JP2017161225A - Abnormality sign diagnosis system for wind power generation system - Google Patents

Abnormality sign diagnosis system for wind power generation system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system for detecting the initial stage of the damage with high accuracy.SOLUTION: An abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system includes: a sensor 50 disposed near main shaft bearings 13 and 14; a storage unit that holds training data generated based on the output of the sensor 50; a control unit that generates evaluation data on the basis of the output of the sensor 50 obtained after the training data are generated; and a diagnosis unit that diagnoses the abnormality sign of the main shaft bearings by comparing the training data and the evaluation data. The main shaft bearings 13 and 14 include at least an outer ring portion that is rotatable, an inner ring portion that is hollow, and a rotor portion disposed between the outer ring portion and the inner ring portion. The sensor 50 is provided to an inner wall of the inner ring portion.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、風力発電システムの異常予兆診断システムに関する。   The present invention relates to an abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system.

風力発電装置に設けられた機器の異常を診断するシステムが各種提案されている。
特許文献1には、風力発電装置に設けられた機器の異常を診断する状態監視システムであって、状態監視システムは、機器に設けられるセンサを含むモニタ装置と、モニタ装置が機器の異常を診断するために使用する閾値を設定し、閾値に基づいて機器の異常を診断する監視側制御装置と、機器の状態を監視する監視用端末とを備えることが記載されている。
Various systems for diagnosing abnormalities in equipment provided in a wind turbine generator have been proposed.
Patent Document 1 discloses a state monitoring system for diagnosing an abnormality of a device provided in a wind turbine generator, and the state monitoring system includes a monitor device including a sensor provided in the device, and the monitor device diagnoses an abnormality of the device. It is described that a monitoring-side control device that sets a threshold value to be used in order to diagnose a device abnormality based on the threshold value and a monitoring terminal that monitors the state of the device is described.

特許文献2には、回転体と摺動部材の少なくとも一つを備えた、機械設備の状態監視方法であって、機械設備から発生する信号を基に、該機械設備の所定の物理量を分析し、分析した結果と機械設備の異常の有無の診断基準となる情報とを第一の時間毎に比較照合して機械設備の異常の有無を仮診断し、比較照合を所定の回数行った時、若しくはが、第二の時間毎に、比較照合した結果に基づいて、異常と仮診断した回数が閾値以上である場合に異常と判定する総合評価を行い、機械設備の異常の有無及び異常部位を診断するが記載されている。   Patent Document 2 discloses a state monitoring method for mechanical equipment including at least one of a rotating body and a sliding member, and analyzes a predetermined physical quantity of the mechanical equipment based on a signal generated from the mechanical equipment. The results of the analysis and the information that is the diagnostic criteria for the presence or absence of abnormalities in the mechanical equipment are compared and verified every first time to make a provisional diagnosis of the presence or absence of abnormalities in the mechanical equipment. Or, for every second time, based on the result of comparison and collation, if the number of times of tentative diagnosis of abnormality is equal to or greater than a threshold value, comprehensive evaluation is performed to determine whether there is an abnormality in the mechanical equipment and the abnormal part. Diagnose is described.

また、特許文献3には、風力発電装置の機器の状態を監視する監視システムであって、機器を内部に保持する筐体の内部に配置され、音情報を取得する検出部と、検出部により取得される音情報を収集し、インターネット上のサーバに転送するデータ収集部と、データ収集部より転送される音情報に基づいて基準値との比較および分析を行う比較分析部と、比較分析部による比較および分析の結果を表示し監視する監視端末とを備えることが記載されている。   Patent Document 3 discloses a monitoring system that monitors the state of a device of a wind turbine generator, and is arranged inside a casing that holds the device inside, and includes a detection unit that acquires sound information, and a detection unit. A data collection unit that collects acquired sound information and transfers it to a server on the Internet, a comparison analysis unit that compares and analyzes a reference value based on the sound information transferred from the data collection unit, and a comparison analysis unit And a monitoring terminal for displaying and monitoring the results of comparison and analysis according to the above.

また、特許文献4には、転がり軸受の状態監視装置において、軸受装置の振動をコンピュータにより解析する振動解析方法による解析結果を用いて、軸受装置に対する振動センサの設置位置を選定する方法について記載されている。   Further, Patent Document 4 describes a method for selecting the installation position of a vibration sensor with respect to a bearing device using an analysis result obtained by a vibration analysis method for analyzing the vibration of the bearing device by a computer in a rolling bearing state monitoring device. ing.

国際公開第2013/133002号International Publication No. 2013/133002 特開2005−17128号公報JP 2005-17128 A 特開2015−63916号公報JP2015-63916A 特開2015−31626号公報JP2015-31626A

風力発電装置は、運転開始から10年以上が経過した風力発電機の増加に伴い、風力発電機の主要部品である主軸ベアリングの故障によって長期停止となる事象が散見されている。   With the increase in wind power generators that have been in operation for more than 10 years, wind turbine generators have been found to have long-term shutdowns due to the failure of the main shaft bearing, which is a major component of the wind power generator.

保守を担当する本発明に係る部門では、風力発電機の定期点検を実施し、主軸ベアリングの異音とベアリングのグリスの目視によって、サービス員が異常判定を行ってきた。しかし、異常判定には、サービス員の経験に大きく左右されてしまうこと、また、損傷程度が末期段階になるまで異常検知が難しいという課題があった。   In the department according to the present invention, which is in charge of maintenance, the service staff has performed periodic inspections of the wind power generator, and the service staff has made an abnormality determination by visually checking the noise of the spindle bearing and the grease of the bearing. However, the abnormality determination has a problem that it is greatly influenced by the experience of the service staff and that it is difficult to detect the abnormality until the degree of damage reaches the final stage.

また、特許文献1、2、4では、軸受ハウジング内にセンサを配置している。また、特許文献3では、ナセル内にセンサを配置している。いずれの配置方法においても、当部門の検証結果では、十分な異常検知ができないという課題があった。   In Patent Documents 1, 2, and 4, a sensor is disposed in the bearing housing. Moreover, in patent document 3, the sensor is arrange | positioned in the nacelle. In any of the arrangement methods, there is a problem that sufficient abnormality cannot be detected in the verification result of this department.

