725296650000011
式中，ω为叶轮转速，r为2个加速度传感器距叶轮旋转中心轴线的距离；
S3.2、设加速度传感器的采集间隔为ΔT，则对于任意时刻t1有以下关系：
Figure FDA0003725296650000012
Figure FDA0003725296650000013
式中，a1(t1)为t1时刻第一加速度传感器的监测值，a1(t1+ΔT)为t1+ΔT时刻第一加速度传感器的监测值，a2(t1)为t1时刻第二加速度传感器的监测值，a2(t1+ΔT)为t1+ΔT时刻第二加速度传感器的监测值；
S3.3、根据S3.1和S3.2的表达式计算得到任意时刻叶轮转速；
S3.4、根据以下情况分类计算得到叶轮转角：
b1、若cosα＝1，则叶轮转角α＝0°；
b2、若cosα＝-1，则叶轮转角α＝180°；
b3、若cosα＝0，且cos(α+π/2)＝-1，则叶轮转角α＝90°；
b4、若cosα＝0，且cos(α+π/2)＝1，则叶轮转角α＝270°；
b5、若0＜cosα＜1，且-1＜cos(α+π/2)＜0，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
式中，β为2个加速度传感器的旋转中心轴线和水平面的夹角；
b6、若0＜cosα＜1，且0＜cos(α+π/2)＜1，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝360°-arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b7、若-1＜cosα＜0，且0＜cos(α+π/2)＜1，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝360°-arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]；
b8、若-1＜cosα＜0，且-1＜cos(α+π/2)＜0，则叶轮转角通过以下公式计算：
α＝arccos[(ω2r-a1(t1))/(gcosβ)]。
2.根据权利要求1所述的利用加速度传感器测量叶轮转速和转角位置的方法，其特征在于：在步骤S3计算叶轮转速和叶轮转角位置之前，单片机基于环境温度数据和振动数据对加速度数据进行修正处理。
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