UA150044U

UA150044U - VITRODIAGNOSTIC SYSTEM OF WIND GENERATOR UNITS

Info

Publication number: UA150044U
Application number: UAA201805352U
Authority: UA
Inventors: Артур Олександрович Запорожець; Віталій Павлович Бабак; Валерій Миколайович Зварич
Original assignee: Інститут Технічної Теплофізики Нан України
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2021-12-29

Abstract

Система вібродіагностування вузлів вітрогенератора містить сенсори вібрації (акселерометри), попередні підсилювачі, блок обробки та фільтрації вібраційних сигналів, аналого-цифровий перетворювач, комп'ютер. Крім цього, додатково оснащена тахометром, розміщеним на валу вітрогенератора та з'єднаним з блоком обробки та фільтрації вібраційних сигналів і персональним комп'ютером засобами радіохвильового зв'язку, що формує коригуючий інформаційний сигнал для блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів в залежності від діапазону швидкості обертання вала вітрогенератора. При цьому використовуються 7 діапазонів швидкостей обертання вала вітрогенератора.The system of vibration diagnostics of wind generator units includes vibration sensors (accelerometers), preamplifiers, vibration signal processing and filtering unit, analog-to-digital converter, computer. In addition, it is additionally equipped with a tachometer mounted on the wind turbine shaft and connected to the vibration signal processing and filtering unit and a personal computer by radio communication means, which generates a corrective information signal for the vibration signal processing and filtering unit depending on the speed range. rotation of the wind turbine shaft. At the same time 7 ranges of speeds of rotation of a shaft of the wind generator are used.

Description

Корисна модель належать до галузі вітроенергетики та може бути використана при діагностуванні складових вузлів вітрогенератора.The useful model belongs to the field of wind energy and can be used in diagnosing the components of the wind generator.

Відома система контролю роботи вітрогенератора, що складається з сенсора швидкості обертання лопаті, сенсора вихідної потужності та блока зовнішньої пам'яті, що підключені до мікроконтролера |Патент України Ме121396, МПК РОЗ3017/00, заявл. 10.04.2017. опубл. 11.12.2017). Інформація з вищенаведених сенсорів надходить до мікроконтролера, що, в свою чергу, записує її в блок зовнішньої пам'яті для подальшого аналізу оператором.A known wind generator operation control system consisting of a blade speed sensor, an output power sensor and an external memory block connected to a microcontroller | Patent of Ukraine Me121396, IPC ROZ3017/00, application 10.04.2017. published 11.12.2017). Information from the above sensors is sent to the microcontroller, which, in turn, records it in the external memory block for further analysis by the operator.

Недоліком такої системи є низький технологічний рівень, низька надійність та оперативність, відсутність засобів попередження аварійних ситуацій.The disadvantage of such a system is a low technological level, low reliability and efficiency, lack of means of preventing emergency situations.

Відома, вибрана нами за найближчий аналог, система моніторингу стану однієї чи декількох вітряних турбін та їх складових з можливістю сигналізації при аварійних ситуаціях. Система проводить збір та аналіз таких параметрів, як потужність генератора, напрям гондоли, обертальний момент та інші механічні характеристики роботи, з можливістю фіксації 2 режимів функціонування вітрогенератора (нормальний та ненормальний) (|Міжнародний патентWe have chosen as the closest analogue a well-known system for monitoring the condition of one or more wind turbines and their components with the possibility of signaling in emergency situations. The system collects and analyzes such parameters as the power of the generator, the direction of the nacelle, the torque and other mechanical characteristics of the operation, with the possibility of fixing 2 modes of operation of the wind generator (normal and abnormal) (|International patent

МеуУуО/2017/158479, МПК гОо307/02 (2006.01), 501Р5/26 (2006.01), ЕО03017/00 (2016.01), заявл. 09.03.2017, опубл. 21.09.2017.MeuUuO/2017/158479, IPC gOo307/02 (2006.01), 501Р5/26 (2006.01), EO03017/00 (2016.01), statement 03/09/2017, publ. 21.09.2017.

Така система забезпечує високу інформативність про параметри функціонування вітрогенератора, можливість попередження неефективної роботи генератора та високий технологічний рівень, в той же час значно збільшує термін окупності вітроагрегата. При цьому система не здатна встановити появу та поширення внутрішніх дефектів вузлів вітрогенератора, що може призвести до серйозних технічних несправностей та відключення вітрогенератора від загальної системи електропостачання на довгий термін.Such a system provides high information about the functioning parameters of the wind generator, the possibility of preventing inefficient operation of the generator and a high technological level, at the same time it significantly increases the payback period of the wind unit. At the same time, the system is not able to establish the appearance and spread of internal defects of the wind generator nodes, which can lead to serious technical malfunctions and disconnection of the wind generator from the general power supply system for a long time.

