风电机组主传动转角转速检测系统及检测方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风电机组主传动转角转速检测系统及检测方法。


背景技术：

2.风能是一种取之不尽的清洁能源，风电机组通过叶轮旋转将风能转换为机械能，再通过发电系统将机械能转换为电能。为了对风电机组运行状态进行监视和控制，需要对风电机组主传动系统的转速，即叶轮的转速进行实时采集，以便于风电机组进行独立变桨等高级控制，同时，在一些特殊工况下，还需要对主传动系统的转动角度进行采集。在现有的主传动系统的转速及角度测量方式中，对于无增速齿轮箱的机型，直接利用发电机的光电编码器检测转速、角度；对于有增速齿轮箱的机型，高速端直接利用发电机的光电编码器来检测转速和角度，或者通过1个接近开关测量分度盘的信号脉冲变化来计算获取转速，低速端通过1个接近开关测量分度盘的信号脉冲变化来计算获取转速。
3.然而，通过安装光电编码器来检测风电机组主传动系统的转速和转角时，虽然具有较高的测量精度，但是光电编码器的安装精度要求较高，安装不便，且光电编码器在实际使用时故障率较高，导致经济性较差。而利用1个接近开关虽然能够满足风电机组主传动系统的测速需要，但需要额外配置分度盘，实际测量精度较低，且无法检测主传动系统的转动角度。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种风电机组主传动转角转速检测系统及检测方法。
5.本发明的技术方案如下：
6.第一方面，提供了一种风电机组主传动转角转速检测系统，所述系统包括：
7.两个接近开关，两个所述接近开关固定安装在风电机组主轴的轴承座上，两个所述接近开关的探测端指向主轴轴承，且所述主轴轴承的压紧环螺栓外露的螺杆部分能够触发所述接近开关动作；
8.金属检测体，所述金属检测体安装在任意的两个所述压紧环螺栓之间，所述金属检测体能够跟随风电机组主传动系统转动，且所述金属检测体能够触发所述接近开关动作；
9.控制模块，所述控制模块与所述接近开关连接，用于采集并根据两个所述接近开关的检测信号计算所述风电机组主传动系统的转角和转速。
10.在一些可能的实现方式中，所述接近开关通过支架固定安装在所述轴承座后端。
11.在一些可能的实现方式中，两个所述接近开关的安装距离大于相邻的两个所述螺栓的螺杆间距与螺杆直径之和，小于相邻的两个所述螺栓的螺杆间距与两倍螺杆直径之和，以及小于螺杆直径与两倍的相邻的两个所述螺栓的螺杆间距之和。
12.在一些可能的实现方式中，所述接近开关探测到所述螺杆和所述金属检测体时，所述接近开关输出高电平信号，其余时刻输出低电平信号。
13.第二方面，还提供了一种利用上述的风电机组主传动转角转速检测系统实施的风电机组主传动转角转速检测方法，所述方法包括：
14.确定当第一接近开关或第二接近开关检测到金属检测体时，所述主传动系统相对预设初始位置沿顺时针方向的第一相对转动角度；
15.在所述主传动系统的旋转过程中，根据两个所述接近开关输出的检测信号，计算所述主传动系统的转动角度，其中，当所述主传动系统旋转到所述第一相对转动角度所对应的位置时，将累计的转动角度置零，从零开始重新根据两个所述接近开关输出的检测信号，计算所述主传动系统的转动角度；
16.根据所述第一相对转动角度和计算得到的所述转动角度，计算所述主传动系统相对预设初始位置的转角；
17.根据所述主传动系统相对预设初始位置的转角计算所述主传动系统的转速。
18.在一些可能的实现方式中，以风电机组的轮毂中心为原点建立gl固定轮毂坐标系，以gl固定轮毂坐标系的z轴与一个指定叶片的轴线重合时为初始位置，并设定初始位置时的主传动系统的转角为0
°
。
19.在一些可能的实现方式中，设定所述接近开关探测到所述螺杆和所述金属检测体时，所述接近开关输出高电平信号，其余时刻输出低电平信号，则根据两个所述接近开关输出的检测信号，利用以下公式计算所述主传动系统的转动角度：
