ES2911511T3 - Sistema y método de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador - Google Patents

Sistema y método de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador Download PDF

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Abstract

Sistema de diagnóstico (1) de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador a partir de los datos de aceleración medidos al nivel de una góndola del aerogenerador que está soportada por una torre, caracterizado porque comprende: - un dispositivo de medición (7) equipado con un sensor de vibración de tres ejes (X, Y, Z) que efectúa mediciones sistemáticas y continuas de los datos de aceleración correspondientes a los fenómenos vibratorios que se producen al nivel de la góndola; y - un sistema de procesamiento (8) de los datos de aceleración adaptado para determinar el desequilibrio del rotor mediante un análisis vibratorio que se basa únicamente en los datos de aceleración medidos en al menos dos ejes (X, Y, Z) al nivel de la góndola sin intervenir en el funcionamiento normal del aerogenerador.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y método de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador
La presente invención entra en el campo del desarrollo sostenible, las energías renovables y más particularmente de la energía eólica. De hecho, la invención se refiere a un sistema de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador.
Como parte del desarrollo de las energías renovables, se implantaron rápidamente muchos parques eólicos. Los operadores de estos parques tuvieron que poner en marcha soluciones de mantenimiento y vigilancia del estado de funcionamiento de cada uno de los aerogeneradores que componen su parque, de esta manera, el estado de funcionamiento de cada aerogenerador es un dato fundamental para optimizar la producción de energía y evitar cualquier riesgo de daños.
En este contexto, se sabe que el desequilibrio del rotor de un aerogenerador puede ser una fuente de información en cuanto al desgaste de las palas, el estado físico de las palas o su estado de ensamblaje. De esta manera, se han desarrollado por tanto soluciones técnicas para optimizar el funcionamiento de un aerogenerador,
Una primera solución descrita por el documento US 2012/0183399 consiste en un sistema de equilibrado del rotor y las palas de un aerogenerador. Con ese fin, el sistema de equilibrado usa un dispositivo de medición que incluye un sensor de vibraciones y un sensor de velocidad de rotación del rotor tipo sensor electromagnético. Mediante un método, en particular de medición del desequilibrio en N diferentes configuraciones de cabeceo de palas seguidas, por un lado, de una etapa de cálculo para estimar la corrección necesaria del cabeceo de las palas, y por otro lado, de una etapa para corregir el cabeceo de las palas. El sistema de equilibrado corrige el desequilibrio del rotor que se identifica durante las fases de rotación del rotor. Cabe señalar que el cabeceo de una pala corresponde a su ángulo de inclinación con respecto a un cero de referencia en el nivel del buje del rotor.
Para corregir el desequilibrio del rotor, el sistema de equilibrado usa los datos de aceleración de la góndola medidos por el sensor de vibración, los datos de velocidad de rotación de las palas medidas por el sensor de velocidad de rotación del rotor y el cabeceo conocido de las palas.
De acuerdo con el tipo de aerogenerador, dicho sistema de equilibrado implica una modificación de los ajustes del aerogenerador para realizar las medidas en N configuraciones de cabeceo de las palas. Dichos cambios de configuración de cabeceo pueden conducir a una caída en la producción de energía. Además, el desequilibrio del rotor se mide en períodos de funcionamiento cortos que son poco representativos de las diferentes condiciones de funcionamiento de un aerogenerador. Por ejemplo, de acuerdo con las condiciones meteorológicas a las que se somete un aerogenerador, tal como la dirección y fuerza del viento, la temperatura, la lluvia, la nieve, las heladas, etc. En este contexto, las mediciones durante un período corto no representan la variabilidad de las vibraciones que se aplican al rotor. De esta manera, este método puede requerir nuevas intervenciones y aumentar el costo de mantenimiento de 1 autogenerador.
Una segunda solución descrita por el documento WO 2016/169964consiste en un sistema de equilibrado que usa un sistema de ajuste del cabeceo de cada pala del rotor y un dispositivo de medición del desequilibrio del rotor. Más particularmente, el dispositivo de medición incluye un detector de ángulo que se adapta para detectar el cabeceo de cada pala, un sensor de la velocidad de rotación del rotor y al menos un sensor de vibración de la góndola. El sistema de equilibrado determina el desequilibrio del rotor durante algunos períodos de rotación del rotor, por ejemplo dos o tres, que se elige cada rotación de acuerdo con función una velocidad de rotación del rotor predefinida. De esta manera, el desequilibrio del rotor se determina en base a los datos de vibración de la góndola medidos por el sensor de vibración y los datos de velocidad de rotación del rotor medidos por el sensor de velocidad de rotación del rotor. En una segunda etapa, el sistema de equilibrado corrige el cabeceo de una o varias palas para corregir el desequilibrio del rotor determinado. El sistema de equilibrado repite de esta manera estas etapa hasta que se elimina el desequilibrio del rotor. Este sistema de equilibrado también tiene el inconveniente de modificar los ajustes del aerogenerador para realizar mediciones en N configuraciones de cabeceo de las palas. Dichos cambios de configuración de cabeceo pueden provocar una caída en la producción de energía. Además, el diagnóstico se realiza en los períodos no representativos de las condiciones de funcionamiento de un aerogenerador.
Una tercera solución descrita por el documento WO 2009/129617consiste en un sistema de equilibrado del desequilibrio del rotor de un aerogenerador, Para este objetivo, el sistema de equilibrado incluye un dispositivo de medición se equipa con un sensor de velocidad de rotación del rotor y tres sensores de vibración que se forman por acelerómetros, En ocasiones, los sensores se instalan precisamente en el nivel de la góndola para medir vibraciones de acuerdo con el eje de rotación del rotor y de acuerdo con dos ejes paralelos entre sí y perpendiculares al eje de rotación del rotor.
Una vez instalado el dispositivo de medición, se efectúa una batería de ensayos para determinar los dos componentes del desequilibrio del rotor de un aerogenerador, a saber, el desequilibrio aerodinámico del rotor y el desequilibrio de la masa del rotor.
