风力发电机组的叶轮检测系统和方法与流程

本公开涉及测量技术领域，具体的，涉及一种用于风力发电机组的叶轮检测系统和方法。

背景技术

风力发电机组的叶轮转速是风力发电机组的重要控制数据。通过接近开关测量转速是直接、可靠的方法，同时通过接近开关测量的转速是GL安全标准规定的必需的叶轮转速。现有测量方法一般通过转速测量模块来实现。如图1所示，转速测量模块将两个接近开关测量的脉冲信号转换为模拟量信号(例如，0-10V电信号)发送到风机的控制系统。两个接近开关独立测量，当其中一个接近开关的转速不正常时机组故障停机，由此构成标准的双通道保护方案。

风力发电机组的叶轮方位角是针对叶轮的三个叶片位置的测量数据，其数值范围是0°至360°。如图2所示，对于三叶片风力发电机组，将1号叶片垂直朝下时的叶轮方位角定义为0度，按顺时针方向旋转，3号叶片垂直朝下时的方位角为120°，并且2号叶片垂直朝下时的方位角为240°。测量叶轮方位角的现有方案主要是采用旋转编码器进行测量。

然而，现有方案的转速测量包括转速测量模块和控制系统模拟量输入模块，叶轮方位角测量方案需要用到编码器和编码器数据解析模块，系统相对复杂且成本较高。

技术实现要素：

本公开的实施例提出在风力发电机组转子的感应码盘上增加零位接近开关触发点，用普通数字量输入PLC模块来监测接近开关的脉冲，通过PLC模块中的程序计算风力发电机组的叶轮转速、叶轮方位角，并且检测感应码盘与接近开关之间的距离。

根据本公开的实施例，提供一种风力发电机组的叶轮检测系统，所述风力发电机组包括定子和转子，所述检测系统包括：感应码盘，安装在转子外圆周，在感应码盘的第一圆周上设置有多个第一开孔；第一接近开关，安装在从定子一端的中心延伸至转子外圆周的支架上，且固定在与第一圆周对应的位置，所述第一接近开关通过与所述感应码盘的多个第一开孔之间的耦合而产生第一脉冲信号；控制器，基于第一脉冲信号计算所述叶轮转速，并且基于与对第一脉冲信号的计数对应的叶轮方位角以及对所述叶轮转速与从紧接在当前时刻之前的脉冲信号触发时刻至当前时刻之间的时间的积分来确定叶轮的当前方位角。

在所述叶轮检测系统中，所述控制器还用于校准叶轮零度方位角的动态误差，所述动态误差为调整感应码盘局部位置的法向角度导致。

在所述叶轮检测系统中，感应码盘的直径为0.5米至3米范围，第一接近开关和第二接近开关的感应端与感应码盘之间的间隙设置为1至5毫米范围。

在所述叶轮检测系统中，控制器通过3个或更多个第一脉冲信号的上升沿之间的时间间隔确定所述叶轮转速。

在所述叶轮检测系统中，所述第一接近开关包括分别设置在定子侧的与第一圆周对应的不同位置处的多个所述第一接近开关，并且控制器通过比较至少两个所述第一接近开关的检测值之间的差来执行对第一接近开关的校验。

在所述叶轮检测系统中，在所述感应码盘的第二圆周上设置有第二开孔，并且在定子侧的与第二圆周对应的位置设置有第二接近开关，其中，所述第一圆周和所述第二圆周的半径不同，所述第二接近开关通过与感应码盘的第二开孔之间的耦合来提供第二脉冲信号，并且控制器通过所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号来校正感应码盘的初始位置。

在所述叶轮检测系统中，控制器通过所述第一接近开关的输出信号的占空比来调整接近开关感应端与感应码盘之间的间隙。

在所述叶轮检测系统中，控制器通过所述第一接近开关的输出信号的占空比来检测所述感应码盘局部位置的法向角度。

根据本公开的实施例，提供一种风力发电机组的叶轮检测方法，其中，所述风力发电机组包括定子和转子，在转子外圆周安装有感应码盘，在感应码盘的第一圆周上设置有多个第一开孔，在从定子一端的中心延伸至转子外圆周的支架上安装有第一接近开关，第一接近开关固定在与第一圆周对应的位置，所述方法包括：通过所述第一接近开关与所述感应码盘的多个第一开孔之间的耦合产生第一脉冲信号来计算所述叶轮转速；并且基于与对第一脉冲信号的计数对应的叶轮方位角以及对所述叶轮转速与从紧接在当前时刻之前的脉冲信号触发时刻至当前时刻之间的时间的积分来确定叶轮的当前方位角。

