CN107002855A - 用于驱动***中的早期错误检测的方法、用于早期错误检测的***、包括该***的风力发电机和该***的使用 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的***。该***包括第一旋转传感器，其被耦合到驱动齿轮或传动级的输入轴。该第一传感器捕获旋转的输入角度。另外，该***包括第二旋转传感器，其被耦合到驱动齿轮或传动级的输出轴。由第二传感器采集的输出角度表示驱动齿轮或传动级的输出，其响应于输入角度而执行。该***还包括控制单元，其被配置为同时捕获第一时间相关信号和第二时间相关信号，其分别指示输入角度和输出角度。控制单元被配置为在考虑了驱动齿轮或传动级的传动比的情况下确定来自第一信号与第二信号的时间相关角度差。另外，控制单元分析该时间相关角度差以便执行驱动***中的早期错误检测。

Description

用于驱动***中的早期错误检测的方法、用于早期错误检测 的***、包括该***的风力发电机和该***的使用
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的***。本发明还涉及一种包括该***的风力发电机并且涉及该***的使用。另外，本发明涉及一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的方法。
背景技术
风力发电机中的基本操作组件之一是用于在操作期间调节转子叶片的间距的间距驱动***。在间距驱动中，间距轴承表示关键组件之一。当间距***在使用期间遭受错误时，这能够与各种机械故障相关，例如轴承断裂、齿轮牙损坏、不平衡、未对准或甚至轴断裂。机械损坏能够由腐蚀、摩擦、润滑脂的缺乏、疲劳、等等导致。间距驱动***中的失灵增加叶片间距阻塞的风险，其对于风力发电机能够是关键的。此外，间距驱动***的服务常常导致风力涡轮的延长的和不期望的停机时间。
因此期望调查间距驱动***的操作。文档EP 2 329 141 B1公开了间距控制***，其并入用于间距驱动的条件监视***。该***将表示期望的间距动作的测试信号应用到叶片间距***。随后检测到对测试信号作出反应执行的实际间距响应。当实际间距角度与命令值差特定阈值时，这指示间距驱动中的潜在的失灵。然而，这要求已经存在间距驱动***的初始损坏。另外，可能不期望执行人工测试间距动作，其由条件监视***发起。
因此期望在很早的阶段，尤其是在间距驱动的任何严重损坏和失灵之前对间距驱动***中的错误的检测。
发明内容
本发明的目标是要提供一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的***和一种包括该***的风力发电机，其相对于现有技术中的技术缺陷得到增强。另外，本发明的目标是要提供一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的增强的方法和用于早期错误检测的***的有利使用。
在本发明的一个方面中，提供了一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的***。该***包括第一旋转传感器，其被耦合到驱动齿轮(或传动级)的输入轴。该第一旋转传感器被配置为感测输入轴的旋转的输入角度。另外，该***包括第二旋转传感器，其被耦合到驱动齿轮(或传动级)的输出轴。该第二传感器感测输出轴的输出角度。在输出轴处捕获的输出角度是驱动齿轮对输入角度的响应。