Para determinar el desequilibrio aerodinámico del rotor se realizan mediciones de datos de aceleración durante un período de funcionamiento del aerogenerador. Los datos de aceleración que corresponden a las vibraciones torsionales de la góndola y a las vibraciones axiales se comparan con datos de referencia provenientes de un ciclo de rotación de referencia. Cuando los datos de aceleración superan un cierto umbral, significa que el rotor tiene un desequilibrio aerodinámico. Para detectar la fuente del problema, se realiza una inspección visual y/o una realineación de las palas.
Además, el desequilibrio de la masa se determina a través de mediciones de datos de aceleración realizadas durante un período de funcionamiento del aerogenerador durante el cual una masa se acopla a una pala. Al igual que las dos primeras soluciones citadas del estado de la técnica, este tercer sistema de equilibrado requiere una parada de la producción de energía para determinar el desequilibrio del rotor y corregirlo. Además, el desequilibrio del rotor se mide también en un período corto que no es muy representativo de las condiciones de funcionamiento de un aerogenerador.
En este contexto, la solicitante desarrolló un sistema de diagnóstico del desequilibrio del rotor alternativo e innovador. A través de las mediciones y los análisis continuos y sistemáticos de los datos de aceleración durante períodos significativos de funcionamiento del aerogenerador, el sistema de diagnóstico permite obtener datos fiables sin interrumpir la producción de energía y sin modificar los ajustes del aerogenerador.
Con ese fin, un primer aspecto de la invención se refiere a un sistema de diagnóstico de desequilibrio del rotor de un aerogenerador a partir de datos de aceleración medidos a nivel de una góndola del aerogenerador que se soporta por una torre, caracterizado porque incluye:
- un dispositivo de medición equipado con un sensor de vibración de tres ejes X, Y, Z que efectúa mediciones sistemáticas y continuas de los datos de aceleración correspondientes a los fenómenos y vibraciones que ocurren en el nivel de la
- Un sistema de procesamiento de datos de aceleración adaptado para determinar el desequilibrio del rotor a través de un análisis vibratorio que se basa únicamente en los datos de aceleración medidos en al menos dos ejes X, Y, Z en el nivel de la góndola sin intervenir con el funcionamiento normal del aerogenerador.
El sistema de diagnóstico de la invención permite determinar un desequilibrio del rotor mediante un análisis vibratorio que se basa únicamente en mediciones de datos de aceleración que corresponden a los fenómenos vibratorios que se producen en el nivel de la góndola. Ventajosamente, el sistema de acuerdo con la invención permite determinar el desequilibrio del rotor del aerogenerador sin modificar los ajustes de funcionamiento del aerogenerador tales como el ángulo de cabeceo del rotor. Al contrario del estado de la técnica citado en la solicitud, el sistema de diagnóstico de acuerdo con la invención proporciona al operador de un parque eólico un diagnóstico de su parque sin tener la necesidad de parar cada aerogenerador para efectuar un protocolo de ensayo iterativo a determinar el desequilibrio del rotor de cada aerogenerador, lo que representa una ganancia en productividad para el operador del parque y una reducción en el costo para obtener un diagnóstico.
De acuerdo con una primera característica del primer aspecto de la invención, el sistema de procesamiento comprende un módulo de análisis que analiza continuo los datos de aceleración medidos por el dispositivo de medición para determinar un período de funcionamiento. Tf del aerogenerador, el desequilibrio del rotor se determina durante una pluralidad de períodos de funcionamiento Tf estable del aerogenerador que se define por una frecuencia estable 3P de paso de las palas por delante de la torre.
Más precisamente, el módulo de análisis determina un período de funcionamiento Tf cuando identifica vibraciones V3P debidas al paso de una pala por delante de la torre a lo largo de al menos un eje X, Y, Z. De acuerdo con la invención, el módulo de análisis realiza operaciones de análisis sistemáticos de forma continua de los fenómenos vibratorios medidos y permite determinar si el aerogenerador se encuentra en un período de funcionamiento que identifica las vibraciones V3P.
De acuerdo con una particularidad de la primera característica del primer aspecto de la invención, el módulo de análisis identifica las vibraciones V3P tras una operación de refinado de los datos de aceleración medidos. Más particularmente, la operación de refinado comprende:
- una etapa de proyección de los datos de aceleración recogidos en un sistema de coordenadas tridimensional X", Y", Z" del rotor;
- una etapa de formación de un espectro de frecuencia de los datos de aceleración proyectados en el marco tridimensional X", Y", Z" del rotor;
- una etapa de sobremuestreo del espectro de frecuencia; y
- una etapa de selección de picos correspondientes a las vibraciones V3P que se realiza por el producto de cada pico del espectro de frecuencia sobremuestreado con el pico de al menos los cinco primeros armónicos de dicho pico.
De acuerdo con una segunda característica del primer aspecto de la invención, el sistema de procesamiento incluye un módulo de periodicidad que se adapta para determinar y registrar un período de rotación regular Tr del rotor que corresponde a una pluralidad de períodos de funcionamiento estable Tf del aerogenerador. Esta pluralidad de períodos de funcionamiento estables Tf se determina en función de las vibraciones V3P identificadas.
Con ese fin, el módulo de periodicidad explora las vibraciones V3P identificadas durante un período de funcionamiento Tf para detectar al menos una vibración V3P cuya frecuencia está próxima de una frecuencia 3P de referencia del aerogenerador. De esta manera, cuando el módulo de periodicidad detecta al menos una vibración V3P cuya frecuencia está próxima del valor de la frecuencia 3P teórica del aerogenerador, el módulo de periodicidad preselecciona el período de funcionamiento Tf.
En este contexto, cuando el módulo de periodicidad selecciona un número umbral NS de períodos de funcionamiento Tf que se suceden cronológicamente, el módulo de periodicidad registra un período de rotación regular Tr del rotor,
De acuerdo con una tercera característica del primer aspecto de la invención, el sistema de procesamiento comprende un módulo de procesamiento de frecuencia que se adapta para cuantificar a lo largo de al menos dos ejes X", Y", Z" vibraciones V1P de la góndola debidas a un desequilibrio del rotor durante una pluralidad de períodos de funcionamiento estable Tf del aerogenerador. Más específicamente, el módulo de frecuencia cuantifica las vibraciones V1P de la góndola durante una pluralidad de períodos de funcionamiento estable Tf del aerogenerador correspondientes a un período de rotación regular registrado Tr.