特に、増速機を有していない同期型風力発電機の場合、計測対象が低速回転している主軸軸受のみになるのに加え、低速回転域では風による振動等の外乱の影響が顕著になる。そこで、主軸ベアリングの異常を早期に発見するために、損傷の初期段階(故障の予兆)を定量的、かつ、高精度な検知手段が求められていた。   In particular, in the case of a synchronous wind power generator that does not have a gearbox, the measurement target is only a spindle bearing that rotates at a low speed, and in addition, the influence of disturbances such as wind vibration is significant in the low-speed rotation range. Become. Therefore, in order to detect abnormalities in the spindle bearings at an early stage, there has been a demand for a means for detecting the initial stage of damage (a sign of failure) quantitatively and with high accuracy.

本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、損傷の初期段階を精度よく検知することができる風力発電システムの異常予兆診断システムを提供することを目的とする。   The present invention is an invention for solving the above-described problem, and an object thereof is to provide an abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system capable of accurately detecting an initial stage of damage.

前記目的を達成するため、本発明の風力発電システムの異常予兆診断システムは、主軸ベアリングの近傍に設置されるセンサ部(例えば、センサ50)と、センサ部の出力に基づき作られる教師データ(例えば、正常データ31)を保持した記憶部と、教師データの作成時点よりも後に取得されるセンサ部の出力に基づき評価データを作る制御部(例えば、異常度算出部23内の処理)と、教師データと評価データとを比較して主軸ベアリングの異常予兆を診断する診断部(例えば、異常度判定部24内の処理)と、を有することを特徴とする。また、主軸ベアリングは少なくとも、回転自在な外輪部(例えば、外輪131)と、中空の内輪部(例えば、内輪134)と、外輪部と内輪部との間に設置される回転体部(例えば、転動体132)と、を有し、センサ部は内輪部の内壁に設置されることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。   In order to achieve the above object, an abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system according to the present invention includes a sensor unit (for example, sensor 50) installed in the vicinity of a spindle bearing, and teacher data (for example, based on the output of the sensor unit). , A storage unit that holds normal data 31), a control unit that creates evaluation data based on the output of the sensor unit acquired after the teacher data is created (for example, processing in the abnormality degree calculation unit 23), a teacher A diagnostic unit (for example, processing in the abnormality degree determination unit 24) that diagnoses an abnormality sign of the spindle bearing by comparing the data and the evaluation data. The spindle bearing is at least a rotatable outer ring part (for example, outer ring 131), a hollow inner ring part (for example, inner ring 134), and a rotating body part (for example, an inner ring part, for example). Rolling element 132), and the sensor portion is installed on the inner wall of the inner ring portion. Other aspects of the present invention will be described in the embodiments described later.

本発明によれば、損傷の初期段階を精度よく検知することができる。   According to the present invention, the initial stage of damage can be detected with high accuracy.

第1実施形態に係る風力発電システムの風力発電装置であり、(a)は風車外観図であり、(b)は、診断装置を含むナセル内部の拡大図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a wind power generator of the wind power generation system which concerns on 1st Embodiment, (a) is a windmill external view, (b) is an enlarged view inside a nacelle containing a diagnostic apparatus. 診断装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a diagnostic apparatus. ナセル上下の風速差を示す図である。It is a figure which shows the wind speed difference up and down a nacelle. 主軸にセンサを配置した場合を示す図である。It is a figure which shows the case where the sensor is arrange | positioned to the main axis | shaft. 周波数分析の例を示す図であり、(a)は正常データの場合、(b)は主軸ベアリングに損傷がある場合である。It is a figure which shows the example of a frequency analysis, (a) is a case where it is normal data, (b) is a case where a main shaft bearing is damaged. AE測定データの実例を示す図であり、(a)は正常データの場合、(b)は主軸ベアリングに損傷がある場合である。It is a figure which shows the example of AE measurement data, (a) is a case where it is normal data, (b) is a case where a spindle bearing is damaged. 診断装置の予兆診断の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the sign diagnosis of a diagnostic apparatus. 予兆診断結果の表示例を示す図である。It is a figure which shows the example of a display of a sign diagnosis result. 第2実施形態に係る風力発電装置であり、(a)は風車外観図であり、(b)は、ナセル内部の拡大図である。It is a wind power generator concerning a 2nd embodiment, (a) is a windmill appearance figure, and (b) is an enlarged view inside a nacelle. 主軸ベアリング内の仮想平面を示す図である。It is a figure which shows the virtual plane in a spindle bearing.

<<第1実施形態>>
本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、第1実施形態に係る風力発電システムの風力発電装置10(風車)であり、(a)は風車外観図であり、(b)は診断装置100を含むナセル3内部の拡大図である。本実施形態では、ダイレクトドライブ型風力発電装置(直接駆動型風力発電装置)を例に説明する。風力発電装置10は、ハブ1に装着されたブレード2と、ナセル3(筐体)と、ナセル3を支持するタワー4(支柱)を含んで構成されている。ナセル3の内部には、タワー4の支持部19に支持された中空である固定側の主軸11(第1の主軸)、主軸11の外周には、発電機5が配置されている。
<< first embodiment >>
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is a wind turbine generator 10 (wind turbine) of the wind turbine generator system according to the first embodiment, (a) is an external view of the wind turbine, and (b) is an enlarged view inside the nacelle 3 including the diagnostic device 100. is there. In the present embodiment, a direct drive wind power generator (direct drive wind power generator) will be described as an example. The wind power generator 10 includes a blade 2 mounted on the hub 1, a nacelle 3 (housing), and a tower 4 (support) that supports the nacelle 3. Inside the nacelle 3, the fixed main shaft 11 (first main shaft) that is hollow and supported by the support portion 19 of the tower 4, and the generator 5 is disposed on the outer periphery of the main shaft 11.