根据本发明的各方面的***还包括控制单元，其被配置为同时捕获第一时间相关信号和第二时间相关信号。第一时间相关信号指示输入角度并且在第一旋转传感器处被采集。第二时间相关信号指示输出轴的输出角度。该信号在第二旋转传感器处被捕获。控制单元还被配置为在考虑了驱动齿轮或传动级的传动比的情况下确定来自第一时间相关信号与第二时间相关信号的时间相关角度差。该时间相关角度差则为：
其中，iDR是驱动齿轮或传动级的反转的传动比。在(没有任何错误的)理想情况下，则被假设为零。与零的偏差能够是小的或较大的，其已经指示传动级的行为。时间相关角度差由控制单元分析，以便执行驱动***的早期错误检测。
有利地，用于早期错误检测的***能够在较早阶段，尤其是在严重损坏的出现之前检测驱动齿轮或传动级中的错误。第一旋转传感器和第二旋转传感器尤其为高分辨率角度传感器。这些能够非常精确地检测驱动齿轮或传动级的输入角度和输出角度。传感器是在时间分辨率和角度分辨率方面的高精度传感器。因此，能够检测到在输入角度与输出角度之间的小变化。
与传统条件监视***相比，根据本发明的方面的用于早期错误检测的***免除用于建立理论输出信号的数值模型，例如其根据***的具体应用能够与实际角度、间距驱动角度相匹配。应用数值模型的条件监视***总是包括关于结果的解释的相当大的不确定性。有利地，根据本发明的方面的***以明显更高水平的可靠性进行操作。
从现有技术中已知的间距驱动监视***通常基于间距角度的命令值与实际值之间的比较。然而，为了检测错误，这些***要求间距驱动***中的初始损坏。有利地，根据本发明的方面的***在明显较早阶段检测错误。能够避免由初始小故障导致的驱动***中的二次损坏。能够优化维护工作，因为及时警告风力发电厂的操作员。
除此之外，根据本发明的方面的用于早期错误检测的***能够在风力发电机的正常操作期间监视驱动的条件。该***有利地免除在一些传统***中要求的人工测试操作。这些强制操作或多或少地扰乱风力发电机中的电力的产生并干扰主控制***。有利地，这能够被避免。根据本发明的方面的用于早期错误检测的***或多或少地自主地工作。其操作独立于驱动的主控制。这简化现有风力发电机的升级。
根据本发明的***基本上可适用于风力发电机的任何驱动***，尤其是可适用于间距驱动***(用于调节转子叶片的间距角度)、机舱驱动***(偏航或方位驱动)和/或主驱动***(驱动风力发电机的主轴)。取决于实际驱动***，旋转传感器被耦合到任何驱动***的输入轴和输出轴。
根据本发明的有利实施例，第一传感器被耦合到驱动电机(例如间距驱动电机)的驱动轴。这驱动驱动齿轮(例如间距驱动齿轮)的输入轴。第二传感器是用于确定由驱动***驱动的组件(例如转子叶片)的角度的角度传感器。许多风力发电机包括用于检测驱动电机的转子角度的旋转传感器。另外，角度传感器通常可用于检测组件(例如机舱或转子叶片(间距))的实际角度。换言之，已经存在于许多风力发电机中的传感器能够被用作第一旋转传感器和第二旋转传感器。有利地，这更进一步地简化现有风力发电机的升级。
在本发明的方面中，控制单元还被配置为执行时间相关角度差的幅度上的谱分析，尤其是阶次跟踪分析(阶次分析)。输入角度可以用作阶次跟踪分析的基础。该阶次跟踪分析得到幅度谱和包络曲线谱。
在各种实验中，已经利用驱动***中的某些错误识别了谱中的特定特征。建立预定特征的收集。这能够被存储在控制单元中的数据库中。多个特征能够包括例如：峰值的某些样式、某些峰值形状或谱的形状、超过特定阈值的峰值或以某些间隔的峰值的组、等等。一个或多个特征或预定特征的组合能够利用特定错误来识别，例如利用轴承故障或轴断裂、驱动齿轮的齿轮损坏、不平衡和/或未对准来识别。
另外，实验披露包络曲线谱尤其指示轴承故障或轴断裂。幅度谱中的某些特征能够利用齿轮的齿轮损坏、不平衡和/或未对准来识别。
