CN202793576U - 一种风力机传动系统扭振测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种风力机传动系统扭振测量装置，包括分别安装在主轴前端和发电机末端的两个旋转编码器，以及与两个旋转编码器连接的信号处理装置。本实用新型无需单独的信号采集单元，结构简单，体积小，性能稳定，可靠，使用寿命长，可以有效剔除噪声和干扰信号，得到准确的轴系扭转角度。

Description

一种风力机传动系统扭振测量装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力机传动系统扭振测量装置。

背景技术

轴系的扭转振动是一种重要的振动形式，扭振的长期作用会对轴及轴上的零件产生危害，甚至造成突发事故。风力发电机的转速是不断变化的，因此传动链轴系负载的扭矩也在不断变化。对风力机扭振测量时，需要适应时刻变化的转速和扭矩。风力机的扭振测量方法比其他旋转机械的扭振测量方法更加复杂。

目前的扭振测量技术多是针对恒定速工况设计的，如应变片法，该法不能应用于风力发电机。针对变转速工况的方法有相位差法和频率计数法，但它们都需要在轴系两端安装齿盘或编码器以及相应的传感器，激光测振法和CCD法虽能实现动态扭振测量，但成本高且对工作环境要求严格。

上述测量方法因其存在上述缺陷，不适用于风力发电机。因此如何创设一种既可以实现动态扭振测量，有效剔除噪声和干扰信号，得到准确的轴系扭转角度及加速度，又可降低成本满足风力发电机传动系统扭振测量的装置，成为目前业界急需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种风力机传动系统扭振测量装置，使其利用风机本身的转速传感器作为测量单元，结构简单，适用于风力机转速变化大的特点，可以有效剔除噪声和干扰信号，得到准确的轴系扭转角度及轴系扭转加速度，实现动态扭振测量信息的提取，克服了现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型一种风力机传动系统扭振测量装置，包括：分别安装在主轴前端和发电机末端的两个旋转编码器，以及与两个旋转编码器连接的信号处理装置。

作为进一步改进，所述的安装在主轴前端的旋转编码器采用绝对式旋转编码器，安装在发电机末端的旋转编码器采用增量式旋转编码器。

所述的安装在主轴前端的旋转编码器采用金属码盘，安装在发电机末端的旋转编码器采用玻璃码盘。

所述的信号处理装置包括单片机信号处理单元、存储单元和信号发送单元。

所述信号发送单元与风力机主控系统或计算机相连接。

所述的旋转编码器外均装有防护罩。

采用以上设计后，本实用新型与现有技术相比至少具有以下优点：

1、无需单独的信号采集单元，利用风机本身的转速传感器作为测量单元，结构简单。风力机自身的转速传感器是编码器。旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。其特点是体积小，重量轻，品种多，功能全，频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点。

2、利用前后两个转速传感器等效转速差计算扭转振动情况，适用于风力机转速变化大的特点。传统的扭振测量装置对轴系转速的采样间隔较大，适用于转速变化区间小、转速相对稳定的系统。而利用测量传动链输入输出端等效转速差进而计算得到扭转角度和加速度的方法，不直接与转速相关，对风力机转速波动不敏感。

3、基于阀值滤波修正的频域微分、积分算法计算轴系扭转加速度和扭转角度。振动信号的积分方法主要分为硬件积分电路和软件积分算法。许多仪器、仪表都使用了硬件积分电路来实现振动参量间的转换，但该方法在实际使用中，积分后的信号幅值和相位会变化，波形甚至会畸变，造成精度下降。常用的软件积分方法为数值积分法和频域法。但由于噪声和干扰信号的影响，数值积分法的积分结果往往存在摆动趋势。本实用新型利用基于阀值滤波修正的频域微分、积分算法，可以有效过滤噪声和干扰信号，得到准确的轴系扭转角度。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型风力机传动系统扭振测试装置的组成示意图。

