一种风力发电机转子运行状态监测系统及方法与流程

1.本发明属于风力发电机检测领域，涉及一种风力发电机转子运行状态监测系统及方法。


背景技术：

2.对于直驱风力发电机，尤其外转子结构发电机，其运行状态的监测大部分是对定子支架和主轴承进行监测，很少对转子进行相关监测。然而由于风电机组单机容量越来越大，直驱电机的尺寸也相应增加。其转子部分刚度相对较低，存在产生共振的风险，且转子端盖板与转子为螺栓连接，也需要监测螺栓连接状态，保证电机可靠运行。
3.现场运行，很少对转子进行监测，一是因为转子为旋转部件，信号及电能传输需要经过滑环，可靠性较差，不易做长期监测；二是因为对于外转子电机，安装监测系统，系统一般暴漏在空气中，设备及传感器接口防护不佳，容易造成设备的损坏。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种风力发电机转子运行状态监测系统及方法，不需要滑环，能够对外转子电机长期有效的监测。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种风力发电机转子运行状态监测系统，包括无线充电发射模块、传感模块和信号处理模块；
7.无线充电发射器和信号处理模块放置于风力发电机的机舱顶部，无线充电发射器和信号处理模块上均设置防雨罩；
8.传感模块设置在风力发电机的发电机外转子上，传感模块包括外部均设置有密封壳体的无线充电接收单元、振动传感器单元和第一信号发送单元，无线充电接收单元输出端连接振动传感器单元和第一信号发送单元电源输入端，振动传感器单元输出端连接第一信号发送单元输入端，第一信号发送单元输出端采用无线传输的方式与信号处理模块输入端连接。
9.优选的，发电机外转子端部为转子端盖板，振动传感器单元数量为多个，分别布置在转子端盖板和发电机外转子周面上。
10.优选的，振动传感器单元内置有，电池和无线充电接收单元有线连接。
11.优选的，无线充电发射器和无线充电接收单元均设置有天线，天线伸出防雨罩和密封壳体，天线与防雨罩和密封壳体之间设置有密封胶。
12.优选的，信号处理模块包括依次连接的信号接收单元、信号存储单元、信号处理单元和第二信号发送单元。
13.进一步，第一信号发送单元和第二信号发送单元均采用无线信号发送装置，信号接收单元采用无线信号接收装置。
14.进一步，信号处理单元用于对电信号进行滤波、放大和a/d转换，将电信号转换为
数字振动信号，并对数字振动信号处理，得到结果信息和/或预警信息。
15.一种基于所述系统的风力发电机转子运行状态监测方法，无线充电发射器将机舱内电能转化为电磁波向外发送，无线充电接收单元接收空气中的电磁波，转化为电能，并将转化后的电能输送至振动传感器单元和第一信号发送单元中，振动传感器单元采集发电机外转子上的振动信号，并将振动信号通过第一信号发送单元无线发送至信号处理模块，信号处理模块对振动信号进行处理。
16.优选的，振动传感器单元每三十分钟采集其中十分钟数据，其余时间为待机状态。
17.优选的，若发电机外转子的转速低于并网转速，则振动传感器单元处于待机状态，若发电机外转子的转速高于并网转速，则振动传感器单元开始采集数据。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明通过无线充电发射器和无线充电接收单元进行电能传输，使传感模块直接设置在发电机外转子上，无线充电接收单元、振动传感器单元和第一信号发送单元均设置在发电机外转子上，随发电机外转子同步转动，连接线相对保持固定，因此不需要设置滑环，避免了避免线缆过滑环的问题，具有更高的可靠性。而无线充电及防雨罩和密封壳体的设置，使得系统能够保证长期有效的运行。
20.进一步，振动传感器单元间断性采集数据，其余时间为待机状态，从而节省电能。
21.进一步，根据发电机外转子的转速是否低于并网转速，判断是否进行数据采集，能够节省电能。
附图说明
22.图1为本发明的风力发电机转子运行状态监测系统示意图；
23.图2为本发明的风力发电机转子运行状态监测系统布置示意图；
24.图3为本发明的振动传感器单元在转子端盖板上布置示意图。
25.其中：1-无线充电发射模块；2-传感模块；3-信号处理模块；4-发电机外转子；21-无线充电接收单元；22-振动传感器单元；23-第一信号发送单元；31-信号接收单元；32-信号存储单元；33-信号处理单元；34-第二信号发送单元；41-转子端盖板；42-螺栓。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
28.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
29.如图1所示，为本发明所述的风力发电机转子运行状态监测系统，包括无线充电发
射模块1、传感模块2和信号处理模块3。
