CN207920781U - 一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，所述装置包括风速检测模块、风向检测模块、控制模块、警报模块和供电模块，所述风速检测模块和风向检测模块均固定于风力发电机机舱上，所述控制模块的输入端分别与风速检测模块和风向检测模块连接，所述控制模块的输出端与警报模块连接，所述供电模块分别与风速检测模块、风向检测模块、控制模块和警报模块连接。与现有技术相比，本实用新型具有报警及时、独立性能高、易于安装以及节省成本等优点。

Description

一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电机偏航系统领域，尤其是涉及一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置。

背景技术

在全球能源供需愈来愈紧张，传统能源即将枯竭的大环境下，国际风力发电领域热度与日俱增。我国风能资源丰富，风电市场十分巨大。风电产生的最主要设备既是风力发电机，而风力发电机中水平轴的风力发电机应用最为广泛，水平轴风力发电机的一个主要部分就是偏航系统，偏航系统有主动偏航和被动偏航，主动偏航既是风力发电机会有自己的液压伺服机构或者电动机与齿轮构成的电伺服机构来使风力机对风，多见于大型风力发电系统，被动偏航则是由尾舵产生力矩来使风力机对准风向。无论是主动偏航还是被动偏航，一旦偏航系统出现故障，轻则影响发电效率，重则会造成风力发电机的损坏。

当前的风力发电机偏航系统是一个较为独立的系统。被动偏航系统的偏航力矩由风力产生，下风向风力发电系统和安装尾舵的上风向风力发电系统的偏航属于被动偏航，常见于小型风力发电机组，被动偏航的优点是风轮能自然地对准风向，不需要特殊控制，结构简单。主动偏航系统应用液压伺服机构或者电动机与齿轮构成的电伺服机构来使风力机对风，多见于大型风力发电系统。主动偏航系统本质上是一个自动控制系统，主要由控制器、功率放大器、伺服机构以及偏航计数器等部分组成，在风轮的前部或者机舱一侧装有风向仪，当风力发电机组的航向与风向仪指向偏离时，计算机开始计时，当时间达到一定值时，即认定风向已经改变，控制器发出调向指令，经功率放大后驱动伺服机构，使风力机调向，直至偏差消除。而当风速超出风力发电机的切出风速时偏航系统又会采取保护角度，使风轮不正对风向，以保护风轮叶片不受损伤，至于会采取什么样的角度则要根据不同风力发电机的参数采取不同的角度。

目前的风力发电机一般都不会有单独的偏航系统故障报警装置，都是默认偏航系统不会出现故障，默认偏航系统一直都是正常工作。而当偏航系统出现故障时只有在检修工作人员例行检修时才会发现问题，而且检修人员可能由于个人因素等因素造成不能及时发现故障，没有排除的故障就会影响风力发电机的安全、造成不必要的经济损失。并且主动偏航系统结构复杂、环节多、涉及的设备也众多，但是各个设备都有故障率，因此环节和设备如果众多产生故障的可能性也就大。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题提供一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，所述装置包括风速检测模块、风向检测模块、控制模块、警报模块和供电模块，所述风速检测模块和风向检测模块均固定于风力发电机机舱上，所述控制模块的输入端分别与风速检测模块和风向检测模块连接，所述控制模块的输出端与警报模块连接，所述供电模块分别与风速检测模块、风向检测模块、控制模块和警报模块连接。

优选地，所述风速检测模块包括风速传感器，所述风速传感器固定于风力发电机机舱的外表面上，所述风速传感器的输出端与控制模块的输入端相互连接，所述供电模块与风速传感器连接。

优选地，所述风向检测模块包括风向传感器，所述风向传感器的风舵与风向保持一致，所述风向传感器的输出端与控制模块的输入端相互连接，所述供电模块与风向传感器连接。

优选地，所述风向检测模块还包括基座，所述基座固定于风力发电机机舱上，所述风向传感器安装于基座上，通过基座与风力发电机机舱连接。

优选地，所述控制模块包括模数转换器和单片机，所述模数转换器的输入端分别与风速检测模块和风向检测模块连接，所述模数转换器的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与警报模块连接，所述供电模块分别于模数转换器和单片机连接。

