CN117517701A - 一种风力发电机的磁电式转速测量系统 - Google Patents

一种风力发电机的磁电式转速测量系统 Download PDF

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孙鹏
俞健
顾正炜
杨涛
杨剑亮
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Abstract

本申请公开了一种风力发电机的磁电式转速测量系统，涉及新能源领域，该系统中磁阻传感器安装在风力发电机的齿轮盘的径向上且电性连接现场数据采集装置，现场数据采集装置通过硬接线方式接入风力发电机的风机主控系统；磁阻传感器在风力发电机的齿轮盘的转动过程中感应输出脉冲序列，再由现场数据采集装置对脉冲序列进行滤波处理后计算得到实时转速测量值，并将实时转速测量值转换为工业模拟量信号发送给风机主控系统。基于磁阻传感器进行转速测量，相比于传统的基于光电式传感器测量转速的方法来说，测量精度更高且运行稳定性更好，数据滤波处理进一步提高了测量准确性和可靠性，且适合风力发电机的实际工业应用场景。

Description

一种风力发电机的磁电式转速测量系统
技术领域
本申请涉及新能源领域，尤其是一种风力发电机的磁电式转速测量系统。
背景技术
随着新能源行业的蓬勃发展，风力发电作为新能源行业的重要组成部分，其所占的比重越来越高，已逐渐成为了一种主力新能源供电来源。风力发电供电系统的稳定性需要依靠可靠的控制系统，转速控制是风力发电控制系统的核心内容，通过获取转速，一方面可以根据测量得到的高精度的转速进行更精确的转矩控制，另一方面也为风力发电机安全性和稳定性控制提供可靠的数据依据，因此对风力发电机进行稳定可靠的转速测量意义重大。
目前主要采用光电式转速传感器来获取风力发电机的转速，但是光电式转速传感器对工作环境要求很高，当油污或粉尘比较严重时，测量的可靠性会降低，而风力发电机往往在复杂的野外环境中工作，因此转速测量准确性和可靠性不高。
发明内容
本申请针对上述问题及技术需求，提出了一种风力发电机的磁电式转速测量系统，本申请的技术方案如下：
一种风力发电机的磁电式转速测量系统，该磁电式转速测量系统包括磁阻传感器以及现场数据采集装置，磁阻传感器安装在风力发电机的齿轮盘的径向上，磁阻传感器电性连接现场数据采集装置，现场数据采集装置通过硬接线方式接入风力发电机的风机主控系统；
现场数据采集装置获取磁阻传感器在风力发电机的齿轮盘的转动过程中感应输出的脉冲序列，对脉冲序列进行滤波处理后计算得到实时转速测量值，并将实时转速测量值转换为4-20mA工业模拟量信号发送给风机主控系统。
其进一步的技术方案为，现场数据采集装置包括控制器及其分别连接的计数器模块和模拟量输出模块；
计数器模块对磁阻传感器感应输出的脉冲序列进行模数转换得到频率序列；
控制器对频率序列进行滤波处理确定各个采样点n的频率有效值F(n)，并计算得到实时转速测量值N＝F(n)×60后发送给模拟量输出模块；
模拟量输出模块将实时转速测量值转换为4-20mA工业模拟量信号后输出给风机主控系统。
其进一步的技术方案为，确定各个采样点n的频率有效值F(n)包括：
基于采样点n之前的预定采集周期内的频率序列确定采样点n的有效值基准量f(n)；
基于采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值计算得到采样点n的频率有效值F(n)。
其进一步的技术方案为，基于采样点n之前的预定采集周期内的频率序列确定采样点n的有效值基准量f(n)包括：
对采样点n之前的预定采集周期内的频率序列进行带通数据滤波，滤除采样点n之前的预定采集周期内的频率序列中沿着时序方向的起始段数据和结尾段数据，对保留的中间段数据取平均值得到有效值计算量g(n)；
将采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)进行比较确定采样点n的有效值基准量f(n)。
其进一步的技术方案为，将采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)进行比较确定采样点n的有效值基准量f(n)包括：
当采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)的差值在误差范围内时，取采样点n的有效值基准量f(n)＝g(n)，否则取采样点n的有效值基准量f(n)＝F(n-1)。
其进一步的技术方案为，基于采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值计算得到采样点n的频率有效值F(n)包括：
对采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值按照各自对应的权重进行加权计算，得到采样点n的频率有效值F(n)；所有权重之和为1，且与当前的采样点n之间的时间间隔越长、对应的权重越大。
其进一步的技术方案为，模拟量输出模块采用0-20mA标准输出且具有内置式开环检测功能，当模拟量输出模块检测到开环时，产生中断信号并产生0mA的上电输出信号输出给风机主控系统。
其进一步的技术方案为，计数器模块采用NI-9361计数器模块，控制器采用cRIO-9038控制器，模拟量输出模块采用NI 9265模拟量输出模块。
其进一步的技术方案为，所述转速测量系统包括3个磁阻传感器，各磁阻传感器以60°的角度间隔均匀安装在风力发电机的齿轮盘的径向的不同位置处，且各个磁阻传感器均电性连接现场数据采集装置，现场数据采集装置分别将齿轮盘的各个实时转速测量值对应的4-20mA工业模拟量信号发送给风机主控系统。
其进一步的技术方案为，磁阻传感器通过自带的磁学塑料环金属载体固定安装在风力发电机的定子法兰上。