発電機5は、ステータ6と発電機ロータ7とを備えている。ステータ6は、ステータケーシング9に固定されている。発電機ロータ7は、界磁磁石と界磁磁石を支持するロータプレート8とを備えており、ロータプレート8は、回転側の主軸12(第2の主軸)に結合されている。   The generator 5 includes a stator 6 and a generator rotor 7. The stator 6 is fixed to the stator casing 9. The generator rotor 7 includes a field magnet and a rotor plate 8 that supports the field magnet, and the rotor plate 8 is coupled to the main shaft 12 (second main shaft) on the rotation side.

主軸12は、2つの主軸ベアリング13,14(主軸受)によって主軸11に支持され、ハブ1に接続されている。また、ロータプレート8の突出部16は、第3の軸受ベアリング15によってステータケーシング9に支持されている。   The main shaft 12 is supported on the main shaft 11 by two main shaft bearings 13 and 14 (main bearings) and is connected to the hub 1. Further, the protrusion 16 of the rotor plate 8 is supported by the stator casing 9 by a third bearing 15.

風力発電装置10の定期点検を実施するサービス員は、主軸ベアリング13,14の内輪の近傍にセンサ50を設置する。より具体的には、主軸11の中空部で、主軸ベアリング13,14の径方向内側に位置するところに、主軸ベアリング13,14の状態(動作状態信号)を計測・監視するセンサ50を設置する。センサ50は、主軸ベアリング13,14の軸方向中心を通る各仮想平面VP上(図10参照)に位置しているとよい。センサ50は、音響センサ、振動センサ、AEセンサのうち少なくともいずれかのセンサである。なお、AE(Acoustic Emission)とは、材料が変形あるいは破壊する際に、内部に蓄えていた弾性エネルギーを音波(弾性波、AE波)として放出する現象である。AE波は主に超音波領域(数10kHz〜数MHz)の高い周波数成分を有する。   A service person who performs periodic inspection of the wind turbine generator 10 installs the sensor 50 in the vicinity of the inner rings of the spindle bearings 13 and 14. More specifically, a sensor 50 for measuring and monitoring the state (operation state signal) of the main shaft bearings 13 and 14 is installed in a hollow portion of the main shaft 11 and located radially inward of the main shaft bearings 13 and 14. . The sensor 50 is good to be located on each virtual plane VP (refer FIG. 10) which passes along the axial center of the spindle bearings 13 and 14. The sensor 50 is at least one of an acoustic sensor, a vibration sensor, and an AE sensor. Note that AE (Acoustic Emission) is a phenomenon in which elastic energy stored inside is released as sound waves (elastic waves, AE waves) when a material is deformed or destroyed. The AE wave mainly has a high frequency component in the ultrasonic region (several tens of kHz to several MHz).

図10は、主軸ベアリング内の仮想平面VPを示す図である。図10は、斜視の説明図である。適宜図4を参照する。センサ50は、主軸ベアリング13の外輪131の外壁の軸方向の複数の中心点C1(第1の中心点)を結ぶ外周部OPと、中心点C1の鉛直方向にある主軸ベアリング13の中心点C2(第2の中心点)を結ぶ仮想平面VP上に配設されているとよい。センサ50の中心点C3(図示せず)を、仮想平面VP上に配設するとさらによい。センサ50は、内輪134(図4参照)の内壁にセンサ50の検知面を接触して主軸ベアリングの外輪131(図4参照)外壁側を向くように設置されるとよい。なお、主軸ベアリング14についても同様である。   FIG. 10 is a diagram illustrating a virtual plane VP in the spindle bearing. FIG. 10 is a perspective explanatory view. Reference is made to FIG. 4 as appropriate. The sensor 50 includes an outer peripheral portion OP connecting a plurality of axial center points C1 (first center points) of the outer wall of the outer ring 131 of the spindle bearing 13 and a center point C2 of the spindle bearing 13 in the vertical direction of the center point C1. It is good to arrange | position on the virtual plane VP which ties (2nd center point). More preferably, the center point C3 (not shown) of the sensor 50 is disposed on the virtual plane VP. The sensor 50 may be installed so that the inner wall of the inner ring 134 (see FIG. 4) contacts the detection surface of the sensor 50 and faces the outer wall 131 (see FIG. 4) of the main shaft bearing. The same applies to the main shaft bearing 14.

さらに、詳細に説明すると、主軸ベアリング13は軸方向に所定の長さを有する。この長さの中心が中心点C1であり、主軸は一般的に筒状であるので、筒内面の周回方向に沿って中心点C1は無限に存在する。中心点C1の集合から成る「輪」が形成できる。この「輪」を構成する全ての点からの距離の総和が最も小さくなる点が「中心点C2」となる。ここで、仮に「輪」が円であれば、中心点C2は、円の中心となる。この「輪」で閉じ、かつ中心点C2を含む領域が仮想平面VPとなる。本実施形態では、この仮想平面上に、センサ50の中心点があることが望ましい。   More specifically, the main shaft bearing 13 has a predetermined length in the axial direction. Since the center of this length is the center point C1 and the main shaft is generally cylindrical, the center point C1 exists infinitely along the circumferential direction of the cylinder inner surface. A “ring” consisting of a set of center points C1 can be formed. The point where the sum of the distances from all the points constituting the “ring” is the smallest is the “center point C2”. Here, if the “ring” is a circle, the center point C2 is the center of the circle. A region that is closed by the “ring” and includes the center point C2 is a virtual plane VP. In the present embodiment, it is desirable that the center point of the sensor 50 is on this virtual plane.

図1に戻り、診断装置100は、センサ50からのセンサデータを、増幅器51を介して取得し、取得したセンサデータ(評価データ)と予め記憶部30(図2参照)に記憶されている正常データ(教師データ)とを比較して、主軸ベアリング13,14が異常であるか否かを診断する。具体的には、診断装置100は、主軸ベアリング13,14の故障の予兆を検出する。なお、診断装置100は、図1(b)では、タワー4内に配置しているが、これに限定されるわけではなく、地上の管理棟に配置してもよい。   Returning to FIG. 1, the diagnostic device 100 acquires sensor data from the sensor 50 via the amplifier 51, and the acquired sensor data (evaluation data) and normal stored in advance in the storage unit 30 (see FIG. 2). The data (teacher data) is compared to diagnose whether or not the spindle bearings 13 and 14 are abnormal. Specifically, the diagnostic device 100 detects a sign of failure of the spindle bearings 13 and 14. In addition, although the diagnostic apparatus 100 is arrange | positioned in the tower 4 in FIG.1 (b), it is not necessarily limited to this, You may arrange | position in the management ridge on the ground.