[0020][0021]
其中，q表示主传动系统的转动角度，n表示轴承压紧环一周的螺栓总数，k表示螺栓的螺杆直径，m为相邻的两个螺栓的螺杆间距，n表示两个接近开关之间的安装距离，k+m＜n＜2k+m且k+m＜n＜k+2m，a、b、c、d分别表示主传动系统朝一个方向旋转时第一接近开关和第二接近开关采集到的ll沿脉冲信号数、hl沿脉冲信号数、hh沿脉冲信号数、lh沿脉冲信号数，l表示低电平，h表示高电平。
[0022]
在一些可能的实现方式中，在计算所述主传动系统相对预设初始位置的转角时，还根据所述第一接近开关和所述第二接近开关采集到的沿脉冲信号的循环顺序判断所述主传动系统的旋转方向。
[0023]
在一些可能的实现方式中，当所述主传动系统顺时针旋转时，利用以下公式计算所述主传动系统相对预设初始位置的转角：
[0024]
θ＝(q+w)mod(360
°
)
[0025]
当所述主传动系统逆时针旋转时，利用以下公式计算所述主传动系统相对预设初始位置的转角：
[0026]
θ＝(360
°‑
q+w)mod(360
°
)
[0027]
其中，θ表示所述主传动系统相对预设初始位置的转角，q表示根据两个所述接近开关输出的检测信号计算得到的所述主传动系统的转动角度，w表示所述第一相对转动角度。
[0028]
在一些可能的实现方式中，所述主传动系统的转速利用以下公式计算：
[0029][0030]
其中，ω表示所述主传动系统的转速，θ表示所述主传动系统相对预设初始位置的转角，t表示时间。
[0031]
本发明技术方案的主要优点如下：
[0032]
本发明的风电机组主传动转角转速检测系统及检测方法通过利用两个接近开关检测主轴轴承压紧环螺栓，根据两个接近开关的检测信号，能够以特定算法能够实现主传动的转角和转速的检测测量，测量成本较低；同时，在任意的两个压紧环螺栓之间安装一个金属检测体作为校准点，以在主传动系统每转一圈后完成转角的清零校准，能够避免转角的累积计算误差的影响，进一步提高转角及转速的测量精度。
附图说明
[0033]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0034]
图1为本发明一实施例的风电机组主传动转角转速检测系统的结构示意图，其中，金属检测体未示出；
[0035]
图2为本发明一实施例的接近开关的安装位置示意图；
[0036]
图3为本发明一实施例的另一个视角下的接近开关的安装位置示意图；
[0037]
图4为本发明一实施例的风电机组主传动转角转速检测方法的流程图；
[0038]
图5为本发明一实施例建立的gl固定轮毂坐标系示意图；
[0039]
图6为本发明一实施例的接近开关检测螺杆时输出的高低电平信号序列示意图。
[0040]
附图标记说明：
[0041]
1-第一接近开关，2-第二接近开关，3-轴承座，4-压紧环螺栓，5-支架。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
[0043]
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
[0044]
参考图1-3，本发明一实施例提供了一种风电机组主传动转角转速检测系统，该系统包括：
[0045]
两个接近开关，两个接近开关固定安装在风电机组主轴的轴承座3上，两个接近开关的探测端指向主轴轴承，且主轴轴承的压紧环螺栓4外露的螺杆部分能够触发接近开关动作；
[0046]
金属检测体，金属检测体安装在任意的两个压紧环螺栓4之间，金属检测体能够跟随风电机组主传动系统转动，且金属检测体能够触发接近开关动作；
[0047]
控制模块，控制模块与接近开关连接，用于采集并根据两个接近开关的检测信号
计算风电机组主传动系统的转角和转速。