在本发明的实施例中，控制单元被配置为将至少一个预定特征与阶次跟踪分析谱中的特征进行匹配。具体地，能够利用包络曲线谱中的特征识别与轴承故障或轴断裂相关的错误。为了确定齿轮的齿轮损坏、不平衡和/或未对准，控制单元将被分配给这些错误之一的至少一个预定特征与幅度谱中的特征进行匹配。
在预定特征中的至少一个与谱中的特征的成功匹配时，由控制单元输出与被分配给所匹配的特征的错误相关的错误消息。
有利地，用于早期错误检测的***不仅能够在很早阶段检测错误而且还能够识别错误的类型。具体地，对于海上风力发电机，这表示有价值的信息。在登记错误消息后，服务技术人员能够收集要被带到海上站点的可能需要的备用部件。由于到海上站点的运输总是昂贵的，所以在没有多余的而是所有必要的备用部件被运输时是有利的。能够预期关于服务支出的节省。
在本发明的另一方面中，提供了一种风力发电机，尤其是海上风力发电机，其具有驱动***，驱动***被装备有根据本发明的方面的用于早期错误检测的***。
已经关于用于早期错误检测的***提到的类似的优点还应用到风力发电机。在本发明的又一方面中，提供了一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的方法。捕获第一时间相关信号，其指示驱动齿轮或传动级的输入轴的旋转的输入角度。同时，捕获第二时间相关信号，其指示驱动齿轮或传动级的输出轴的旋转的输出角度。确定来自第一信号与第二信号的时间相关角度差。分析时间相关角度差以便执行驱动***中的早期错误检测。
根据本发明的有利实施例，旋转的输入角度是驱动电机的转子的旋转的角度。驱动电机驱动驱动齿轮的输入轴。旋转的输出角度是驱动的组件的角度，驱动的组件例如为由驱动***驱动的机舱或转子叶片或任何组件。
在本发明的又一实施例中，分析时间相关角度差的步骤包括执行谱分析，尤其是阶次跟踪分析。这被执行在时间相关角度差的幅度上。阶次跟踪分析采取输入角度作为基础。
将指示特定错误的预定特征与驻存阶次跟踪分析的谱的特征进行匹配。尤其地，阶次跟踪分析披露包络曲线谱。将被分配给与轴承故障或轴断裂相关的错误的至少一个预定特征与包络曲线谱中的特征进行匹配。另外，阶次跟踪分析能够披露幅度谱。将被分配给与齿轮的齿轮故障、不平衡和/或未对准相关的错误的至少一个预定特征与幅度谱中的特征进行匹配。
根据本发明的实施例，在预定特征中的至少一个与谱中的特征的成功匹配时，输出与被分配给所匹配的特征的错误相关的错误消息。
已经参考用于早期错误检测的***提到的相同的或相似的优点还以相同的或相似的方式应用到用于早期错误检测的方法并且因此将不再重复。
附图说明
本发明的另外的方面和特征跟随参考附图的本发明的优选实施例的以下描述，其中：
图1是根据本发明的实施例的简化的海上风力发电机，
图2示意性地图示了根据本发明的另一实施例的用于驱动***中的早期错误检测的***，
图3是图示了根据本发明的又一实施例的用于驱动***中的早期错误检测的方法的流程图，以及
图4是示出了阶次跟踪分析的结果的谱的示例。
具体实施方式
图1是风力发电机2的简化透视图。通过示例，风力发电机2是海上风力发电机。其包括承载转子叶片6的转子毂4。支撑结构8，例如塔，承载机舱(不可见)并且基于海10中的适当的水下基础。每个转子叶片6能够被旋转间距角度间距动作由通常被安装在转子毂4中的间距驱动***执行。机舱能够由方位驱动移动。还存在未示出的其他驱动***。本发明应用到具有驱动电机和驱动齿轮或传动级(stage)的任何驱动***。