図2は、診断装置100の構成を示す図である。診断装置100は、図2に示すように、処理部20、記憶部30、入力部41、表示部42、通信部43を有している。処理部20は、センサ50から検出信号(センサデータ)を取得するセンサデータ取得部21と、主軸ベアリング13,14の正常な時期(正常に稼働している際)にセンサ50から検出信号を取得し正常データとして記憶部30に記憶する正常データ作成部22と、センサデータと正常データとの乖離率(異常度)を算出する異常度算出部23と、異常度算出部23で算出された異常度が、所定の閾値と比較して異常であるか否かを判定する異常度判定部24とを有する。記憶部30には、正常データ31、異常度32、判定結果33などが記憶されている。   FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the diagnostic apparatus 100. As illustrated in FIG. 2, the diagnostic device 100 includes a processing unit 20, a storage unit 30, an input unit 41, a display unit 42, and a communication unit 43. The processing unit 20 acquires a detection signal from the sensor 50 at a normal time (when the spindle bearings 13 and 14 are operating normally) and a sensor data acquisition unit 21 that acquires a detection signal (sensor data) from the sensor 50. Normal data creation unit 22 stored in the storage unit 30 as normal data, an abnormality degree calculation unit 23 that calculates a deviation rate (abnormality) between the sensor data and the normal data, and an abnormality calculated by the abnormality degree calculation unit 23 An abnormality degree determination unit 24 that determines whether the degree is abnormal as compared with a predetermined threshold value. The storage unit 30 stores normal data 31, an abnormality degree 32, a determination result 33, and the like.

風力発電システムの異常予兆診断システムとして構成する場合は、主軸ベアリングの近傍に設置されるセンサ部(例えば、センサ50)と、センサ部の出力に基づき作られる教師データ(例えば、正常データ31)を保持した記憶部(例えば、記憶部30)と、教師データの作成時点よりも後に取得されるセンサ部の出力に基づき評価データを作る制御部(例えば、異常度算出部23内の処理)と、教師データと評価データとを比較して主軸ベアリングの異常予兆を診断する診断部(例えば、異常度判定部24内の処理)と、を有していてもよい。   When configured as an abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system, a sensor unit (for example, sensor 50) installed in the vicinity of the spindle bearing and teacher data (for example, normal data 31) created based on the output of the sensor unit are used. A stored storage unit (for example, storage unit 30), a control unit that creates evaluation data based on the output of the sensor unit acquired after the creation time of the teacher data (for example, processing in the abnormality degree calculation unit 23), A diagnosis unit (for example, processing in the abnormality degree determination unit 24) that diagnoses an abnormality sign of the spindle bearing by comparing the teacher data and the evaluation data may be included.

通常、異常予兆診断システムでは、診断前に、対象機器が正常に動作している状態のデータを収集し「正常データ」を保持する。次にこの時点より後、つまり診断開始後に、収集されるデータと正常データとを比較し、例えば、風車の回転速度の算出し異常速度であるか否かを算出し診断する。そのとき、診断の結果「異常ではない」とされたデータは、新たに「正常データ」に反映され、「正常データ」は更新されるようにすることも可能である。   Usually, in the abnormality sign diagnosis system, data of a state in which the target device is operating normally is collected and “normal data” is held before diagnosis. Next, after this point of time, that is, after the diagnosis is started, the collected data is compared with normal data, and for example, the rotational speed of the windmill is calculated to determine whether the speed is abnormal or not. At this time, the data determined as “not abnormal” as a result of diagnosis can be newly reflected in “normal data”, and “normal data” can be updated.

図3は、ナセル3の上下の風速差を示す図である。図3に示すように、ナセル3の上下の風速は一定ではなく少なからずの風速差がある。この場合、上下の風速差によって生じるモーメントなどによって主軸ベアリング13,14に損傷の起点が発生する。診断装置100は、主軸ベアリング13,14の近傍、特に主軸11(第1の主軸)の内面に設置したセンサ50からセンサデータを取得することで、この損傷の初期段階を精度よく検出することが可能となる。   FIG. 3 is a diagram showing the difference in wind speed between the upper and lower nacelles 3. As shown in FIG. 3, the upper and lower wind speeds of the nacelle 3 are not constant but have a considerable difference in wind speed. In this case, a starting point of damage is generated in the spindle bearings 13 and 14 due to a moment or the like caused by the difference in wind speed between the upper and lower sides. The diagnostic apparatus 100 can accurately detect the initial stage of this damage by acquiring sensor data from the sensor 50 installed in the vicinity of the spindle bearings 13 and 14, particularly on the inner surface of the spindle 11 (first spindle). It becomes possible.

図4は、主軸11にセンサを配置した場合を示す図である。主軸ベアリング13は、外輪131、転動体132(例えば、コロ)、転動体132の位置を定める保持器133、内輪134を含んで構成されている。主軸11は、内輪134に嵌合され、主軸12は外輪131に嵌合されている。センサ50は、主軸11の内面に、センサ治具52を介して設置される。センサ50は、外輪131または内輪134の軌道面に欠陥が生じ、その欠陥に転動体132が接触した際に発生する音(衝撃波)を信号として検出する。なお、主軸ベアリング14も、主軸ベアリング13と同様の構成を有する。   FIG. 4 is a diagram showing a case where a sensor is arranged on the main shaft 11. The main shaft bearing 13 includes an outer ring 131, a rolling element 132 (for example, a roller), a cage 133 that determines the position of the rolling element 132, and an inner ring 134. The main shaft 11 is fitted to the inner ring 134, and the main shaft 12 is fitted to the outer ring 131. The sensor 50 is installed on the inner surface of the main shaft 11 via a sensor jig 52. The sensor 50 detects a sound (shock wave) generated when a defect occurs in the raceway surface of the outer ring 131 or the inner ring 134 and the rolling element 132 contacts the defect as a signal. The main shaft bearing 14 has the same configuration as the main shaft bearing 13.