30.发电机外转子4为需要测试的部件，发电机外转子4端部为转子端盖板41，转子端盖板41采用螺栓42和发电机外转子4连接。
31.传感模块2包括无线充电接收单元21、振动传感器单元22和第一信号发送单元23。无线充电接收单元21输出端连接振动传感器单元22和第一信号发送单元23电源输入端，振动传感器单元22输出端连接第一信号发送单元23输入端。
32.信号处理模块3包括依次连接的信号接收单元31、信号存储单元32、信号处理单元33和第二信号发送单元34。
33.第一信号发送单元23和第二信号发送单元34均采用无线信号发送装置，信号接收单元31采用无线信号接收装置。
34.无线充电发射模块1：机舱内电能接入无线充电发射模块1，无线充电发射模块1将机舱内电能转化为电磁波向外发送。
35.传感模块2：用于监测振动信号。
36.无线充电接收单元21：用于接收空气中的电磁波，并转化为电能。
37.振动传感器单元22：采用振动传感器，将机械振动转化为电信号。
38.第一信号发送单元23：用于将电信号以电磁波形式发送出去。
39.信号处理模块3：用于接收振动信号并进行处理存储。
40.信号接收单元31：用于接收第一信号发送单元23发送的电磁波并转换为电信号。
41.信号存储单元32：用于将数据存储于内存卡中。
42.信号处理单元33：用于对电信号进行滤波、放大、a/d转换等处理，将电信号转换为数字振动信号。并根据算法进行相应处理，得到结果信息和/或预警信息，将原始数据和处理后结果信息、预警信息等传递到第二信号发送单元34。
43.第二信号发送单元34：用于将处理后结果信息或预警信息外发至后台或工程师。
44.如图2所示，无线充电发射器1和信号处理模块3放置于风力发电机的机舱顶上，无线充电发射器1和信号处理模块3的用电可采用机舱内的电源。为保障无线信号传输质量，可设置一定高度工装支架，地角和机舱螺栓固定连接，顶部放置无线充电发射器1和信号处理模块3。无线充电发射器1和信号处理模块3上均设置防雨罩，起到保护设备的作用，无线充电发射器1含有天线，天线伸出防雨罩，并且天线与防雨罩之间设置有密封胶。
45.传感模块2各部件外壳要求具有防雨密封性，传感模块2底部具有一定面积底座，底座具有螺纹孔，可与强磁磁块连接，便于快速安装于发电机外转子4上，同时考虑胶粘，保障安装的可靠性。传感模块2采集到的振动信号通过无线方式向外发送。
46.无线充电接收单元21、振动传感器单元22和第一信号发送单元23均设置在发电机外转子4上，随发电机外转子4同步转动，并且三者外部均设置有密封壳体，无线充电接收单元21和第一信号发送单元23设置在底座上，无线充电接收单元21含有天线，天线伸出密封壳体，并且天线与密封壳体之间设置有密封胶。
47.振动传感器单元22内置一定容量电池，电池对振动传感器单元22供电，同时电池和无线充电接收单元21有线连接，可实时对电池进行充电。
48.如图3所示，振动传感器单元22数量为多个，分别布置在转子端盖板41和发电机外转子4周面上，本实施例优选的转子端盖板41和发电机外转子4周面上分别均布有四个振动
传感器单元22。振动传感器单元22的电池与无线充电接收单元21有线连接，无线充电接收单元21和振动传感器单元22都同步跟随发电机外转子4转动，连接线相对保持固定，因此不需要设置滑环，避免了避免线缆过滑环的问题，具有更高的可靠性。
49.上述系统的工作过程为：机舱内的电源给无线充电发射器1和信号处理模块3供电，无线充电发射器1将机舱内电能转化为电磁波向外发送，无线充电接收单元21接收空气中的电磁波，转化为电能，并将转化后的电能输送至振动传感器单元22的电池和第一信号发送单元23中，振动传感器单元22采集发电机外转子4上的振动信号，并将振动信号通过第一信号发送单元23发送至信号接收单元31，信号处理单元33对电信号进行滤波、放大、a/d转换等处理，将电信号转换为数字振动信号。并根据算法进行相应处理，得到结果信息和/或预警信息，将原始数据和处理后结果信息、预警信息等传递到第二信号发送单元34，第二信号发送单元34将处理后结果信息或预警信息外发至后台或工程师。
50.按目前市面上振动传感器单元22的性能，其功耗较小。目前无线充电的功率完全可以满足要求。但是考虑到发电机外转子4在旋转过程中，当无线充电接收单元21旋转至最下端时，可能电机和机舱会挡住无线传递路径，导致传递中断。因此设置振动传感器单元22的采集策略，可每30分钟采集其中10分钟数据，其余时间待机状态，节省电能。另外根据转速信息，若发电机外转子4的转速低于并网转速，则振动传感器单元22处于待机状态，高于并网转速，开始采集数据。
51.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
52.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