还包括校准叶轮零度方位角的动态误差，所述动态误差为调整感应码盘局部位置的法向角度导致。

通过3个或更多个第一脉冲信号的上升沿之间的时间间隔确定所述叶轮转速。

所述第一接近开关包括分别设置在定子侧的与第一圆周对应的不同位置处的多个所述第一接近开关，通过比较至少两个所述第一接近开关的检测值之间的差来执行对第一接近开关的校验。

在所述感应码盘的第二圆周上设置有第二开孔，并且在定子侧的与第二圆周对应的位置设置有第二接近开关，其中，所述第一圆周和所述第二圆周的半径不同，通过所述第二接近开关与感应码盘的第二开孔之间的耦合来提供第二脉冲信号，并且通过所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号来校正感应码盘的初始位置。

通过所述第一接近开关的输出信号的占空比来调整接近开关感应端与感应码盘之间的间隙。

通过所述第一接近开关的输出信号的占空比来检测所述感应码盘的局部位置的法向角度。

附图说明

图1是根据现有技术的风力发电机组的叶轮转速测量模块的示意图；

图2是叶轮方位角的示意图；

图3是根据本公开的实施例的风力发电机组的叶轮检测系统的示意图；

图4是根据本公开的实施例的叶轮检测系统的感应码盘的示意图；

图5是根据本公开的实施例的叶轮检测系统的接近开关位置的示意图；

图6是根据本公开的实施例的接近开关的安装位置示意图；

图7是根据本公开的实施例的叶轮检测系统的PLC输入/输出的示意图；

图8是根据本公开的实施例的叶轮转速脉冲信号的示意图；

图9是根据本公开的实施例的叶轮转速脉冲信号的示意图；

图10是根据本公开的实施例的脉冲信号占空比的示意图。

附图标号说明：10，第一接近开关；12，第一开孔；20，第二接近开关；22，第二开孔；30，感应码盘；40，接近开关支架。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于在此所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

叶轮检测系统

图3是根据本公开的实施例的风力发电机组的叶轮检测系统的示意图，图4是根据本公开的实施例的叶轮检测系统的感应码盘的示意图，并且图5和图6是根据本公开的实施例的叶轮检测系统的接近开关位置的示意图。

参照图3，在本公开的实施例中，风力发电机组的叶轮检测系统包括感应码盘30、多个接近开关以及控制器，感应码盘30可具有能够被接近开关检测的开孔，控制器基于感应码盘30与第一接近开关10之间的耦合产生的脉冲信号能够计算出叶轮的转速。叶轮检测系统还可包括用于定位叶轮初始位置方位角的第二接近开关20。控制器可采用数字模块来监测接近开关输出的脉冲，所述数字模块可以是可编程逻辑控制器(PLC)。通过脉冲触发时间、脉冲之间的时间间隔、脉冲宽度进一步计算出叶轮的转速、方位角(即叶轮当前位置的方位角)等信息。

参照图4，感应码盘30可以是金属材料。感应码盘30上具有两种类型的码盘开孔：第一开孔12可以是设置在第一圆周上的多个开孔(或凹槽)，用于与第一接近开关10配合完成测量操作；第二开孔22可以是设置在第二圆周上的开孔(或凹槽)，用于与第二接近开关20(零位接近开关)共同完成测量操作。第二开孔22可具有除直接在第二圆周上的孔以外的多种实现方式，例如，还可在感应码盘30外圆周的径向方向上的外侧的第二圆周上增加齿(齿间的空隙部分可等效为开孔)，可选地，在另一实施例中还可实现为在感应码盘30的第二圆周上的轴向凸起(凸起以外的部分可等效为开孔，其脉冲信号将被反向)。开孔的形式不限于圆孔或方孔等形式。在实施例中，第一开孔12在感应码盘30的最外圈上每隔6°均匀布置，因此在第一圆周上共有60个孔用于使第一接近开关10产生脉冲。