优选地，所述模数转换器包括PCF8591AD模数转换器，所述单片机包括STC89C52单片机。

优选地，所述PCF8591AD模数转换器的第一模拟输入口与风速检测模块连接，第二模拟输入口与风向检测模块连接，所述PCF8591AD模数转换器的SCL接口与STC89C52单片机的P2.0接口连接，所述PCF8591AD模数转换器的SDA接口与STC89C52单片机的P1.0接口连接，所述STC89C52单片机的P0输出端口与警报模块连接。

优选地，所述警报模块包括数码管，所述数码管与控制模块相互连接。

优选地，所述警报模块还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器与控制模块相互连接。

优选地，所述供电模块包括5V直流供电电源。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型提出的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，通过设置风速检测模块、风向检测模块、控制模块和警报模块之间的相互配合，可以实现完全独立的故障报警，没有中间众多的功率放大器、伺服机构等环节，直接通过风速检测模块和风向检测模块采集风速风向，控制模块分析采集过来的信号做出是否有故障的判断，由于没有中间的众多环节因此也就减少了本报警装置出现故障的可能性。

(2)风速检测模块采用风速传感器，由于风速传感器的应用目前已经十分成熟，因此这样的风速检测既能达到检测准确的效果而且也节省了硬件成本，同时风速传感器的体积较小，安装于风力发电机机舱上也不会占用过多空间，减小了报警装置的体积，增加了报警装置的集成程度。

(3)风向检测模块包括风向传感器，与风速传感器一样，采用风向传感器可以节省成本且达到较好的检测结果，同时由于风向传感器的风舵与风向保持一致，这样可以进一步提高检测精度。

(4)风向检测模块还包括基座，风向传感器通过基座固定于风力发电机机舱上，这样可以使得风向传感器采集到的角度信息自然的就代表了风力发电机风轮和风向之间的夹角信息，无需额外进行修正，减小了控制模块的计算难度，提高了控制模块的计算速度进而提高了报警速度。

(5)控制模块包括模数转换器和单片机，通过模数转换器将风速检测模块和风向检测模块输出的模拟数据自动转化为数字数据，便于单片机的计算，而且二者实现简单，适合普遍推广。

(6)模数转换器采用PCF8591AD模数转换器，单片机采用STC89C52单片机，PCF8591AD模数转换器和STC89C52单片机均具有成本低、性价比高以及易于批量采购的特点，从而可以大大降低报警装置的成本。

(7)PCF8591AD模数转换器的第一模拟输入口与风速检测模块连接，第二模拟输入口与风向检测模块连接，PCF8591AD模数转换器的SCL接口与STC89C52单片机的P2.0接口连接，PCF8591AD模数转换器的SDA接口与STC89C52单片机的P1.0接口连接，STC89C52单片机的P0输出端口与警报模块连接，这样的连接方式布线简单且可以减少线与线之间的干扰，从而提高整个报警装置的工作精度。

(8)警报模块包括数码管，通过数码管来显示故障代码从而实现报警，通过数码管上数字的不同从而可以代表不同的故障情况，这样的报警方式既简单又准确，易于实现且方便以后发现更多故障类型时进行相应的扩展。

(9)警报模块还包括蜂鸣器，可以避免工作人员由于疏漏而没发现数码管上的警报的情况，提高报警的及时程度。

(10)采用5V直流供电电源来供电，这种供电方式耗电量小，节省能源的同时也节省了成本。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为传统的主动偏航系统的组成结构图；

图3为风向检测模块进行风向检测时的结构示意图；

图4为控制模块的电路结构图；

图5为单片机和数码管之间的电路结构图；

图6为判断风力发电机偏航系统故障的流程图；

其中，1为风速检测模块，2为风向检测模块，3为控制模块，4为警报模块，5为供电模块，61为控制器，62为功率放大器，63为伺服机构，64为风力机，65为偏航计数器，66为检测元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，为目前主动偏航系统的组成结构图，从图中可以看出，现有的主动偏航系统本质上是一个自动控制系统，主要由控制器61、功率放大器62、伺服机构63、偏航计数器65以及检测元件66等部分组成，在风轮的前部或者机舱一侧装有风向仪，当风力发电机组的航向与风向仪指向偏离时，计算机开始计时，当时间达到一定值时，即认定风向已经改变，控制器61发出调向指令，经功率放大后驱动伺服机构63，使风力机64调向，直至偏差消除。而当风速超出风力发电机的切出风速时偏航系统又会采取保护角度，使风轮不正对风向，以保护风轮叶片不受损伤，至于会采取什么样的角度则要根据不同风力发电机的参数采取不同的角度。