在图2中，存在简化的示意性绘图，其图示了用于驱动***中的早期错误检测的***12，驱动***在该实施例中能够为间距驱动***，但是还能够为风力涡轮的任何其他驱动***，尤其是机舱驱动(方位驱动，偏航驱动)***或主驱动***。如果风力发电机2的驱动***包括多个驱动，则至少一些驱动能够根据图2的实施例来配置。驱动包括驱动电机14，例如电机，其具有驱动轴16，驱动轴16被耦合到驱动齿轮20(还能够被称为传动级)的输入轴18。驱动齿轮20能够为例如针对间距驱动的减速行星齿轮。站20的反转的齿轮传动比一般被称为iDR。
在间距驱动***的情况下，间距驱动齿轮20包括承载驱动锥24的输出轴22。驱动锥24被配置为将内部齿轮啮合在风力发电机2的转子叶片6的叶片根部处。这是将转子叶片6旋转间距角度(图1)。
用于驱动***中的早期错误检测的***12包括用于感测旋转的输入角度的第一旋转传感器26。输入角度表示到驱动齿轮20(或传动级20)的输入。仅仅通过举例，第一旋转传感器26被耦合到驱动齿轮20的输入轴18。在备选实施例中，以虚线示出的第一旋转传感器26*被耦合到驱动电机14的驱动轴16。第一旋转传感器26、26*将指示输入角度的信号经由第一数据链路28发送到控制单元30。另外，用于早期错误检测的***12包括第二旋转传感器32，其被耦合到驱动齿轮20的输出轴22。第二旋转传感器32采集输出角度其经由第二数据链路34被发送到控制单元30。数据链路28、34能够根据通常已知的数据通信技术来配置。其能够为有线链路或无线链路。
用于早期错误检测的***12被配置为同时采集针对和的信号。换言之，这些值适用于共同时间尺度。另外，输出角度表示驱动齿轮20的输出，其响应于输入角度而执行。
具体地，第一旋转传感器26和第二旋转传感器32是高精度传感器。这应用到时间尺度上的分辨率并且应用到角度分辨率。
由控制单元30捕获的两个信号是时间相关值。控制单元30被配置为计算来自两个时间相关信号的时间相关角度差仅仅通过举例，角度差能够通过从输入角度减去输出角度来计算。然而，输出角度应当由传动级20的反转的传动比iDR校正。这一般提供以下：由此获得的差是：
在理想情况下，则被假设为零。与零的偏差能够是小的或较大的，其已经指示传动级的行为。然而，也能够应用反映在输入角度与输出角度之间的差的任何其他数学运算。
控制单元30被配置为执行时间相关角度差的幅度的谱分析。具体地，能够在时间相关角度差的幅度上执行阶次跟踪分析。该阶次跟踪分析将输入角度应用作为基础。阶次跟踪分析的谱的示例被示出在图4的简化图中。
阶次跟踪分析包括包络曲线谱42，其以虚线绘制。另外，绘图包括幅度谱44，其被绘制为多个单个点。
各种实验披露，能够分析幅度谱44以获得特性特征，例如超过特定阈值的峰值、规则距离的峰值、特定样式、等等。这些特征指示特定齿轮错误。在特征与错误之间的分配能够被存储在控制单元31中的数据库31中。
除了这个，实验披露，能够在幅度谱44中识别的特征主要指示驱动齿轮20中的齿轮的齿轮损坏、不平衡和/或未对准。
此外，关于特定特征分析包络曲线42。当能够在幅度谱42中识别到某些特征时，各种实际实验披露这些主要指示驱动齿轮20中的轴承故障或轴断裂。
在该分析的上下文内，传感器26、32的高分辨率是相当关键的。这应用到角度分辨率以及时间分辨率。随后，能够检测到在输入角度与输出角度之间的小变化。有利地，这使得***12能够在通常由小的初始损坏导致的严重的二次损坏之前执行早期错误检测。
在图3中，存在图示了根据本发明的实施例的用于风力发电机2的驱动***中的早期错误检测的方法的流程图。
条件监视以第一时间相关信号的采集开始(步骤S1)，第一时间相关信号指示驱动齿轮20的输入轴18的旋转的输入角度同时，捕获第二时间相关信号(步骤S2)。这指示驱动齿轮20的输出轴22的旋转的输出角度随后例如通过从输入角度减去输出角度来确定时间相关角度差同时根据以上方程将输出角度乘以传动比iDR(步骤S3)。执行谱分析。例如，生成阶次谱。能够关于电机的旋转的数量来确定阶次谱，即，谱被指示为旋转频率的倍数的函数。阶次谱还能够被确定为固定旋转角度的倍数的函数。在当前示例中，时间相关角度差Amp中的振荡的幅度被绘图为输入角度(步骤S4)。