[0048]
具体地，本发明一实施例提供的风电机组主传动转角转速检测系统在用于风电机组主传动转角转速检测时，先确定当第一接近开关1或第二接近开关2检测到金属检测体时，主传动系统相对预设初始位置沿顺时针方向的第一相对转动角度；而后，在主传动系统的旋转过程中，控制模块根据两个接近开关输出的检测信号，计算主传动系统的转动角度；同时，由于主传动系统每转动一圈，第一接近开关1和第二接近开关2均能够检测到一次金属检测体，因此当主传动系统旋转到第一相对转动角度所对应的位置时，控制模块将之前累计的转动角度置零，并在后续主传动系统的旋转过程中，从零开始重新根据两个接近开关输出的检测信号，计算主传动系统的转动角度，以避免转动角度的计算误差的不断累积；而后，根据之前确定的第一相对转动角度和计算得到的主传动系统的转动角度，计算确定主传动系统相对预设初始位置的转角；最后根据主传动系统相对预设初始位置的转角计算确定主传动系统的转速。
[0049]
参考图2-3，本发明一实施例中，接近开关通过支架5固定安装在轴承座3后端。即两个接近开关安装在支架5上，将安装有接近开关的支架5安装在轴承座3后端端面上。
[0050]
进一步地，本发明一实施例中，为了方便主传动系统的转角转速测量，以及保证测量精度，两个接近开关的安装距离大于相邻的两个螺栓的螺杆间距与螺杆直径之和，小于相邻的两个螺栓的螺杆间距与两倍螺杆直径之和，以及小于螺杆直径与两倍的相邻的两个螺栓的螺杆间距之和。
[0051]
具体地，设定k表示螺栓的螺杆直径，m为相邻的两个螺栓的螺杆间距，n表示两个接近开关之间的安装距离，则n需要满足条件：k+m＜n＜2k+m且k+m＜n＜k+2m。
[0052]
进一步地，本发明一实施例中，采用常闭信号反馈的接近开关，当接近开关探测到螺杆和金属检测体时，接近开关输出高电平信号，其余时刻输出低电平信号。
[0053]
进一步地，本发明一实施例中，控制模块可以为可编程逻辑控制器(plc)。
[0054]
参考图4，本发明一实施例还提供了一种风电机组主传动转角转速检测方法，该方法利用上述风电机组主传动转角转速检测系统实施，包括以下步骤：
[0055]
步骤s100，确定当第一接近开关或第二接近开关检测到金属检测体时，主传动系统相对预设初始位置沿顺时针方向的第一相对转动角度；
[0056]
参考图5，本发明一实施例中，以风电机组的轮毂中心为原点建立gl固定轮毂坐标系，其中，gl固定轮毂坐标系的原点为风电机组的轮毂中心，x轴指向主轴，且与主轴的轴线重合，z轴垂直地面向上，y轴垂直于x轴和z轴所构成的平面，且与x轴、z轴构成右手直角坐标系。
[0057]
进一步地，以gl固定轮毂坐标系的z轴与一个指定叶片的轴线重合时为初始位置，并设定初始位置时的主传动系统的转角为0
°
。
[0058]
参考图6，由于压紧环螺栓4是沿压紧环周向均匀分布的，若没有设置金属检测体，则同一个接近开关检测到的每个脉冲信号周期是相同的，均包括一个高电平信号和一个低电平信号。为此，本发明一实施例中，若同一个接近开关检测到的两个相邻的脉冲信号周期发生明显不同时，则认为接近开关检测到金属检测体。
[0059]
步骤s200，在主传动系统的旋转过程中，根据两个接近开关输出的检测信号，计算主传动系统的转动角度；
[0060]
参考图6，本发明一实施例中，设定接近开关采用常闭信号反馈形式，即接近开关探测到螺杆和金属检测体时接近开关输出高电平信号，其余时刻输出低电平信号，则根据两个接近开关输出的检测信号，利用以下公式计算主传动系统的转动角度：
[0061][0062]
其中，q表示主传动系统的转动角度，n表示轴承压紧环一周的螺栓总数，k表示螺栓的螺杆直径，m为相邻的两个螺栓的螺杆间距，n表示两个接近开关之间的安装距离，k+m＜n＜2k+m且k+m＜n＜k+2m，a、b、c、d分别表示主传动系统朝一个方向旋转时第一接近开关和第二接近开关采集到的ll沿脉冲信号数、hl沿脉冲信号数、hh沿脉冲信号数、lh沿脉冲信号数，l表示低电平，h表示高电平。
