KR20110110735A - 풍력발전기 모니터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기에 설치된 베어링의 초기 손상을 감지하는 풍력발전기 모니터링 장치에 관한 것으로, 너셀부와 허브의 주축 사이에 설치된 메인베어링에 설치되는 제1감지센서, 타워와 너셀부 사이에 설치된 요베어링에 설치되는 제2감지센서, 허브와 블레이드 사이에 설치된 피치베어링에 설치된 제3감지센서 및 상기 제1, 제2 또는 제3감지센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 넘으면 경보신호를 출력하는 상태진단부를 포함한다.
본 발명의 풍력발전기 모니터링 장치에 따르면, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링, 너셀부와 타워 사이의 요 베어링 및 주축의 메인베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모하기 위한 효과가 발휘된다.

Description

풍력발전기 모니터링 장치{Monitoring apparatus of wind power generator}
본 발명은 풍력발전기 모니터링 장치에 관한 것으로, 상세하게는 풍력발전기에 설치된 베어링의 초기 손상을 감지하는 풍력발전기 모니터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전기는 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기에너지를 얻는 시스템이다.
이렇게 새로운 재생에너지의 하나로 크게 각광받고 있는 풍력발전기의 일반적인 구조가 도 1에 나타내어 있다.
도 1을 살펴보면, 풍력발전기는 지면에서 적정 높이로 고정되도록 설치되는 타워(tower; 20) 상단에 너셀부(nacelle; 10)가 회전 가능하게 설치된다.
너셀부(10)에는 2개의 메인베어링(17)에 체결되어 회전하는 주축(15)이 구비되고, 주축(15)의 일단으로 증속기(gear box; 13)와 발전기(11)가 설치되어 있다.
증속기(13)는 발전기(11)의 입력 축의 회전 속도를 증가시켜 회전수를 증가시키는 기능을 수행한다. 아울러, 너셀부(10)는 발전기(11), 증속기(13) 및 주축(15) 등의 내부 구성을 보호하기 위해 씌워지는 커버(19)를 더 포함한다.
그리고, 주축(15)의 타단에는 바람의 힘으로 회전하는 로터(rotor; 30)가 설치된다. 로터(30)는 허브(hub; 31)에 다수의 블레이드(blade; 35)가 설치되어 이루어진다.
이와 같은 구성에 따르면, 공기의 운동에너지를 블레이드(35)가 제공받아 로터(30)가 회전하면 주축(15)을 통해 운동에너지를 증속기(13)에서 극대화한다. 이어서, 발전기(11)를 통해 전기에너지를 발생시키며 축전장치(미도시) 등에 축전 되거나 수요자에게 직접 전달된다.
이러한 풍력발전기는 다수의 베어링(bearing)이 전체 구동계를 지지하게 되는데, 베어링의 손상 빈도가 가장 높고 또한 베어링의 손상 발생 시 전체시스템에 미치는 영향이 결정적인 경우가 많다.
베어링의 손상은 대부분 롤러(roller)와 베어링 내륜과 외륜의 레이스(race) 사이의 구름 피로(Rolling Fatigue)에 의해 레이스나 롤러의 표면이 조각으로 떨어져 나가는 박리현상으로 나타난다.
그 밖에 이상 하중이 급작스럽게 크게 발생하는 경우 롤러와 접촉하는 레이스에 압흔 자국이 생기는 경우도 있는데 이를 브리넬링(brineling) 이라고 한다.
이러한 조그마한 손상이 발생하는 초기에는 베어링 및 구동계의 상태 변화가 외관상 매우 작아 정상적인 상태로 보이지만 베어링이 회전을 계속하는 경우 작은 손상이 발생한 흠집에 충격누적이 발생하게 되어 롤러가 파손되거나 베어링 내륜과 외륜이 심하게 파손되는 문제점이 있었다.