図4においては、主軸11と、内輪134とが独立した部材とした場合について説明したが、主軸ベアリング13の内輪134が主軸の役割を果たす場合もある。その場合には、内輪134(内輪部)の内壁にセンサ50の検知面を接触して主軸ベアリング13の外輪外壁側を向くように配設置するとよい。   In FIG. 4, the case where the main shaft 11 and the inner ring 134 are independent members has been described. However, the inner ring 134 of the main shaft bearing 13 may serve as the main shaft. In that case, the inner ring 134 (inner ring portion) may be arranged so that the detection surface of the sensor 50 contacts the inner wall and faces the outer ring outer wall side of the spindle bearing 13.

次に、診断装置100での診断方法について説明する。
図5は、周波数分析の例を示す図であり、(a)は正常データの場合、(b)は主軸ベアリングに損傷がある場合である。図5(a)の正常データの場合、センサ50からの検出信号を周波数分析すると、振幅に特異点を有する周波数成分はない。しかしながら、図5(b)の主軸ベアリング13,14に損傷がある場合、損傷箇所からの発生した検出信号を周波数分析すると、振幅に高調波成分を含んでいることがわかる。
Next, a diagnostic method using the diagnostic apparatus 100 will be described.
FIG. 5 is a diagram showing an example of frequency analysis, where (a) shows normal data and (b) shows a case where the spindle bearing is damaged. In the case of the normal data in FIG. 5A, when the frequency of the detection signal from the sensor 50 is analyzed, there is no frequency component having a singular point in amplitude. However, when the spindle bearings 13 and 14 shown in FIG. 5B are damaged, a frequency analysis of the detection signal generated from the damaged portion shows that the amplitude includes a harmonic component.

一般的には、主軸ベアリング(転がり軸受)の損傷周波数は次式で示される。
外輪損傷 :fout=Z/2・fr・(1−d/D・cosα) ・・・(1)
内輪損傷 :fin =Z/2・fr・(1+d/D・cosα) ・・・(2)
転動体損傷:fb =D/d・fr・(1−(d/D・cosα)2) ・・・(3)
ここで、fr:回転周波数(Hz)
D :ピッチ円直径(mm)
d :転動体直径(mm)
Z :転動体個数(個)
α :接触角(deg)
Generally, the damage frequency of a main shaft bearing (rolling bearing) is expressed by the following equation.
Outer ring damage: fout = Z / 2 · fr · (1-d / D · cosα) (1)
Inner ring damage: fin = Z / 2 · fr · (1 + d / D · cosα) (2)
Rolling element damage: fb = D / d · fr · (1− (d / D · cosα) 2 ) (3)
Where fr: rotational frequency (Hz)
D: Pitch circle diameter (mm)
d: Rolling element diameter (mm)
Z: Number of rolling elements (pieces)
α: Contact angle (deg)

図6は、AE測定データの実例を示す図であり、(a)は正常データの場合、(b)は主軸ベアリングに損傷がある場合である。AEセンサの検出素子は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が主として使用される。PZTなどの圧電材料は、力を加えられると電荷を発生するという特性を有している。金属などの表面を伝搬してきたAE波がAEセンサ内部のPZTに伝わり、PZTが歪むことによって電気信号に変換される。   6A and 6B are diagrams showing actual examples of AE measurement data. FIG. 6A shows the case of normal data, and FIG. 6B shows the case where the spindle bearing is damaged. PZT (lead zirconate titanate) is mainly used as the detection element of the AE sensor. Piezoelectric materials such as PZT have the property of generating an electric charge when a force is applied. The AE wave that has propagated through the surface of metal or the like is transmitted to the PZT inside the AE sensor, and the PZT is distorted and converted into an electrical signal.

図6(a)の正常データの場合、センサ50からの検出信号を周波数分析すると、強度に特異点を有する周波数成分はない。しかしながら、図6(b)の主軸ベアリング13,14に損傷がある場合、損傷箇所からの発生した検出信号を周波数分析すると、強度に8Hz、16Hzあたりに強度の高い成分を含んでいることがわかる。   In the case of normal data in FIG. 6A, when the detection signal from the sensor 50 is subjected to frequency analysis, there is no frequency component having a singular point in intensity. However, when there is damage to the spindle bearings 13 and 14 in FIG. 6B, when the detection signal generated from the damaged portion is subjected to frequency analysis, it can be seen that the intensity includes a high intensity component around 8 Hz and 16 Hz. .

図7は、診断装置100の予兆診断の処理を示すフローチャートである。適宜図2を参照して説明する。センサデータ取得部21は、センサ50からの検出信号を受信すると(処理S71)、異常度算出部23は、検出信号の所定期間の検出信号を周波数分析し(図6(b)参照)、記憶部30に記憶されている正常データ31と比較する(処理S72)。具体的には、図6(a)の右側に示した周波数分析結果と、図6(b)の右側の周波数分析結果とを比較し、異常度を算出する。異常度算出部23は、検出信号の周波数分析結果が規定範囲内であるか否かの異常度判定をし(処理S73)、規定範囲内であれば(処理S73,規定範囲内)、主軸ベアリング13,14は正常で有る旨を、判定時刻とともに記憶部30に判定結果33として記憶するとともに、表示部42に表示し(処理S75)、処理S71に戻る。一方、異常度算出部23は、規定範囲外であれば(処理S73,規定範囲外)、主軸ベアリング13,14が異常である旨を、判定時刻とともに記憶部30に判定結果33として記憶するとともに、表示部42に表示し(処理S74)、処理を終了する。   FIG. 7 is a flowchart showing the predictive diagnosis process of the diagnostic apparatus 100. This will be described with reference to FIG. When the sensor data acquisition unit 21 receives the detection signal from the sensor 50 (processing S71), the abnormality degree calculation unit 23 analyzes the frequency of the detection signal of the detection signal for a predetermined period (see FIG. 6B) and stores it. The normal data 31 stored in the unit 30 is compared (processing S72). Specifically, the frequency analysis result shown on the right side of FIG. 6A is compared with the frequency analysis result on the right side of FIG. 6B to calculate the degree of abnormality. The degree-of-abnormality calculation unit 23 determines whether or not the frequency analysis result of the detection signal is within the specified range (processing S73). If the result is within the specified range (processing S73, within the specified range), the spindle bearing 13 and 14 are stored together with the determination time in the storage unit 30 as the determination result 33 and displayed on the display unit 42 (processing S75), and the process returns to the processing S71. On the other hand, if the abnormality degree calculation unit 23 is outside the specified range (processing S73, out of the specified range), the fact that the spindle bearings 13 and 14 are abnormal is stored in the storage unit 30 as the determination result 33 together with the determination time. Is displayed on the display unit 42 (process S74), and the process is terminated.

