本发明涉及监视风力发电装置的状态的状态监视系统和包括该系统的风力发电装置。
背景技术
在风力发电装置中，已知一种状态监视系统(cms)，其利用振动传感器测量诸如主轴的轴承和变速箱的机械部件的振动，并监视机械部件的状态。
这种状态监视系统例如记载在日本专利特开2011-154020(专利文献1)中，其提供一种诊断设置在风力发电装置中的轴承的异常的异常诊断装置。在该异常诊断装置中，使用振动传感器测量轴承的振动波形。然后，计算测量得到的振动波形的有效值，并且通过对测量得到的振动波形执行包络处理来生成振动波形的包络波形。基于振动波形的有效值和包络波形的交流分量的有效值来诊断轴承的异常。该异常诊断装置可以提供准确的异常诊断(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011-154020
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题
风力发电装置设置有例如用于转换由发电机产生的电力的逆变器、在供电和断电之间切换的电磁接触器以及各种液压泵，由这些设备产生的噪声(主要是电磁噪声)叠加在振动传感器的输出信号上。另外，由于风力发电装置通常安装在室外的高处，因此时刻变化的各种无线电波也被接收为噪声。包含噪声的振动数据使得难以准确地估计或预测作为监视目标的机械部件的状态、损坏等。
以往，为振动传感器的输出信号提供硬件或软件形式的各种滤波器(例如，高通滤波器、低通滤波器、通滤波器)以衰减包含噪声分量的特定频带的信号。然而，安装在外部高处的风力发电装置容易受到各种噪声的影响，并且仅利用衰减特定频带中的信号的滤波器难以充分地去除噪声。
本发明是为了解决这样的问题而完成的，其目的在于，在监视风力发电装置的状态的状态监视系统中，获得噪声被充分降低的振动测量数据。
解决问题的技术方案
本发明提供一种监视风力发电装置状态的状态监视系统。状态监视系统包括第一振动传感器、第二振动传感器以及控制器。第一振动传感器安装于作为风力发电装置中的噪声源的机械部件，并且测量机械部件的振动。用于测量由第一振动传感器接收的噪声(背景噪声)的第二振动传感器以不会接收到机械部件的振动的方式安装在风力发电装置中。控制器包括第一处理，该第一处理接收作为第一振动传感器的测量信号的第一信号和作为第二振动传感器的测量信号的第二信号，并将第一信号中减去第二信号而获得的第三信号输出为表示机械部件的振动的数据。
优选地，当第二信号的大小等于或大于表示噪声过大的第一预定值时，控制器禁用第一处理，并且当第二信号的大小小于第一预定值时，控制器执行第一处理。
优选地，控制器还包括第二处理，该第二处理在第二信号的大小小于表示噪声很小的第二预定值时，输出第一信号作为表示机械部件的振动的数据。当第二信号的大小等于或大于第二预定值时，控制器执行第一处理。
进一步优选地，当第二信号的大小等于或大于表示噪声过大的第三预定值时，控制器禁用第一和第二处理。
本发明提供一种风力发电装置，包括上述任一状态监视系统。
发明效果
在本发明中，设置第二振动传感器用于测量由测量机械部件的振动的第一振动传感器接收的噪声(背景噪声)。然后，将作为第一振动传感器的测量信号的第一信号减去作为第二振动传感器的测量信号的第二信号而获得的第三信号输出为表示机械部件的振动的数据。由此获得不包含由第一振动传感器接收的噪声(背景噪声)的振动测量数据。因此，本发明提供了一种在监视风力发电装置的状态的状态监视系统中充分降低了噪声的振动测量数据。
附图说明
图1是示意性示出包括根据本发明第一实施例的状态监视系统的风力发电装置的配置的图。
图2是示出振动检测单元的配置的图。
图3是功能性地示出数据处理器的配置的功能框图。
图4是示出由数据处理器执行的处理的步骤的流程图。
图5是示出第二实施例中由数据处理器执行的处理的步骤的流程图。
图6是示出第三实施例中由数据处理器执行的处理的步骤的流程图。
图7是示出第四实施例中由数据处理器执行的处理的步骤的流程图。
图8是表示变形例中的振动检测单元的结构的图。
具体实施方式
在下文中将参考附图描述本发明的各个实施例。在下文附图中，对相同或相应的部件标注相同的附图标记，并且不再重复其描述。
[第一实施例]
图1是示意性示出包括根据本发明第一实施例的状态监视系统的风力发电装置的配置的图。参照图1，风力发电装置10包括主轴20、叶片30、变速箱40、发电机50、控制台52和电力传输线54。风力发电装置10还包括主轴轴承(下文中简称为“轴承”)60、振动检测单元70和数据处理器80。变速箱40、发电机50、控制台52、轴承60、振动检测单元70和数据处理器80被安装在机舱(nacelle)90内，而机舱90由塔100支承。
