一种用于飞轮转子的振动状态监测系统

1.本发明涉及飞轮储能装备安全监测技术领域，尤其涉及用于飞轮转子的振动状态监测系统。


背景技术：

2.为了满足电力系统调频的需求，近年来飞轮储能系统在向大功率和高储能量发展，飞轮转子的转速和重量不断提高。目前飞轮转子的重量最大可达四至五吨，储能量可达几十至上百千瓦时，最高工作转速可达每分钟数万转。在高转速的工作条件下，飞轮转子在充放电过程中经常通过临界转速，容易导致过大的振动，使轴承等关键部件失效。此外，在长期反复充放电带来的交变应力载荷下，飞轮转子内部或轴段表面可能产生裂纹，在极端情况下甚至发生飞轮转子爆裂、飞出，造成人员伤亡的安全事故。对于飞轮转子系统进行实时状态监测可有效避免事故发生。
3.专利申请号为202111085074.6，名为“飞轮转子运动状态的监测系统、方法及电子设备”的发明专利，该方法采用多个位移传感器结合采集卡和终端设备监测飞轮转子的状态，但是该方法仅监测飞轮转子本体的运行状态，并未考虑飞轮转子径向轴承的状态监测，且运行状态参数中并未考虑转子的倾斜角度等位置参数。
4.专利文献cn215410869u提出一种飞轮储能装置用安装基座，包括：上板、减震系统、下板、调平系统和两轴倾斜角感测器，上板用于安装飞轮储能装置，下板用于与地面固定，上板通过减震系统平行设置于下板的上方，两轴倾斜角感测器安装于上板的上表面，调平系统设置于下板的下表面；调平系统包括若干组调平组件，每组调平组件包括上滑座和下滑座，上滑座固定设置于下板的下表面，上滑座和下滑座上分别设有一结构匹配的斜面，下滑座沿斜面与上滑座滑动连接。该专利提出的方案可以调平飞轮转子。
5.飞轮储能装置一般竖直安装布置，但由于机械加工、基建施工、装配误差等，飞轮转子的实际旋转轴线会与理想铅垂线存在一夹角，夹角的存在不仅使得机械轴承受到的巨大负荷，影响机械轴承的寿命，而且会降低飞轮转子旋转稳定性并增大系统的振动噪声。更严重的是，还会增加对电磁轴承控制上的扰动，给控制系统带来极大的干扰。对于飞轮转子转轴与铅垂线之间的夹角进行监控的前提是首先要监控飞轮转子。