A estos efectos, el módulo de procesamiento de frecuencia cuantifica vibraciones V1P cuya frecuencia está próxima de una frecuencia 1P de referencia del aerogenerador.
De acuerdo con una cuarta característica del primer aspecto de la invención, el sistema de procesamiento comprende un módulo de cálculo que se adapta para determinar el desequilibrio del rotor en función de las vibraciones V1P a lo largo de al menos dos ejes X", Y", Z", que se han cuantificados durante una pluralidad de períodos de funcionamiento estable Tf del aerogenerador. Preferentemente, las vibraciones V1P se cuantifican durante un número determinado Nd de períodos de rotación regulares registrados Tr.
Ventajosamente, el procesamiento de los datos de aceleración medidos en una pluralidad de períodos de funcionamiento estable del aerogenerador, es decir, períodos en donde el rotor gira a velocidad regular, permite determinar un desequilibrio del rotor en un gran número de períodos de funcionamiento y de esta manera aumentar la precisión del diagnóstico. En efecto, el procesamiento de un gran número de períodos de funcionamiento permite reducir el impacto de las variaciones de los fenómenos vibratorios medidos debido a las condiciones externas a las que se somete el aerogenerador. El procesamiento de datos en una pluralidad de períodos de funcionamiento estable también ayuda a determinar el desequilibrio del rotor del aerogenerador sin tener la necesidad de modificar los ajustes de funcionamiento del aerogenerador.
El sistema de diagnóstico de acuerdo con la invención permite determinar el desequilibrio del rotor que se basa únicamente en datos de aceleración que pueden medirse sin detener la producción de energía y sin intervenir en el aerogenerador y sus ajustes.
El módulo de cálculo determina, en función de las vibraciones V1P a lo largo de al menos dos ejes X", Y", Z", un desequilibrio aerodinámico del rotor y un desequilibrio de la masa del rotor que forman el desequilibrio del rotor. Ventajosamente, el sistema de diagnóstico realiza un procesamiento simultáneo de los datos de aceleración V1P a lo largo de al menos dos ejes que permiten determinar simultáneamente los desequilibrios aerodinámicos y de la masa del rotor.
De acuerdo con una característica de las cuatro características anteriores del primer aspecto de la invención, el módulo de análisis, el módulo de periodicidad, el módulo de procesamiento de frecuencia y el módulo de cálculo son algoritmos que se adaptan para ejecutarse por al menos un terminal informático.
De acuerdo con una quinta característica del primer aspecto de la invención, el dispositivo de medición se dispone sobre un eje paralelo al eje longitudinal de la góndola. Este posicionamiento del dispositivo de medición hace posible la proyección de los datos de aceleración en el sistema de coordenadas tridimensional del rotor.
Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador a partir de datos de aceleración medidos al nivel de una góndola de aerogenerador que se soporta por una torre, caracterizado porque incluye:
- una etapa de medición sistemática y continua de acuerdo con tres ejes X, Y, Z de datos de aceleración correspondientes a los fenómenos vibratorios que se producen en el nivel de la góndola; y
- una etapa de procesamiento de los datos de aceleración para determinar el desequilibrio del rotor mediante un análisis vibratorio que se basa únicamente en los datos de aceleración medidos en al menos dos ejes X, Y, Z en el nivel de la góndola sin intervenir en el normal funcionamiento del aerogenerador.
De acuerdo con una primera característica del segundo aspecto de la invención, la etapa de procesamiento de los datos de aceleración comprende:
- una operación de análisis de forma continua de los datos de aceleración para determinar un período de funcionamiento estable Tf del aerogenerador, y
- una operación para determinar una pluralidad de períodos de funcionamiento estable Tf del aerogenerador, que se determina el desequilibrio del rotor durante esta pluralidad de períodos de funcionamiento estable Tf del aerogenerador que se define por una frecuencia estable 3P de paso de las palas por delante de la torre.
En particular, se determina un período de funcionamiento Tf cuando se identifican vibraciones V3P debidas al paso de una pala por delante de la torre a lo largo de al menos un eje X, Y, Z.
Otras particularidades y ventajas aparecerán en la descripción detallada que sigue, de un ejemplo de modalidad no limitativa de la invención, que se ilustra mediante las Figuras 1 a 9 que se colocan en anexo y en la que:
- la Figura 1 es una representación esquemática de un sistema de diagnóstico del desequilibrio del rotor de un aerogenerador conforme con un ejemplo de modalidad de la invención;
- la Figura 2 es una representación de una señal de vibración sin procesar de datos de aceleración;
- la Figura 3 es una representación simplificada de un espectro de frecuencia sobremuestreado de datos de aceleración.
- la Figura 4 es una representación simplificada de un espectro de frecuencia transformado;
- la Figura 5 es una representación de un histograma correspondiente a una distribución de las vibraciones axiales cuantificadas del rotor para el que se ha realizado un arreglo tipo Weibull;
- la Figura 6 es una representación de un histograma correspondiente a una distribución de vibraciones transversales cuantificadas del rotor para el que se ha realizado un arreglo de tipo gaussiano;
- la Figura 7 es una representación gráfica de un factor de corrección axial;
- la Figura 8 es una representación gráfica de una curva de distribución del desequilibrio aerodinámico del rotor; y - la Figura 9 es una representación esquemática de un método de diagnóstico del desequilibrio del rotor de un aerogenerador que se efectúa por el sistema de diagnóstico de la Figura 1,
La invención se refiere a un sistema de diagnóstico 1 de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador.
En términos generales, un aerogenerador consiste en una torre que se ancla al suelo o al fondo del mar. La torre soporta una góndola en el nivel de la que se dispone el rotor. El rotor se extiende de acuerdo con un eje longitudinal que se mezcla con su eje de rotación X'' y tiene un ángulo de cabeceo con respecto al eje longitudinal X' de la góndola. En términos generales, el ángulo de cabeceo del eje de rotación X" del rotor es S°. Aquí, y en la mayoría de los casos, el rotor comprende tres palas.