图2是本实用新型风力机传动系统主轴前端转速信号图。

图3是本实用新型风力机传动系统发电机末端转速信号图。

图4是本实用新型风力机传动系统轴系等效转速差信号图。

图5是本实用新型测量并计算得到的轴系等效转速差信号频域滤波前后的频谱图。

图6是本实用新型经过傅里叶反变换得到的传动系统扭转加速度曲线。

图7是本实用新型经过傅里叶反变换得到的传动系统扭转角度曲线。

具体实施方式

请参阅图1所示，风力发电机的传动链由风轮轮毂、主轴、变速箱、高速轴、发电机组成，其中轮毂刚性很强，可以忽略其扭转振动，故对风力机传动链的扭振测量主要是针对主轴到发电机末端之间的部分。

本实用新型风力机传动系统扭振测量装置，即包括分别安装在主轴前端和发电机末端的两个旋转编码器（也可使用风力机固有的转速传感器），以及与两个旋转编码器连接的信号处理装置。

较佳的，安装在主轴前端的旋转编码器采用绝对式旋转编码器，安装在发电机末端的旋转编码器采用玻璃码盘的增量式旋转编码器，以满足则两精度需求。

绝对式编码器光码盘环绕在主轴外圈上，有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排。这样，在主轴的每一个位置，n位绝对编码器通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码）。这样的编码器是由主轴的机械位置决定的，它不受停电及其它干扰的影响。

增量式旋转编码器安装在发电机后端，有一个带轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，由光电发射和接收器件读取,获得A、B、C、D四组正弦波信号,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度)，将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别发电机的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

旋转编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料等。主轴前端的编码器转速低，主轴直径大，使用金属码盘可以满足要求。发电机后端的编码器工作温度高，转速变化范围大，选用玻璃码盘，其热稳定性好，精度高。并可在旋转编码器外装有防护罩，避免异物遮挡光电感应装置，造成失效。

采用风力机固有的转速传感器时，传感器采集的编码器的脉冲信号，经过信号处理后变为离散的数字信号。对转速信号的计算分析要通过高速的信号处理器软件实现。在分析过程中，还要将干扰信号滤除，还原被测信号的真实性。主轴前端转速传感器可利用风机上已有的光电传感器，将其输出信号从风机控制柜中引出，也可为提高精度额外安装编码器。发电机末端转速传感器可利用风机发电机末端已有的光电编码器，将其信号从控制柜中引出。

两路转速信号同频率、同步采集，并接入信号处理装置，该信号处理装置包括单片机信号处理单元、存储单元和信号发送单元。其中，信号处理单元将两路转速信号进行AD转换，存在缓存之中，再对一定时间的数据进行离散信号线性、积分、微分运算，得到等效转速差、角度和角加速度。计算的结果存入装置的存储单元，保证能存储一定时间的历史数据。信号发送单元使用串口通信的模式，与风力机主控系统或计算机相连接，传输数据文件。

信号处理单元由解码电路、数据处理电路组成。其中，解码电路为编码器配套的信号接收设备，针对不同类型编码器的信号输出，如正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式等多种形式，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

数据处理电路的主要功能是计算等效转速差序列，并通过微分、积分算法得到相应的旋转加速度序列和轴系扭转角度序列。电路的硬件单元为DSP处理器。程序设计首先按照同时刻采样的对应关系，将主轴转速ω₁和发电机输出端转速ω₂与变速箱传动比N的商做差，得到等效转速差序列。将累计一定长度（如4096个数据点）的等效转速差序列存如内存的一个数组中。其中，为了方便之后的积分微分计算，数据长度应为2的整数次方。然后对该等效转速差序列进行对时间域的阀值滤波修正的微分运算，得到轴系扭转加速度序列。再对等效转速差序列进行阀值滤波修正的频域积分运算，得到轴系扭转角度序列。最后将等效转速差序列、扭转加速度序列、扭转角度序列存储成一个以起始时间命名txt格式文件。

本实用新型风力机传动系统扭振测量方法即是通过采集风电机组主轴前端转速ω₁和发电机末端转速ω₂，结合传动比N，再通过微分、积分处理，得到风力机传动链的扭振信号，具体步骤如下所述。