В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення системи вібродіагностування вузлів вітрогенератора шляхом оснащення системи тахометром для налаштування параметрів блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів, що контролює частоту обертання лопатей та забезпечує підвищення точності локалізації дефектів.The basis of the useful model is the task of improving the system of vibration diagnostics of wind generator nodes by equipping the system with a tachometer for setting the parameters of the processing unit and filtering vibration signals, which controls the frequency of rotation of the blades and ensures an increase in the accuracy of localization of defects.

Поставлена задача вирішується отим, що система вібродіагностування вузлів вітрогенератора, що містить сенсори вібрації (акселерометри), попередні підсилювачі, блок обробки та фільтрації вібраційних сигналів, аналого-дифровий перетворювач, комп'ютер, згідно з корисною моделлю, додатково оснащена тахометром, розміщеним на валу вітрогенератора та з'єднаним з блоком обробки та фільтрації вібраційних сигналів і персональним комп'ютером засобами радіохвильового зв'язку, що формує коригуючий інформаційний сигнал для блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів в залежності від діапазону швидкості обертання вала вітрогенератора, при цьому використовуються 7 діапазонів швидкостей обертання вала вітрогенератора.The task is solved by the fact that the system of vibration diagnostics of wind generator nodes, which contains vibration sensors (accelerometers), pre-amplifiers, a unit for processing and filtering vibration signals, an analog-to-digital converter, a computer, according to a useful model, is additionally equipped with a tachometer placed on the shaft of the wind generator and connected to the unit for processing and filtering vibration signals and a personal computer by means of radio wave communication, which forms a corrective information signal for the unit for processing and filtering vibration signals depending on the range of rotation speed of the wind generator shaft, while 7 speed ranges are used rotation of the wind generator shaft.

Тахометр в межах системи вібродіагностування вузлів вітрогенератора забезпечує ряд переваг перед іншими системами контролю та діагностування стану електроенергетичного обладнання: визначає та обмежує швидкість обертання лопатей вітрогенератора, підвищує надійність та інформативність системи діагностування в цілому.The tachometer within the system of vibration diagnostics of wind generator nodes provides a number of advantages over other systems for monitoring and diagnosing the state of electric power equipment: it determines and limits the speed of rotation of the blades of the wind generator, increases the reliability and informativeness of the diagnostic system as a whole.

Система вібродіагностування вузлів вітрогенератора зображена на схемі, де 112,..м-ї,Мм - сенсори вібрації, 2 - тахометр, З - попередній підсилювач, 4 - блок обробки та фільтрації вібраційних сигналів, 5 - аналого-дифровий перетворювач, 6 - персональний комп'ютер.The system of vibration diagnostics of wind generator nodes is shown in the diagram, where 112,...m-th, Mm are vibration sensors, 2 is a tachometer, C is a pre-amplifier, 4 is a unit for processing and filtering vibration signals, 5 is an analog-to-digital converter, 6 is a personal computer.

Запропонована система діагностування вузлів вітрогенератора працює наступним чином.The proposed system for diagnosing wind generator nodes works as follows.

Попередньо сенсори вібрації встановлюються на тих вузлах вітрогенератора, що будуть діагностуватися, а тахометр вводиться до роторного оснащення. Вібраційні сигнали з акселерометрів надходять через попередній підсилювач до блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів. Паралельно з цим, коригуючий сигнал з тахометра також надходить до блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів. Особливістю цього коригуючого сигналу є те, що система передбачає використання 7 діапазонів швидкостей обертання вала вітрогенератора. Для кожного діапазону існує свій діапазон частот налаштування блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів та відповідні характеристики ядра лінійного випадкового процесу. Переключення діапазонів частот блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів проводиться за сигналом тахометра. Таким чином, налаштування блока обробки та фільтрації вібраційних сигналів залежить як від вібраційних характеристик вітрогенератора (дані з акселерометрів), так і від швидкості вітру (дані з тахометра).In advance, vibration sensors are installed on those nodes of the wind generator that will be diagnosed, and the tachometer is introduced to the rotary equipment. Vibration signals from accelerometers are sent through the pre-amplifier to the vibration signal processing and filtering unit. In parallel with this, the correction signal from the tachometer is also sent to the vibration signal processing and filtering unit. The peculiarity of this corrective signal is that the system provides for the use of 7 ranges of rotation speeds of the wind generator shaft. For each range, there is a frequency range for setting the unit for processing and filtering vibration signals and corresponding characteristics of the kernel of a linear random process. Switching frequency ranges of the unit for processing and filtering vibration signals is carried out according to the tachometer signal. Thus, the setting of the vibration signal processing and filtering unit depends both on the vibration characteristics of the wind generator (data from accelerometers) and on the wind speed (data from the tachometer).

В своєму складі блок обробки та фільтрації вібраційних сигналів має фільтри низьких частот, фільтри високих частот, режекторні фільтри. Профільтрований аналоговий вібраційний сигнал надходить на вхід аналого-дифрового перетворювача (АЦП), а з нього - в оперативну пам'ять персонального комп'ютера.In its composition, the unit for processing and filtering vibration signals has low-pass filters, high-pass filters, and rejection filters. The filtered analog vibration signal enters the input of the analog-to-digital converter (ADC), and from it - into the RAM of a personal computer.