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种风力发电机的磁电式转速测量系统，该系统采用磁阻传感器感应齿轮盘转动引起的脉冲序列，基于磁阻传感器进行转速测量，相比于传统的基于光电式传感器测量转速的方法来说，测量精度更高且运行稳定性更好，受环境的影响较低，而且现场数据采集装置对脉冲序列进行滤波处理后计算得到实时转速测量值后转换为4-20mA工业模拟量信号发送给风机主控系统，滤波处理进一步提高了测量准确性和可靠性，且适合风力发电机的实际工业应用场景。
附图说明
图1是本申请一个实施例的磁电式转速测量系统的系统结构图。
图2是磁阻传感器与齿轮盘的相对安装示意图。
图3是本申请一个实施例中的现场数据采集装置的数据处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种风力发电机的磁电式转速测量系统，请参考图1的系统结构图，该磁电式转速测量系统包括磁阻传感器以及现场数据采集装置，磁阻传感器安装在风力发电机的齿轮盘的径向上，磁阻传感器电性连接现场数据采集装置，现场数据采集装置通过硬接线方式接入风力发电机的风机主控系统。
请参考图2所示的示意图，磁阻传感器1通过自带的磁学塑料环金属载体2固定安装在风力发电机的定子法兰上，并位于在风力发电机的齿轮盘3的径向的安装位置处。齿轮盘3转动会引起磁场变化，当磁阻传感器1位于磁场时，阻值的变化和磁化角度以及方向矢量有关，预先对磁阻传感器1和齿轮盘3的相对运动进行磁场调制，并在齿轮盘3的径向方向上利用磁阻传感器1测量磁场，使得磁阻传感器1会在传动轴带动齿轮盘3旋转过程中产生脉冲序列并输出给现场数据采集装置。
在另一个实施例中，为了减小测量误差，该转速测量系统包括多个磁阻传感器，多个磁阻传感器分别安装在风力发电机的齿轮盘的径向的不同位置处，且各个磁阻传感器均电性连接现场数据采集装置。比较典型的，转速测量系统包括3个磁阻传感器，各磁阻传感器以60°的角度间隔均匀安装在风力发电机的齿轮盘的径向的不同位置处，如图1所示。
现场数据采集装置会获取磁阻传感器1在风力发电机的齿轮盘3的转动过程中感应输出的脉冲序列，对脉冲序列进行滤波处理后计算得到实时转速测量值，并将实时转速测量值转换为4-20mA工业模拟量信号发送给风机主控系统。当系统中有多个磁阻传感器时，现场数据采集装置分别获取各个磁阻传感器1输出的脉冲序列，并得到多个实时转速测量值，分别将各个实时转速测量值对应的4-20mA工业模拟量信号通过不同通道发送给风机主控系统。
请参考图1的结构图，现场数据采集装置包括控制器及其分别连接的计数器模块和模拟量输出模块。现场数据采集装置中各个模块的工作过程如下，请结合图3的流程示意图，其中：
1、计数器模块对磁阻传感器感应输出的脉冲序列进行模数转换得到频率序列。在一个实施例中，计数器模块采用NI-9361计数器模块实现，NI-9361计数器模块每个通道具有32位的分辨率，最大采样率达到102.4kHz。
2、控制器对频率序列进行滤波处理确定各个采样点n的频率有效值F(n)，并计算得到实时转速测量值N＝F(n)×60后发送给模拟量输出模块。
控制器是整个现场数据采集装置的核心处理部件，有足够的能力处理获取到的实时数据。控制器按照预定采集周期对频率序列进行频率采集，预定采集周期可以预先配置，比如规定采样速率为1kHZ，采样点为200，即数据刷新的预定采集周期为200ms。
控制器确定各个采样点n的频率有效值F(n)包括：
(1)首先进行防脉冲滤波，基于采样点n之前的预定采集周期内的频率序列确定采样点n的有效值基准量f(n)。包括先对采样点n之前的预定采集周期内的频率序列进行带通数据滤波，滤除采样点n之前的预定采集周期内的频率序列中沿着时序方向的起始段数据和结尾段数据，对保留的中间段数据取平均值得到有效值计算量g(n)。起始段数据、中间段数据和结尾段数据中各个数据段包含的数据量预先自定义设置，比如可以设定起始段数据和结尾段数据各占整个预定采集周期中的25％，而中间段数据占整个预定采集周期中的50％，则滤除整个预定采集周期内的频率序列中的起始的25％的数据以及结尾的25％的数据，仅保留中间的50％的数据后计算平均值得到g(n)。
将采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)进行比较确定采样点n的有效值基准量f(n)：当采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)的差值在误差范围内时，取采样点n的有效值基准量f(n)＝g(n)，否则取采样点n的有效值基准量f(n)＝F(n-1)。
(2)然后进行加权平滑滤波，基于采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值计算得到采样点n的频率有效值F(n)，包括：对采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值按照各自对应的权重进行加权计算，得到采样点n的频率有效值F(n)。
所有权重之和为1，且与当前的采样点n之间的时间间隔越长、对应的权重越大。比如对采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的m个历史采样点进行加权得到频率有效值F(n)，可以表示为：
F(n)＝i0*f(n)+i1*F(n-1)+i2*F(n-2)……+im*F(n-m)
其中，i0+i1+i2+…+im＝1，且权重i0、i1、i2…im的取值依次递增。在另一个实施例中，权重i0、i1、i2…im等差递增。