이와 같이 손상의 정도가 큰 경우 베어링의 회전 시 격렬한 진동에 의해 주변부품에까지 손상이 야기되기도 하고 베어링 자체의 소착으로 이어져 결국 구동계 시스템 전체가 파손되는 문제점이 있었으며, 주축에 작용하는 토크를 측정하는데 어려움이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링, 너셀부와 타워 사이의 요 베어링 및 주축의 메인베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모하기 위한 풍력발전기 모니터링 장치을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 타워에 설치되어 회전운동을 전기에너지로 변환시키는 너셀부, 너셀부에 설치된 허브, 허브에 설치된 블레이드를 포함하며, 상기 너셀부에는 주축이 구비되고, 주축의 일측으로 발전기가 구비되며 타측으로 상기 허브가 구비되는 풍력발전기로서, 상기 주축을 지지하는 메인베어링에 설치되는 제1감지센서; 타워와 너셀부 사이에 설치된 요베어링에 설치되는 제2감지센서; 허브와 블레이드 사이에 설치된 피치베어링에 설치된 제3감지센서; 및 상기 제1, 제2 또는 제3감지센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 넘으면 경보신호를 출력하는 상태진단부를 포함하는 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 메인베어링은 내륜은 주축에 외륜은 베어링 하우징에 체결되며, 상기 제1감지센서는 베어링 하우징에 설치되며; 상기 요베어링은 내륜은 너셀부에 외륜은 타워에 체결되며, 상기 제2감지센서는 너셀부의 길이 방향으로 내륜에 설치되며; 상기 피치베어링은 내륜은 블레이드에 외륜은 허브에 체결되며 상기 제3감지센서는 허브의 회전 방향으로 외륜에 설치된 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 제1, 제2 및 제3감지센서는 가속도 센서인 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 메인베어링, 요베어링 및 피치베어링에는 회전속도를 측정하는 상대변위 센서가 더 설치된 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 상태진단부는 제1, 제2 및 제3감지센서를 통해 감지된 센싱데이터를 증폭하는 증폭부; 증폭된 센싱데이터를 필터링 및 디지털신호로 변환시키는 전처리부; 정상상태 데이터가 저장된 저장부; 및 센싱데이터가 입력되면 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 출력시키는 제어부를 포함한 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 회전속도측정부를 더 포함하며, 상기 회전속도측정부는 상기 추축의 외경면에 구비되는 가변설치수단과, 상기 가변설치수단의 외측으로 서로 간격 조정 가능하도록 구비되는 복수의 타겟으로 이루어지는 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 가변설치수단은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 틈새인 간격부를 형성하며 구비되어 서로 마주하며 연결공이 형성된 돌출부와, 양측이 상기 돌출부의 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 제1 조정수단으로 이루어진 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 가변설치수단은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 연결공이 형성되며, 양측이 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 제1 조정수단으로 이루어진 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 가변설치수단의 반경 방향 외측에는 원주 방향을 따라 안내설치홈이 형성되며, 상기 타겟은 하부로 상기 안내설치홈에 원주 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기를 구비하며 원주방향 양측으로 조정홈이 형성되며 상기 타겟 사이에는 양측이 상기 조정홈에 나사 체결되어 삽입되는 제2 조정수단에 의하여 연결되는 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 회전속도측정부의 타겟과 반응하여 주축의 회전속도를 측정하는 제4감지센서를 더 포함하여 주축의 회전속도를 측정하며, 발전기 출력부에서 전류와 전압을 측정하여 전력을 연산하여, 상기 회전속도와 전력에 의하여 주축에 작용하는 토크를 측정하는 풍력발전기 모니터링 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 풍력발전기 모니터링 장치에 따르면, 블레이드와 허브 사이의 피치베어링, 너셀부와 타워 사이의 요 베어링 및 주축의 메인베어링에 진동을 감지하는 감지센서를 설치하고, 미리 설정된 정상상태 데이터와 감지센서를 통하여 획득된 센싱데이터를 비교하여 베어링의 초기 고장 발생 유무를 진단하고 대형사고 발생 이전에 적절한 사전조치 및 유지보수를 실시함으로써 전체시스템의 경제적 운용을 도모할 수 있으며, 주축의 강성을 유지시킨 상태에서 복수의 타겟을 설치하는 것이 가능하고, 주축의 지름에 맞추어 설치하는 것이 가능하며, 타켓의 간격을 주축의 지름에 맞추어 설치하는 것이 가능한 효과가 발생한다.
