ES2963583T3 - Estimación de las características operativas del rotor para una turbina eólica - Google Patents

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Abstract

La solicitud se refiere a un método de estimación de las características operativas del rotor, en particular la velocidad del rotor (39), el acimut del rotor (61) y la dirección de rotación (59), de un rotor giratorio (7) de una turbina eólica, comprendiendo el método: medir el pulso tiempo de flanco ascendente y tiempo de flanco descendente de impulsos generados por cada uno de los múltiples sensores de proximidad que se originan a partir de múltiples objetivos de detección dispuestos en el rotor (7); estimar valores de parámetros asociados con los sensores y/u objetivos, en particular parámetros asociados con el rango de posicionamiento y detección de al menos un sensor y parámetros asociados con el posicionamiento y tamaño de al menos un objetivo, basándose en los tiempos de flanco ascendente del pulso medidos y tiempos de flanco descendente del pulso; estimar las características operativas del rotor, en particular una velocidad del rotor (39), un acimut del rotor (61) y una dirección de rotación (59), basándose en los tiempos medidos del flanco ascendente del pulso, los tiempos medidos del flanco descendente del pulso y los valores estimados de los parámetros asociados con los sensores y objetivos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Estimación de las características operativas del rotor para una turbina eólica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método y a una disposición para la estimación de la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación de un rotor giratorio de una turbina eólica y, además, se refiere a una turbina eólica que comprende la disposición.
Antecedentes de la técnica
Una turbina eólica puede comprender una torre de turbina eólica, una góndola montada en la parte superior de la torre de turbina eólica, en donde la góndola alberga un eje de rotor principal en el que se montan varias palas de rotor y que se acopla a un generador eléctrico que genera energía eléctrica tras la rotación del rotor principal.
La determinación de las características operativas del rotor, tales como la velocidad del rotor, el azimut del rotor y la dirección de rotación, puede ser necesaria para controlar adecuadamente la turbina eólica. Para determinar las características operativas del rotor, se pueden instalar uno o más sensores en diferentes ubicaciones de la turbina eólica. Los métodos y disposiciones convencionales para estimar las características operativas del rotor a menudo hacen uso de sensores de proximidad que generan pulsos digitales cuando detectan un objetivo de paso. Los métodos y disposiciones que utilizan sensores de proximidad encuentran diversos obstáculos que comprometen su precisión y robustez. Por ejemplo, algunos métodos solo son capaces de producir estimaciones para una característica operativa del rotor, a saber, la velocidad de rotación, mientras que otras características necesarias para el control adecuado de la turbina eólica, tales como el azimut del rotor y la dirección de rotación, deben estimarse utilizando un método alternativo basado en diferentes hardware de detección.
Los métodos que utilizan sensores de proximidad a menudo requieren que las piezas se fabriquen de manera especial con alta precisión para servir como objetivos para la detección por los sensores, lo que puede añadir un coste significativo a la turbina. Dado que los trenes de pulsos generados por los sensores de proximidad están directamente relacionados con el tamaño y la separación de los objetivos de detección, los métodos que no representen las posibles imperfecciones en la fabricación de los objetivos tienen dificultades para proporcionar estimaciones precisas de las características operativas del rotor cuando no se hayan cumplido las tolerancias de mecanizado. Además, los sensores pueden colocarse de manera que estén desalineados con los objetivos o, en disposiciones que utilicen múltiples sensores, desalineados entre sí lo suficiente como para comprometer la fiabilidad de las mediciones. Además, las vibraciones de la turbina eólica y/o de los componentes en los que estén montados los sensores y los objetivos, pueden variar la alineación entre los sensores y los objetivos lo suficiente como para producir pulsos erróneos o para saltarse pulsos, lo que da como resultado estimaciones inexactas de las características operativas del rotor.
Normalmente, los métodos no usan toda la información disponible de los trenes de pulsos generados por los sensores. En particular, los métodos a menudo se basan en la temporización o el recuento de uno de los bordes de los pulsos (es decir, o el borde ascendente o el descendente) cuando un segundo borde también esté disponible para la detección y pueda emplearse para algorítmicamente compensar las incertidumbres en las propiedades del sensor. Además, los métodos que hacen uso de un solo sensor carecen de redundancia de medición, que se puede aprovechar para detectar fallos de sensor (p. ej., pulsos perdidos o pulsos erróneos), aumentar las tasas de muestreo, y reducir la sensibilidad a las vibraciones, las especificaciones del sensor, la colocación del sensor, la calidad de fabricación objetivo, etc.
Por lo tanto, puede haber una necesidad de un método más robusto y una disposición para la estimación de las características operativas del rotor, en particular, la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación del rotor de un rotor giratorio de una turbina eólica que utilice sensores de proximidad, y puede haber una necesidad correspondiente de una turbina eólica que comprenda la disposición.
Los documentos US-9.209.726 B2 y DE 102005 019 515 A1 son métodos conocidos para estimar la velocidad de rotación de los motores eléctricos, en donde los errores de posicionamiento del sensor se corrigen mediante el uso de coeficientes de corrección determinados durante una fase de calibración. El documento US-2009/0102467 A1 describe un método adicional conocido para estimar la velocidad de rotación y la dirección de rotación de un motor eléctrico.
Esta necesidad puede satisfacerse por el objeto de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes especifican realizaciones particulares de la presente invención.
Resumen de la invención
Según una realización de la presente invención, se proporciona un método según la reivindicación 1, de estimación de características operativas del rotor, incluyendo la velocidad del rotor, el azimut del rotor y la dirección de rotación, de un rotor giratorio de una turbina eólica, comprendiendo el método: medir el tiempo de borde ascendente del pulso y el tiempo de borde descendente del pulso, de los pulsos generados por cada uno de múltiples sensores de proximidad que se originan a partir de cada uno de múltiples objetivos de detección dispuestos en el rotor; estimar los valores de parámetros del rango de posicionamiento y de detección de al menos un sensor de dichos múltiples sensores de proximidad, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y de los tiempos de borde descendente del pulso; estimar las características operativas del rotor, incluyendo una velocidad del rotor y el azimut del rotor y una dirección de rotación, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascenderte del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso, y los valores estimados de dichos parámetros de dicho al menos un sensor de los múltiples sensores de proximidad.
La estimación de las características operativas del rotor y los parámetros desconocidos asociados con los sensores pueden implementarse parcialmente en software y/o hardware. El método puede ejecutarse por un controlador de turbina eólica, en particular un módulo o unidad particular del controlador de turbina eólica. Por lo tanto, el controlador puede recibir resultados de medición según se obtengan procedentes de los múltiples sensores de proximidad. El controlador puede procesar los resultados de medición a fin de estimar las características operativas del rotor.
Se puede montar un sensor de proximidad en cualquier parte de la turbina eólica que sea estacionaria en relación con el rotor giratorio.
En particular, pueden montarse múltiples sensores de proximidad en diferentes posiciones azimutales. Además, algunos de los sensores de proximidad pueden tener las mismas, o algunos pueden tener diferentes, posiciones radiales.
Los múltiples objetivos de detección pueden estar formados, al menos parcialmente, por orificios comprendidos en un rotor convencional, o que al menos no están fabricados especialmente. El sensor de proximidad también puede detectar la presencia de un orificio que esté rodeado de material, ya que el orificio, es decir, la ausencia de material objetivo, provocará una interrupción en la detección del material circundante objetivo. Por lo tanto, al menos algunos de los objetivos de detección pueden formarse por el material ausente objetivo rodeado por el material objetivo. Los múltiples objetivos de detección pueden colocarse en diferentes posiciones azimutales. Algunos de los objetivos pueden tener las mismas, o algunos pueden tener diferentes, posiciones radiales.
