JP6577394B2 - 風力発電設備の異常診断装置 - Google Patents
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Description
風力発電設備には、上記のように主軸、増速機及び発電機といった回転機器を有しており、これらの機器の異常を診断する方法として、振動センサを用いた診断方法が提案されている。
特許文献1のものは、「転がり軸受の振動波形を測定するための振動センサと、前記転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備え、前記処理部は、前記振動センサを用いて測定された前記振動波形の実効値を算出する第1の演算部と、前記振動センサを用いて測定された前記振動波形にエンベロープ処理を行なうことによって前記振動波形のエンベロープ波形を生成するエンベロープ処理部と、前記エンベロープ処理部によって生成された前記エンベロープ波形の交流成分の実効値を算出する第2の演算部と、前記第1の演算部によって算出された前記振動波形の実効値および前記第2の演算部によって算出された前記エンベロープ波形の交流成分の実効値に基づいて前記転がり軸受の異常を診断する診断部とを含む、転がり軸受の異常診断装置。」(請求項1参照)である。
このような風力発電設備において機械系の異常(ガタ)が生じた場合、カットイン、カットアウトとの関係で振動波形に変化が生ずるが、特許文献1、2においてはこの点を考慮しておらず、ガタの発生を正確に診断することができない。
診断対象となる機器の振動に関するデータと発電開始(カットイン)に関する情報を収集するデータ収集装置と、該データ収集装置で収集されたデータに基づいて機器の異常の有無を診断する診断装置とを備え、
前記データ収集装置は、前記制御盤から発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路と、前記主軸受と、前記増速機の入側と、該増速機の出側と、前記発電機の入側の4箇所において、それぞれ直交位置に設置された少なくとも8個の振動センサと、前記カットイン判断回路からの発電開始情報に基づいて前記振動センサにおける発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリング処理回路を有し、
前記診断装置は、前記データ収集装置で収集された情報に基づいて、ガタ発生の有無を判断する判定手段を有し、
該判定手段は発電開始前後の振動波形を比較して発電開始前の振動波形が発電開始後の振動波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前後の所定時間の振動波形の指定周波数成分の総和が予め設定した差以上であることでガタが発生していると判定することを特徴とするものである。
前記診断装置は、前記データ送信手段によって送信されたデータを受信するデータ受信部を備えたことを特徴とするものである。
前記データ収集装置は、前記制御盤から発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路と、前記主軸受と、前記増速機の入側と、該増速機の出側と、前記発電機の入側の4箇所において、それぞれ直交位置に設置された少なくとも8個の振動センサと、前記カットイン判断回路からの発電開始情報に基づいて前記振動センサにおける発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリング処理回路を有し、前記診断装置は、前記データ収集装置で収集された情報に基づいて、ガタ発生の有無を判断する判定手段を有し、
該判定手段は発電開始前後の振動波形を比較して発電開始前の振動波形が発電開始後の振動波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前後の所定時間の振動波形の指定周波数成分の総和が予め設定した差以上であることでガタが発生していると判定するようにしたので、カットイン、カットオフという特殊な動作をする風力発電設備において、機械系の異常(ガタ)発生を的確に診断することができる。
そして、異常診断装置1は、ナセル内に設置されてデータの収集を行うデータ収集装置13と、インターネット回線を介してデータ収集装置13で収集されたデータを受信し、受信したデータに基づいて診断を行う診断装置15を備えている。
以下、各装置について詳細に説明する。
データ収集装置13は、主軸受6と、増速機7の入側と、増速機7の出側と、発電機9の入側と、発電機9の出側との5箇所に設置された振動センサ17を有している。4箇所のそれぞれにおいては、水平方向(H方向)と垂直方向(V方向)の2箇所に振動センサ17が設けられているので、振動センサ17は合計10個設けられている(図1参照)。
アナログ回路19は、積分回路、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタなどを備えて構成される。
診断装置15は、図1に示すように、インターネット回線を介して送信されるデータを受信する通信制御手段29と、記憶されている解析プログラム(振動波形解析プログラム31、3次元周波数解析プログラム33)を読み出して、データ収集装置13から送信されたデータに基づいて振動波形解析及び3次元周波数解析を行う解析手段35と、解析手段35の解析結果及びカットイン判断回路18の発電開始に関する情報に基づいて機械系の異常(ガタ)発生の有無を判定する判定手段36とを備えている。