도 1은 종래의 풍력발전기를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 메인베어링을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 피치베어링을 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시에에 따른 요베어링을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기 모니터링 장치를 나타낸 블록도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 허용오차범위를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정상상태 데이터와 센싱데이터를 비교하는 과정을 나타낸 예시도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기 모니터링 방법을 나타낸 플로우차트이다.
도 10은 본 발명 모니터링 장치에 구비되는 회전속도측정부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 11은 도 10의 A부를 확대 도시한 사시도이다.
도 12는 도 10의 B부를 확대 도시한 사시도이다.
도 13은 도 12의 타겟과 제2 조정수단을 설명하기 위하여 도시한 개략적인 단면도이다.
도 14는 본 발명 모니터링 장치의 회전속도측정부에 구비되는 타겟을 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일실시에에 따른 풍력발전기는 도 2에 나타낸 바와 같이, 지면에서 적정 높이로 고정되어 설치되는 타워(tower; 200) 상단에 너셀부(nacelle; 100)가 회전 가능하게 설치된다. 너셀부(100)에는 2개의 메인베어링(170)에 체결되어 회전하는 주축(150)이 구비되고, 주축(150)의 일단으로 증속기(gear box; 130)와 발전기(110)가 설치되어 있다. 너셀부(100)는 발전기(110), 증속기(130) 및 주축(150) 등의 내부 구성을 보호하기 위해 씌워지는 커버(190)를 더 포함한다.
주축(150)의 타단에는 바람의 힘으로 회전하는 로터(rotor; 300)가 설치되는데, 허브(hub; 310)에 다수의 블레이드(blade; 350)가 설치되어 이루어진다.
그리고, 상기 주축(150) 사이에 한 쌍의 메인베어링(170)이 설치되고, 타워(200)와 너셀부(100) 사이에 요베어링(270)이 설치되고, 허브(310)와 블레이드(350) 사이에 피치베어링(370)이 설치된다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 메인베어링, 피치베어링 및 요베어링을 각각 나타낸 사시도, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링 장치를 나타낸 블록도, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 허용오차범위를 나타낸 그래프이다.
메인베어링(170)에는 도 3에 나타낸 바와 같이, 베어링 하우징(178)이 구비되며, 메인베어링(170)의 내륜(170a)은 주축(150)의 외주면에 체결되고, 외륜(170b)은 베어링 하우징(178) 내측에 체결된다. 그리고, 베어링 하우징(178)의 상단에 메인베어링(170)의 작동에 따른 진동을 감지하는 제1감지센서(175)가 설치된다.
요베어링(270)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 내륜(270a)은 너셀부(100)에 체결되고, 외륜(270b)은 타워(200)에 체결되며, 내륜(270a)에 요베어링(270)의 작동에 따른 진동을 감지하는 제2감지센서(275)가 설치된다.
여기서, 제2감지센서(275)는 너셀부(100)의 길이 방향으로 설치되는데, 즉, 바람이 부는 방향과 같은 방향으로 전방, 후방 또는 전후방에 각각 설치된다. 이는 너셀부(100)의 전후 이 지점에서 가장 큰 하중이 작용하여 요베어링(270) 손상에 의한 변화량이 가장 크게 나타나기 때문이다.
피치베어링(370)은 도 5에 나타낸 바와 같이, 내륜(370a)은 블레이드(350)에 체결되고, 외륜(370b)은 허브(310)에 체결되며, 외륜(370b)에 피치베어링(370)의 작동에 따른 진동을 감지하는 제3감지센서(375)가 설치된다.
여기서, 제3감지센서(375)는 허브(310)의 회전방향으로 설치되는데, 즉, 주축(150)의 회전 중심축에서 가장 멀리 떨어진 점으로 회전력이 전달되는 방향의 양끝 지점 근처에 어느 한쪽 또는 양쪽에 설치한다. 이는 바람에 의한 회전력을 지지하는 하중이 이 부분에서 가장 크게 작용하여 피치베어링(370)의 작동에 따른 진동이 가장 잘 측정되는 부위이기 때문이다.