在一个实施例中，控制器采用cRIO-9038控制器，其内部集成了Intel Atom双核1.33GHz处理器和Xilinx Kintex-7 160T FPGA，并搭载64位NI Linux REAL-Time OS操作系统，有足够的能力处理传感器采集到的实时数据。运行在控制器中的数据采集软件基于Labview二次开发。
3、模拟量输出模块将实时转速测量值转换为4-20mA工业模拟量信号后输出给风机主控系统。
另外，该模拟量输出模块采用0-20mA标准输出且具有内置式开环检测功能，当模拟量输出模块检测到开环时，产生中断信号并产生0mA的上电输出信号输出给风机主控系统，以确保安全。
在一个实施例中，模拟量输出模块采用NI 9265模拟量输出模块。NI 9265模拟量输出模块具有4通道、0-20mA、100kS/s同步更新模拟输出。另外，模拟量输出模块还包括输出通道和地面的接地双重隔离屏障，具有良好的安全性和抗扰性。
以上的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述磁电式转速测量系统包括磁阻传感器以及现场数据采集装置，所述磁阻传感器安装在风力发电机的齿轮盘的径向上，所述磁阻传感器电性连接所述现场数据采集装置，所述现场数据采集装置通过硬接线方式接入所述风力发电机的风机主控系统；
所述现场数据采集装置获取所述磁阻传感器在风力发电机的齿轮盘的转动过程中感应输出的脉冲序列，对所述脉冲序列进行滤波处理后计算得到实时转速测量值，并将所述实时转速测量值转换为4-20mA工业模拟量信号发送给所述风机主控系统。
2.根据权利要求1所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述现场数据采集装置包括控制器及其分别连接的计数器模块和模拟量输出模块；
所述计数器模块对所述磁阻传感器感应输出的脉冲序列进行模数转换得到频率序列；
所述控制器对频率序列进行滤波处理确定各个采样点n的频率有效值F(n)，并计算得到实时转速测量值N＝F(n)×60后发送给所述模拟量输出模块；
所述模拟量输出模块将所述实时转速测量值转换为4-20mA工业模拟量信号后输出给所述风机主控系统。
3.根据权利要求2所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述确定各个采样点n的频率有效值F(n)包括：
基于采样点n之前的预定采集周期内的频率序列确定采样点n的有效值基准量f(n)；
基于采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值计算得到采样点n的频率有效值F(n)。
4.根据权利要求3所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述基于采样点n之前的预定采集周期内的频率序列确定采样点n的有效值基准量f(n)包括：
对采样点n之前的预定采集周期内的频率序列进行带通数据滤波，滤除采样点n之前的预定采集周期内的频率序列中沿着时序方向的起始段数据和结尾段数据，对保留的中间段数据取平均值得到有效值计算量g(n)；
将采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)进行比较确定采样点n的有效值基准量f(n)。
5.根据权利要求4所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述将采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)进行比较确定采样点n的有效值基准量f(n)包括：
当采样点n的有效值计算量g(n)与前一个采样点n-1的频率有效值F(n-1)的差值在误差范围内时，取采样点n的有效值基准量f(n)＝g(n)，否则取采样点n的有效值基准量f(n)＝F(n-1)。
6.根据权利要求3所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述基于采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值计算得到采样点n的频率有效值F(n)包括：
对采样点n的有效值基准量f(n)以及采样点n之前的若干个历史采样点的频率有效值按照各自对应的权重进行加权计算，得到采样点n的频率有效值F(n)；所有权重之和为1，且与当前的采样点n之间的时间间隔越长、对应的权重越大。
7.根据权利要求2所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述模拟量输出模块采用0-20mA标准输出且具有内置式开环检测功能，当所述模拟量输出模块检测到开环时，产生中断信号并产生0mA的上电输出信号输出给所述风机主控系统。
8.根据权利要求2所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述计数器模块采用NI-9361计数器模块，所述控制器采用cRIO-9038控制器，所述模拟量输出模块采用NI 9265模拟量输出模块。
9.根据权利要求1所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述转速测量系统包括3个磁阻传感器，各磁阻传感器以60°的角度间隔均匀安装在风力发电机的齿轮盘的径向的不同位置处，且各个磁阻传感器均电性连接所述现场数据采集装置，所述现场数据采集装置分别将齿轮盘的各个实时转速测量值对应的4-20mA工业模拟量信号发送给所述风机主控系统。
10.根据权利要求1所述的磁电式转速测量系统，其特征在于，所述磁阻传感器通过自带的磁学塑料环金属载体固定安装在所述风力发电机的定子法兰上。
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