Cuando uno de los múltiples objetivos de detección se acerque a uno de los sensores de proximidad, el sensor respectivo puede emitir un pulso que comprende un borde ascendente y un borde descendente. El pulso puede caracterizarse por el momento en el que se produce el borde ascendente, es decir, el tiempo de borde ascendente del pulso, y también el momento en el que se produce el borde descendente, es decir, el tiempo de borde descendente del pulso. El tiempo de borde ascendente del pulso y el tiempo de borde descendente del pulso, de los pulsos generados por cada uno de los múltiples sensores de proximidad que originalmente se originan a partir de múltiples objetivos de detección dispuestos en el rotor, pueden depender de la velocidad del rotor, el azimut del rotor y la dirección de rotación. Por lo tanto, estos tiempos de borde ascendente de los pulsos y los tiempos de borde descendentes de los pulsos, pueden ser adecuados para derivar a partir de los mismos las características operativas del rotor, en particular la velocidad del rotor, el azimut del rotor y la dirección de rotación.
Según una realización de la presente invención, los objetivos de detección no están necesariamente ubicados regularmente a una alta precisión, pero pueden tener tolerancias de posición, por ejemplo, dentro de un 1 % o más de la colocación azimutal y/o radial prevista. Generalmente, los múltiples objetivos de detección pueden disponerse en varias posiciones azimutales diferentes alrededor de toda la circunferencia del rotor. Cuando los orificios o rebajes preexistentes se emplean como al menos algunos de los múltiples objetivos de detección, estos no necesitan mecanizarse especialmente con el fin de estimar las características operativas del rotor. De este modo, los costes de producción o fabricación del rotor pueden reducirse.
El método también puede ser capaz de estimar y compensar imprecisiones o incertidumbres en las posiciones de los múltiples objetivos de detección y/o los múltiples sensores de proximidad, y/o en los intervalos de detección de los sensores. Además, los múltiples objetivos de detección pueden no estar todos dispuestos o montados en una misma posición radial (medida desde un eje de rotación del rotor), sino que también pueden comprender en la dirección radial diferentes posiciones radiales. Lo mismo se puede aplicar a los múltiples sensores de proximidad. Sin embargo, las posiciones aproximadas de los múltiples sensores de proximidad, así como las posiciones aproximadas de los múltiples objetivos de detección, pueden conocerse de antemano y utilizarse por el método para la estimación de las características operativas del rotor.
Cuando se utilizan varios sensores de proximidad para detectar varios objetivos de detección, puede mejorarse la fiabilidad del método. Además, puede haber requisitos menos estrictos con respecto a la posición exacta de los objetivos de detección y/o los sensores de proximidad. De este modo, pueden reducirse los costes de la disposición y del equipo de medición y del rotor.
Las realizaciones de la presente invención proporcionan una solución económica basada en la proximidad algorítmicamente sofisticada, que es factible para proporcionar mediciones de la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación, que es menos sensible a las vibraciones, las especificaciones del sensor y las tolerancias de mecanizado que los métodos conocidos convencionalmente.
Según la presente invención, la estimación de la velocidad del rotor y el azimut del rotor y la dirección de rotación, se basa en parámetros de posicionamiento del sensor de al menos un sensor, y un rango de detección del sensor de dicho al menos un sensor. Según una realización de la presente invención, la estimación de la velocidad del rotor y el azimut del rotor y la dirección de rotación, puede basarse, además, en parámetros de posicionamiento objetivo y/o parámetros de tamaño objetivo de al menos un objetivo, en particular, basado en diámetros objetivo y/o tamaño angular objetivo de al menos un objetivo, y/o una separación angular relativa objetivo de al menos un par de objetivos, y/o una distancia radial del sensor-objetivo de al menos un par de sensores y objetivos.
Los parámetros de posicionamiento del sensor pueden comprender parámetros con respecto a una posición azimutal y/o radial y/o axial del sensor respectivo. El rango de detección del sensor de al menos un sensor puede definir un rango o área de visualización del sensor. Los parámetros de posición objetivo pueden comprender parámetros con respecto a la posición radial y/o azimutal y/o axial del objetivo respectivo. Los parámetros del tamaño objetivo pueden comprender, por ejemplo, parámetros con respecto a un tamaño radial (extensión radial, por ejemplo) y/o una extensión azimutal (por ejemplo, dada en grados) del objetivo respectivo.
Por ejemplo, la diferencia entre un tiempo de borde ascendente del pulso y un tiempo de borde descendente del pulso, de un pulso detectado por un sensor que se origina en un objetivo particular, puede depender de la extensión azimutal objetivo, así como de la velocidad del rotor. Además, esta diferencia puede depender del rango angular de detección del sensor, es decir, por ejemplo, el rango azimutal sobre el que el sensor considerado sea capaz de detectar un objetivo. Al menos valores brutos o aproximativos de los parámetros de posición del sensor y/o los parámetros de posicionamiento objetivo y/o los parámetros de tamaño objetivo, pueden darse previamente o conocerse previamente, y pueden utilizarse por el método.
Según la presente invención, el método comprende estimar los parámetros de posicionamiento del sensor de al menos un sensor y un rango de detección del sensor, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso, en donde la estimación de los parámetros desconocidos y/o las características operativas del rotor puede basarse en un modelo de medición, en particular un modelo matemático que relacione las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso, con las características operativas del rotor y/o los parámetros asociados con los sensores y/u objetivos.
Como se indicó anteriormente, los parámetros exactos de posicionamiento del sensor y/o los intervalos de detección del sensor y/o los parámetros de posicionamiento objetivo y/o los parámetros del tamaño objetivo, pueden ser desconocidos cuando se inicie el método. Sin embargo, los valores de estos parámetros pueden estimarse basándose en la medición redundante de pulsos por múltiples sensores que se originan a partir de múltiples objetivos de detección. Por ejemplo, un objetivo de detección particular puede medirse por el sensor de proximidad múltiple de manera redundante, lo que permite deducir o derivar los valores de los parámetros de posicionamiento del sensor y los intervalos de detección del sensor, así como parámetros de posicionamiento objetivo y/o parámetros de tamaño objetivo.
El modelo puede estar representado por un conjunto de ecuaciones que relacionen los parámetros desconocidos y las características operativas del rotor con los tiempos ascendentes y los tiempos descendentes medidos. El conjunto de ecuaciones puede resolverse mediante el método de mínimos cuadrados, en particular de manera recursiva, en particular mediante una iteración.
Según una realización de la presente invención, estimar la velocidad del rotor y el azimut del rotor y la dirección de rotación y los valores de los parámetros, en particular específicamente para cada uno de los sensores y/u objetivos, incluye aplicar un filtro adaptativo al modelo de medición que relaciona estas cantidades con los tiempos ascendentes y los tiempos descendentes medidos.
Después de que se hayan estimado los valores de los parámetros, los parámetros respectivos pueden actualizarse a nuevos parámetros de posicionamiento del sensor y/o nuevos intervalos de detección de sensor y/o nuevos parámetros de posicionamiento objetivo y/o nuevos parámetros de tamaño objetivo, que luego pueden utilizarse en el método en adelante. De este modo, la estimación de las características operativas del rotor puede compensarse con las incertidumbres en la disposición de sensores y/u objetivos. De este modo, se puede mejorar la precisión o fiabilidad de la estimación de las características operativas del rotor.
Según una realización de la presente invención, la estimación de la velocidad del rotor y el azimut del rotor y la dirección de rotación, y la estimación de los parámetros asociados con los sensores y/u objetivos, se basa en al menos uno de: los tiempos medidos de pulsos que sean altos y los de tiempos de pulsos que sean bajos, según lo detectado por al menos un sensor; tiempos medidos entre (p. ej., bordes ascendentes o bordes descendentes de) pulsos detectados por al menos un par de sensores.
Que el tiempo de un pulso sea alto puede ser la diferencia entre un tiempo de borde descendente del pulso y un tiempo de borde ascendente del pulso, del pulso considerado. Que el tiempo de pulsos sea bajo puede ser la diferencia entre un tiempo de borde ascendente del pulso de un siguiente pulso y un tiempo de borde descendente del pulso de un pulso previo inmediatamente adyacente. Que los tiempos de los pulsos sean altos y los tiempos de los pulsos sean bajos pueden depender de la velocidad del rotor, la extensión angular objetivo y la distancia azimutal o angular entre objetivos adyacentes.