아울러, 베어링 하우징(178), 요베어링(270) 및 피치베어링(370)에는 베어링의 회전속도를 측정하기 위한 회전속도계 또는 회전각도센서 등의 상대변위 센서가 더 설치되고, 주축(150)에는 벤딩모멘트(bending moment)와 토크(torque)를 측정하기 위한 스트레인게이지(strain gage) 등의 상대변위 센서가 더 설치된다.
그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 또는 상대변위 센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 출력하는 상태진단부(500)를 포함한다.
상태진단부(500)는 전달받은 센싱데이터를 증폭하는 증폭부(510), 증폭된 센싱데이터를 필터링 및 디지털신호로 변환시키는 전처리부(520), 정상상태 데이터가 저장된 저장부(540), 각종 정보를 화면상에 나타내는 디스플레이(555), 디스플레이(555)를 구동시키는 디스플레이 구동부(550), 각종 정보를 소리로 알려주는 스피커(미도시), 스피커를 구동시키는 스피커구동부(미도시), 증폭되어 전처리 과정을 거친 센싱데이터를 입력받아 저장부(540)에 저장된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 디스플레이(555) 및 스피커로 출력되도록 하는 제어부(530)를 포함한다.
센싱데이터를 증폭하고 전처리하는 과정은 본 분야에서 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 풍력발전기가 이루어지면, 정상상태 데이터를 설정한다.
정상상태 데이터는, 1개월 내지 24개월 동안 풍력발전기를 가동시켜 정상적으로 발전하면서 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 및 상대변위 센서 등에서 획득된 진동데이터, 벤딩 및 토크 데이터를 0.01초 내지 10초의 구간으로 나눈 후 각각의 구간에서의 측정데이터를 평균값으로 저장한 것이다.
여기서, 센서를 통하여 획득된 데이터는 증폭부(510)를 거치면서 충분한 정도의 크기로 신호가 증폭이 된 후 전처리부(520)에서 필터링 및 아날로그 신호인 센싱데이터를 디지털데이터로 변환하는 등의 전처리 과정을 거친다.
이어서, 전처리부(520)를 거친 센싱데이터는 저장부(540)에 저장되면서, 디스플레이(555)를 통하여 상태정보를 표시한다.
이렇게 정상상태 데이터가 저장되면 제어부(530)는 추후 풍력발전기가 가동되면서 획득되는 센싱데이터와 저장된 정상상태 데이터를 비교한다.
그래서, 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터를 기준으로 허용오차범위 이상이면 경보신호를 출력한다. 아울러, 허용오차범위는 정상상태 측정데이터의 최소 또는 최대의 3% 내지 5% 범위로 한다. 따라서, 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터의 최소 또는 최대의 3% 내지 5% 범위내에 이르면 경보신호가 출력된다.
여기서, 허용오차범위를 3% 내지 5% 범위로 하는 이유를 도 7을 참조하여 설명하면, 3% 미만으로 할 경우에는 고장진단 신뢰도가 떨어지고, 5% 초과로 하게 되면 고장진단 신뢰도는 향상되나 베어링의 파손으로 인하여 구동계 전반에 걸쳐 파손이 발생할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 허용오차범위를 1% 또는 2% 범위로 하여 고장진단이라고 판단된 베어링들의 상태를 점검한 결과 정작 실제로 손상이 발생한 베어링은 발견되지 않았다.
반면, 허용오차범위를 6% 또는 7% 범위로 하여 고장진단이라고 판단된 베어링의 상태를 점검결과 실제로 베어링에 손상이 있는 경우는 많았지만, 그와 더불어 베어링이 설치된 다른 부품에도 영향을 줄 정도로 파손이 진행된 베어링도 발견되었다.