参照图5和图6，在发电机定子一端设置有支架40，支架40从定子一端的中心延伸至转子外圆周，支架40的延伸方向与感应码盘30所在的平面平行。支架40上安装第一接近开关10和第二接近开关20。其中，第一接近开关10的探测方向与感应码盘30的法向平行，第一接近开关10的感应端与感应码盘30之间的间隙设置为1至5毫米范围。其中，感应码盘30固定在转子的外圆周上，感应码盘30的直径为0.5米至3米范围。第二接近开关20的安装方式类似，不再赘述。

第一接近开关10安装在从定子一端的中心延伸至转子外圆周的支架40上，且固定在与第一开孔12所在的第一圆周相对应的位置。根据本公开的实施例，第一接近开关10可具有两个，并且它们之间的相对位置关系可任意限定，可在第一圆周上间隔开预定角度。第一接近开关10的数量不限于两个，例如，可以是三个或更多个，并且它们之间互相独立地工作。

第二接近开关20安装在从定子一端的中心延伸至转子外圆周的支架40上，且固定在与第二开孔22所在的第二圆周相对应的位置。第二接近开关20由设置在零位触发点的第二开孔22触发，叶轮旋转的每个完整的圆周运动将产生1个脉冲，零位触发点设置在叶轮方位角0度位置附近。

具体而言，第一接近开关10和第二接近开关20还可实施为霍尔效应传感器、光电效应传感器等，但不限于此。第一接近开关10与第二接近开关20处在不同的旋转半径位置上，也就是说，第一接近开关10与第二接近开关20与叶轮旋转轴线的径向距离不相同。例如，以第一接近开关10所在的第一圆周的半径可大于第二接近开关20的所在的第二圆周的半径。

图7是根据本公开的实施例的叶轮检测系统的PLC输入/输出的示意图，图8是根据本公开的实施例的叶轮转速脉冲信号的示意图，图9是根据本公开的实施例的叶轮转速脉冲信号的示意图，并且图10是根据本公开的实施例的脉冲信号占空比的示意图。

本公开的实施例采用PLC的DI模块来测量接近开关脉冲之间的时间间隔，通过PLC的程序计算得到发电机叶轮的转速和叶轮方位角。参照图7，PLC输入/输出功能块的输入包括：两个第一接近开关脉冲输入，叶轮接近开关的脉冲输入1和脉冲输入2；周期脉冲数量输入，叶轮旋转一周的脉冲数量例如60个；第二接近开关脉冲输入；以及叶轮方位角校准角度，用于第二接近开关触发的角度校准。

其中，第二接近开关20的第二脉冲信号可能存在一定误差，因此可加入校准。第二脉冲信号触发时的叶轮方位角理想状态是零度，然而由于安装工艺的缺陷导致零度方位角的固有安装误差，另外，由于感应码盘30的位置调整，也会导致零度方位角的动态误差。

参照图5和图6，在实际安装工艺中，由于感应码盘30的直径为0.5米至3米范围，而第一接近开关10和第二接近开关20的感应端与感应码盘30之间的间隙设置为1至5毫米范围，技术难点在于，由于感应码盘30为直径很大的弹性金属环，在将其固定安装在转子外圆周的过程中，感应码盘30本身的弹性形变导致难以精确控制接近开关感应端与感应码盘30之间的间隙大小。因此，本实施例采用接近开关输出脉冲信号占空比对第一接近开关10的感应端与感应码盘30之间的间隙进行检测。

感应码盘和接近开关安装检测

参照图10，每个接近开关的占空比＝脉冲高电平时间/脉冲周期时间(即，Tup/T)，接近开关占空比反映了接近开关与感应码盘30的间隙大小。根据经验正常情况下占空比为0.7以上。如果测到60个脉冲信号的占空比都小于0.5说明接近开关与感应码盘30之间的间隙过小，需要调整感应码盘30局部位置的法向方向。

当60个脉冲信号之间有较大的差异(有的在大于0.7、有的小于0.5)说明感应码盘30的法向不平行于旋转轴线，或者说明感应码盘30的平整度存在异常，需要对感应码盘30的平整度进行检测，即感应码盘30局部位置的法向不平行于旋转轴线。

当总的脉冲信号的数量小于周期脉冲数量60时，说明部分脉冲信号没有触发，因此需要对安装进行检察。如图9中，P3脉冲信号丢失则说明检测系统异常。本公开的实施例采用60个脉冲信号来说明，然而脉冲信号设计数量可以以各种方式改变。