El tiempo medido entre pulsos también puede considerarse como tiempos de pulsos que sean bajos según una realización de la presente invención. La diferencia de tiempo entre, por ejemplo, bordes ascendentes de pulsos, según lo detectado por al menos un par de sensores que se originan en un mismo objetivo de detección, puede depender de la velocidad del rotor y de la distancia angular entre los sensores de proximidad, pero puede no depender de la extensión angular del objetivo considerado. De este modo, la velocidad del rotor puede medirse independientemente desde la extensión angular del objetivo. Por lo tanto, el método aún puede mejorarse.
Según una realización de la presente invención, los sensores comprenden al menos un sensor de referencia (también denominado absoluto) y al menos un sensor relativo. El(los) sensor(es) de referencia, así como el(los) sensor(es) relativo(s), puede(n) ser de tipo o construcción iguales o similares, o pueden tener diferentes construcciones y ser de diferentes tipos. Los resultados de medición de todos los sensores pueden convertirse en valores respecto a un sensor de referencia. Por lo tanto, un sensor de referencia o absoluto puede establecer un sistema particular de coordenadas, en particular un sistema angular de coordenadas con respecto a qué resultados de medición de todos los otros sensores pueden interpretarse. La conversión de los resultados de medición de los otros sensores relativos diferentes puede realizarse utilizando los parámetros de posicionamiento del sensor de los sensores relativos y los sensores de referencia.
Según una realización de la presente invención, los objetivos comprenden: un objetivo de referencia (también denominado absoluto); y al menos un objetivo relativo, en donde los pulsos que se originan en el objetivo de referencia solo pueden generarse mediante detecciones de un sensor de referencia y, por lo tanto, pueden distinguirse de los pulsos que se originen en un objetivo relativo, que solo pueden generarse mediante detecciones de un sensor relativo.
La referencia u objetivo absoluto puede tener, por ejemplo, un tamaño azimutal y/o radial diferente, y/o una posición azimutal y/o radial diferente que el(los) objetivo(s) relativo(s). La referencia u objetivo absoluto puede haberse montado directamente en el rotor y puede haberse fabricado especialmente para el fin de servir como objetivo de referencia. El uno o más objetivos relativos pueden todos sustancialmente estructurarse o dimensionarse de igual manera, o al menos aproximadamente de igual manera. Sin embargo, el(los) objetivo(s) relativo(s) puede(n) formarse por una estructura preexistente en el rotor, por lo que no se fabrica especialmente o se proporciona con el fin de servir como objetivo relativo para la estimación de las características operativas del rotor.
Según una realización de la presente invención, el objetivo de referencia, un sensor de referencia (Saí), y un sensor relativo (S<rí>) se configuran y posicionan de manera que los pulsos que se originan en el objetivo de referencia, detectado por el sensor de referencia (S<aí>), se superponga en el tiempo con los pulsos que se originen en un objetivo relativo detectado por el sensor relativo (Srí), donde i indica el índice de cada sensor relativo que se ha configurado y posicionado para asociarse con un sensor de referencia.
Cuando el pulso detectado por un sensor de referencia se superpone en el tiempo con otro pulso detectado por el sensor relativo asociado con ese sensor de referencia, la dirección de rotación puede detectarse fácilmente.
El al menos un sensor de referencia, el al menos un sensor relativo, el objetivo de referencia y el al menos un objetivo relativo pueden colocarse, en particular con respecto a una posición radial respectiva, de manera que: cada uno del al menos un objetivo relativo esté fuera del rango de detección del sensor del al menos un sensor de referencia; y cada uno de al menos un objetivo de referencia esté fuera del rango de detección del sensor de cada uno del al menos un sensor relativo.
Según una realización de la presente invención, estimar la dirección de rotación incluye: detectar si el sensor de referencia (S<aí>) o su sensor relativo asociado (S<rí>) detecta primero su objetivo correspondiente.
Pueden emplearse otros procedimientos para estimar o detectar la dirección de rotación giratoria, por ejemplo, no utilizando señales que se originen en el objetivo de referencia, sino señales o pulsos que se originen en el(cualquiera de los) otro(s) objetivo(s) relativo(s).
Según una realización de la presente invención, se detecta una posición de azimut de referencia cuando el sensor de referencia detecta un impulso que se origina en el objetivo de referencia, en donde una posición de montaje del sensor de referencia se determina mediante calibración utilizando medición de azimut externa.
Una medición de azimut externa puede realizarse simultáneamente o posteriormente durante un procedimiento de calibración con el registro del pulso. Luego, un punto particular en el tiempo en la fase del pulso que sea alto, puede asociarse con la posición de azimut medida por la medición de azimut externa. De este modo, se puede lograr una calibración precisa de la estimación de azimut.
Según una realización de la presente invención, el método comprende, además, determinar una diferencia entre los tiempos subsiguientes del borde ascendente del pulso y/o los tiempos del borde descendente del pulso, de un primer pulso y un segundo pulso subsiguientes, el primer y segundo pulsos detectados por cualquiera de al menos un sensor relativo y que se originan en cualquiera de al menos un objetivo relativo, en donde estimar el azimut del rotor se basa en un azimut del rotor estimado previamente aumentado o disminuido, dependiendo de la dirección de rotación estimada, por una integral de la velocidad estimada del rotor sobre la diferencia.
Los dos pulsos cuyos respectivos tiempos de borde ascendente del pulso y tiempos de borde descendente del pulso se determinan, pueden originarse de cualquier combinación de sensores y objetivos. Por ejemplo, los dos pulsos pueden originarse a partir de las detecciones de dos objetivos adyacentes mediante el mismo sensor relativo, las detecciones del mismo objetivo mediante dos sensores adyacentes, o las detecciones de dos objetivos adyacentes mediante dos sensores adyacentes. La diferencia, que puede depender de la velocidad del rotor, puede reflejar el tiempo necesario para que un objetivo alcance la posición de su objetivo adyacente, el tiempo necesario para que un objetivo se desplace desde un sensor a otro sensor, o el tiempo entre cuando dos sensores adyacentes detecten cada uno dos objetivos adyacentes, respectivamente. Teniendo en cuenta la velocidad estimada del rotor y, en particular, la integración de la velocidad estimada del rotor sobre la diferencia determinada, puede representar un incremento o disminución de azimut que puede añadirse al azimut del rotor estimado previamente para obtener el azimut real del rotor.
Según una realización de la presente invención, el método comprende, además, validar al menos uno de los sensores al realizar una (una o varias) comprobación de coherencia de los resultados de medición de este sensor y la velocidad estimada del rotor y/o el azimut estimado del rotor; y descalificar un sensor, si no pasa la comprobación de coherencia.
La redundancia de la medición permite la comprobación de coherencia durante la validación. De este modo, pueden identificarse uno o más sensores que proporcionen resultados erróneos debido a uno o más problemas, tales como daños, función/posicionamiento inadecuados, o similares. El sensor descalificado puede no utilizarse ya más en el método. En particular, los resultados de medición proporcionados o detectados por este sensor pueden no utilizarse para la estimación de las características operativas del rotor.
Según una realización de la presente invención, el método comprende, además, si solo un sensor pasa la comprobación de coherencia: estimar la velocidad del rotor en base a las mediciones de tiempos de pulso altos y bajos de solo el sensor que haya pasado la comprobación de coherencia.
El intervalo de tiempo durante el cual un pulso es alto, puede depender de la velocidad del rotor. De este modo, la estimación de velocidad del rotor es posible incluso si solo un sensor se ha evaluado como un sensor de funcionamiento adecuado.
Debe entenderse que las características, individualmente o en cualquier combinación, divulgada, explicada, descrita o proporcionada para un método de estimación de la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación de un rotor giratorio de una turbina eólica, también son, individualmente o en cualquier combinación, aplicables a una disposición para la estimación de la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación de un rotor giratorio de una turbina eólica según realizaciones de la presente invención y viceversa.
Según una realización de la presente invención, se proporciona una disposición para la estimación de la velocidad de rotor, el azimut y la dirección de rotación de un rotor giratorio de una turbina eólica, comprendiendo la disposición múltiples sensores de proximidad; en donde la disposición se configura: para medir el tiempo de borde ascendente del pulso y el tiempo de borde descendente del pulso, de los pulsos generados por cada uno de los múltiples sensores de proximidad que se originan en múltiples objetivos de detección dispuestos en el rotor; y para estimar las características operativas del rotor, incluyendo una velocidad del rotor y un azimut del rotor y una dirección de rotación, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendentes del pulso.