技术特征：
1.一种风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，包括无线充电发射模块(1)、传感模块(2)和信号处理模块(3)；无线充电发射器(1)和信号处理模块(3)放置于风力发电机的机舱顶部，无线充电发射器(1)和信号处理模块(3)上均设置防雨罩；传感模块(2)设置在风力发电机的发电机外转子(4)上，传感模块(2)包括外部均设置有密封壳体的无线充电接收单元(21)、振动传感器单元(22)和第一信号发送单元(23)，无线充电接收单元(21)输出端连接振动传感器单元(22)和第一信号发送单元(23)电源输入端，振动传感器单元(22)输出端连接第一信号发送单元(23)输入端，第一信号发送单元(23)输出端采用无线传输的方式与信号处理模块(3)输入端连接。2.根据权利要求1所述的风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，发电机外转子(4)端部为转子端盖板(41)，振动传感器单元(22)数量为多个，分别布置在转子端盖板(41)和发电机外转子(4)周面上。3.根据权利要求1所述的风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，振动传感器单元(22)内置有，电池和无线充电接收单元(21)有线连接。4.根据权利要求1所述的风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，无线充电发射器(1)和无线充电接收单元(21)均设置有天线，天线伸出防雨罩和密封壳体，天线与防雨罩和密封壳体之间设置有密封胶。5.根据权利要求1所述的风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，信号处理模块(3)包括依次连接的信号接收单元(31)、信号存储单元(32)、信号处理单元(33)和第二信号发送单元(34)。6.根据权利要求5所述的风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，第一信号发送单元(23)和第二信号发送单元(34)均采用无线信号发送装置，信号接收单元(31)采用无线信号接收装置。7.根据权利要求5所述的风力发电机转子运行状态监测系统，其特征在于，信号处理单元(33)用于对电信号进行滤波、放大和a/d转换，将电信号转换为数字振动信号，并对数字振动信号处理，得到结果信息和/或预警信息。8.一种基于权利要求1-7任意一项所述系统的风力发电机转子运行状态监测方法，其特征在于，无线充电发射器(1)将机舱内电能转化为电磁波向外发送，无线充电接收单元(21)接收空气中的电磁波，转化为电能，并将转化后的电能输送至振动传感器单元(22)和第一信号发送单元(23)中，振动传感器单元(22)采集发电机外转子(4)上的振动信号，并将振动信号通过第一信号发送单元(23)无线发送至信号处理模块(3)，信号处理模块(3)对振动信号进行处理。9.根据权利要求8所述的风力发电机转子运行状态监测方法，其特征在于，振动传感器单元(22)每三十分钟采集其中十分钟数据，其余时间为待机状态。10.根据权利要求8所述的风力发电机转子运行状态监测方法，其特征在于，若发电机外转子(4)的转速低于并网转速，则振动传感器单元(22)处于待机状态，若发电机外转子(4)的转速高于并网转速，则振动传感器单元(22)开始采集数据。

技术总结
本发明公开了一种风力发电机转子运行状态监测系统及方法，包括无线充电发射模块、传感模块和信号处理模块；无线充电发射器和信号处理模块放置于风力发电机的机舱顶部，无线充电发射器和信号处理模块上均设置防雨罩；传感模块设置在风力发电机的发电机外转子上，传感模块包括外部均设置有密封壳体的无线充电接收单元、振动传感器单元和第一信号发送单元，无线充电接收单元输出端连接振动传感器单元和第一信号发送单元电源输入端，振动传感器单元输出端连接第一信号发送单元输入端，第一信号发送单元输出端采用无线传输的方式与信号处理模块输入端连接。不需要滑环，能够对外转子电机长期有效的监测。子电机长期有效的监测。子电机长期有效的监测。


技术研发人员：马斌 张鑫赟 张庆 沙德生 叶林 程施霖 盖英德 李晓东 徐美娇 赵岩 侯文华 王志勇 朱金彪
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/9