Como se ilustra en las Figuras 1 y 9, el sistema de diagnóstico 1 permite, mediante un método de diagnóstico, determinar el desequilibrio del rotor a partir de datos de aceleración medidos en el nivel de la góndola del aerogenerador. Los datos de aceleración corresponden a fenómenos vibratorios que sufre la góndola durante el funcionamiento del aerogenerador. Los orígenes de un fenómeno de vibración pueden ser múltiples y dependen de las condiciones meteorológicas, perturbaciones inducidas por la rotación del rotor, o incluso perturbaciones inducidas por el paso de una pala por delante de la torre, etc.
Como se ilustra en la Figura 1, para medir las vibraciones sufridas por la góndola, el sistema de diagnóstico 1 incluye un dispositivo de medición 7 que se equipa con un sensor de vibraciones que tiene tres ejes de medición X, Y, Z. El sensor de vibraciones permite medir datos de aceleración que corresponden a fenómenos vibratorios. Los datos de aceleración medidos pueden representarse como una señal de vibración sin procesar, como se ilustra en la Figura 2. Aquí, el sensor de vibración se forma por un acelerómetro de tres ejes que mide X, Y, Z.
El dispositivo de medición 7 se posiciona en la góndola para que uno de los ejes de seguridad X, Y, Z del sensor de vibración se posicione paralelo al eje longitudinal X'. Aquí, el eje de medición X se posiciona paralelo al eje longitudinal X'. Preferentemente, el dispositivo de medición 7 se fija rígidamente a un mástil meteorológico del aerogenerador.
Una vez posicionado, el dispositivo de medición 7 se pone en funcionamiento y efectúa una operación de medición sistemática y continua de los datos de aceleración, de acuerdo con los tres ejes de medición X, Y, Z,
El dispositivo de medición 7 se adapta para transferir los datos de aceleración medidos en el nivel de la góndola, hacia un sistema de procesamiento 8 que se adapta para determinar el desequilibrio del rotor a partir de los datos de aceleración medidos en al menos dos ejes ( X Y Z").
En el ejemplo que se ilustra en la Figura 1, el sistema de procesamiento 8 comprende un módulo de análisis 9 que recibe los datos de aceleración transferidos por el dispositivo de medición 7.
Además, el dispositivo de medición 7 puede incluir una memoria que le permite almacenar los datos recogidos localmente,
Aquí, el módulo de análisis 9 es un algoritmo almacenado y ejecutado por un terminal informático 10 que puede integrarse en el nivel del aerogenerador o ubicarse a una distancia del aerogenerador.
En el caso en donde el terminal informático 10 se sitúa a cierta distancia del aerogenerador, el dispositivo de medición 7 incluye medios de transmisión mediante una red de telecomunicaciones, como una red GSM o satélite. Para limitar las intervenciones en el nivel de la góndola del aerogenerador, el dispositivo de medición 7 se alimenta con energía eléctrica por una batería o por el aerogenerador.
Más precisamente, el módulo de análisis 9 se integra en el sistema de diagnóstico 1 y se adapta para analizar de forma continua los datos de aceleración transmitidos por el dispositivo de medición 7 para determinar un período de funcionamiento Tf del aerogenerador. Preferentemente, el período de operación Tf se comprende 15 segundos y 90 segundos y preferentemente el período de operación Tf se comprende entre 20 y 60 segundos,
Se determina un período de funcionamiento Tf cuando el módulo de análisis 9 identifica vibraciones V3P de la góndola, a lo largo de al menos un eje X, Y, Z, que se inducen por el paso de una pala por delante de la torre, Para ello, el módulo de análisis 9 efectúa un método de refinado de los datos de aceleración que permite obtener un espectro de frecuencia como el que se ilustra en la Figura 3. El espectro de frecuencia de la Figura 3 incluye, por un lado, en abscisas, la frecuencia de la vibración medida, y, por otro lado, en ordenadas, el nivel de aceleración de la señal de vibración que corresponde a la intensidad de la vibración medida.
El método de refinado de los datos de aceleración medidos permite destacar, en función de su nivel de aceleración y su frecuencia, las vibraciones V3P de la góndola, que corresponden a las vibraciones inducidas por el paso de una pala por delante de la torre del aerogenerador.
Con ese fin, el método de refinado usa una sucesión de operaciones de procesamiento para mejorar la legibilidad del espectro de frecuencia que deja únicamente las vibraciones V3P correspondientes al paso de una pala por delante de la torre. En el ejemplo de la Figura 4 sólo queda un pico, que corresponde a una vibración v 3p de la góndola.
En ese sentido, el método de refinado incluye una primera operación de proyección de los datos de aceleración en un sistema de coordenadas tridimensional X', Y', Z' de la góndola, el vector de gravedad G que se considera relativamente constante por naturaleza y corresponde al eje Z' de la góndola.
Además, el vector de gravedad G se usa como referencia para proyectar, mediante una primera matriz de rotación, los datos de aceleración X, Y, Z en el sistema de coordenadas tridimensional X', Y', Z' de la góndola, Cualquiera que sea la inclinación del dispositivo de medición 7, la proyección de los datos de aceleración en el sistema de coordenadas X', Y', Z' permite hacer coincidir el eje Z' con el vector de gravedad G.
El método de refinado incluye una segunda operación de proyección que usa una segunda matriz de rotación para proyectar los datos de aceleración desde el sistema de coordenadas tridimensional X', Y', Z' de la góndola a un sistema de coordenadas tridimensional X", Y", Z" del rotor. Como se indicó anteriormente, el rotor tiene un ángulo de cabeceo con respecto a la góndola, esta segunda proyección en el sistema de coordenadas tridimensional X", Y", Z" permite proyectar los datos de aceleración en el plano del rotor.
Las dos operaciones de proyección de datos de aceleración permiten, por un lado, limitar las restricciones de posicionamiento del dispositivo de medición 7 y, por otro lado, proyectar los datos de aceleración en el sistema de coordenadas tridimensional X", Y", Z" del rotor sobre el que se reflejan los esfuerzos del desequilibrio del rotor. El método de refinado incluye una operación de formación de un espectro de frecuencia de los datos de aceleración proyectados en el sistema de coordenadas tridimensional X", Y", Z" del rotor. Normalmente, la operación de formación del espectro de frecuencia puede realizarse con la ayuda una transformada de Fourier.