La disposición puede, por ejemplo, comprender o implementarse como un módulo de hardware y/o software de un controlador de turbina eólica.
Además, según una realización de la presente invención, se proporciona una turbina eólica, que comprende: un rotor en el que se montan varias palas de rotor; una disposición según la realización anterior.
Los aspectos definidos anteriormente y otros aspectos de la presente invención se infieren de los ejemplos de realización que se describirán a continuación y se explican con referencia a los ejemplos de realización. La invención se describirá con más detalle a continuación, con referencia a ejemplos de realización, pero a los que la invención no está limitada, por lo que el alcance de la invención se define por las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una parte de una turbina eólica según una realización de la presente invención, que comprende una disposición para la estimación de las características operativas del rotor según una realización de la presente invención;
la Figura 2 ilustra esquemáticamente un diagrama conceptual del circuito de una disposición para la estimación de las características operativas del rotor de un rotor giratorio de una turbina eólica según una realización de la presente invención;
la Figura 3 ilustra las distancias angulares modelizadas, mientras que la Figura 4 ilustra las diferencias de tiempo medidas correspondientes asociadas a las trazas de pulsos del sensor de varios sensores como se considera en las realizaciones de la presente invención.
Descripción detallada
La parte 3 de una turbina eólica según una realización de la presente invención ilustrada esquemáticamente en la Figura 1 en una vista en sección a lo largo de una dirección axial 5 (dirección de un eje de rotación de un rotor), comprende una disposición 1 para la estimación de las características operativas del rotor de un rotor giratorio 7 según una realización de la presente invención. Un diagrama de circuito esquemático de la disposición 1 también se representa en la Figura 2, que se describirá a continuación.
La disposición 1 comprende múltiples sensores de proximidad inductivos S<a>1, SR1, S<r>2 que están montados (en particular, cerca de una cara frontal de un disco de bloqueo de rotor) en una parte estacionaria no ilustrada en detalle, cerca del cojinete principal de la turbina eólica 3. El sensor de proximidad inductivo absoluto Sai está montado en una posición radial diferente, en particular, más hacia afuera del centro de rotación que los sensores relativos Sri, SR2.
La disposición 1 se configura para medir el tiempo de borde ascendente del pulso y el tiempo de borde descendente del pulso, de los pulsos (ver, por ejemplo, la Figura 4) P1, P2, P3, P4, P5, generados por cada uno de los múltiples sensores de proximidad inductivos S<a i>, S<ri>, S<r>2 que se originan de un objetivo absoluto T<a>y dos de los múltiples objetivos relativos Tri, TR2, ..., TRn que están dispuestos en el rotor 7. El objetivo absoluto Ta está montado en una posición radial diferente de los objetivos relativos Tri, TR2, ..., TRn. El objetivo absoluto Ta solo puede detectarse mediante el sensor absoluto (pero ninguno de los sensores relativos), y los objetivos relativos Tri, TR2, ..., TRn solo pueden detectarse mediante uno de los sensores relativos (pero no mediante el sensor absoluto).
La disposición 1 está configurada, además, para estimar las características operativas del rotor en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso.
En lugar de utilizar y montar solo un sensor de proximidad para detectar objetivos en una parte giratoria dedicada mecanizada de precisión, las realizaciones de la presente invención proponen utilizar y montar múltiples sensores de proximidad (inductivos) para detectar objetivos ya preexistentes en una parte giratoria y, en particular, en el rotor 7. En particular, el disco de bloqueo del rotor, cerca del cojinete principal de la turbina eólica, puede ser una parte que incluya los objetivos de detección T<a>, T<ri>, T<r>2, ..., TRn que se monitoricen por los sensores S<a i>, S<r i>, S<r>2. Aunque solo se representan tres sensores en la Figura 1, otras realizaciones de la presente invención utilizan más de tres sensores, tales como cuatro, cinco, seis o entre tres y 50, o incluso más.
En particular, el objetivo absoluto “ Ta” (también denominado objetivo de referencia) puede realizarse mediante una pieza ferrosa (hierro) a detectarse por el sensor absoluto S<a i>, mientras que los objetivos relativos T<ri>, T<r>2, ..., TRn pueden cada uno ser un orificio previamente mecanizado alrededor de la circunferencia del disco ferroso que actúa como el objetivo relativo a detectarse por los sensores relativos S<ri>, S<r>2. Sin embargo, cualquier combinación de orificios, cabezas de pernos expuestas, dientes de engranaje, piezas montadas, etc., se pueden utilizar como objetivos (en particular, objetivos relativos) según realizaciones de la presente invención.
Mediante el uso de múltiples sensores Sai, Sri, SR2, realizaciones de la presente invención pueden tener la ventaja de ser capaces de estimar simultáneamente la velocidad del rotor, el azimut del rotor, y también determinar la dirección de la rotación. Ventajas adicionales pueden incluir la redundancia de medición, que puede permitir una validación mejorada del sensor, robustez a la vibración o a fallos con sensores individuales, y la capacidad de estimar y compensar las variaciones en la sensibilidad del sensor, la colocación del sensor, el tamaño objetivo y la separación objetivo. Además, el coste total de los sensores de proximidad inductivos puede ser menor que las soluciones alternativas, incluyendo el coste de las piezas dedicadas mecanizadas con precisión utilizadas por métodos convencionales de sensores de proximidad inductivos.
En la Figura 1, también los parámetros relevantes de posicionamiento del sensor, por ejemplo, la distancia azimutal diseñada (o nominal) entre sensores adyacentes, etiquetados como A9 y desalineación ε1,2 entre los sensores S<ri>y SR2, se representan en la Figura 1. Además, los parámetros de posicionamiento objetivo, tales como el posicionamiento radial y/o circunferencial del objetivo absoluto Ta, el posicionamiento radial y/o azimutal de los objetivos relativos T<ri>, T<r>2 se indican en la Figura 1. Además, los parámetros del tamaño objetivo, tales como el diámetro objetivo relativo drel, el tamaño de objetivo relativo azimutal ©rel se indican en la Figura 1. Además, los parámetros de posicionamiento relativos objetivo, tales como la separación relativa de objetivos Orel, se indican en la Figura 1. Estos parámetros de posicionamiento y/o tamaño de los sensores y/u objetivos se utilizan en el algoritmo para determinar la dirección de rotación, la velocidad de rotación y el azimut del rotor.
Aunque la realización ilustrada en las figuras demuestra el uso de tres sensores, puede utilizarse cualquier número de sensores más de dos. Mientras que q > 1 sensores (denominados sensores Sa i, ..., SAq, o los “ sensores absolutos” ) detecta cada uno un objetivo absoluto T<a>una vez por cada giro del rotor, los sensores m > 1 restantes (denominados sensores Sri, SR2, ..., SRm, o los “ sensores relativos” ) detecta cada uno múltiples “ objetivos relativos” dispuestos alrededor de la circunferencia de la pieza, n veces por giro, donde n > 1 es el número de objetivos relativos utilizados. En la realización ilustrada, la pieza ferrosa montada “ T<a>” asume el papel del objetivo absoluto, mientras que los orificios previamente mecanizados T<r i>, T<r>2, ..., TRn asumen el papel de los objetivos relativos.
La disposición 1 comprende una sección 9 de procesamiento que recibe resultados 11 de medición de todos los sensores de proximidad S<a i>, S<ri>, S<r>2, y procesa estos resultados 11 de medición a fin de estimar las características operativas del rotor en base a la misma.
La Figura 1 indica, además, la sensibilidad p del sensor (también denominada rango de visión azimutal del sensor, o rango de visión angular del sensor).