主轴20延伸到机舱90中以连接至变速箱40的输入轴并受轴承60的支承而可旋转。主轴20将接收风力的叶片30产生的转矩传递至变速箱40的输入轴。叶片30设置在主轴20的端部，将风力转化成转矩，并且将该转矩传递到主轴20。
轴承60固定在机舱90内并支承主轴20使其可旋转。轴承60由滚子轴承构成，例如由球面滚子轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、或滚珠轴承构成。这些轴承可以是单排也可以是双排。
振动检测单元70安装在轴承60上。振动检测单元70利用固定在轴承60上的振动传感器检测轴承60的振动，检测由该振动传感器接收的背景噪声，并将轴承60的振动和背景噪声的检测值输出到数据处理器80。稍后将详细描述振动检测单元70的具体配置。
变速箱40设置在主轴20和发电机50之间，以增加主轴20的转速并将其输出至发电机50。作为示例，变速箱40由包括行星齿轮、中间轴、高速轴等的齿轮加速机构构成。发电机50与变速箱40的输出轴连接，用从变速箱40接收的转矩发电。发电机50例如由感应发电机构成。
控制台52包括逆变器和电磁接触器(图中未示出)。逆变器将发电机50产生的电力转换成系统的电压和频率，并输出到连接至系统的电力传输线54。电磁接触器连接在逆变器和电力传输线54之间，用于对逆变器输出的电力的通断进行切换。逆变器产生与开关操作有关的噪声(电磁噪声)，电磁接触器在电力的通断切换期间产生噪声(电磁噪声)。换句话说，逆变器和电磁接触器是设置在振动检测单元70中的振动传感器的噪声源。
数据处理器80包括cpu(中央处理单元)、存储处理程序等的rom(只读存储器)、临时存储数据的ram(随机存取存储器)以及用于输入和输出各种信号的输入/输出端口(图中未示出)。数据处理器80从振动检测单元70接收轴承60的振动和背景噪声的检测值，并且通过下面描述的方法在存储在rom中的程序的指令下执行数据处理。由数据处理器80执行的处理不限于软件处理，也可以由专用硬件(电子电路)执行。
在该风力发电装置10中，在振动检测单元70中检测轴承60的振动，并且在数据处理器80中执行用于去除噪声的处理。去除噪声后的振动测量数据被发送到外部服务器(未示出)，并且服务器执行振动分析。
这里，例如，包括在控制台52中的逆变器和电磁接触器以及未示出的液压泵(例如，用于制动主轴20的液压泵、用于改变叶片30的俯仰角的液压泵)对于振动检测单元70是噪声源(电磁噪声源)，并且从这些装置产生的噪声叠加在振动检测单元70的输出信号上。风力发电装置10安装在外部的高处，因此时刻变化的各种无线电波也作为噪声而被接收。当振动测量数据包括这样的噪声时，难以准确地估计或预测作为监视目标的轴承60的状态、损坏等。
以往，为振动传感器的输出信号提供硬件或软件形式的各种滤波器(例如，高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器)以衰减包含噪声分量的特定频带的信号。然而，安装在外部高处的风力发电装置10容易受到各种噪声的影响，并且仅利用衰减特定频带中的信号的滤波器难以充分地去除噪声。
然后，在根据第一实施例的该状态监测系统中，振动检测单元70包括用于测量轴承60的振动的振动传感器(第一振动传感器)和用于测量由第一振动传感器接收的背景噪声的振动传感器(第二振动传感器)。然后，将从作为第一振动传感器的测量信号的第一信号中减去作为第二振动传感器的测量信号的第二信号而获得的第三信号输出为表示轴承60的振动的数据(振动测量数据)。因此，可以获得不包含由第一振动传感器接收的背景噪声的振动测量数据。
图2是示出振动检测单元70的配置的图。参照图2，振动检测单元70包括第一振动传感器110、第二振动传感器120、金属基座114和固定部件130、132。
第一振动传感器110经由金属基座114安装在轴承60上。第一振动传感器110经由金属基座114检测轴承60的振动，并通过信号线112将检测值输出到数据处理器80。第一振动传感器110例如由具有压电元件的加速度传感器构成。金属基座114为第一振动传感器110提供安装面。当第一振动传感器110可以安装成与轴承60的表面牢固地紧密接触时，可以省略金属基座114。
第二振动传感器120是用于测量由第一振动传感器110接收的背景噪声的传感器。第二振动传感器120与轴承60间隔开，从而不会接收到轴承60的振动。为了通过第二振动传感器120尽可能精确地检测由第一振动传感器110接收的背景噪声，第二振动传感器120优选为与第一振动传感器110相同的类型并且设置在第一振动传感器110附近。在第一实施例中，第二振动传感器120使用诸如束线带的固定部件130、132固定在第一振动传感器110上。然后，第二振动传感器120通过信号线122将检测信号输出到数据处理器80。