[0063]
相对应地，当接近开关采用常开信号反馈形式时，即接近开关探测到螺杆和金属检测体时输出低电平信号，其余时刻输出高电平信号，此时可以参照上述的计算公式进行相应参数的适应修改，以确定对应的主传动系统的转动角度的计算公式。
[0064]
进一步地，由于主传动系统每转动一圈，第一接近开关1和第二接近开关2均能够检测到一次金属检测体。因此，本发明一实施例中，当主传动系统旋转到第一相对转动角度所对应的位置时，将之前累计的转动角度置零，并在后续主传动系统的旋转过程中，从零开始重新根据两个接近开关输出的检测信号，计算主传动系统的转动角度，以避免转动角度的计算误差的不断累积，提高主传动系统的转角及转速测量精度。
[0065]
步骤s300，根据第一相对转动角度和计算得到的转动角度，计算主传动系统相对预设初始位置的转角；
[0066]
由于在实际应用中，主传动系统可能为顺时针转动，也可能为逆时针转动，为保证主传动系统的转角的准确计算，在计算主传动系统相对预设初始位置的转角时，还需要确定主传动系统的旋转方向。
[0067]
本发明一实施例中，根据第一接近开关1和第二接近开关2采集到的沿脉冲信号的循环顺序判断主传动系统的旋转方向。
[0068]
具体地，参考图3和图6，当第一接近开关1和第二接近开关2沿顺时针方向顺次分布时，若沿脉冲信号按照ll、hl、hh、lh的顺序依次循环，则主传动系统为顺时针旋转，若沿脉冲信号按照lh、hh、hl、ll的顺序依次循环，则主传动系统为逆时针旋转。当第一接近开关1和第二接近开关2沿逆时针方向顺次分布时，若沿脉冲信号按照lh、hh、hl、ll的顺序依次循环，则主传动系统为顺时针旋转，若沿脉冲信号按照ll、hl、hh、lh的顺序依次循环，则主传动系统为逆时针旋转。其中，图3中，第一接近开关1和第二接近开关2为沿顺时针方向顺次分布。
[0069]
进一步地，本发明一实施例中，当主传动系统顺时针旋转时，利用以下公式计算主传动系统相对预设初始位置的转角：
[0070]
θ＝(q+w)mod(360
°
)
[0071]
当主传动系统逆时针旋转时，利用以下公式计算主传动系统相对预设初始位置的转角：
[0072]
θ＝(360
°‑
q+w)mod(360
°
)
[0073]
其中，θ表示主传动系统相对预设初始位置的转角，q表示根据两个接近开关输出
的检测信号计算得到的主传动系统的转动角度，w表示第一相对转动角度。
[0074]
步骤s400，根据主传动系统相对预设初始位置的转角计算主传动系统的转速。
[0075]
本发明一实施例中，主传动系统的转速利用以下公式计算：
[0076][0077]
其中，ω表示主传动系统的转速，θ表示主传动系统相对预设初始位置的转角，t表示时间。
[0078]
通过对主传动系统的转角进行求导数，能够确定对应的主传动系统的转速。
[0079]
本发明一实施例提供的风电机组主传动转角转速检测系统及检测方法通过利用两个接近开关检测主轴轴承压紧环螺栓，根据两个接近开关的检测信号，能够以特定算法能够实现主传动的转角和转速的检测测量，测量成本较低；同时，在任意的两个压紧环螺栓之间安装一个金属检测体作为校准点，以在主传动系统每转一圈后完成转角的清零校准，能够避免转角的累积计算误差的影响，进一步提高转角及转速的测量精度。
[0080]
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。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
[0081]
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。