La disposición 1 se representa con más detalle en la Figura 2 como un diagrama de circuito esquemático que incluye la sección 9 de procesamiento y la sección 10 de sensor. El diagrama conceptual ilustrado en la Figura 2 puede implementarse en software y/o hardware. La disposición 1 incluye el sensor absoluto Sa1, un primer sensor relativo SR1y un segundo sensor relativo SR2. En el bloque 13 se miden y determinan los tiempos de pulso de los pulsos detectados por los sensores SR1y SR2. Los resultados 11 de medición del sensor absoluto Sa1 y el primer sensor relativo SR1se suministran a un bloque 15 que determina la dirección de rotación del rotor.
En un módulo 17, se lleva a cabo una validación previa del sensor de proximidad, en donde se evalúa la consistencia de los resultados de medición para los diferentes sensores.
Si se determina que múltiples sensores son válidos, se ramifica a la rama 19, que lleva a un estimador 21 de sensor múltiple. En la misma, se utilizan los resultados de medición de múltiples sensores. En un paso 23 de calibración, los parámetros relevantes, tales como los parámetros de posicionamiento del sensor y/o los parámetros de posicionamiento objetivo y los parámetros del tamaño objetivo, se calibran en base a las mediciones 11 de pulso. En un bloque 25 del método, la velocidad del rotor y el cambio en el azimut se estiman en base a los resultados de medición después de calibrar los parámetros.
Cuando la validación previa del sensor de proximidad (módulo 17) evalúa solo un sensor como válido, se ramifica a la rama 27, que lleva a un único módulo 29 de estimación de sensor. También en la presente memoria, los parámetros relevantes de posicionamiento y/o dimensionamiento de los sensores y/u objetivos, se calibran en un paso 31 del módulo o método. La calibración de los parámetros no siempre se realiza, sino que solo en caso de que el elemento 33 de decisión evalúe que los parámetros aún no están calibrados. Después de la calibración de los parámetros, se procede al paso 34 del método, donde la velocidad de rotación y el cambio en azimut se estiman en base a los resultados de medición después de la calibración, o utilizando los parámetros calibrados.
El estimador 21 de múltiples sensores, así como el estimador 29 de un solo sensor, proporcionan su resultado a un bloque 35 de validación posterior del sensor de proximidad, en el que se lleva a cabo una validación posterior de los sensores de proximidad, incluyendo una o más comprobaciones de coherencia. El bloque 35 emite el estado 37 de los sensores, que se retroalimenta al módulo 17 de validación previa del sensor de proximidad.
Además, la validación posterior del sensor de proximidad emite la estimación 39 de la velocidad de rotación. Además, la validación posterior del sensor de proximidad emite la estimación 41 del cambio en el azimut.
La estimación 39 de la velocidad de rotación, así como la estimación 41 del cambio en azimut, se proporcionan ambos a un estimador 43 de azimut basado en proximidad, a saber, a un integrador 45 y un módulo 47 de actualización de azimut relativo, respectivamente. El estimador 43 de azimut basado en proximidad recibe los datos 49 de azimut externos de calibración, que se suministran a un módulo 51 de calibración de sensor de azimut. A este módulo 51 también se le proporcionan los datos 53 de medición según lo determinado por el sensor de proximidad absoluto S<a>1.
Si el bloque 55 de decisión evalúa que el azimut no está calibrado, el azimut se calibrará en el módulo 51 de calibración. Si se evalúa que el azimut está calibrado, una actualización de azimut absoluta se realiza en el módulo 57, y el resultado se proporciona al módulo 47 de actualización de azimut relativo. Este módulo 47 de actualización de azimut relativo recibe, además, la señal 59 que indica la dirección de rotación desde el módulo 15 de determinación de dirección de rotación. La estimación 61 del azimut del rotor finalmente se emite por el módulo 45 de integración, y la estimación 59 de la rotación de dirección también se emite por la disposición 1.
Como se muestra en la Figura 2, el algoritmo no solo estima la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación, sino que también realiza paso s para calibrar los parámetros de azimut y los desconocidos. Además, se realizan pasos para validar tanto las señales de entrada como de salida de la estimación de velocidad del rotor. Esto incluye asegurar que no haya vibración en los pulsos del sensor, y que las mediciones del tiempo de pulso y las estimaciones de velocidad del rotor parezcan coherentes a lo largo del tiempo. Estas comprobaciones en las entradas y salidas de la estimación de velocidad se denominan pasos de “validación previa” (bloque 17) y de “validación posterior” (bloque 35), respectivamente. Dependiendo de la gravedad y duración del fallo detectado, puede ignorarse, corregirse o utilizarse para descalificar el sensor como parte de la estimación de velocidad del rotor. Cada una de estas respuestas se realizan dentro del paso de “validación previa” , usando las mediciones de los sensores y el estado anterior informado por la “validación posterior” como entradas. En el caso de que el sensor de azimut se descalifique, el azimut puede continuar siendo estimado mediante el uso de las correcciones de azimut incrementales en cada objetivo relativo (TR1, TR2, ..., TRn) e integrar (bloque 45) la estimación de velocidad entre estos objetivos. Todavía se puede realizar una corrección de azimut absoluta determinando el objetivo relativo asociado a la corrección. Esto puede realizarse mediante una combinación de recuento a través del número conocido de objetivos relativos, y encontrar el borde del objetivo que esté más cerca del valor de azimut absoluto calibrado.
Después de descalificar a un sensor de velocidad, las estimaciones de la velocidad del rotor y de azimut pueden continuar dependiendo del número de sensores que sigan siendo válidos. Si más de un sensor es válido, cada uno de sus tiempos de pulso, así como los tiempos entre sus pulsos, pueden usarse para estimar la velocidad del rotor por el estimador de múltiples sensores descrito anteriormente.
Sin embargo, si solo un sensor es válido, los tiempos de pulso aún pueden usarse para estimar la velocidad del rotor mediante una variante del algoritmo original, denominado estimador de un solo sensor (bloque 29). Este estimador realiza la misma función que el estimador de múltiples sensores (bloque 21), pero usando solo las mediciones de tiempo alta y baja asociadas al sensor válido. Por lo tanto, dado que el número y la separación de los sensores SR1, S<r>2, ..., SRm se eligen para optimizar la velocidad de actualización de las estimaciones, mejorando el rendimiento, el rendimiento comienza a degradarse a medida que el número de sensores relativos m se reduce hasta 1. Finalmente, si no quedan sensores válidos para utilizarse en la estimación, la funcionalidad debe informar mediante una alarma para indicar que no se puede estimar la velocidad del rotor y el azimut del rotor.
Como es evidente a partir del diagrama conceptual del algoritmo basado en proximidad de la estimación de velocidad, el azimut y la dirección, ilustrado en la Figura 2, el algoritmo determina primero la dirección de rotación, y valida los sensores de proximidad antes de actualizar la velocidad de rotor y las estimaciones de azimut del rotor, usando los pulsos y tiempos de pulso adquiridos. El algoritmo proporciona la dirección de rotación, estimaciones de la velocidad y el azimut, así como el estado de los sensores de proximidad.
La Figura 3 ilustra esquemáticamente pulsos según lo detectado por los sensores de proximidad S<ai>, S<ri>, S<r>2 y la combinación del sensor S<ri>y el sensor S<r>2. Además, los parámetros de posicionamiento relativos de los objetivos relativos Orel, el tamaño objetivo relativo (extensión azimutal objetivo ©rel y el rango de visualización azimutal del sensor p, se indica como que define, por ejemplo, las diferencias angulares entre un borde descendente y un borde ascendente entre pulsos subsiguientes o un borde ascendente y un borde descendente de un pulso.
La Figura 4 ilustra estos mismos pulsos, en donde, sin embargo, se indican las diferencias de tiempo según lo determinado por la disposición 1. A partir de las diferencias de tiempo, se determinan las características operativas del rotor respectivas, y los valores de los parámetros asociados a los sensores y/u objetivos se calibran según las realizaciones de la presente invención.