따라서, 실제 손상은 발생하였으나 베어링이 설치되는 다른 부품에 영향을 주지 않을 정도의 손상이 발생할 베어링을 고장 진단하기 위해서는 허용오차범위를 정상상태 측정 데이터의 최소 또는 최대의 3% 내지 5% 범위로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 제어부(530)는 최종적으로 고장진단을 하기 전에 정밀측정을 하게 되는데, 이는 획득된 센싱데이터를 입력받은 후 정상상태 데이터와 비교하는 과정을 3회 내지 5회 반복한다. 그래서, 정밀측정 과정을 거치면서도 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터의 허용오차범위 이상이면 제어부(530)는 최종적으로 베어링 손상 등의 고장이 발생한 것으로 판단한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정상상태 데이터와 센싱데이터를 비교하는 과정을 나타낸 예시도이다.
예를 들어, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 정상상태의 데이터(실선) 및 가속도 센서를 통하여 획득되는 센싱데이터(점선)를 나타내는 경우 원래의 신호는 고주파 성분을 그대로 유지하기 때문에 고장 판단 기준을 구하기 어렵다.
그래서, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 힐버트 변환(Hilbert Transform)에 의한 포락(envelope)을 계산하여 노이즈가 같이 있는 신호에서 손상 신호가 구분이 잘되도록 베어링의 손상에 의한 진동 신호를 더욱 증폭한다.
최종적으로 도 8c에 나타낸 바와 같이, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)에 의한 주파수별 에너지 분포를 나타내는 파워스펙트럼(power spectrum)을 계산하여 일반 잡음을 제거하고 베어링 손상에 의한 진동 신호만 남게 한다.
이어서, 베어링의 내륜 또는 외륜의 손상이 발생하면 크게 될 것이 예상되는 주파수 부근의 최대에너지 값을 구해 정상상태의 에너지값과 손상 발생시의 에너지값의 차이를 비교 분석한다.
여기서, 내륜과 외륜의 손상 발생시 최대에너지 발생이 예상되는 주파수는 수학식 1 및 수학식 2로 구할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, fouter는 외륜 결함주파수(outer race fault frequency), finner는 내륜 결함주파수(inner race fault frequency), n은 결함 횟수(fault number), z는 볼 번호(ball number), d는 볼 지름(ball diameter), D는 볼 피치 지름(ball pitch diameter), α는 접촉 각(contact angle), fr은 회전 주파수(revolution frequency)이다.
그래서, 도 8c에 나타낸 바와 같이, 이상신호 발생 주파수는 47헤르쯔(Hz)로 표시되고, 이는 베어링의 외륜에서 손상이 발생했다는 것을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 모니터링 방법을 나타낸 플로우차트이다.
전술한 풍력발전기의 베어링 상태를 모니터링 하기 위해, 먼저 풍력발전기를 가동시켜 정상적으로 발전하면서 1개월 내지 24개월 동안 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 및 상대변위 센서 등에서 획득된 진동데이터, 벤딩 및 토크 데이터를 0.01초 내지 10초의 구간으로 나눈 후 각각의 구간에서의 측정데이터를 평균값으로 저장하여 정상상태 데이터로 설정한다.
이어서, 제1감지센서(175), 제2감지센서(275), 제3감지센서(375) 및 상대변위 센서 등에서 획득된 센싱데이터를 수신받은 후 센싱데이터를 증폭하고, 필터링 및 디지털 데이터로 변환시키는 등의 전처리 과정을 거친다(단계 S110).
이어서, 설정된 정상상태 데이터와 전처리 된 센싱데이터를 비교하고(단계 S120), 센싱데이터가 정상상태 데이터의 허용오차범위보다 크면 경보를 출력한다(단계 S130).
이어서, 최종적으로 고장진단을 하기 전에 정밀측정을 하는데, 이는 획득된 센싱데이터를 입력받은 후 정상상태 데이터와 비교하는 과정을 3회 내지 5회 반복하는 것이다(단계 S140).
이어서, 정밀측정 과정을 거치면서도 획득된 센싱데이터가 정상상태 데이터의 허용오차범위 이상이면 최종적으로 베어링 손상 등의 고장이 발생한 것으로 판단한다(단계 S160).
한편, 본 발명에 따른 단계 S110 내지 단계 S160에 따른 방법을 프로그램화하여 컴퓨터가 읽을 수 있도록 시디롬, 메모리, ROM, EEPROM 등의 기록매체에 저장시킬 수도 있다.