なお、診断装置15が振動波形解析プログラム31及び3次元周波数解析プログラム33以外の解析プログラムを有している場合を排除するものではない。
解析手段35が行う振動波形解析と3次元周波数解析について説明する。
《振動波形解析》
前述したように、風力発電設備11は一定風速以上になると発電を開始し(カットイン)、風速が大きくなりすぎると危険防止のために発電を中止する(カットアウト)という特殊な動作を行う。
図3は、図2に示したa(発電機反負荷側)、b(発電機負荷側)、c(増速機出力側)、d(増速機入力側)の4箇所で測定した加速度(Acc.)波形と速度(Vel.)波形を示したものであり、横軸が経過時間で縦軸が振動波形の振幅を示している。なお、図3では主軸受6に設置した振動センサからの振動波形の解析結果を載せていないので、図2においては当該部位の位置を示していない。
横軸には、装置の起動、カットイン(発電開始時)、カットアウト(発電停止時)、及び装置の起動と停止の各タイミングを矢印で示してある。
また、今回解析の対象としたのはカットインの前後12秒の間であることから、当該領域を示してある。
一方、カットイン後にはこのピーク振動波形が小さくなり、振動速度レベルも減少している。
このように、カットインの前後においてピーク振動波形の振幅に大きな差が生ずる場合、当該部位の機械系に摩耗によるガタがある可能性がある。
機械系にガタがある場合、ガタがある回転軸の回転周波数とその高調波成分が発生することが知られている。風車の場合、低速軸の回転周波数は数Hz程度の低周波であり、1次の回転周波数だけに着目しようとしても、主軸受の振れ回り振動成分や増速機低速軸側の遊星歯車のギヤ噛み合い周波数など、複数の低周波数成分が複合されているため、分別することは困難である。
そこで、1次成分に着目せず、その高調波成分に着目することで、どの軸受部のガタであるかを確実に判定することができる。
カットイン前で低速回転系の回転周波数成分の逓数倍の周波数が顕著に現われており、低速回転系に異常(ガタ)があることが解る。逆に20Hz以下の低周波領域では、あらゆる周波数成分が重畳しており、何の成分が含まれているか分別が困難であることもわかる。
このように、高調波成分に着目した3次元周波数解析を行うことで、ガタ発生の有無を確実に知ることができる。
判定手段は、解析手段の解析結果を用いて以下のように判定する。
発電開始(カットイン)前後の振動波形を比較して発電開始前の振動波形が発電開始後の振動波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前後の所定時間の振動波形の指定周波数成分の総和が予め設定した差以上であることの2つの条件が成立したときにガタが発生していると判定する。
指定周波数とは、主軸回転周波数、増速機遊星歯車出力軸回転周波数、増速機1段軸回転周波数、増速機2段回転周波数などを指す。
また、予め定めた差の例としては、例えば加速度ピーク値で2倍以上などの設定を行う。
3 ブレード
5 主軸
6 主軸受
7 増速機
9 発電機
10 制御盤
11 風力発電設備
13 データ収集装置
15 診断装置
17 振動センサ
18 カットイン判断回路
19 アナログ回路
21 A/D変換回路
23 サンプリング処理回路
25 記憶手段
27 データ送信手段
29 通信制御手段
31 振動波形解析プログラム
33 3次元周波数解析プログラム
35 解析手段
36 判定手段
Claims (2)
- 風力によって回転するブレードと、該ブレードに連結された主軸を回転可能に支持する主軸受、前記主軸に連結されて主軸の回転を増速する増速機、該増速機の出力軸に接続される発電機、及び少なくとも該発電機の発電開始に関する制御する制御盤を備えた風力発電設備に設けられて機器の異常を診断する風力発電設備の異常診断装置であって、
診断対象となる機器の振動に関するデータと発電開始(カットイン)に関する情報を収集するデータ収集装置と、該データ収集装置で収集されたデータに基づいて機器の異常の有無を診断する診断装置とを備え、
前記データ収集装置は、前記制御盤から発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路と、前記主軸受と、前記増速機の入側と、該増速機の出側と、前記発電機の入側の4箇所において、それぞれ直交位置に設置された少なくとも8個の振動センサと、前記カットイン判断回路からの発電開始情報に基づいて前記振動センサにおける発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリング処理回路を有し、
前記診断装置は、前記データ収集装置で収集された情報に基づいて、ガタ発生の有無を判断する判定手段を有し、
該判定手段は、発電開始前後の速度波形を比較して発電開始前の速度波形が発電開始後の速度波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前の所定時間の速度波形の指定周波数の高調波成分の総和と、発電開始後の所定時間の速度波形の指定周波数の高調波成分の総和との差が予め設定した値以上であること、でガタが発生していると判定することを特徴とする風力発電設備の異常診断装置。 - 前記データ収集装置は、サンプリングしたデータを外部に送信するデータ送信手段を有し、
前記診断装置は、前記データ送信手段によって送信されたデータを受信するデータ受信部を備えたことを特徴とする請求項1記載の風力発電設備の異常診断装置。
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