診断装置100は、正常データ(教師データ)をフーリエ変換した周波数特性と評価データをフーリエ変換した周波数特性とを比較して、主軸受が異常であるか否かを診断してもよい。また、診断装置100は、正常データ(教師データ)をフーリエ変換した周波数特性と評価データをフーリエ変換した周波数特性との乖離率が所定値を超えた場合に、主軸受が異常であると診断してもよい。   The diagnosis apparatus 100 may diagnose whether or not the main bearing is abnormal by comparing a frequency characteristic obtained by performing a Fourier transform on normal data (teacher data) and a frequency characteristic obtained by performing a Fourier transform on evaluation data. Further, the diagnosis device 100 diagnoses that the main bearing is abnormal when the deviation rate between the frequency characteristic obtained by Fourier transforming normal data (teacher data) and the frequency characteristic obtained by Fourier transform of the evaluation data exceeds a predetermined value. May be.

診断装置100は、正常データ(教師データ)をフーリエ変換した周波数特性と評価データをフーリエ変換した周波数特性とに基づく異常度を、表示部に表示してもよい。また、診断装置100は、正常データをフーリエ変換した周波数特性と評価データをフーリエ変換した周波数特性とに基づく異常度を、時間軸に対する変動値として表示部に表示してもよい。   The diagnostic apparatus 100 may display the degree of abnormality based on the frequency characteristics obtained by performing Fourier transform on normal data (teacher data) and the frequency characteristics obtained by performing Fourier transform on evaluation data on the display unit. Moreover, the diagnostic apparatus 100 may display the degree of abnormality based on the frequency characteristic obtained by performing Fourier transform on normal data and the frequency characteristic obtained by performing Fourier transform on evaluation data on the display unit as a variation value with respect to the time axis.

図8は、予兆診断結果の表示例を示す図である。図8は、診断装置100の表示部42に表示される予兆診断結果の例であり、横軸に運転時間とし、縦軸に異常度を示している。運転時間は、風力発電装置10の制御装置(図示せず)から、通信回線を通じて入手したものである。運転時間には、時系列の累計運転時間データであるので、その時系列に、前記判定時刻を合せていくと、正常データと検出信号(センサデータ)の比較から算出した異常度を、時間軸に対する変動値としてグラフ表示することができる。診断装置100は、異常度が異常判定の所定の閾値を超えた時点で予兆検出81として表示し、その後、異常が継続するようであれば、故障82が発生する推定の運転時間などを示してもよい。   FIG. 8 is a diagram illustrating a display example of the sign diagnosis result. FIG. 8 is an example of the predictive diagnosis result displayed on the display unit 42 of the diagnostic apparatus 100, where the horizontal axis indicates the operation time and the vertical axis indicates the degree of abnormality. The operation time is obtained from a control device (not shown) of the wind power generator 10 through a communication line. Since the operation time is the time-series cumulative operation time data, when the determination time is adjusted to the time series, the degree of abnormality calculated from the comparison between the normal data and the detection signal (sensor data) is expressed with respect to the time axis. A graph can be displayed as a variation value. The diagnosis apparatus 100 displays the sign detection 81 when the degree of abnormality exceeds a predetermined threshold value for abnormality determination, and indicates the estimated operation time when the failure 82 occurs if the abnormality continues thereafter. Also good.

<<第2実施形態>>
第1実施形態では、センサ50を固定側の主軸11の内面に配置したが、これに限定されるわけではない。第2実施形態では、センサ50を回転側の主軸11aの内面に配置した場合について説明する。
<< Second Embodiment >>
In the first embodiment, the sensor 50 is disposed on the inner surface of the main shaft 11 on the fixed side, but the present invention is not limited to this. In the second embodiment, a case where the sensor 50 is arranged on the inner surface of the rotation-side main shaft 11a will be described.

図9は、第2実施形態に係る風力発電装置10(風車)であり、(a)は風車外観図であり、(b)はナセル3内部の拡大図である。第2実施形態においても、ダイレクトドライブ型風力発電装置(直接駆動型風力発電装置)を例に説明する。図1に示した第1実施形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。   FIG. 9 is a wind turbine generator 10 (windmill) according to the second embodiment, (a) is an external view of the windmill, and (b) is an enlarged view inside the nacelle 3. Also in the second embodiment, a direct drive wind power generator (direct drive wind power generator) will be described as an example. The same elements as those in the first embodiment shown in FIG.

風力発電装置10のナセル3の内部には、タワー4の支持部19aに支持された中空である固定側の主軸12a(第2の主軸)を有している。ハブ1と接続されている回転側の主軸11a(第1の主軸)は、2つの主軸ベアリング13,14(主軸受)によって主軸12aに支持されている。主軸11aの一端部には、発電機5が配置されている。   Inside the nacelle 3 of the wind turbine generator 10, there is a fixed main shaft 12 a (second main shaft) that is hollow and supported by the support portion 19 a of the tower 4. The rotation-side main shaft 11a (first main shaft) connected to the hub 1 is supported on the main shaft 12a by two main shaft bearings 13 and 14 (main bearing). A generator 5 is disposed at one end of the main shaft 11a.