도 10은 본 발명 모니터링 장치에 구비되는 회전속도측정부를 개략적으로 도시한 것이며, 도 11은 도 10의 A부를 확대 도시한 사시도이며, 도 12는 도 10의 B부를 확대 도시한 사시도이며, 도 13은 도 12의 타겟과 제2 조정수단을 설명하기 위하여 도시한 개략적인 단면도이며, 도 14는 본 발명 모니터링 장치의 회전속도측정부에 구비되는 타겟을 도시한 사시도이다.
도 10에 도시한 바와 같이 주축(150)의 회전 속도를 측정할 수 있는 회전속도측정부(600)를 더 포함하며, 상기 회전속도측정부(600)는 상기 추축(150)의 외경면에 구비되는 가변설치수단(620)과, 상기 가변설치수단(620)의 외측으로 서로 간격 조정 가능하도록 구비되는 복수의 타겟(630)으로 이루어진다. 상기 회전속도측정부(600)는 상기 타겟(630)과 반응하여 주축의 회전을 감지하는 제4센서(610)를 구비한다. 상기 제4센서(610)는 회전하는 주축(150)에 구비된 타겟(630)과 반응하도록 고정부위 예를 들면 커버(190)에 구비될 수 있다. 상기 타겟(630)은 자성을 가진 물체로 형성할 수도 있고, 자성을 가진 물체에 반응하는 금속 등으로 형성하는 것이 가능하다.
상기 주축(150)은 동력을 전달하는 축으로서 큰 토크가 작용하므로 주축(150)에 직접 타겟(620)을 설치하기 위해서는 주축에 나사 등으로 설치할 수 있으나 이 경우 주축의 강성이 저하되며, 용접으로 설치하는 경우에도 주축의 강성 변화가 초래될 수 있으며, 접착제 등으로 설치하는 경우 탈락의 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에 따르는 장치에서 상기 가변설치수단(620)은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 틈새인 간격부(625)를 형성하며 구비되어 서로 마주하며 연결공(도시하지 않음)이 형성된 돌출부(623)와, 양측이 상기 돌출부(623)의 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 제1 조정수단(627)으로 이루어진다. 제1 조정수단(627)에는 제1 조정수단(627)의 회전을 용이하게 하기 위한 다각형의 회전수단(628)이 구비될 수 있다. 상기 제1 조정수단(627)을 회전시키면 돌출부(623)와 나사 체결되어 있으므로 돌출부(623) 사이의 간격을 조정하는 것이 가능하게 된다. 따라서 주축(150)의 지름에 따라서 상기 돌출부(623) 사이의 간격을 조정하여 가변설치수단(620)을 상기 주축(150)에 고정 설치하는 것이 가능하게 된다.
상기 가변설치수단(620)은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 연결공(도시하지 않음)이 형성되며, 양측이 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 제1 조정수단(627)로 형성하는 것도 가능하다.
상기 가변설치수단(620)의 반경 방향 외측에는 원주 방향을 따라 안내설치홈(621)이 형성되며, 상기 타겟(630)은 하부로 상기 안내설치홈(621)에 원주 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기(631)를 구비하며 원주방향 양측으로 조정홈(633)이 형성되며 상기 타겟(630) 사이에는 양측이 상기 조정홈(633)에 나사 체결되어 삽입되는 제2 조정수단(640)에 의하여 연결된다. 제2 조정수단(640)에는 제2 조정수단(640)의 회전을 용이하게 하기 위한 다각형의 회전수단(641)이 구비될 수 있다. 상기 제2 조정수단(640)을 회전시켜 이웃하는 타겟(630) 사이의 간격을 조정하는 것이 가능하다.
제4감지센서(610)는 상기 회전속도측정부(600)의 타겟(630)과 반응하여 주축의 회전속도를 측정하게 된다. 상기 가변설치수단(620)에 의하여 주축(150)의 강성을 손상시키지 않고 복수의 타겟(630)을 간격을 조정하여 설치하는 것이 가능하므로 회전속도를 보다 정밀하고 안정성 있게 측정하는 것이 가능하게 된다.
