CN103472741B - 风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制*** - Google Patents
风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制*** Download PDFInfo
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Abstract
一种风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，包括试验台、载荷激振装置、应变片、桥式应变处理器、高速同步数据采集卡、计算机、存储器和显示器；桥式应变处理器包含可重新校准应变片灵敏度的分流校准模块、可补偿环境温度变化以及应变片和受试叶片材料之间线膨胀系数误差的桥路温度补偿模块、可将受试叶片应变初始值归零的应变值归零模块；计算机内装有自动控制监测模块和测试数据处理模块，自动控制监测模块将实时测试应变信号数据和与设计值进行对比，以此判断测试应变值是否处在设计值的范围之内，根据判断结果决定是否保持变频器输出频率不变、变频或停机的控制信号，测试数据处理模块将应变电压信号数据转换成实际的应变测量值。
Description
技术领域
本发明涉及测试控制***，具体是一种风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***。
背景技术
风轮叶片是风力发电机的关键部件之一，叶片的设计和制造质量直接影响到风力发电机的运行效率、使用寿命和做功性能。随着风力发电机叶片技术的引进和消化，我国也开始自主设计和生产兆瓦级风力发电机的叶片，将其产品化，但是，风力发电机叶片的产品化必须得到相应的国际组织认证，而风力发电机叶片的疲劳认证则是IEC（国际电工委员会）标准中必不可少的认证项目之一，其认证的目的为：1.发现叶片设计以及制造过程中的工艺不合理性和制造缺陷，验证叶片设计和制造的一致性和可靠性，并为今后改进设计、制造和后续处理提供可靠依据；2.确保叶片使用寿命达到或超过20年；3.在疲劳认证试验中，一般要求疲劳认证试验中叶片敏感点的应变值控制在设计值的±5%范围之内，只有在疲劳认证试验过程中，保证测试疲劳应变值在设计计算值所容许范围之内后，方能认定设计和制造具有一致性，并可以认定设计和制造的可靠性、可行性。
风力发电机叶片的疲劳认证试验主要包含以下工作内容：1.独立分别完成叶片挥舞（flapwise）和摆振（edgewise）方向的疲劳认证试验；2.在叶片挥舞和摆振方向分别安装载荷激振装置和静态配重，测量单只叶片的固有频率，根据测得的疲劳应变值和设计值的对比结果，调整变频器的输出频率，来升高或降低疲劳试验中的激振力。
由于现有风力发电机叶片疲劳认证试验的测试***为不具有自动控制监测功能的开放式测试***，其主要存在以下问题：在疲劳认证试验过程中，一旦叶片敏感点的疲劳应变不在设计值的合理范围之内，则只能够通过人工调整变频器的输出频率，来增加或减少疲劳试验的激振力，但是，叶片一个工况的疲劳试验往往需要持续进行半个月甚至三个月的时间，在疲劳认证试验的过程中，叶片容易受到环境温度和叶片自身材料发热等因素的影响，其刚度将发生一定的变化（例如，环境温度低时叶片的刚度将增加，反之则反），从而导致叶片敏感点的应变值发生改变，甚至超过或低于叶片疲劳设计的应变值，一旦在所测试的疲劳应变值不合适时，则需要通过人工调整变频器的输出频率，来控制叶片敏感点的疲劳应变在合理的范围之内，这不仅会大大增加人工的劳动负荷，而且人工调整存在很大的主观性，准确和可靠性差，容易使叶片在试验过程中，其敏感点的疲劳应变值超过或低于疲劳设计值，从而不能满足叶片疲劳认证试验的要求，特别是当叶片刚度变化而导致叶片固有频率随之发生变化时，将有可能造成疲劳激振频率同叶片固有频率重合而产生共振，此时，一旦人工处理不及时，将会大大增加疲劳认证试验的危险性，甚至会造成叶片损毁的安全事故。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有测试***的不足，提供一种操作简单、自动智能化程度高、测试数据准确、安全性和可靠性高、实用性强的风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***。