A medida que el rotor gira, los sensores de proximidad Sai, Sri, SR2emiten señales 11, 53 digitales binarias que indican si detectan o no un objetivo. En función del tiempo, las señales del sensor se asemejan a pulsos (p. ej., P1, ..., P5 en las Figuras 3, 4, para el caso con un objetivo absoluto, al menos dos objetivos relativos [n > 1], un sensor absoluto [q = 1] y dos sensores relativos [m = 2]), cuyos tiempos altos y bajos dependen de la velocidad del rotor, así como de la sensibilidad y alineación de los sensores, y del tamaño y separación de los objetivos (véase la Figura 1). Una realización de la presente invención usa hardware informático para medir el tiempo (p. ej., A tl, At2, At3, At4 en la Figura 4) en que cada pulso del sensor es alto y bajo, así como los tiempos entre los pulsos producidos por cada par de sensores sucesivos (p. ej., At5, At6 en la Figura 4). Al asignar las distancias angulares (véase la Figura 3) asociadas a los pulsos de sensor a cada una de sus correspondientes mediciones de tiempo (véase la Figura 4), la velocidad del rotor puede estimarse junto con los valores para los parámetros desconocidos que influyen en las mediciones de tiempo.
Por ejemplo, si cualquiera de los sensores está desalineado en varias cantidades alrededor de la circunferencia de la parte giratoria con respecto a los otros sensores, si estos sensores tienen sensibilidades variadas al metal ferroso, o si los objetivos varían en tamaño y colocación (p. ej., debido a que está mal mecanizado), un filtro adaptativo estima automáticamente estas incertidumbres, y las compensa en su estimación de la velocidad del rotor. Dependiendo del grado de variación entre los objetivos, se puede introducir un paso adicional en la que se aplica compensación en función de los objetivos. En otras palabras, los valores de parámetros pueden estimarse por separado para cada objetivo individual, y el conjunto apropiado de valores se aplicaría cuando se encuentre el objetivo correspondiente.
Al integrar múltiples sensores de proximidad en la solución y utilizar las características mecanizadas giratorias existentes, las realizaciones de la invención eliminan varias limitaciones que confrontan las soluciones anteriores. Dado que la invención utiliza múltiples sensores de proximidad en la detección de objetivos, cada objetivo es capaz de detectarse más de una vez. Esta redundancia de medición permite que la incertidumbre causada por las variaciones en los sensores y objetivos descritas anteriormente, se estimen y eviten que afecten a las estimaciones de la velocidad del rotor y de azimut. Por lo tanto, se mitiga la necesidad de mecanizar con precisión los objetivos y el coste asociado de este proceso. Separando los múltiples sensores de proximidad de tal manera que abarquen la distancia entre dos objetivos consecutivos, se puede lograr una velocidad de actualización suficientemente rápida con significativamente menos objetivos por giro. Las desalineaciones en los sensores y variaciones en su sensibilidad se estiman y compensan automáticamente por el algoritmo. Además, al incorporar un objetivo único a detectar una vez por giro mediante uno de los sensores (es decir, el “ objetivo absoluto” ), también se puede lograr una determinación precisa del azimut del rotor y la dirección de rotación.
Se puede necesitar al menos una referencia (se conoce también como sensor absoluto), y se puede necesitar al menos un sensor relativo para estimar la velocidad del rotor, el azimut y la dirección de rotación. Los sensores de referencia solo son capaces de detectar el objetivo de referencia, y los sensores relativos solo son capaces de detectar los objetivos relativos. Si el objetivo de referencia fuese visible a los sensores relativos, no habría necesidad de un sensor de referencia; la dirección de rotación y las actualizaciones de azimut absolutas podrían provenir de los sensores relativos, al identificar qué pulso es único respecto a los otros, y asociarlo al objetivo de referencia. Sin embargo, esto puede introducir más complejidad a la solución o ser más inconveniente (puede ser más conveniente o apropiado introducir un objetivo de referencia de tipo opuesto como objetivos relativos) que introducir un sensor de referencia. Sin embargo, el sensor de referencia y el objetivo pueden ser desplazados fuera del alcance de los sensores/objetivos relativos, de lo contrario, los sensores de referencia y relativos se volverán funcionalmente equivalentes.
Puede haber dos tipos de objetivos, p. ej., metal y ausencia de metal (es decir, orificios). A menudo puede ser conveniente incorporar un objetivo de referencia que sea el tipo opuesto que los objetivos relativos. En este caso, se requiere un sensor de referencia para detectar el tipo objetivo de referencia, ya que los sensores relativos se han montado y colocado para activarse tras la detección del tipo objetivo relativo. En otros casos, es más conveniente incorporar un objetivo de referencia que sea el mismo tipo, sin embargo, como se mencionó anteriormente, debe estar fuera del alcance de los sensores relativos.
Para mejorar los aspectos de la solución, tal como la precisión, la robustez a los fallos individuales del sensor, la mayor velocidad de actualización, puede resultar ventajoso introducir sensores adicionales y/o sensores relativos. Con más sensores de referencia, hay simplemente más robustez a los fallos con uno o más sensores de referencia. Sin embargo, con más sensores relativos, existe un aumento en la velocidad de actualización de las características estimadas del rotor, mayor robustez a los fallos individuales del sensor, pero también la solución tiene mejores capacidades, incluida la capacidad de estimar el tamaño y la separación entre los objetivos relativos.
Una alternativa al uso de objetivos de referencia y sensores de referencia es aprovechar la capacidad adicional de estimar los tamaños de y separaciones entre los objetivos relativos; ya que se esperaría que cada objetivo real tenga un tamaño y separación ligeramente diferentes, cada objetivo relativo podría identificarse directamente según los valores únicos que tenga para estos parámetros. Sin embargo, esto requeriría que la fabricación objetivo sea suficientemente imprecisa para ser detectada por la sensibilidad y resolución del hardware/software utilizado en la solución. Nuevamente, puede ser más factible simplemente utilizar un objetivo de referencia y sensor(es) de referencia.
El objetivo de referencia y el sensor de referencia pueden colocarse de manera que el pulso generado por el sensor de referencia al detectar el objetivo de referencia se superpusiera con un pulso generado por el sensor relativo cuando se detecte un objetivo relativo.
El modelo según una realización se describe en detalle a continuación:
Cuando se relaciona con las distancias angulares modelizadas y los tiempos medidos asociados a los pulsos que se originan en la detección de un objetivo por dos sensores relativos (m = 2), se obtienen las siguientes ecuaciones:
, donde w es la velocidad angular del rotor promedio que presenta el objetivo. En estas ecuaciones, algunas variables son constantes conocidas, algunas variables son desconocidas y deben estimarse, mientras que algunas variables son mediciones de tiempos bajos y altos obtenidos por módulos de contador en el borde ascendente y el borde descendente de pulsos de sensor, respectivamente. Los términos del lado izquierdo de la ecuación (1) corresponden a las distancias angulares recorridas por cada objetivo a medida que pasa el sensor Sri y el sensor S<r>2 para producir las trazas de pulso dadas en la Figura 3. Los tiempos de diferencia del lado derecho de la ecuación (1) corresponden a las diferencias de tiempo medidas por el sensor S<ri>y el sensor S<r>2 en la Figura 4.
Las variables -^el y Orel son la separación angular (en grados) entre los objetivos relativos y la anchura angular (en grados) de los objetivos relativos, respectivamente. Además, pi y p2 son cantidades angulares que representan el error en la anchura de los pulsos (que afectan los tiempos altos medidos) producidos por S<ri>y S<r>2, respectivamente, que es causado por incertidumbres en las sensibilidades de los sensores en comparación con las especificaciones dadas por el fabricante del sensor (p. ej., debido a variaciones en la temperatura, tensión de entrada, desgaste, etc.). Los valores iniciales asumidos para pi y p2 se pueden determinar usando las especificaciones encontradas en las fichas técnicas de los sensores. Obsérvese que la convención de signo tomada para pi y p2 es como sigue: los valores positivos tenderán a expandir las anchuras de pulso de los sensores, mientras que los valores negativos tenderán a reducir las anchuras de pulso. Por lo tanto, los sensores configurados para detectar objetivos metálicos (p. ej., cabezas de perno, dientes de engranaje, piezas unidas, etc.) tenderán a tener valores positivos para estos parámetros, mientras que los sensores configurados para “ detectar” orificios o huecos tenderán a tener valores negativos. Además de estos parámetros, ε1,2 es una cantidad angular que representa el error en la separación entre Sri y SR2(es decir, la desviación del espacio ideal de φrel/2, afectando a los tiempos bajos medidos). Dado que el valor verdadero de esta desalineación debe ser relativamente pequeño en cualquier dirección, se asume un valor inicial de cero para ε1,2. Obsérvese que la convención de signo tomada para ε1,2 es como sigue: los valores positivos para este parámetro tenderán a expandir la distancia y el tiempo medido desde el borde descendente de SR1al borde ascendente de S<r>2, mientras se reduce la distancia desde el borde descendente de SR2al borde ascendente de SR1, con los valores negativos teniendo el efecto inverso. En el caso de más de dos sensores de velocidad, los valores positivos de εk-1,k se pueden pensar como que se expande la distancia en el lado izquierdo del pulso del sensor k, a la vez que se reduce la distancia en el lado derecho de este pulso.