Para mejorar la resolución del espectro de frecuencia, el método de refinado comprende una etapa de sobremuestreo del espectro de frecuencia. Esta etapa de sobremuestreo contribuye a mejorar la precisión de la identificación de los picos y/o señales correspondientes a las vibraciones V3P (que se ilustran en la Figura 3).
El método de refinado incluye una operación de identificación de las señales correspondientes a las vibraciones V3P de la góndola. Para efectuar esta operación, el módulo de análisis 9 genera un espectro de frecuencia transformado que realiza el producto de cada pico y/o señal del espectro de frecuencia sobremuestreado con el pico y/o señal de al menos los cinco primeros armónicos de dicho pico y/o señal.
En efecto, sólo las vibraciones inducidas por el paso de una pala por delante de la torre estimulan la frecuencia de vibración fundamental y al menos cinco de sus primeros armónicos en el eje X". De esta manera, el producto de cada pico y/o señal del espectro de frecuencia sobremuestreado con el pico y/o señal de al menos los cinco primeros armónicos del espectro de frecuencia sobremuestreado permite subsistir únicamente las vibraciones V3P correspondientes al paso de una pala por delante de la torre.
El módulo de análisis 9 identifica lo fundamental de las vibraciones V3P por una selección de picos significativos con respecto al ruido del espectro de frecuencia transformado que se ilustra en la Figura 4. En la práctica, cada pico significativo corresponde a una vibración V3P y la selección de picos significativos puede realizarse en un rango de frecuencia predeterminado que depende de los datos del fabricante del aerogenerador, por ejemplo, el módulo de análisis 9 puede configurarse para seleccionar picos significativos cuando se encuentran en un rango de frecuencia entre 0,1 Hz y 2 Hz.
Mediante el método de refinado, el módulo de análisis 9 permite determinar una frecuencia 3P del rotor que extrae lo fundamental de las vibraciones V3P de los datos de aceleración medidos por el dispositivo de medición 7. La frecuencia 3P del rotor corresponde a la frecuencia de paso de una pala por delante de la torre.
Como se ilustra en la Figura 1, el sistema de procesamiento 8 incluye un módulo de periodicidad 11 que se adapta para registrar en una memoria M del terminal informático 10 un período Tr de rotación regular del rotor en función de las vibraciones identificadas V3P. La memoria M del terminal informático 10 puede constituirse de un disco duro o una memoria flash.
En el presente ejemplo, el módulo de periodicidad 11 es un algoritmo almacenado y ejecutado por el terminal informático 10.
Mediante un método de análisis de las vibraciones V3P identificadas en un espectro de frecuencia transformada de períodos de funcionamiento Tf que se siguen, el módulo de periodicidad 11 crea y registra un período Tr en la memoria M del terminal informático 10.
Con ese fin, el método de análisis que se efectúa por el módulo de periodicidad 11 incluye una operación de exploración de las vibraciones V3P identificadas sobre el espectro de frecuencia transformadas de un período de funcionamiento Tf. Durante la operación de exploración, el módulo de periodicidad 11 compara la frecuencia de las vibraciones V3P identificadas con una frecuencia 3P de referencia del aerogenerador.
Aquí, la frecuencia 3P de referencia del aerogenerador corresponde a una frecuencia 3P teórica que depende del tipo de aerogenerador y viene bajo datos conocidos del fabricante. La frecuencia 3P teórica corresponde, por ejemplo, al valor de la frecuencia 3P durante el funcionamiento nominal del rotor, en donde los esfuerzos provocados por el desequilibrio del rotor se ejercen sobre el rotor de forma máxima.
Cuando el módulo de periodicidad 11 detecta sobre el espectro de frecuencia transformadas de un período de funcionamiento Tf, al menos una vibración V3P cuya frecuencia está próxima a la frecuencia 3P de referencia del aerogenerador, el módulo de periodicidad 11 realiza una operación de preselección de dicho período de funcionamiento Tf. En la práctica, dicho período de funcionamiento preestablecido Tf se almacena de manera temporal y/o permanentemente en una memoria Mv del módulo de periodicidad 11.
La memoria Mv del módulo de periodicidad 11 puede constituirse de una memoria de acceso aleatorio, un disco duro o bien una memoria flash. Cuando el módulo de periodicidad 11 preselecciona un número umbral NS de período de funcionamiento Tf que se sucede cronológicamente, el módulo de periodicidad 11 realiza una operación de ensamblaje del número umbral NS de los sucesivos períodos de funcionamiento Tf para crear un período de rotación regular Tr del rotor.
En el presente ejemplo, el número umbral NS de períodos de funcionamiento preseleccionados Tf necesario para crear un período de rotación regular Tr puede comprenderse entre 5 y 30 períodos de funcionamiento preseleccionados Tf y preferentemente entre 10 y 20 períodos de funcionamiento preseleccionados Tf.
Aquí, cada período de rotación regular Tr determinado a través del análisis vibratorio corresponde a un período de 2 a 15 minutos durante el cual el rotor gira a una velocidad regular.
En este ejemplo, el módulo de periodicidad 11 registra cada período Tren la memoria M del terminal informático 10. Además, en el ejemplo de la Figura 1, el sistema de procesamiento 8 del sistema de diagnóstico 1 incluye un módulo de procesamiento de frecuencia 12 que se adapta para determinar las vibraciones V1P de la góndola que se inducen por el desequilibrio del rotor.
En el presente ejemplo, el módulo de procesamiento de frecuencia 12 es un algoritmo almacenado y ejecutado por la terminal de computadora 10.
Mediante un método de procesamiento de frecuencia de un período de rotación regular Tr registrado en la memoria M, el módulo de procesamiento de frecuencia 12 determina vibraciones V1P cuya frecuencia está próxima a una frecuencia 1P de referencia del aerogenerador.
La frecuencia 1P corresponde a la velocidad de rotación del rotor. Cuando la velocidad de rotación del rotor es estable, la frecuencia 1P es también estable.