从上述描述中可以看出，由于目前的主动偏航系统存在着自动校正的功能，目前的风力发电机一般都不会有单独的偏航系统故障报警装置，都是默认偏航系统不会出现故障，默认偏航系统一直都是正常工作。而当偏航系统出现故障时只有在检修工作人员例行检修时才会发现问题，而且检修人员可能由于个人因素等因素造成不能及时发现故障，没有排除的故障就会影响风力发电机的安全、造成不必要的经济损失。并且主动偏航系统结构复杂、环节多、涉及的设备也众多，但是各个设备都有故障率，因此环节和设备如果众多产生故障的可能性也就大。

基于上述缺点，本实施例中提出了一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，如图1所示，包括风速检测模块1、风向检测模块2、控制模块3、警报模块4和供电模块5，风速检测模块1和风向检测模块2均固定于风力发电机机舱上，控制模块3的输入端分别与风速检测模块1和风向检测模块2连接，控制模块3的输出端与警报模块4连接，供电模块5分别与风速检测模块1、风向检测模块2、控制模块3和警报模块4连接。

其中，风速检测模块1包括风速传感器，风速传感器固定于风力发电机机舱的外表面上，风速传感器的输出端与控制模块3的输入端相互连接，供电模块5与风速传感器连接。风向检测模块2包括风向传感器，风向传感器的风舵与风向保持一致，风向传感器的输出端与控制模块3的输入端相互连接，供电模块5与风向传感器连接。除此以外，风向检测模块2还包括基座，基座固定于风力发电机机舱上，风向传感器安装于基座上，通过基座与风力发电机机舱连接，由于风向传感器的基座与机舱固定，风轮与机舱的位置关系又是固定的，因此风向传感器的基座也就代表了风轮的朝向，又因为风向传感器的风舵是与自然界风向一致，因此风向传感器采集到的角度信息也就是代表了风力发电机风轮与风向之间的夹角信息，风向传感器的安装示意图可见图3。控制模块3则包括模数转换器和单片机，模数转换器的输入端分别与风速检测模块1和风向检测模块2连接，模数转换器的输出端与单片机的输入端连接，单片机的输出端与警报模块4连接，供电模块5分别于模数转换器和单片机连接。本实施例中，模数转换器为PCF8591AD模数转换器，单片机为STC89C52单片机，也可以根据实际情况选用其他型号的模数转换器和单片机，不过上述两个型号的性价比较高，且易于实现，因此较为优选。

模数转换器和单片机的具体连接结构如图4所示，PCF8591AD模数转换器具有4个模拟输入端口(AIN0、AIN1、AIN2、AIN3)，模拟输入端口AIN0接风速传感器，模拟输入端口AIN1接风向传感器。PCF8591AD模数转换器的SCL和SDA口分别和单片机的P2.0和P2.1口相接。本实施例中，警报模块4采用的是数码管，该数码管具有A、B、C、D、E、F、G、dp和X一共9个接口，单片机中P0的8个端口通过上拉电阻，与这9个接口的前8个相互连接，具体连接方式如图5所示。警报模块4也还可以在数码管的基础上增加蜂鸣器，蜂鸣器与控制模块3相互连接，但在本实施例中未画出。本实施例中，PCF8591AD模数转换器、单片机、风速传感器和风向传感器均由同一5伏直流电电源供电。PCF8591AD模数转换器、单片机和数码管的安装位置不固定，由于这三者体积皆较小，因此可以灵活选择安装位置，其中数码管安装在方便查看的地方即可。