Las mediciones de tiempos altos y bajos tienen subíndices que se adhieren a una convención particular. Las mediciones cuyos subíndices comiencen con “X2” se obtienen monitorizando los trenes de pulsos asociados a un solo sensor y, por lo tanto, constan de 2 bordes (es decir, uno ascendente y uno descendente) por período. Mientras tanto, las mediciones cuyos subíndices comiencen con “X4” se obtienen monitorizando los trenes de pulsos de todos los sensores relativos disponibles; en el caso dondem =2, estos son los trenes de pulsos que consisten en 4 bordes (es decir, dos por sensor) por objetivo; por tanto, se utilizan los subíndices “X4” . Mientras que las mediciones que terminan en “ R” se obtienen en el borde ascendente de SR1o SR2, las mediciones que terminan en “ F” se obtienen en el borde descendente de ese sensor. Aunque se enumeran seis ecuaciones en (1), solo cuatro de ellas son independientes. Con cuatro incógnitas a estimar (es decir, w, P1, P2 y ε1,2), esto es suficiente información para completar la estimación. Afortunadamente, se puede demostrar que, al dividir ambos lados de (1) por w, las ecuaciones pueden hacerse lineales en las incógnitas:
Obsérvese que la formulación (2) implicó una transformación de variables: en lugar de ser lineal en las incógnitas i
originales (es decir,uj, pi,p iy ε1,2), (2) es lineal en ω p i, P2 y ε1,2, donde pi = pi/oo, p2 =pJcu, yε1,2 = ε1,2/00. Por lo tanto, el procedimiento para estimar todos los cuatro parámetros originales implica primero estimar los valores de 1
w ,p\ , p>2y ¿1,2, calcular el recíproco para obtener la estimación de velocidad y, a continuación, multiplicar la 1 estimación de velocidad por p i , P2 y ε1,2 para obtener p i ,piy ε1,2, respectivamente. Para estimar “ , p i , P2 y ε1,2 se aplica un filtro de mínimos cuadrados medios lineales (LMS) que ajusta recursivamente sus valores hasta que se minimice su error cuadrático medio. Sin embargo, obsérvese que solo 4 de las 6 mediciones se utilizan para realizar la estimación. Si se considera que ambos sensores funcionan bien, las mediciones A íx2S1f, A íx4S2r, A/X2S2F y AÍX4S1R están relacionadas con las incógnitas en la ecuación de matriz Hx = y:
Por lo tanto, x es el vector de incógnitas transformadas, y es el vector de mediciones, y H es la matriz de coeficientes que asigna las incógnitas transformadas a las mediciones. Luego, se puede utilizar un filtro LMS para llegar recursivamente a un vector estimado de incógnitas transformadas, x :
Donde e(k) es el error entre las mediciones de tiempo reales obtenidas, y(k), y las mediciones predichas H x(k), y p es un parámetro de escala constante cuyo valor se elige para equilibrar la velocidad de capacidad de respuesta con la estabilidad. Obsérvese que el recíproco del primer elemento de x es la estimación de velocidad del rotor que buscamos, y se espera que cambie significativamente a lo largo del tiempo. Los tres elementos restantes de x , que se puede utilizar para atisbar la cantidad de incertidumbre (p. ej., desalineación del sensor, error de mecanizado, etc.) que afecta al sistema de medición, se espera sea aproximadamente constante a lo largo del tiempo. Obsérvese que, cuanto menor sea el valor de j , más tiempo se requerirá para que las estimaciones de velocidad del rotor converjan. Por lo tanto, se introduce un método para evaluar si los tres parámetros estimados convergieron suficientemente, de modo que, cuando se produzca la convergencia, el filtro LMS se reemplace por el cálculo directo de la velocidad del rotor utilizando una reformulación alternativa de las ecuaciones en (1):
Cada una de las ecuaciones en (5) representa un cálculo de la velocidad del rotor a partir de los valores estimados convergentes de los parámetros y de las mediciones de tiempo obtenidas de los pulsos de sensor. Dependiendo de en qué borde de qué pulso de sensor llegue (es decir, el borde descendente o ascendente de SR1o SR2), la ecuación correspondiente en (5) se utiliza para actualizar directamente la estimación de velocidad del rotor. Sin embargo, en ciertas condiciones (p. ej., cambios significativos en la temperatura, desgaste del sensor, tensión de entrada, etc.), los parámetros del sensor pueden necesitar recalibrarse utilizando el filtro LMS. Por lo tanto, se puede programar una comprobación rutinaria de parámetros aproximadamente una vez cada día mediante la aplicación del filtro LMS, siempre que las condiciones lo permitan; de lo contrario, la solución debe ejecutar los cálculos directos en (5) hasta que cambian las condiciones.
Si se considera que solo un sensor está funcionando bien, entonces el procedimiento anterior puede aplicarse al sensor que funcione bien, ignorando los pulsos y parámetros asociados con el sensor defectuoso, y aplicando las ecuaciones relevantes en (1) y (2). Por ejemplo, si SR2se determina que está defectuoso, se ignoran las mediciones que dependen de los pulsos de SR2(es decir, A íx2S2f, A íx2S2r, A íx4S2r y Aíx4sir), así como los parámetros asociados (es decir, p2 y ¿1,2). Las mediciones restantes y sus ecuaciones asociadas en (2) se utilizan para formar la siguiente ecuación de matriz:
Esta ecuación se utiliza con el filtro LMS para estimar w y pi y, tras la convergencia de pi, las ecuaciones se reformulan para calcular directamente w en cada borde ascendente y descendente de los pulsos de Sri. Lo mismo puede realizarse mediante el uso de solo las mediciones de SR2(es decir, A íx2S2f y A íx2S2r). Sin embargo, obsérvese que a medida que el número de sensores utilizados para estimar la velocidad del rotor se reduzca, así lo hará la velocidad de actualización con la que se pueden proporcionar estimaciones de velocidad del rotor.
En general, se pueden utilizar más de dos sensores para obtener una estimación de velocidad. Esto sería necesario ya que la separación entre los objetivos aumenta lo suficiente con respecto a las sensibilidades de los sensores y, por lo tanto, puede cubrirse con más sensores a fin de maximizar la velocidad de actualización de las estimaciones de velocidad. Con m sensores, las ecuaciones utilizadas como base de la solución son las siguientes:
lo que produce la siguiente ecuación de matriz de la forma Hx = y, a utilizarse con el filtro LMS:
A medida que se determine que los sensores estén defectuosos, las filas y columnas relevantes deH, x,e y se pueden eliminar de arriba y seguir utilizándose el proceso. Cuando queden uno o dos sensores sanos, se utilizan las ecuaciones para m = 1 o m = 2 de arriba.
Se sabe que el filtro de mínimos cuadrados recursivos (RLS) a menudo converge más rápido que el filtro LMS en general, pero es más intensivo computacionalmente que el LMS. Por lo tanto, se prefiere LMS sobre el RLS para esta aplicación.