零度方位角动态误差的产生

参照图4，感应码盘30上设置有第一开孔12和第二开孔22。如上文所述，为了满足第一接近开关10的感应端与感应码盘30之间的间隙，调整感应码盘30上在第二开孔22附近局部位置法向角度(即调整平整度)，导致第二开孔22的位置偏离初始位置。因此，零度方位角在固有安装误差基础上叠加了动态误差。

为了消除因零位触发块(第二开孔22)安装、感应码盘30安装等原因造成的固有误差和动态误差，可采用具有高精度旋转编码器来标定叶轮的零度方位角。校准方法可以是采集叶轮转动一段时间的叶轮方位角和第二脉冲信号数据，第二脉冲信号的上升沿触发时对应的高精度编码器叶轮方位角即为真实的第二接近开关20对应角度。把此角度设置为叶轮方位角初始校准角度即可。

PLC输入/输出功能块的输出包括：两个接近开关的叶轮转速；两个接近开关的占空比，每个脉冲周期内高电平宽度占总周期的比例；叶轮方位角；以及接近开关实时脉冲数，从与零位对应的触发脉冲开始计数至下一次第二接近开关20脉冲时清零，其最大值等于周期脉冲数量。

PLC功能块的算法

叶轮转速算法

PLC功能块可基于多个第一开孔之间的脉冲信号计算叶轮转速。具体地，PLC功能块可记录每个脉冲上升沿之间的时间，可采用N个脉冲信号的上升沿之间的时间T来计算当前的叶轮转速(N大于或等于3)，叶轮转速＝60秒/(T/(N-1)×第一开孔的数量)。如图8所示，可通过采集3个脉冲周期(对应于4个脉冲信号的上升沿之间的时间T)的时间来计算叶轮转速。例如，叶轮圆周上具有60个第一开孔12，若脉冲信号P3与当前脉冲信号P0的上升沿之间的T＝0.12s，则叶轮转速＝60秒/(T/3×60)＝60/(0.12/3×60)＝25rpm(即，转速为25转/每分钟)。

叶轮方位角算法

PLC功能块还可定位叶轮的当前方位角。具体地，仍以叶轮圆周上具有60个第一开孔12为例，则每个脉冲信号上升沿对应的角度以6度递增。脉冲信号间的位置通过叶轮速度与时间的积分计算。由第一接近开关10采集每个脉冲信号上升沿，通过对脉冲信号的计数可得到当前叶轮所在角度范围(例如，角度范围处于第n个脉冲信号计数值和第n 1个脉冲信号计数值对应的叶轮角度之间)，或者说，基于脉冲信号的计数可以得到与脉冲信号的计数对应的叶轮方位角。然后，基于与脉冲信号的计数对应的叶轮方位角，并基于上述叶轮速度与第n个脉冲信号触发的时刻至当前时刻之间的时间Ta的积分，来计算当前时刻的叶轮当前位置。例如，如图9所示，基于对脉冲信号P3、P2和P1的计数得到叶轮方位角，假设在脉冲信号P3上升沿A0时刻叶轮方位角为100度，经过脉冲信号P1上升沿时刻计数值增加2个脉冲信号，脉冲信号P1所对应的叶轮方位角增加到112度(100 6×2＝112)；对所述叶轮转速与从紧接在当前时刻之前的脉冲信号P1触发的时刻(例如脉冲信号P1上升沿时刻)至当前时刻的时间Ta进行积分，当前转速为25rpm(即，150°/秒)并且假设当前速度不变，脉冲信号P1上升沿时刻至当前时刻(A0 12 a)经过的时间为Ta＝0.03秒，可知叶轮的当前方位角＝112 0.03×150＝116.5°。每触发一次零位脉冲信号上升沿，叶轮方位角被重置为初始校准角度，从而校正零度方位角误差。

本公开的实施例采用PLC计算转速和方位角，其软件的计算方法可以以多种方法实现。

本公开采用PLC接收接近开关的脉冲信号来测量风力发电机组的叶轮转速、叶轮方位角，检测感应码盘和接近开关的安装情况，具有简单可靠、精度高的优点，简化了系统结构而且降低了的成本。

虽然前面以风力发电机组为例描述了针对风力发电机组的叶轮检测系统和叶轮检测方法，但是本公开不限于此，也可应用于其它类型的旋转发电设备(例如，水力发电机组、火力发电机组等)。

上面对本公开的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本公开权利要求的保护范围内。