本发明采用的技术方案是，一种风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，所述测试控制***包括：
-试验台，所述试验台用于安装受试叶片；
-载荷激振装置，所述载荷激振装置用于向受试叶片施加动态的疲劳试验载荷，载荷激振装置的激振频率由变频器控制；
-应变片，所述应变片为多个，每个应变片为温度自补偿应变片，多个应变片分别设在受试叶片的各个敏感点上，用于检测受试叶片在疲劳试验载荷下各敏感点的疲劳应变值；
-桥式应变处理器，所述桥式应变处理器用于处理所有应变片检测到的疲劳应变信号数据；桥式应变处理器包含分流校准模块、桥路温度补偿模块和应变值归零模块，所述分流校准模块用于在测试前重新校准应变片的灵敏度，以消除连接电缆对应变片灵敏度的影响；所述桥路温度补偿模块用于补偿环境温度变化、以及应变片和受试叶片材料之间的线膨胀系数的误差，以实现全天候对受试叶片进行疲劳试验；所述应变值归零模块用于将受试叶片的应变初始值归零；
-高速同步数据采集卡，所述高速同步数据采集卡用于将桥式应变处理器得到的应变片模拟信号转换成数字信号，并高速同步采集和保持这些信号数据，将这些信号数据输送给计算机；
-计算机，所述计算机内装有自动控制监测模块和测试数据处理模块；所述自动控制监测模块将高速同步数据采集卡输送来的实时测试应变信号数据与设计值进行对比，以此判断测试应变值是否处在设计值的范围之内，若是，则表明载荷激振装置当前输出的激振力符合疲劳试验要求，保持载荷激振装置当前的激振频率和偏心锤质量，若否，则表明载荷激振装置当前输出的激振力需要调节改变，自动控制监测模块根据对比结果给变频器发出升高或降低的变频控制信号，通过变频器输出的频率来改变载荷激振装置激振受试叶片的激振频率；若通过改变载荷激振装置的激振频率后，高速同步数据采集卡采集到的实时测试应变信号数据仍超出了设计值范围或达到了设定危险值范围，则自动控制监测模块给变频器输出停机信号，终止载荷激振装置的动作；所述测试数据处理模块用于处理应变片输出的电压信号数据，将应变电压信号数据转换成实际的应变测量值；
-存储器，所述存储器用于存储应变片输出的测量信号数据；
-显示器，所述显示器用于显示经过处理后的应变片输出信号的测量值和当前受试叶片的激振频率及疲劳循环次数。
进一步的，所述变频器内设定有变频上限值和变频下限值。
进一步的，所述自动控制监测模块给变频器输出的变频值为受试叶片所测试固有频率的80～95%。
进一步的，所述载荷激振装置主要由减速机和偏心锤激振机构构成，载荷激振装置通过夹具固定在受试叶片上，载荷激振装置的减速机带动偏心锤激振机构动作，偏心锤激振机构的激振力通过夹具传递给受试叶片。
进一步的，所述应变片的温度自补偿环境温度范围为-20～40℃。
进一步的，所述应变片通过室温快速固化胶粘贴在受试叶片的敏感点上，应变片裸露在外的表面涂有防水、防尘的保护涂层。
本发明的有益效果是：上述疲劳测试控制***可以应用于所有固有频率大于0.9Hz的风力发电机叶片疲劳认证试验测试，在叶片疲劳认证试验过程中，可以满足16个测试通道的测试应变信号数据采集和存储工作，同时，它还能够满足风力发电机叶片的静力认证试验测试；上述测试控制***主要可以实现以下功能：
1）. 叶片固有频率和阻尼测试；
2）. 自动实现分流校准（shunt calibration），确保测试应变信号数据精确、可靠，使测试应变信号数据的精度不受导线长度的影响；
3）. 自动实现环境温度补偿，消除因环境温度变化、以及应变片和受试叶片材料之间的线膨胀系数等因素带来的误差，进一步保障测试应变信号数据的准确性和可靠性，以实现全天候对受试叶片进行疲劳认证试验；
4）. 自动实现应变初始测试数据的归零工作（Offset Null Compensation），减少了人工处理测试数据的工作量，其原理为利用数字电位计将桥电压的输出值规整为零；