Por otra parte, en este ejemplo, la frecuencia 1P de referencia del aerogenerador corresponde a una frecuencia 1P teórica que depende del tipo de aerogenerador y viene bajo datos conocidos del fabricante. La frecuencia 1P teórica corresponde, por ejemplo, al valor de la frecuencia 1P durante un funcionamiento nominal del rotor durante el cual los esfuerzos provocados por el desequilibrio del rotor se ejercen sobre el rotor de forma máxima,
El módulo de procesamiento de frecuencia 12 cuantifica, durante un período de rotación regular Tr, vibraciones V1P cuyo valor se comprende entre -20% y 20% de la frecuencia (1P) de referencia, preferentemente el módulo de procesamiento de frecuencia 12 cuantifica vibraciones V1P cuyo valor se comprende entre -15% y 15% de la frecuencia (1P) de referencia y preferentemente el módulo de procesamiento de frecuencia 12 cuantifica vibraciones V1P cuyo valor se comprende entre -10% y 5% de la frecuencia (1P) de referencia.
Para ello, el módulo de procesamiento de frecuencia 12 realiza una etapa de cuantificación del nivel de aceleración de las vibraciones axiales y transversales V1P alrededor de la frecuencia (1P) de referencia, es decir, la cuantificación de la intensidad vibratoria de las vibraciones axiales V1P, de acuerdo con el eje X", y transversal V1P, de acuerdo con el eje Y".
En el ejemplo que se ilustra en la Figura 1, el sistema de procesamiento 8 del sistema de diagnóstico 1 incluye un módulo de cálculo 13 que se adapta para determinar el desequilibrio del rotor en función de las vibraciones axiales V1P y transversales V1P de un número determinado Nd de períodos de rotación regular Tr registrado en la memoria M.
Aquí, el módulo de cálculo 13 es un algoritmo almacenado y ejecutado por el terminal informático 10.
En este ejemplo, el número Nd determinado de períodos de rotación regulares Tr se comprende entre 100 y 400, y preferentemente el número Nd determinado de períodos de rotación regulares Tr se comprende entre 200 y 300. Para determinar el desequilibrio del rotor, el módulo de cálculo 13 realiza operaciones de procesamiento estadístico que permiten obtener en la memoria M un valor global de las vibraciones axiales y transversales VIP para el número determinado Nd de períodos regulares de rotación Tr. En este ejemplo, el módulo de cálculo 13 procesa de forma independiente los valores globales de las vibraciones VIP axiales y transversales.
De manera conocida, el desequilibrio del rotor de un aerogenerador comprende dos componentes, un desequilibrio aerodinámico del rotor y un desequilibrio de la masa del rotor.
Se ha demostrado que las vibraciones axiales de V1P se deben principalmente al desequilibrio aerodinámico e inducida principalmente por un comportamiento aerodinámico diferente entre cada pala del aerogenerador. Las vibraciones axiales V1P varían con la fuerza del viento. Además, el desequilibrio aerodinámico de un rotor puede deberse a un error en el montaje de las palas, tal como un desplazamiento del ángulo de cabeceo de una o más palas, a una deformación de las palas que puede inducirse por impactos de rayos, desgaste diferenciado de las palas, o incluso una diferencia en la fabricación entre cada pala.
En el caso de las vibraciones transversales V1P, resultan principalmente de un desequilibrio de la masa del rotor y se inducen principalmente por la rotación del rotor. El desequilibrio de la masa del rotor puede deberse a un problema de fisuras en una pala que puede favorecer una acumulación de agua en esta pala, o un depósito de material sobre las palas, por ejemplo, un depósito de escarcha.
La Figura 5 tiene una distribución de las vibraciones axiales V1P para el número determinado Nd de períodos regulares de rotación Tr de acuerdo con un primer histograma 14. El histograma 14 tiene en el eje de abscisas los valores de aceleración de las vibraciones axiales V1P y en el eje de ordenadas la proporción y/o la cantidad de vibraciones axiales V1P. La distribución se efectúa por el módulo de cálculo 13.
Para determinar un valor global de las vibraciones axiales V1P, es necesario interpretar la distribución de las vibraciones axiales V1P en el histograma 14.
Como se indicó anteriormente, cuando la velocidad del rotor es constante, la especificidad de la distribución de la vibración axial V1P se debe a las diferentes velocidades del viento que se aplican en el rotor y las palas. Para interpretar tal fenómeno, el módulo de cálculo 13 usa un modelo estadístico tal como la ley de Weibull. Se determina un valor global de las vibraciones axiales V1P mediante el cálculo del parámetro A de la ley de Weibull que representa el valor característico de la distribución de los valores de las vibraciones axiales V1P.
En el ejemplo que se ilustra en la Figura 5, el módulo de cálculo 13 ajusta una curva de Weibull 16 a la distribución de las vibraciones axiales V1P para determinar el parámetro A de la curva de Weibull ajustada.
La Figura 6 tiene una distribución de las vibraciones transversales V1P para el número determinado Nd de períodos regulares de rotación Tr de acuerdo con un segundo histograma 17. El histograma 17 tiene en el eje de abscisas los valores de aceleración de las vibraciones transversales V1P y en el eje de ordenadas la proporción y/o la cantidad de vibraciones transversales V1P. La distribución se efectúa el módulo de cálculo 13.
Para determinar un valor global de las vibraciones V1P transversales, es necesario interpretar la distribución de las vibraciones V1P transversales en el 1' histograma 17.
Como se indicó anteriormente, las vibraciones transversales V1P varían principalmente con la velocidad de rotación del rotor, o bien, los períodos de rotación regulares Tr seleccionados se caracterizan por una velocidad de rotación del rotor constante. En efecto y como se ilustra en la Figura 6, la distribución de las vibraciones transversales V1P sobre el histograma 17 tiene un perfil clásico de distribución gaussiana. En este contexto, una función gaussiana constituye un modelo pertinente para determinar un valor global característico de la distribución de vibraciones transversales V1P.
De esta manera, el módulo de cálculo 13 ajusta una curva gaussiana 18 sobre el histograma 17 de distribución de las vibraciones transversales V1P con la ayuda de una función gaussiana. En este ejemplo, el valor global de las vibraciones transversales V1P corresponde al valor medio p de la curva gaussiana ajustada 18.
Además, como se ha mencionado, el desequilibrio aerodinámico es el principal origen de las vibraciones axiales de V1P. De manera conocida, el desequilibrio de la masa del rotor constituye también un origen adicional de las vibraciones axiales V1P. Sin embargo, en proporción al desequilibrio aerodinámico del rotor, el desequilibrio de la masa del rotor representa una parte menor de la intensidad de vibraciones axiales V1P.