A continuación, se analiza la relación entre el número de sensores/objetivos, la velocidad de actualización y la velocidad crítica del rotor:
La limitación principal de rendimiento de la solución propuesta puede ser que la velocidad de actualización de la solución sea proporcional a la magnitud de la velocidad del rotor. Por lo tanto, a bajas rpm, la solución está obligada a esperar una cantidad de tiempo no trivial entre las detecciones objetivo, introduciendo un retardo de tiempo en las actualizaciones de velocidad y de azimut. Sin embargo, al introducir múltiples sensores relativos en el espacio óptimo •feel
(es decir, » , donde <prei es la separación entre los objetivos en grados, ymes el número de sensores relativos), la velocidad de actualización se reduce en un factor de m. Por lo tanto, existe una relación directa entre el número de sensores, el número de objetivos, la velocidad del rotor, y la cantidad de tiempo que la solución esté obligada a esperar entre las actualizaciones de estimación. La velocidad crítica del rotor, Wcr puede definirse como la velocidad del rotor por debajo de la cual la velocidad de actualización cae por debajo del requisito (es decir, la cantidad de tiempo que se esté dispuesto a esperar por una actualización), y puede calcularse directamente de la siguiente manera
donde Treq es el período de actualización requerido del sensor en segundos, y nrei es el número de objetivos relativos. Si esta velocidad crítica del rotor es razonable, entonces el número de sensores y objetivos son los adecuados. Si se conoce el número de objetivos, los requisitos de velocidad de actualización y la velocidad crítica de rotor deseada, entonces la fórmula puede manipularse para calcular el número requerido de sensores:
Cabe señalar que el término “ que comprende” no excluye otros elementos o pasos y los artículos “ un” o “ una” no excluyen una pluralidad. También pueden combinarse elementos descritos asociados a distintas realizaciones. También hay que señalar que los signos de referencia de las reivindicaciones no deben interpretarse como una limitación del alcance de las mismas.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Método de estimación de características operativas del rotor, incluyendo la velocidad (39) del rotor, el azimut (61) del rotor, y la dirección (59) de rotación, de un rotor giratorio (7) de una turbina eólica, comprendiendo el método:
    medir el tiempo de borde ascendente del pulso y el tiempo de borde descendente del pulso, de los pulsos generados por cada uno de múltiples sensores de proximidad (SA1, SR1, SR2) que se originan en cada uno de los múltiples objetivos de detección (Ta , TR1, TR2) dispuestos en el rotor (7);
    estimar valores de parámetros (p l, p2, ε12) del intervalo de posicionamiento y de detección de al menos un sensor de dichos múltiples sensores de proximidad (SA1, SR1, SR2), en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso;
    estimar las características operativas del rotor, incluyendo una velocidad (39) del rotor y un azimut (61) del rotor y una dirección (59) de rotación, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso, y los valores estimados de dichos parámetros (p1, p2, ε12) del al menos un sensor de dichos múltiples sensores de proximidad.
  2. 2. Método según la reivindicación anterior, que comprende, además:
    estimar los valores de parámetros asociados al posicionamiento y/o el tamaño de al menos un objetivo, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso;
    estimar las características operativas del rotor, además, basándose en los valores estimados de parámetros asociados a los objetivos,
    en donde estimar los valores de parámetros asociados a los objetivos, incluye estimar los diámetros objetivo y/o el tamaño angular objetivo de al menos un objetivo, y la separación angular relativa objetivo de al menos un par de objetivos, y/o una distancia radial del sensor-objetivo de al menos un par de sensores y objetivos, y
    en donde estimar los valores de parámetros asociados al por lo menos un sensor, incluye estimar un intervalo angular de detección de sensor de al menos un sensor, y la separación angular relativa del sensor de al menos un par de sensores.
  3. 3. Método según una de las reivindicaciones anteriores,
    en donde estimar las características operativas del rotor y estimar los valores de los parámetros asociados a los sensores y/u objetivos, se basa en un modelo de medición, que incluye un modelo matemático que relaciona las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso, con las características operativas del rotor y/o los parámetros asociados a los sensores y/u objetivos.
  4. 4. Método según la reivindicación anterior, en donde la estimación de la velocidad (39) del rotor y el azimut (61) del rotor y la dirección (59) de rotación y/o los valores de parámetros asociados a los sensores y/u objetivos, se realiza aplicando un filtro adaptativo al modelo de medición.
  5. 5. Método según una de las reivindicaciones anteriores,
    en donde la estimación de la velocidad (39) del rotor y el azimut (61) del rotor y la dirección (59) de rotación y los parámetros asociados a los sensores y objetivos, se basa en al menos uno de:
    los tiempos medidos de pulsos que sean altos y los tiempos de pulsos que sean bajos según lo detectado por al menos un sensor;
    los tiempos medidos entre pulsos según lo detectado por al menos un par de sensores.
  6. 6. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde los objetivos comprenden:
    un objetivo de referencia (Ta); y
    al menos un objetivo relativo (TR1, T<r>2, ..., TRn).
  7. 7. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en donde los sensores comprenden:
    al menos un sensor de referencia (S<a>1, ..., SAq); y
    al menos un sensor relativo (SR1, SR2, ..., SRm),
    en donde los pulsos generados por el al menos un sensor de referencia, se originan a partir de las detecciones del objetivo de referencia, y los pulsos generados por el al menos un sensor relativo, se originan a partir de las detecciones de un objetivo relativo,
    en donde el al menos un sensor de referencia, el al menos un sensor relativo, el objetivo de referencia y el al menos un objetivo relativo, se colocan, en particular, con respecto a una posición radial respectiva, de manera que:
    cada uno del al menos un objetivo relativo esté fuera del alcance de detección del sensor del al menos un sensor de referencia;
    cada uno del al menos un objetivo de referencia esté fuera del alcance de detección del sensor de cada uno del al menos un sensor relativo.
  8. 8. Método según una de las reivindicaciones anteriores 6 o 7, en donde el objetivo de referencia, un sensor de referencia (Saí), y un sensor relativo (Srí), se configuran y colocan de manera que los pulsos que se originan en el objetivo de referencia, según lo detectado por el sensor de referencia (Saí), se superpongan en el tiempo con pulsos que se originen en un objetivo relativo según lo detecte el sensor relativo (S<rí>).
  9. 9. Método según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 8, en donde la estimación de la dirección de rotación incluye:
    detectar si un sensor de referencia (S<aí>) o su sensor relativo asociado (S<rí>) primero detecta su objetivo correspondiente.
  10. 10. Método según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 9, en donde se detecta una posición de azimut de referencia cuando un sensor de referencia (Saí) detecta un pulso que se origina a partir del objetivo de referencia (Ta), en donde una posición de montaje del sensor de referencia (Saí) se determina mediante calibración, utilizando medición (49) de azimut externa.
  11. 11. Método según una de las reivindicaciones anteriores 6 a 10, que comprende, además:
    determinar una diferencia entre los tiempos subsiguientes del borde ascendente del pulso y/o los del borde descendente del pulso, detectándose los tiempos de borde de pulso primero y segundo por cualquiera de al menos un sensor relativo y que se originan en cualquiera del al menos un objetivo relativo,
    en donde la estimación del azimut (61) del rotor se basa en un azimut del rotor estimado previamente aumentado o disminuido, dependiendo de la dirección de rotación estimada, por una integral de la velocidad (39) del rotor estimada sobre la diferencia.
  12. 12. Disposición (1) para la estimación de las características operativas del rotor, incluyendo la velocidad del rotor, el azimut del rotor, y la dirección de rotación, de un rotor giratorio de una turbina eólica, comprendiendo la disposición:
    múltiples sensores de proximidad;
    en donde la disposición se configura:
    para medir el tiempo de borde ascendente del pulso y el tiempo de borde descendente del pulso, de los pulsos generados por cada uno de los múltiples sensores de proximidad que se originan en cada uno de los múltiples objetivos de detección dispuestos en el rotor (7);
    para estimar los valores de los parámetros del rango de posicionamiento y detección de al menos un sensor de dichos múltiples sensores de proximidad, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso,
    para estimar las características operativas del rotor, incluyendo una velocidad (39) del rotor y un azimut (61) del rotor y una dirección (59) de rotación, en base a las mediciones de los tiempos de borde ascendente del pulso y los tiempos de borde descendente del pulso, y dichos valores estimados de los parámetros de dicho al menos uno de dichos múltiples sensores de proximidad.
  13. 13. Una turbina eólica, que comprende:
    un rotor (7) en el que se montan varias palas de rotor;
    una disposición (1) según la reivindicación anterior.
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