5）. 实现多点测试应变信号数据的同步和保持功能（Simultaneous Sample and
Hold），严格保证了多点测试应变信号数据的同步、实时性；
6）. 自动实现测试应变信号数据与设计值进行对比，并依据对比结果判断测试应变信号数据是否处在设计值的范围之内，根据判断结果输出对应的保持、变频、停机控制信号，实现对变频器输出频率的控制，从而自动智能化的实现对整个***的控制，减轻人工劳动负荷，保障***、受试叶片及试验者人身的安全性；
7）. 根据对变频器输出的停机控制信号，同步发出预警信号，提醒试验者注意并检查故障等原因；
8）. 对叶片疲劳认证试验的测试数据实现同步显示和存储；而测试数据的存储又可以分为两个部分，其中一部分采用FIFO（先进先出）方式存储（例如最近两个小时内的应变波形数据），另一部分采用定时保存方式存储疲劳认证试验测试全过程的每个敏感点的正峰值和负峰值应变值，数据文件可以均采用二进制格式，从而节省计算机存储器的存储空间；
9）. 根据对受试叶片测得的固有频率，在变频器上设置变频上限值和变频下限值，从而设定变频器的工作频率范围，在对变频器输出变频控制信号时，同时可以在自动控制监测模块中设定输出的变频控制信号为所测试固有频率的80～95%，再次实现对变频器频率工作范围的限制，进而确保疲劳认证试验不会工作在受试叶片固有频率点以上，以便双重确保***、受试叶片和试验者人身的安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的构成及使用状态结构示意图。
图2是本发明的拓扑结构图。
图3是本发明的软件程序结构图。
图4是本发明的测试流程图。
图5是本发明的控制原理图。
具体实施方式
本发明的构成及使用状态结构参见图1，本发明的桥式应变处理器、自动控制监测模块和测试数据处理模块的各功能完全通过基于Labview编制的软件来实现，本发明的拓扑结构、软件程序结构参见图2和图3。本发明包括试验台1、载荷激振装置、应变片5、桥式应变处理器6、高速同步数据采集卡7、计算机12、存储器10和显示器11。
其中，试验台1用于安装受试叶片2，受试叶片2横向装配在试验台1上。
载荷激振装置主要由减速机4和偏心锤激振机构构成，载荷激振装置通过夹具固定在受试叶片2上，以防对受试叶片2造成损伤，载荷激振装置的减速机4带动偏心锤激振机构动作，偏心锤激振机构的激振力通过夹具传递给受试叶片2，使受试叶片2产生上、下的疲劳振动，载荷激振装置用于向受试叶片2施加动态的疲劳试验载荷。减速机4旋转频率由与计算机12连接的变频器3控制，根据对受试叶片2测得的固有频率，在变频器3内设定有变频上限值和变频下限值，从而设定变频器3的工作频率范围。
应变片5为多个，每个应变片5为温度自补偿应变片，它们的温度自补偿环境温度范围为-20～40℃，这些应变片5通过室温快速固化胶粘贴在受试叶片2的敏感点上，每个应变片5裸露在外的表面涂有防水、防尘的保护涂层。受试叶片2在载荷激振装置的作用下产生上、下的疲劳振动，使受试叶片2的各个敏感点发生相应的疲劳应变，这些应变片5用于检测受试叶片2在疲劳试验载荷下各敏感点变形的疲劳应变值。
桥式应变处理器6用于处理所有应变片检测到的疲劳应变信号数据，该桥式应变处理器6包含分流校准模块、桥路温度补偿模块和应变值归零模块。分流校准模块用于在试验测试前，重新校准应变片的灵敏度，以消除连接电缆对应变片5灵敏度的影响。桥路温度补偿模块用于补偿环境温度变化、以及应变片5和受试叶片2材料之间的线膨胀系数的误差，从而进一步减小试验测试过程中应变片5受环境影响而带来的测试误差，以实现全天候对受试叶片2进行疲劳认证试验。应变值归零模块用于将受试叶片2的应变初始值归零。
高速同步数据采集卡7用于将桥式应变处理器6得到的应变片模拟信号转换成数字信号，并高速同步采集和保持这些信号数据，将这些信号数据输送给计算机12。