Por el contrario, el origen principal de las vibraciones transversales V1P es el desequilibrio de la masa del rotor, que constituye el desequilibrio aerodinámico del rotor un origen adicional de las vibraciones transversales V1P. Sin embargo, en proporción al desequilibrio de la masa del rotor, el desequilibrio aerodinámico del rotor representa una parte menor de la intensidad de las vibraciones transversales V1P.
En este contexto, para un mismo número determinado Nd de períodos regulares de rotación Tr, el módulo de cálculo 13 realiza una operación de corrección de los valores globales de las vibraciones V1P axiales A y transversales p entre sí.
Preferentemente, las operaciones de corrección de los valores globales de las vibraciones axiales A y de las vibraciones transversales p son independientes.
Con ese fin, el módulo de cálculo 13 puede usar una función logística que permite calcular un coeficiente de corrección para cada valor global A, p.
En el ejemplo de la Figura 7, se ilustra gráficamente, en forma de curva de un coeficiente de corrección axial del valor global A. Aquí, el coeficiente de corrección axial se comprende entre 0 y 1. En la práctica, cuanto más el coeficiente de corrección axial incluye un valor cercano al valor 1, es más fiable la participación de las vibraciones transversales V1P en la intensidad de los fenómenos vibratorios axiales.
Para obtener el coeficiente de corrección del valor global A, el módulo de cálculo 13 puede usar a continuación la función logística:
1
J factor correctivo axial (x) - - i -- --i-- ----.— - ir---# -- ® -r )
en donde x = (valor total p transversal V1P/valor total A axiales V1P), y c=0,25, k=1,1, xo=2,5 pueden usarse como valores de coeficiente para un tipo de aerogenerador dado.
El módulo de cálculo 13 determina el desequilibrio aerodinámico del rotor en función del producto del valor global A de las vibraciones axiales V1P y del coeficiente de corrección axial.
En el ejemplo de la Figura 8, el desequilibrio aerodinámico se representa gráficamente por una curva cuyo valor varía entre 0 y 1. El valor 0 corresponde al perfecto equilibrio del rotor, mientras que el valor 1 corresponde a un desequilibrio máximo teórico que no puede alcanzarse. En la práctica, cuando el sistema de diagnóstico 8 determina un desequilibrio aerodinámico superior a un valor que se comprende entre 0,2 y 0,3, es recomendable intervenir en el aerogenerador en cuestión para evitar daños en el nivel de las palas o del rotor,
Para determinar el desequilibrio aerodinámico del rotor, el módulo de cálculo 13 usa una función logística:
1
diagnóstico de desequilibrio aerodinámico (x) ---------- --------en donde x = valor global A axial V1P * factor de corrección axial (global_valor_transverse_V1P/valor_global_axial_V1P), y k=0,9, x0=2,75 que pueden usarse como valores de coeficiente para un determinado tipo de aerogenerador.
Aquí, los valores axiales y transversales V1p se expresan en mg (miling), que son el milig una unidad de aceleración.
De la misma manera, el módulo de cálculo 13 determina un coeficiente de corrección transversal del valor global p, por ejemplo, con la ayuda de una función logística del mismo tipo que la descrita para el coeficiente de corrección axial:
Figure imgf000010_0001
en donde x = (valor global A V1P axiales/valor global p V1P transversales), y c=0,2, k=1,1, x0=1,75 que pueden usarse como valores de coeficiente para un determinado tipo de aerogenerador.
Desde un punto de vista gráfico, el factor correctivo transversal tiene un perfil de curva similar al del factor correctivo axial que se muestra en la Figura 7.
De manera similar, cuanto más el coeficiente de corrección transversal tenga un valor cercano al valor 1, es más fiable la participación de las vibraciones axiales V1P en la intensidad de los fenómenos vibratorios transversales. El módulo de cálculo 13 determina el desequilibrio de la masa en función del producto del coeficiente de corrección transversal y el valor global de las vibraciones transversales V1P. La determinación del desequilibrio de la masa del rotor se efectúa mediante una función logística del mismo tipo que se usa para determinar el desequilibrio aerodinámico: „
diagnóstico de desequilibrio de masa (x) ~ ---------------------------i * e-*
en donde * = valor global p transversal V1P * factor de corrección global axial transversal V1P / valor globales_transverso_V1P), y k=0,7, x0=2,25 que pueden usarse como valores de coeficiente para un modelo de aerogenerador determinado.
El desequilibrio de la masa del rotor también puede expresarse en una escala de 0 a 1 de acuerdo con una interpretación similar al desequilibrio aerodinámico del rotor, a saber, que el valor 0 corresponde al equilibrio perfecto del rotor, mientras que el valor 1 corresponde a un desequilibrio máximo teórico que no puede alcanzarse, Desde un punto de vista gráfico, el desequilibrio de la masa del rotor tiene un perfil de curva similar al del desequilibrio aerodinámico que se ilustra en la Figura 8.
En la práctica, cuando el sistema de diagnóstico determina un desequilibrio de la masa superior a valores que se comprenden entre 0,2 y 0,3, también es recomendable intervenir en el aerogenerador en cuestión para evitar daños en el nivel de las palas y/o del rotor.
El sistema de diagnóstico 1 funciona de forma continua y permite transmitir datos de forma continua y en tiempo real a los operadores de los parques eólicos.
El sistema de diagnóstico 1 permite determinar, mediante un método de diagnóstico, el desequilibrio aerodinámico y de la masa del rotor sin intervenir en el funcionamiento normal del aerogenerador, es decir, se determina el desequilibrio aerodinámico y de la masa del rotor sin intervenir sobre los ajustes de funcionamiento del aerogenerador. De esta manera, como indicación, el sistema y el método de diagnóstico no requieren modificar el ángulo de cabeceo del rotor para determinar el desequilibrio del rotor.