示出角度差Amp的幅度作为输入角度的函数的阶次谱的示例被示出在图4中。两个变量以任意单位来绘图。阶次谱包括幅度谱44和包络曲线谱42。
仅仅通过举例，在驱动齿轮20的输入轴18处存在轴承故障。这能够从以规则间隔示出极大值的包络曲线谱42导出。横坐标上的这些极大值之间的距离与输入轴18的输入角度相对应。例如，具有任意数1的输入角度指示输入轴18的单转。包络谱44中的峰值在输入轴18的每个转出现，即，以大约＝1,5-2,5-3,5等等出现。
关于其中的特性特征分析幅度谱44和包络曲线谱42。这些特征能够例如包括超过特定阈值的峰值、以规则的间隔出现的峰值、特性曲线谱、特性曲线形状、等等。控制单元30将数据库31中的预定特征与谱进行匹配。各种实验披露，如果包络曲线谱42包括特定特性特征，则包络曲线谱42给出朝向轴承故障或轴断裂的强指示。换言之，如果能够在包络曲线谱42中识别特定特性特征，则这指示在驱动齿轮20中存在轴承故障或轴断裂。类似地，关于某些特征分析幅度谱44。这些能够当它们出现时利用例如驱动齿轮20中的齿轮的齿轮损坏、不平衡和/或未对准来识别。
在图3的流程图中，同时分析幅度谱(步骤S51)和包络曲线谱(步骤S52)。然而，这能够随后在没有与参考图3解释的原理的实质偏差的情况下来执行。当在幅度阶次谱中识别到特性特征(步骤S61)时，输出指示轴承故障或轴断裂的错误信号(步骤S71)。当在包络曲线谱中识别到特性特征(步骤S62)时，输出指示驱动齿轮20中的齿轮的齿轮牙损坏、不平衡和/或未对准的错误信号(步骤S72)。
当既不能在幅度谱中也不能在包络曲线谱中识别到特性特征时(步骤S61和S62)，问题是是否应当继续条件监视(步骤S8)。当条件监视继续时，该方法遵循分支“是”并返回到步骤S2。如果应当终止条件监视，则早期错误检测的方法在步骤S9中结束。
有利地，根据本发明的各方面的驱动的条件监视能够在风力发电机2的正常操作期间被执行。不要求人工测试动作。因此，***12有利地不干扰标准操作。另外，驱动***中的错误能够在很早阶段，即在***中的严重的二次损坏的出现之前被检测。这将缩短风力发电机2的服务停机时间。用于早期错误检测的***12尤其有利于海上风力发电机。
在有利的实施例中，驱动***是间距驱动***。电机是间距驱动电机，并且驱动齿轮是间距驱动齿轮。驱动的组件则是转子叶片。
尽管上文已经参考具体实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例并且毫无疑问，技术人员将进行在如要求保护的本发明的范围内的另外的备选方案。

Claims (15)

1.一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的***，所述***的特征在于：
a)第一旋转传感器，其被耦合到驱动齿轮或传动级的输入轴以用于感测旋转的输入角度，
b)第二旋转传感器，其被耦合到所述驱动齿轮或传动级的输出轴以用于感测旋转的输出角度，其中，所述输出角度是所述驱动齿轮或传动级的输出，其响应于所述输入角度而执行，
c)控制单元，其被配置为同时捕获针对来自所述第一旋转传感器的所述输入角度的第一时间相关信号和针对来自所述第二旋转传感器的所述输出角度的第二时间相关信号，其中，所述控制单元还被配置为在考虑了所述驱动齿轮或传动级的传动比的情况下确定来自所述第一时间相关信号与第二时间相关信号的时间相关角度差，并且其中，所述控制单元还被配置为分析该时间相关角度差以便执行所述驱动***中的早期错误检测。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述驱动***是以下中的一个：间距驱动***、机舱驱动***、方位或偏航驱动以及主驱动***。