Персональний комп'ютер оснащений спеціальним програмним забезпеченням, архітектура якого побудована з використанням теорії лінійних випадкових процесів, та включає в себе наступні модулі: 1. Модуль оцінки стаціонарності вібраційних сигналів - дозволяє оцінити стаціонарність вібраційних сигналів як в вузькому (в рамках оцінки функції розподілу), так і в широкому (в рамках оцінок математичного сподівання та дисперсії) сенсі. 2. Модуль оцінки діагностичних параметрів - дає можливість оцінити діагностичні параметри технічного стану вітрогенератора. Якщо сигнал стаціонарний та гаусів (що визначається з використанням оцінок асиметрії та ексцесу вібраційних сигналів, що аналізуються), то проводиться аналіз тільки ядра в моделі лінійного випадкового процесу. Ядро лінійного випадкового процесу оцінюється з використанням авторегресійного аналізу вібраційних сигналів.The personal computer is equipped with special software, the architecture of which is built using the theory of linear random processes, and includes the following modules: 1. The module for evaluating the stationarity of vibration signals - allows you to evaluate the stationarity of vibration signals both in a narrow (as part of the evaluation of the distribution function), as well as in a broad (within estimates of mathematical expectation and variance) sense. 2. Diagnostic parameters assessment module - provides an opportunity to assess the diagnostic parameters of the technical condition of the wind generator. If the signal is stationary and Gaussian (which is determined using the asymmetry and kurtosis estimates of the analyzed vibration signals), then only the kernel is analyzed in the linear random process model. The kernel of a linear random process is estimated using autoregressive analysis of vibration signals.

Якщо вібраційні сигнали стаціонарні, але їх розподіл не можна віднести до гаусового розподілу, крім оцінки ядра лінійних випадкових процесів, проводиться оцінювання статистичних характеристик вищих моментів (наприклад, кумулянтів). Це дозволяє виявити несправності на ранніх стадіях їх появи.If the vibration signals are stationary, but their distribution cannot be attributed to the Gaussian distribution, in addition to the estimation of the kernel of linear random processes, the statistical characteristics of higher moments (for example, cumulants) are evaluated. This makes it possible to detect malfunctions in the early stages of their appearance.

В загальному, система працює в двох режимах: "навчання" та "діагностика".In general, the system works in two modes: "training" and "diagnostics".

В режимі "навчання" відбувається оцінка стаціонарності вібраційних сигналів, оцінка діагностичних ознак, формування навчальних сукупностей на основі діагностичних ознак, вибір та побудова розв'язувальних правил. В залежності від вибраного розв'язувального правила відбувається вибір та побудова методу прогнозування діагностичних ознак.In the "learning" mode, there is an assessment of the stationarity of vibration signals, an assessment of diagnostic signs, formation of training sets based on diagnostic signs, selection and construction of solving rules. Depending on the chosen solving rule, the method of predicting diagnostic signs is selected and built.

Якщо дослідження показали, що вібраційні сигнали не можна вважати стаціонарними випадковими процесами, то, використавши апріорну інформацію про періодичну структуру вібраційних сигналів обертових вузлів вітрогенератора та тахометр при виборі частоти квантування АЦП, створюються ф-серії вібраційних сигналів вітрогенератора і проводиться оцінка стаціонарності, оцінка діагностичних ознак, формування навчальних сукупностей та побудова розв'язувальних правил для ф-серій.If research has shown that vibration signals cannot be considered stationary random processes, then, using a priori information about the periodic structure of vibration signals of rotating nodes of the wind generator and a tachometer when choosing the quantization frequency of the ADC, f-series of vibration signals of the wind generator are created and an assessment of stationarity, assessment of diagnostic signs is carried out , formation of training sets and construction of solving rules for f-series.

В режимі "діагностика" відбувається відбір стаціонарних вібраційних сигналів, оцінка для них діагностичних ознак та прийняття рішень про технічний стан вузлів вітрогенератора, щоIn the "diagnosis" mode, stationary vibration signals are selected, diagnostic signs are evaluated for them, and decisions are made about the technical condition of the wind generator nodes, which

Зо діагностується. Прогнозування поведінки діагностичних параметрів дає можливість оцінити час безвідмовної роботи вітрогенератора.It is diagnosed. Predicting the behavior of diagnostic parameters makes it possible to estimate the time of trouble-free operation of the wind generator.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

The system of vibration diagnostics of wind generator nodes, which contains vibration sensors (accelerometers), pre-amplifiers, a unit for processing and filtering vibration signals, an analog-to-digital converter, a computer, which is distinguished by the fact that it is additionally equipped with a tachometer placed on the shaft of the wind generator and connected to by a unit for processing and filtering vibration signals and a personal computer by means of radio wave communication, which forms a corrective information signal for the unit for processing and filtering vibration signals depending on the range of rotation speed of the wind generator shaft, while 7 ranges of rotation speeds of the wind generator shaft are used.