発電機5は、ステータ6と発電機ロータ7とを備えている。ステータ6は、ステータケーシング9に固定されている。発電機ロータ7は、界磁磁石と界磁磁石を支持するロータプレート8とを備えており、ロータプレート8は、回転側の主軸11a(第1の主軸)に結合されている。また、ロータプレート8の突出部16aは、第3の軸受ベアリング15aによってステータケーシング9に支持されている。   The generator 5 includes a stator 6 and a generator rotor 7. The stator 6 is fixed to the stator casing 9. The generator rotor 7 includes a field magnet and a rotor plate 8 that supports the field magnet, and the rotor plate 8 is coupled to a rotation-side main shaft 11a (first main shaft). The protrusion 16a of the rotor plate 8 is supported on the stator casing 9 by a third bearing 15a.

風力発電装置10の定期点検を実施するサービス員は、主軸12aの中央の開口部121、主軸11aの開口部111より、主軸ベアリング13,14の内輪の近傍にセンサ50を設置する。より具体的には、主軸11aの中空部で、主軸ベアリング13,14の径方向内側に位置するところに、主軸ベアリング13,14の状態を計測・監視するセンサ50設置する。センサ50は、主軸ベアリング13,14の軸方向中心を通る各仮想面上に位置しているとよい。また、センサ50からの出力信号を増幅する増幅器51および診断装置100にセンサデータを送信する通信装置55を設置する。センサ50、増幅器51、通信装置55の設置には、着脱可能な強力な磁石などを介して設置するとよい。   A service person who performs periodic inspection of the wind turbine generator 10 installs the sensor 50 in the vicinity of the inner ring of the spindle bearings 13 and 14 through the opening 121 at the center of the spindle 12a and the opening 111 of the spindle 11a. More specifically, a sensor 50 that measures and monitors the state of the main shaft bearings 13 and 14 is installed in a hollow portion of the main shaft 11a and positioned radially inward of the main shaft bearings 13 and 14. The sensor 50 is good to be located on each virtual surface which passes along the axial center of the spindle bearings 13 and 14. An amplifier 51 that amplifies the output signal from the sensor 50 and a communication device 55 that transmits sensor data to the diagnostic device 100 are installed. The sensor 50, the amplifier 51, and the communication device 55 may be installed via a powerful removable magnet.

診断装置100は、通信装置55から送信されたセンサ50からのセンサデータを、通信装置(図示せず)を介して取得し、取得したセンサデータと予め記憶部30(図2参照)に記憶されている正常データとを比較して、主軸ベアリング13,14が異常であるか否かを診断する。具体的には、診断装置100は、主軸ベアリング13,14の故障の予兆を検出する。なお、診断装置100は、タワー4内または地上の管理棟に、配置するとよい。   The diagnostic device 100 acquires sensor data from the sensor 50 transmitted from the communication device 55 via a communication device (not shown), and is stored in the storage unit 30 (see FIG. 2) in advance with the acquired sensor data. It is diagnosed whether the spindle bearings 13 and 14 are abnormal by comparing with normal data. Specifically, the diagnostic device 100 detects a sign of failure of the spindle bearings 13 and 14. In addition, the diagnostic apparatus 100 is good to arrange | position in the tower 4 or the management ridge on the ground.

第2実施形態の主軸12aは、主軸ベアリングを保持する軸受ハウジングで兼用してもよい。また、主軸12aは、主軸ベアリング13,14を一体として保持する必要はなく、支持部19aに支持された主軸ベアリング13用の軸受ハウジングと、支持部19aに支持された主軸ベアリング14用の軸受ハウジングとを有していてもよい。   The spindle 12a of the second embodiment may also be used as a bearing housing that holds a spindle bearing. Further, the main shaft 12a does not need to hold the main shaft bearings 13 and 14 as one body, but a bearing housing for the main shaft bearing 13 supported by the support portion 19a and a bearing housing for the main shaft bearing 14 supported by the support portion 19a. You may have.

本実施形態の風力発電装置10の診断方法によれば、主軸ベアリング13,14の状態を定量的に計測、監視するセンサ50をベアリング近傍に設置し、これまで発見できなかった損傷の初期段階を精度よく検知することができる。センサ50からのセンサ情報によって、風力発電装置10が長期停止となる前に、主軸ベアリング13の交換の必要性などの診断ができる。   According to the diagnosis method of the wind turbine generator 10 of the present embodiment, the sensor 50 for quantitatively measuring and monitoring the state of the spindle bearings 13 and 14 is installed in the vicinity of the bearing, and the initial stage of damage that has not been found so far can be detected. It can be detected with high accuracy. Based on the sensor information from the sensor 50, it is possible to diagnose whether the spindle bearing 13 needs to be replaced before the wind turbine generator 10 is stopped for a long time.

1 ハブ
2 ブレード
3 ナセル
4 タワー
5 発電機
6 ステータ
7 発電機ロータ
8 ロータプレート
9 ステータケーシング
10 風力発電装置
11,11a 主軸(第1の主軸)
12,12a 主軸(第2の主軸)
13 主軸ベアリング(主軸受、第1の主軸ベアリング)
14 主軸ベアリング(主軸受、第2の主軸ベアリング)
15,15a 第3の主軸ベアリング
16 突出部
19 ステータケーシング
20 処理部
21 センサデータ取得部
22 正常データ作成部
23 異常度算出部(制御部)
24 異常度判定部(診断部)
30 記憶部
31 正常データ(教師データ)
32 異常度
33 判定結果
41 入力部
42 表示部
43 通信部
50 センサ(センサ部)
51 増幅器
100 診断装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hub 2 Blade 3 Nacelle 4 Tower 5 Generator 6 Stator 7 Generator rotor 8 Rotor plate 9 Stator casing 10 Wind power generator 11, 11a Main shaft (first main shaft)
12, 12a Main shaft (second main shaft)
13 Spindle bearing (main bearing, first spindle bearing)
14 Spindle bearing (main bearing, second spindle bearing)
15, 15a Third spindle bearing 16 Projection 19 Stator casing 20 Processing unit 21 Sensor data acquisition unit 22 Normal data creation unit 23 Abnormality calculation unit (control unit)
24 Abnormality determination unit (diagnosis unit)
30 storage unit 31 normal data (teacher data)
32 Abnormality 33 Judgment result 41 Input unit 42 Display unit 43 Communication unit 50 Sensor (sensor unit)
51 Amplifier 100 Diagnostic Device