技术实现要素：

6.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种用于飞轮转子的振动状态监测系统，其解决了现有的上述问题或者至少部分地解决了上述问题，通过用于飞轮转子的振动状态监测系统可以有效地实时监测飞轮转子系统的运行状态与位置参数，采集、记录并初步分析所监测的振动数据，实现飞轮转子的实时状态监测。
7.具体的，本发明公开了一种用于飞轮转子的振动状态监测系统，包括振动监测传感器(1)和振动分析系统(2)；
8.振动监测传感器(1)安装在飞轮转子设备上，采集飞轮转子的振动状态信息。
9.振动分析系统(2)与振动监测传感器(1)通信连接，分析振动监测传感器(1)采集的振动数据，初步诊断飞轮转子的运行状态与位置参数。
10.优选的，基于飞轮转子的运行机理与结构，分别监测飞轮转子径向机械轴承的振动信息和飞轮转子本体的轴向与径向的振动信息，获取飞轮转子系统的运行状态与位置参数的变化。基于此，在飞轮转子的径向轴承座处安装传感器，监测飞轮转子径向机械轴承的振动加速度信息；在飞轮转子本体的径向与轴向安装传感器，监测飞轮转子本体的径向与轴向的振动位移信息。
11.优选的，振动监测传感器(1)选用接触式的压电式传感器监测飞轮转子径向机械轴承的加速度信息；基于飞轮转子的工作机理，选用非接触式的电涡流位移传感器监测飞轮转子本体径向与轴向端面的位移信息。
12.优选的，在飞轮转子的上径向机械轴承与下径向机械轴承的水平方向与垂直方向分别安装压电式传感器监测飞轮转子径向机械轴承的水平方向与垂直方向的加速度信息。
13.优选的，在飞轮转子的径向方向，以飞轮转子的中轴线为基准，水平均匀对称安装至少四个电涡流位移传感器监测飞轮转子的径向振动位移；在飞轮转子的轴向方向，沿中轴线垂直对称安装至少两个电涡流位移传感器监测飞轮转子轴向的振动位移。
14.优选的，振动分析系统(2)包括数据采集模块、信号处理模块、状态分析模块和数据存储模块。
15.优选的，数据采集模块与传感器进行通信连接，接收由振动监测传感器采集的数据并转换为可分析的数字信号；
16.优选的，信号处理模块对采集数据进行预处理，去除异常值；
17.优选的，状态分析模块结合飞轮转子运行机理及历史数据统计，输出飞轮转子的运行状态结果与位置参数；
18.优选的，状态分析模块输出的运行状态结果包括但不限于：时域分析，频域分析等；位置参数包括但不限于：飞轮转子的倾角与轴心轨迹等。
19.优选的，飞轮转子的倾角θ根据轴向的电涡流位移传感器采集的位移信息计算。
[0020][0021]
其中，|.|表示取绝对值，y1和y2表示电涡流位移传感器监测的飞轮转子的轴向位移，x1和x2表示两个传感器与转子中心之间的距离。
[0022]
优选的，数据存储模块负责存储数据，并保存监测数据的基本信息，如采样日期，采样时间，采样频率，通道数，转速信息等。
[0023]
本发明实施例带来了以下有益效果：
[0024]
本发明实施例提供的一种用于飞轮转子的振动状态监测系统，包括振动监测传感器和振动分析系统，其中，振动监测传感器分别安装在飞轮转子的上径向轴承，下径向轴承和飞轮转子的径向与轴向端面处，分别监测飞轮转子径向机械轴承的水平方向和垂直方向的加速度信息和飞轮转子本体的径向与轴向的位移信息。振动分析系统通过数据采集模块将振动传感器采集的信号转换为数字信号导入至信号处理模块，获取预处理后的振动信号并输入状态分析模块，输出飞轮转子的运行状态与位置参数，其中，运行状态参数包括但不限于：时域分析，频域分析等；位置参数包括但不限于：飞轮转子的倾角与轴心轨迹等。基于
此，实现飞轮转子系统的运行状态监测。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例一种用于飞轮转子的振动状态监测系统方法的流程示意图。
[0026]
图2为本发明实施例一种用于飞轮转子的振动状态监测系统的结构及传感器布置示意图。
[0027]
图3为本发明实施例一种用于飞轮转子的振动状态监测系统的飞轮倾角计算示意图。
[0028]
上述附图中：101-压电式传感器，102-电涡流位移传感器
具体实施方式
[0029]
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
[0030]
如图1所示，是一种用于飞轮转子的振动状态监测系统方法的流程示意图。
[0031]
步骤
①
：确定飞轮转子系统的监测部件。飞轮转子在充放电过程中经常通过临界转速，容易导致过大的振动，使轴承等关键部件失效；在长期反复充放电带来的交变应力载荷下，飞轮转子内部或轴段表面可能产生裂纹。基于此，针对飞轮转子的径向机械轴承和飞轮转子本体进行监测。
[0032]
步骤
②
：确定振动监测传感器的位置与传感器类型。根据飞轮转子系统的运行机理，采用压电式传感器监测飞轮转子的径向机械轴承运行状态，分别安装在径向机械轴承座的水平方向与垂直方向，监测径向机械轴承的水平方向与垂直方向的振动加速度；采用电涡流位移传感器监测飞轮转子本体的运行状态，分别安装在飞轮转子的径向方向和飞轮转子的下端面轴向方向，监测飞轮转子本体的轴向位移与径向位移。
[0033]
步骤
③
：基于采集的数据建立振动分析系统。数据采集模块与传感器实现通信连接，接收由振动监测传感器采集的数据并转换为可分析的数字信号；信号处理模块对采集到的振动数据进行预处理，去除异常值；状态分析模块基于振动监测数据进行统计分析，结合信号产生机理与飞轮的工作原理输出飞轮转子系统的运行状态分析结果；数据存储模块负责存储数据，并保存监测数据的基本信息，如采样日期，采样时间，采样频率，通道数，转速信息等。
[0034]
步骤
④
：输出的运行状态结果包括但不限于：时域分析，频域分析等；位置参数包括但不限于：飞轮转子的倾角与轴心轨迹等。
[0035]
如图2所示，是一种用于飞轮转子的振动状态监测系统的结构及传感器布置示意图。
[0036]
对于图1步骤
②
中传感器的布置结合飞轮转子系统的结构做进一步分析。图2中所示飞轮转子系统的主要部件包括：上径向轴承10，轴向永磁轴承11，飞轮转子本体12，双向电机14、下径向轴承和飞轮壳体13。压电式传感器101监测径向机械轴承振动状态，分别安装在上径向轴承与下径向轴承的水平方向与垂直方向，每个测点至少安装1个传感器，用于监测上径向轴承与下径向轴承的水平方向与垂直方向的振动加速度。电涡流位移传感器102监测飞轮转子本体的振动状态，在飞轮转子的径向方向，以飞轮转子的中轴线为基准，水平对称安装至少4个传感器，用于监测飞轮转子的径向位移；在飞轮转子的轴向方向，以
飞轮转子的中轴线为基准，垂直对称安装至少2个传感器，用于监测飞轮转子的轴向位移。
[0037]
如图3所示，是一种用于飞轮转子的振动状态监测系统的飞轮倾角计算示意图。
[0038]
对于图1步骤
④
中的位置参数飞轮转子倾角作进一步分析。基于图2所示的飞轮转子系统结构与振动传感器布置图，图3所示在飞轮转子运行过程中出现倾斜时，基于飞轮转子的下端面轴向位移计算飞轮转子倾角θ的示意图。
[0039][0040]
其中，|.|表示取绝对值，y1和y2表示电涡流位移传感器监测的飞轮转子的轴向位移，x1和x2表示两个电涡流位移传感器与转子中心之间的距离。