3.根据权利要求1或2所述的***，其中，所述第一传感器被耦合到驱动电机的驱动轴，其驱动所述驱动齿轮的输入轴，并且所述第二传感器是用于确定由所述驱动***驱动的组件的角度的角度传感器。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的***，其中，所述控制单元还被配置为执行所述时间相关角度差的幅度的谱分析，尤其是阶次跟踪分析，其中，所述阶次跟踪分析使用所述输入角度作为基础。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述控制单元被配置为执行阶次跟踪分析，其得到包络曲线谱，并且其中，所述控制单元还被配置为将被分配给与轴承故障或轴断裂相关的错误的至少一个预定特征与所述包络曲线谱中的特征进行匹配。
6.根据权利要求4或5所述的***，其中，所述控制单元还被配置为执行阶次跟踪分析，其得到幅度谱，并且其中，所述控制单元被配置为将至少一个预定特征与所述幅度谱中的特征进行匹配，所述预定特征被分配给与以下中的至少一个相关的错误：齿轮损坏、齿轮的不平衡、齿轮的未对准、滚子轴承损坏、轴损坏。
7.根据权利要求5或6所述的***，其中，在所述预定特征中的至少一个与谱中的特征的成功匹配时，输出与被分配给所匹配的特征的错误相关的错误消息。
8.一种风力发电机，尤其是海上风力发电机，其具有驱动***，所述驱动***被装备有根据前述权利要求中的任一项所述的用于早期错误检测的***。
9.在风力发电机中，尤其是在海上风力发电机中的根据权利要求1至7中的任一项所述的用于驱动***中的早期错误检测的***的使用。
10.一种用于风力发电机的驱动***中的早期错误检测的方法，所述方法的特征在于以下步骤：
a)捕获第一时间相关信号，其指示驱动齿轮或传动级的输入轴的旋转的输入角度，
b)同时捕获第二时间相关信号，其指示所述驱动齿轮或传动级的输出轴的旋转的输出角度，
c)在考虑了所述驱动齿轮或传动级的传动比的情况下确定来自所述第一信号与所述第二信号的时间相关角度差，并且
d)分析所述时间相关角度差以便执行所述驱动***中的早期错误检测。
11.根据权利要求10所述的早期错误检测的方法，其中，旋转的输入角度是对驱动齿轮的输入轴进行驱动的驱动电机的转子的旋转的角度，并且旋转的输出角度是由所述驱动***驱动的组件的角度。
12.根据权利要求10或11所述的早期错误检测的方法，其中，分析所述时间相关角度差的步骤包括执行所述时间相关角度差的幅度的谱分析，尤其是所述时间相关角度差的幅度的阶次跟踪分析，其中，该阶次跟踪分析采用所述输入角度作为基础。
13.根据权利要求12所述的早期错误检测的方法，其中，所述阶次跟踪分析得到包络曲线谱，并且其中，将被分配给与轴承故障或轴断裂相关的错误的至少一个预定特征与所述包络曲线谱中的特征进行匹配。
14.根据权利要求12或13所述的早期错误检测的方法，其中，所述阶次跟踪分析得到幅度谱，并且其中，将至少一个预定特征与所述幅度谱中的特征进行匹配，所述至少一个预定特征被分配给与齿轮损坏、齿轮的不平衡和/或未对准相关的错误。
15.根据权利要求13或14所述的早期错误检测的方法，其中，在所述预定特征中的至少一个与谱中的特征的成功匹配时，输出与被分配给所匹配的特征的所述错误相关的错误消息。
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