Claims (11)

風力発電システムの異常予兆診断システムであって、
主軸ベアリングの近傍に設置されるセンサ部と、
前記センサ部の出力に基づき作られる教師データを保持した記憶部と、
前記教師データの作成時点よりも後に取得される前記センサ部の出力に基づき評価データを作る制御部と、
前記教師データと前記評価データとを比較して前記主軸ベアリングの異常予兆を診断する診断部と、を有する
ことを特徴とする風力発電システムの異常予兆診断システム。
An anomaly prediction system for wind power generation systems,
A sensor unit installed near the spindle bearing;
A storage unit holding teacher data created based on the output of the sensor unit;
A control unit that creates evaluation data based on the output of the sensor unit acquired after the creation time of the teacher data;
An abnormality sign diagnosis system for a wind power generation system, comprising: a diagnosis unit that compares the teacher data with the evaluation data to diagnose an abnormality sign of the spindle bearing.
前記主軸ベアリングは少なくとも、
回転自在な外輪部と、中空の内輪部と、前記外輪部と前記内輪部との間に設置される回転体部と、を有し、
前記センサ部は前記内輪部の内壁に設置される
ことを特徴とする請求項1に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The spindle bearing is at least
A rotatable outer ring part, a hollow inner ring part, and a rotating body part installed between the outer ring part and the inner ring part,
The abnormal sign diagnosis system for a wind power generation system according to claim 1, wherein the sensor unit is installed on an inner wall of the inner ring unit.
前記センサ部は、
前記主軸ベアリングの外輪外壁の軸方向の複数の第1の中心点を結ぶ外周部と、該第1の中心点の鉛直方向にある前記主軸ベアリングの第2の中心点を結ぶ仮想平面上に前記センサ部の中心点を配して前記内輪部の内壁に前記センサ部の検知面を接触して前記主軸ベアリングの外輪外壁側を向くように設置される
ことを特徴とする請求項2記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The sensor unit is
An outer peripheral portion connecting a plurality of first center points in the axial direction of the outer ring outer wall of the main shaft bearing and a virtual plane connecting the second center point of the main shaft bearing in the vertical direction of the first center point The wind power according to claim 2, wherein a center point of the sensor part is arranged, and the detection surface of the sensor part is brought into contact with the inner wall of the inner ring part so as to face the outer ring outer wall side of the spindle bearing. Abnormality sign diagnosis system for power generation systems.
前記センサ部は、前記主軸ベアリングの動作状態信号を検知する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The abnormal sign diagnosis system for a wind power generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor unit detects an operation state signal of the main shaft bearing.
前記主軸ベアリングは、軸方向に複数の主軸ベアリングで構成されており、
前記センサ部は、前記仮想平面上に、それぞれ配置されている
ことを特徴とする請求項3に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The main shaft bearing is composed of a plurality of main shaft bearings in the axial direction,
The abnormal sign diagnosis system for a wind power generation system according to claim 3, wherein the sensor units are respectively arranged on the virtual plane.
前記センサ部は、音響センサ、振動センサ、AEセンサのうち少なくともいずれかのセンサである
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The abnormal sign diagnosis system for a wind power generation system according to any one of claims 1 to 5, wherein the sensor unit is at least one of an acoustic sensor, a vibration sensor, and an AE sensor. .
前記診断部は、前記風力発電システムが正常に稼働している際に、前記センサ部から取得した前記動作状態信号を、前記教師データとして記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項4に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The said diagnostic part memorize | stores the said operation state signal acquired from the said sensor part in the memory | storage part as the said teacher data, when the said wind power generation system is working normally. An anomaly sign diagnosis system for wind power generation systems in Japan.
前記診断部は、前記教師データと前記評価データとに基づき異常度を算出し、該異常度が所定値を超えた場合、前記主軸ベアリングが異常であると診断する
ことを特徴とする請求項7に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The diagnosis unit calculates an abnormality degree based on the teacher data and the evaluation data, and diagnoses that the spindle bearing is abnormal when the abnormality degree exceeds a predetermined value. An anomaly predictive diagnosis system for wind power generation system as described in 1.
前記診断部は、前記教師データをフーリエ変換した周波数特性と前記評価データをフーリエ変換した周波数特性とを比較して、前記主軸ベアリングが異常であるか否かを診断する
ことを特徴とする請求項7に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The diagnosis unit compares the frequency characteristic obtained by Fourier transforming the teacher data with the frequency characteristic obtained by Fourier transform of the evaluation data, and diagnoses whether or not the spindle bearing is abnormal. The abnormality sign diagnosis system of the wind power generation system of 7.
前記診断部は、前記教師データをフーリエ変換した周波数特性と前記評価データをフーリエ変換した周波数特性とに基づく異常度を、表示部に表示する
ことを特徴とする請求項7に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
The wind turbine generation system according to claim 7, wherein the diagnosis unit displays a degree of abnormality based on a frequency characteristic obtained by performing a Fourier transform on the teacher data and a frequency characteristic obtained by performing a Fourier transform on the evaluation data on a display unit. Abnormal sign diagnosis system.
前記診断部は、前記教師データをフーリエ変換した周波数特性と前記評価データをフーリエ変換した周波数特性とに基づく異常度を、時間軸に対する変動値として表示部に表示する
ことを特徴とする請求項7に記載の風力発電システムの異常予兆診断システム。
8. The diagnosis unit displays an abnormality degree based on a frequency characteristic obtained by performing a Fourier transform on the teacher data and a frequency characteristic obtained by performing a Fourier transform on the evaluation data on the display unit as a variation value with respect to a time axis. An anomaly predictive diagnosis system for wind power generation system as described in 1.
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