步骤一、同步采集传动链主轴前端转速和发电机末端转速的脉冲信号，并进行A/D转换，将编码器和传感器的脉冲信号变为离散的数字信号ω₁和ω₂。

步骤二、计算传动链轴系等效转速差

计算公式为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{N}-{\mathrm{\ω}}_1,$

其中，ω₁为传动链主轴前端转速，ω₂为发电机末端的转速，N为变速箱的传动比。

根据振动理论可知，轴系受扭矩作用发生扭转变形时，扭转角度θ与扭矩大小成正比，扭转角加速度

与扭矩变化率成正比。扭振运动方程为：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{k\θ}=T\left(t\right)$

其中，J为轴系的转动惯量，c为阻尼系数，k为弹性系数,T（t）为轴系的负载扭矩随时间变化的函数，

为扭转角加速度、

为扭转角速度、θ为扭转角度。本公式是系统扭振分析的理论公式，可见，确定了扭转角速度（即等效转速差）随时间的变化，即可通过积分和微分分别求得扭转角度和扭转角加速度的变化曲线，从而得到系统扭振状态。

传动链扭转角加速度

可由对传动链等效转速差

对时间t的微分得到： $\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=\frac{d\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}{\mathrm{dt}}.$

传动链扭转角度θ可由对传动链等效转速差

对时间t的积分得到： $\mathrm{\θ}={\∫}_0^t\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\mathrm{dt}.$

步骤三，对等效转速差

的序列信号x(t)做快速傅里叶变换，得到该信号的频域信号X(ω)。

步骤四，将噪音频率成分置零，对频域信号进行滤波。噪声信号通常为振幅小的宽频信号，由于信噪比SNR=10lg(P_s/P_n)，P_s为有用信号的功率，P_n为噪声信号的功率，则P_s=P_n·10^SNR/10。假设在信号频谱中有n个频率的能量信号，则对于信号A，有 $P_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A_i}^2/2/(1+{10}^{\mathrm{SNR}/10}),$ 这样噪声可能的最大振幅就为

实际振动信号的有效频率部分的振幅通常远大于噪声信号，在频域积分算法中，可以将频谱中振幅明显小于A_n的频率成分置零，即实现了A_n为阀值的频域阀值滤波积分修正，去除了噪声信号的影响。确定了信号的信噪比即可确定阀值，从而实现噪声信号的滤除。另外，远离轴系啮合频率的较明显的频率通常为干扰信号，也将其置为零。

步骤五，通过傅里叶微分、积分反变换求得扭转角加速度和扭转角度。根据傅里叶变换的微分、积分特性，有x＇(t)的傅立叶变换就为jω·X(ω)，且

的傅立叶变换就为X(ω)·1/jω。最后将x(t)微分后的频谱做反傅里叶变换即可得到x(t)的微分信号，即轴系的扭转角加速度信号；将x(t)积分后的频谱做反傅立叶变换即可得到x(t)的积分信号，即轴系的扭转角度信号。

上述计算结果保存为文本文档形式保存在储存卡中，数据文件自动命名为该采集任务的起始日期和时刻，精确到毫秒，可以通过串口通信与计算机实现通信传输。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型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，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种风力机传动系统扭振测量装置，其特征在于包括：分别安装在主轴前端和发电机末端的两个旋转编码器，以及与两个旋转编码器连接的信号处理装置。

2.根据权利要求1所述的一种风力机传动系统扭振测量装置，其特征在于所述的安装在主轴前端的旋转编码器采用绝对式旋转编码器，安装在发电机末端的旋转编码器采用增量式旋转编码器。

3.根据权利要求1所述的风力机传动系统扭振测量装置，其特征在于所述的安装在主轴前端的旋转编码器采用金属码盘，安装在发电机末端的旋转编码器采用玻璃码盘。

4.根据权利要求1所述的风力机传动系统扭振测量装置，其特征在于：所述的信号处理装置包括单片机信号处理单元、存储单元和信号发送单元。

5.根据权利要求4所述的风力机传动系统扭振测量装置，其特征在于：所述信号发送单元与风力机主控系统或计算机相连接。

6.根据权利要求1所述的一种风力机传动系统扭振测量装置，其特征在于所述的旋转编码器外均装有防护罩。

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