상기 안내설치홈(621)과 타겟(630)의 안내돌기(631)는 단면 형상을 'T'자형으로 형성하여 타겟(630)이 안내설치홈(621)으로부터 반경 방향으로 이탈되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서는 주축(150)의 회전속도를 측정하며, 발전기(110) 출력부에서 전류와 전압을 측정하여 전력을 연산하여, 상기 회전속도와 전력에 의하여 주축(150)에 작용하는 토크를 측정한다. 상기와 같은 측정에 의하여 별도의 토크측정 장치 없이 토크를 측정하는 것이 가능하게 된다.
이상의 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하여 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 너셀부 170: 메인베어링
175: 제1감지센서 200: 타워
270: 요베어링 275: 제2감지센서
310: 허브 350: 블레이드
370: 피치베어링 375: 제3감지센서
500: 상태진단부

Claims (10)

  1. 타워에 설치되어 회전운동을 전기에너지로 변환시키는 너셀부, 너셀부에 설치된 허브, 허브에 설치된 블레이드를 포함하며, 상기 너셀부에는 주축이 구비되고, 주축의 일측으로 발전기가 구비되며 타측으로 상기 허브가 구비되는 풍력발전기로서, 상기 주축을 지지하는 메인베어링에 설치되는 제1감지센서; 타워와 너셀부 사이에 설치된 요베어링에 설치되는 제2감지센서; 허브와 블레이드 사이에 설치된 피치베어링에 설치된 제3감지센서; 및 상기 제1, 제2 또는 제3감지센서로부터 전달되는 센싱데이터를 입력받아 미리 설정된 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 넘으면 경보신호를 출력하는 상태진단부를 포함한 풍력발전기 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메인베어링은 내륜은 주축에 외륜은 베어링 하우징에 체결되며, 상기 제1감지센서는 베어링 하우징에 설치되며; 상기 요베어링은 내륜은 너셀부에 외륜은 타워에 체결되며, 상기 제2감지센서는 너셀부의 길이 방향으로 내륜에 설치되며; 상기 피치베어링은 내륜은 블레이드에 외륜은 허브에 체결되며 상기 제3감지센서는 허브의 회전 방향으로 외륜에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1, 제2 및 제3감지센서는 가속도 센서인 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메인베어링, 요베어링 및 피치베어링에는 회전속도를 측정하는 상대변위 센서가 더 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상태진단부는 제1, 제2 및 제3감지센서를 통해 감지된 센싱데이터를 증폭하는 증폭부; 증폭된 센싱데이터를 필터링 및 디지털신호로 변환시키는 전처리부; 정상상태 데이터가 저장된 저장부; 및 센싱데이터가 입력되면 정상상태 데이터와 비교하여 허용오차범위를 벗어나면 경보신호를 출력시키는 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회전속도측정부를 더 포함하며, 상기 회전속도측정부는 상기 추축의 외경면에 구비되는 가변설치수단과, 상기 가변설치수단의 외측으로 서로 간격 조정 가능하도록 구비되는 복수의 타겟으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가변설치수단은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 틈새인 간격부를 형성하며 구비되어 서로 마주하며 연결공이 형성된 돌출부와, 양측이 상기 돌출부의 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 제1 조정수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 가변설치수단은 원호형이며 양단부에 원주 방향으로 형성된 연결공이 형성되며, 양측이 연결공에 나사 체결되어 삽입되는 제1 조정수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 가변설치수단의 반경 방향 외측에는 원주 방향을 따라 안내설치홈이 형성되며, 상기 타겟은 하부로 상기 안내설치홈에 원주 방향으로 슬라이딩 가능하게 삽입되는 안내돌기를 구비하며 원주방향 양측으로 조정홈이 형성되며 상기 타겟 사이에는 양측이 상기 조정홈에 나사 체결되어 삽입되는 제2 조정수단에 의하여 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전속도측정부의 타겟과 반응하여 주축의 회전속도를 측정하는 제4감지센서를 더 포함하여 주축의 회전속도를 측정하며, 발전기 출력부에서 전류와 전압을 측정하여 전력을 연산하여, 상기 회전속도와 전력에 의하여 주축에 작용하는 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 모니터링 장치.


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