计算机12内装有自动控制监测模块8和测试数据处理模块9。自动控制监测模块8将高速同步数据采集卡7输送来的实时测试应变信号数据与设计值进行对比，以此判断测试应变值是否处在设计值的范围之内；若是，则表明载荷激振装置当前输出的激振频率合适，自动控制监测模块8锁定、保持载荷激振装置当前的激振频率；若否，则表明载荷激振装置当前输出的激振频率需要调节改变，自动控制监测模块8根据对比结果给变频器3发出升高或降低的变频控制信号，通过变频器3输出的频率来改变载荷激振装置激振受试叶片的激振力大小，为了进一步确保疲劳测试***、受试叶片和试验者人身的安全，在自动控制监测模块8内进行设置给变频器3输出的变频控制范围，其变频范围为受试叶片2所测试固有频率的80～95%，以再次实现对变频器3变频工作范围的限制，进而确保疲劳认证试验不会工作在受试叶片2的固有频率点以上；若通过改变载荷激振装置的激振频率后，高速同步数据采集卡7采集到的实时测试应变信号数据仍超出了设计值范围或达到了设定危险值范围，则自动控制监测模块8给变频器3输出停机信号，终止载荷激振装置的工作，与此同时，自动控制监测模块8自动输出预警信号，该预警信号将超出设计范围值及设定危险值进行异色标出，预警结果通过显示器11显示出，以提醒试验者注意并检查故障等原因。测试数据处理模块9用于处理高速同步数据采集卡7采集到的应变电压信号数据，将应变电压信号数据转换成实际的应变测量值。
存储器10可以嵌入计算机12内，也可以外置在计算机12外。存储器10用于存储经计算机12处理了的应变片输出的测量信号数据，为了全面、可靠的存储数据，可以考虑将存储器10分为两个部分，其中一部分采用FIFO（先进先出）方式存储（例如最近两个小时内的应变波形数据），另一部分采用定时保存方式存储疲劳认证试验测试全过程的每个敏感点的正峰值和负峰值应变值，数据文件可以均采用二进制格式，从而节省计算机存储器的存储空间。
显示器11用于显示经过计算机12处理后的应变片输出信号的测量值和当前受试叶片2的激振频率及疲劳循环次数。
为了检验疲劳试验后受试叶片的剩余强度，通过给本发明增设静力测试模块、远程距离检测模块、测力传感器等，可实现受试叶片剩余强度的静力测试。
本发明的测试流程参见图4，本发明的控制原理参见图5。在叶片疲劳认证试验的过程中，自动控制监测和调整受试叶片敏感点疲劳应变值是本发明的关键技术之一，它需要具备两个功能，其一为：当主要敏感点应变值超过设计应变的15%后，自动停止变频器频率输出，继而停止受试叶片的疲劳试验载荷加载；其二：当主要敏感点应变值超过设计应变的10%时，自动控制监测模块就以预先设定的变频器变频范围对激振频率进行调整，将疲劳试验载荷调整在合适的范围之内，如果在给定变频器调整范围内仍然不能够将疲劳试验载荷调整到合适范围之内，则输出停机信号终止疲劳试验，以便试验人员查找原因并解决相应的故障。为此，该自动控制监测模块需要完成以下功能：
1）. 能够自动控制变频器的输出频率；
2）. 当理论应变值同测试应变值的误差超过5～10%时，自动调整变频器的输出频率，其调整步长和频率调整范围可选，以期使测试疲劳应变值满足疲劳试验的要求，如果通过调整变频器的输出频率不能够使理论设计疲劳应变值同测试应变值的误差在正确的范围内时，则输出停机信号终止疲劳试验；
3）. 当任意一个输出测试疲劳应变值与理论设计疲劳应变值的误差达到15%时，则输出停机信号使得疲劳试验终止；
4）. 设置变频器的输出频率为0～固有频率，防止变频器超速引起不必要的危险；
5）. 在自动控制监测模块中，再次限制变频器的频率输出范围，其设定的范围为0～受试叶片固有频率´（90～95%）左右，主要为了防止变频器输出频率靠近叶片的固有频率，造成叶片在疲劳试验中产生共振或产生较大的热量而损坏叶片。
下面介绍本发明的工作过程：首先在试验前按照具体受试叶片的试验规范，确定受试叶片所需要的载荷加载位置和配置相应敏感点的应变测试通道；将叶片安装在flapwise或edgewise方向上，然后安装上相应疲劳激振装置（即载荷激振装置）和静态配重；安装完成后，测试并确定受试叶片的固有频率，根据受试叶片的固有频率分别在变频器和自动控制监测模块上设定限制变频器的输出频率范围；然后通过自动控制监测模块启动变频器，并逐步升高变频器的输出频率，实时采集和显示相应激振力下各个敏感点的疲劳应变，一旦各个敏感点的应变达到理论设计疲劳应变设计值后，则锁定变频器的输出频率，同时，启动自动控制监测模块中的激振载荷自动调整、报警和停机功能，此时，疲劳认证试验将按照正常的程序进行，一旦在疲劳试验过程中意外停机，则试验者将根据两个小时的存***形和定时存储的疲劳应变正、负峰值，来判断终止试验的原因，在找到终止试验的原因并做相应处理后，方能够重新启动疲劳认证试验。