本实施例中的装置在工作时，直接通过偏航结果判断原有偏航系统是否有故障，偏航结果不正确原有偏航系统必然出现了故障，具体过程如图6所示：风速传感器和风向传感器采集了风速风向信息传给单片机，单片机首先会分析风速是在切出风速以内还是切出风速以外，如果风速是在切出风速以内再根据风向传感器采集到的风向与风轮之间的夹角信息判断风轮是否对准风向，或者判断风轮与风向之间夹角是否在风力发电机允许误差以内，如果风轮对准了风向或者两者之间的夹角在允许误差以内则可认为风力发电机原有的偏航系统没有出现故障，并给出风速没有超出切出风速时没有故障的代码；如果风轮没有对准风向或者两者之间的夹角不在允许误差以内则可认为风力发电机原有的偏航系统出现了故障，并给出风速没有超出切出风速时有故障的代码。如果采集到的风速信息超出切出风速，再次根据风向传感器采集到的风轮与风向之间的夹角信息判断风力发电机原有的偏航系统是否对风机采取了保护角度，不同风力发电机保护角度不同，与风速在切出风速以内类似，如果风轮与风向之间的夹角是保护角度，或者角度误差在允许误差范围以内则可以认为风力发电机原有的偏航系统没有故障，并给出风速超出切出风速时没有故障的代码；如果风轮与风向之间的夹角不是保护角度，或者角度误差不在允许误差范围以内则可以认为风力发电机原有的偏航系统有故障，并给出风速超出切出风速时有故障的代码。

本实施例中提出的故障报警装置能够实时监测原有偏航系统是否出现故障，一旦偏航系统出现故障可以立刻给出故障信号。并且本装置是独立于风力发电机原有系统单独工作，不会受到风力发电机原有系统的干扰。其次本装置比人工检修更能准确地发现故障，人员检修的方式会受到检修人员工作经验、心情等因素的影响，而本装置不会受到外部因素的影响。本装置安装简单，不需要对风力发电机已有系统拆开植入，只需在机舱内外另行安装即可，无论是已经建好的风力发电机还是正在生产的风力发电机都可以简单安装，应用范围很大；其次本装置使用方便，一共只有三大块，并且使用数码管显示故障的有无，清晰易懂，而且可以根据不同风力发电机更改不同参数，只需维修人员携带常用笔记本电脑即可更改参数。本装置所使用到的风速传感器、风向传感器、单片机模块、模数转换模块都只是需要5伏直流电供电即可，耗电量非常小。本故障报警装置能够一定程度上减轻维修人员的工作量，而且为风力发电机的安全运行提供支持。

Claims (10)

1.一种用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述装置包括风速检测模块、风向检测模块、控制模块、警报模块和供电模块，所述风速检测模块和风向检测模块均固定于风力发电机机舱上，所述控制模块的输入端分别与风速检测模块和风向检测模块连接，所述控制模块的输出端与警报模块连接，所述供电模块分别与风速检测模块、风向检测模块、控制模块和警报模块连接。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述风速检测模块包括风速传感器，所述风速传感器固定于风力发电机机舱的外表面上，所述风速传感器的输出端与控制模块的输入端相互连接，所述供电模块与风速传感器连接。

3.根据权利要求1所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述风向检测模块包括风向传感器，所述风向传感器的风舵与风向保持一致，所述风向传感器的输出端与控制模块的输入端相互连接，所述供电模块与风向传感器连接。

4.根据权利要求3所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述风向检测模块还包括基座，所述基座固定于风力发电机机舱上，所述风向传感器安装于基座上，通过基座与风力发电机机舱连接。

5.根据权利要求1所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述控制模块包括模数转换器和单片机，所述模数转换器的输入端分别与风速检测模块和风向检测模块连接，所述模数转换器的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与警报模块连接，所述供电模块分别于模数转换器和单片机连接。

6.根据权利要求5所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述模数转换器包括PCF8591AD模数转换器，所述单片机包括STC89C52单片机。

7.根据权利要求6所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述PCF8591AD模数转换器的第一模拟输入口与风速检测模块连接，第二模拟输入口与风向检测模块连接，所述PCF8591AD模数转换器的SCL接口与STC89C52单片机的P2.0接口连接，所述PCF8591AD模数转换器的SDA接口与STC89C52单片机的P1.0接口连接，所述STC89C52单片机的P0输出端口与警报模块连接。

8.根据权利要求1所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述警报模块包括数码管，所述数码管与控制模块相互连接。

9.根据权利要求8所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述警报模块还包括蜂鸣器，所述蜂鸣器与控制模块相互连接。

10.根据权利要求1所述的用于风力发电机偏航系统的故障报警装置，其特征在于，所述供电模块包括5V直流供电电源。