En vista a la información que reciben los operadores de parques eólicos, pueden optimizar la gestión de sus parques eólicos. En particular, el sistema de diagnóstico permite orientar a los operadores de los parques en sus procesos de mantenimiento del parque eólico que identifica los aerogeneradores que tienen un desequilibrio del rotor.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de diagnóstico (1) de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador a partir de los datos de aceleración medidos al nivel de una góndola del aerogenerador que está soportada por una torre, caracterizado porque comprende:
- un dispositivo de medición (7) equipado con un sensor de vibración de tres ejes (X, Y, Z) que efectúa mediciones sistemáticas y continuas de los datos de aceleración correspondientes a los fenómenos vibratorios que se producen al nivel de la góndola; y
- un sistema de procesamiento (8) de los datos de aceleración adaptado para determinar el desequilibrio del rotor mediante un análisis vibratorio que se basa únicamente en los datos de aceleración medidos en al menos dos ejes (X, Y, Z) al nivel de la góndola sin intervenir en el funcionamiento normal del aerogenerador.
2. Sistema de diagnóstico (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de procesamiento (8) comprende un módulo de análisis (9) que analiza de forma continua los datos de aceleración medidos por el dispositivo de medición (7) para determinar un período de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador, el desequilibrio del rotor es determinado durante una pluralidad de períodos de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador que se definen por una frecuencia (3P) estable de paso de las palas por delante de la torre.
3. Sistema de diagnóstico (1) según la reivindicación 2, caracterizado porque el módulo de análisis (9) determina un período de funcionamiento (Tf) cuando identifica vibraciones (V3P) debidas al paso de una pala por delante de la torre a lo largo de al menos un eje (X, Y, Z).
4. Sistema de diagnóstico (1) según la reivindicación 3, caracterizado porque el módulo de análisis (9) identifica las vibraciones (V3P) después de una operación de refinado de los datos de aceleración medidos, la operación de refinado comprende:
- una etapa de proyección de los datos de aceleración recogidos en un sistema de coordenadas tridimensional (X", Y", Z") del rotor;
- una etapa de formación de un espectro de frecuencia de los datos de aceleración proyectados en el sistema de coordenadas tridimensional (X", Y", Z") del rotor;
- una etapa de sobremuestreo del espectro de frecuencia; y
- una etapa de selección de picos correspondientes a las vibraciones (V3P) que se realiza por el producto de cada pico del espectro de frecuencia sobremuestreado con el pico de al menos los cinco primeros armónicos de dicho pico.
5. Sistema de diagnóstico (1) según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el sistema de procesamiento (8) comprende un módulo de periodicidad (11) que se adapta para determinar y registrar un período de rotación (Tr) regular del rotor que corresponde a una pluralidad de períodos de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador.
6. Sistema de diagnóstico (1) según la reivindicación 5, caracterizado porque el módulo de periodicidad (11) explora las vibraciones (V3P) identificadas durante un período de funcionamiento (Tf) para detectar al menos una vibración (V3P) cuya frecuencia está próxima a una frecuencia (3P) de referencia del aerogenerador, cuando el módulo de periodicidad (11) detecta al menos una vibración (V3P) cuya frecuencia está próxima al valor de la frecuencia (3P) teórica del aerogenerador, el módulo de periodicidad (11) preselecciona el período de funcionamiento (Tf).
7. Sistema de diagnóstico (1) según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque, cuando el módulo de periodicidad (11) selecciona un número umbral (NS) de períodos de funcionamiento (Tf) que se suceden cronológicamente, el módulo de periodicidad (11) registra un período de rotación (Tr) regular del rotor.
8. Sistema de diagnóstico (1) según una de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque el sistema de procesamiento (8) comprende un módulo de procesamiento de frecuencia (12) adaptado para cuantificar a lo largo de al menos dos ejes (X", Y", Z") vibraciones (V1P) de la góndola debidas a un desequilibrio del rotor durante una pluralidad de períodos de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador.
9. Sistema de diagnóstico (1) según la reivindicación 8, caracterizado porque el módulo de procesamiento de frecuencia (12) cuantifica vibraciones (V1P) cuya frecuencia es próxima a una frecuencia (1P) de referencia del aerogenerador.
10. Sistema de diagnóstico (1) según una de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque el sistema de procesamiento (8) comprende un módulo de cálculo (13) adaptado para determinar el desequilibrio del rotor en función de las vibraciones (V1P) a lo largo de al menos dos ejes (X, Y, Z") que se han cuantificados durante una pluralidad de períodos de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador.
11. Sistema de diagnóstico (1) según la reivindicación 10, caracterizado porque el módulo de cálculo (13) determina, en función de las vibraciones (V1P) cuantificadas a lo largo de al menos dos ejes (X", Y", Z"), un desequilibrio aerodinámico del rotor y un desequilibrio de la masa del rotor que forman el desequilibrio del rotor.
12. Sistema de diagnóstico (1) según una de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizado porque el módulo de análisis (9), el módulo de periodicidad (11), el módulo de procesamiento de frecuencia (12) y el módulo de cálculo (13) son algoritmos adaptados para ejecutarse por al menos un terminal informático (10).
13. Método de diagnóstico de un desequilibrio del rotor de un aerogenerador a partir de los datos de aceleración medidos al nivel de una góndola del aerogenerador soportada por una torre, caracterizado porque comprende:
- una etapa de medición sistemática y continua a lo largo de tres ejes (X, Y, Z) de los datos de aceleración correspondientes a los fenómenos vibratorios que se producen al nivel de la góndola; y - una etapa de procesamiento de los datos de aceleración para determinar el desequilibrio del rotor mediante un análisis vibratorio que se basa únicamente en los datos de aceleración medidos en al menos dos ejes (X, Y, Z) al nivel de la góndola sin intervenir en el funcionamiento normal del aerogenerador.
14. Método de diagnóstico según la reivindicación 13, caracterizado porque la etapa de procesamiento de datos de aceleración comprende:
- una operación de análisis continuo de los datos de aceleración para determinar un período de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador, y
- una operación de determinación de una pluralidad de períodos de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador que se define por una frecuencia (3P) estable de paso de las palas por delante de la torre, el desequilibrio del rotor es determinado durante esta pluralidad de períodos de funcionamiento (Tf) estable del aerogenerador.
15. Método de diagnóstico según la reivindicación 14, caracterizado porque se determina un período de funcionamiento (Tf) cuando se identifican vibraciones (V3P) debidas al paso de una pala por delante de la torre a lo largo de al menos un eje (X, Y, Z).
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