Claims (6)
1. 一种兆瓦级风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，所述风力发电机叶片为兆瓦级风力发电机叶片，叶片的固有频率大于0.9Hz，其特征在于，所述测试控制***包括：
-试验台，所述试验台用于安装受试叶片；
-载荷激振装置，所述载荷激振装置用于向受试叶片施加动态的疲劳试验载荷，载荷激振装置的激振频率由变频器控制；
-应变片，所述应变片为多个，每个应变片为温度自补偿应变片，多个应变片分别设在受试叶片的各个敏感点上，用于检测受试叶片在疲劳试验载荷下各敏感点的疲劳应变值；
-桥式应变处理器，所述桥式应变处理器用于处理所有应变片检测到的疲劳应变信号数据；桥式应变处理器包含分流校准模块、桥路温度补偿模块和应变值归零模块，所述分流校准模块用于在测试前重新校准应变片的灵敏度，以消除连接电缆对应变片灵敏度的影响；所述桥路温度补偿模块用于补偿环境温度变化、以及应变片和受试叶片材料之间的线膨胀系数的误差，以实现全天候对受试叶片进行疲劳试验；所述应变值归零模块用于将受试叶片的应变初始值归零；
-高速同步数据采集卡，所述高速同步数据采集卡用于将桥式应变处理器得到的应变片模拟信号转换成数字信号，并高速同步采集和保持这些信号数据，将这些信号数据输送给计算机；
-计算机，所述计算机内装有自动控制监测模块和测试数据处理模块；所述自动控制监测模块将高速同步数据采集卡输送来的实时测试应变信号数据与设计值进行对比，以此判断测试应变值是否处在设计值的范围之内，若是，则表明载荷激振装置当前输出的激振力符合疲劳试验要求，保持载荷激振装置当前的激振频率和偏心锤质量，若否，则表明载荷激振装置当前输出的激振力需要调节改变，自动控制监测模块根据对比结果给变频器发出升高或降低的变频控制信号，通过变频器输出的频率来改变载荷激振装置激振受试叶片的激振频率；若通过改变载荷激振装置的激振频率后，高速同步数据采集卡采集到的实时测试应变信号数据仍超出了设计值范围或达到了设定危险值范围，则自动控制监测模块给变频器输出停机信号，终止载荷激振装置的动作；所述测试数据处理模块用于处理应变片输出的电压信号数据，将应变电压信号数据转换成实际的应变测量值；
-存储器，所述存储器用于存储应变片输出的测量信号数据；
-显示器，所述显示器用于显示经过处理后的应变片输出信号的测量值和当前受试叶片的激振频率及疲劳循环次数。
2. 根据权利要求1所述兆瓦级风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，其特征在于，所述变频器内设定有变频上限值和变频下限值。
3. 根据权利要求1所述兆瓦级风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，其特征在于，所述自动控制监测模块给变频器输出的变频值为受试叶片所测试固有频率的80～95%。
4. 根据权利要求1所述兆瓦级风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，其特征在于，所述载荷激振装置主要由减速机和偏心锤激振机构构成，载荷激振装置通过夹具固定在受试叶片上，载荷激振装置的减速机带动偏心锤激振机构动作，偏心锤激振机构的激振力通过夹具传递给受试叶片。
5. 根据权利要求1所述兆瓦级风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，其特征在于，所述应变片的温度自补偿环境温度范围为-20～40℃。
6. 根据权利要求1或5所述兆瓦级风力发电机叶片疲劳认证试验测试控制***，其特征在于，所述应变片通过室温快速固化胶粘贴在受试叶片的敏感点上，应变片裸露在外的表面涂有防水、防尘的保护涂层。
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