图3是功能性地示出数据处理器80的配置的功能框图。参照图3，数据处理器80包括滤波器单元210、220、数据处理单元230和传输单元240。
滤波器单元210接收第一振动传感器110的检测信号，使接收到的检测信号中预定的特定频带的分量通过，并衰减其他频带中的分量。滤波器单元220接收第二振动传感器120的检测信号，使接收到的检测信号的预定的特定频带的分量通过，并衰减其他频带中的分量。作为示例，滤波器单元210、220包括高通滤波器，使高于预定频率的信号分量通过，截止低频分量。尽管优选的是提供具有降噪效果的滤波器单元210、220，但是滤波器单元210、220不是本发明中的必要元件。
数据处理单元230接收滤波器单元210的输出信号(下文中称为“测量信号a”)和滤波器单元220的输出信号(下文中称为“测量信号b”)。即，测量信号a是检测轴承60的振动的第一振动传感器110的测量信号，测量信号b是测量背景噪声的第二振动传感器120的测量信号。然后，数据处理单元230通过从测量信号a减去测量信号b来计算用于分析轴承60的振动的振动测量数据c，并将计算出的振动测量数据c输出到发送单元240。
发送单元240通过无线电将从数据处理单元230接收的振动测量数据c发送到在地面上用于进行状态分析的服务器(未示出)。因此，服务器可以基于振动测量数据c分析轴承60的振动。虽然未示出，但是也可以在数据处理器80中执行基于振动测量数据c的轴承60的振动分析。
图4是示出由数据处理器80执行的处理的步骤的流程图。该流程图中所示的处理以预定间隔或在满足预定条件时从主流程调用执行。
参照图4，数据处理器80获取第一振动传感器110的测量信号a和第二振动传感器120的测量信号b(步骤s10)。随后，数据处理器80通过从第一振动传感器110的测量信号a中减去第二振动传感器120的测量信号b来计算振动测量数据c(步骤s20)。由此获得振动测量数据c，其不包含由测量轴承60的振动的第一振动传感器110接收的背景噪声。然后，数据处理器80将计算出的振动测量数据c发送到外部服务器(振动分析用服务器)(步骤s30)。
如上所述，在本第一实施例中，设置第二振动传感器120用于测量由测量轴承60的振动的第一振动传感器110接收的背景噪声。然后，将通过从第一振动传感器110的测量信号a减去第二振动传感器120的测量信号b而获得的信号作为表示轴承60的振动的振动测量数据c而输出。由此获得不包含由第一振动传感器110接收的背景噪声的振动测量数据。因此，第一实施例提供了充分降低噪声的振动测量数据。
[第二实施例]
第一实施例可以提供理论上不包含由第一振动传感器110接收的背景噪声的振动测量数据。然而实际上，例如由于第一振动传感器110和第二振动传感器120的性能差异和安装条件，可能难以完全去除噪声。在第二实施例中，当由第二振动传感器120检测到的背景噪声过大时，禁止实施振动测量数据c的计算以及向服务器的发送。
第二实施例中的风力发电装置10的整体构造与图1中所示的第一实施例相同。
图5是示出第二实施例中由数据处理器80执行的处理的步骤的流程图。该流程图中所示的处理同样以预定间隔或在满足预定条件时从主流程调用执行。
参照图5，数据处理器80获取第一振动传感器110的测量信号a和第二振动传感器120的测量信号b(步骤s110)。随后，数据处理器80判断测量信号b是否等于或大于预定阈值sth1(步骤s120)。该阈值sth1是用于判断背景噪声是否过大的值，例如通过预先获取和评估设备中的数据来适当地设置。
如果在步骤s120判断测量信号b小于阈值sth1(步骤s120为否)，则数据处理器80进入步骤s130。步骤s130和s140与图4所示的流程图中的步骤s20和s30相同，不再重复其描述。
另一方面，如果在步骤s120判断测量信号b等于或大于阈值sth1(步骤s120为是)，则数据处理器80不执行步骤s130和s140，并且返回处理。也就是说，在这种情况下，判断出背景噪声过大，不执行振动测量数据c的计算和向服务器的传输。
如上所述，根据第二实施例，当由第二振动传感器120检测到的背景噪声过大时，不执行振动测量数据c的计算和向服务器的传输，从而能够使用受噪声影响较小的数据进行准确的振动分析。
[第三实施例]
在第三实施例中，当由第二振动传感器120检测到的背景噪声很小时，第一振动传感器110的测量信号a被直接用作为表示轴承60的振动的振动测量数据c。
第三实施例中的风力发电装置10的整体构造也与图1中所示的第一实施例相同。
图6是示出第三实施例中由数据处理器80执行的处理的步骤的流程图。该流程图中所示的处理同样以预定间隔或在满足预定条件时从主流程调用执行。
参照图6，数据处理器80获取第一振动传感器110的测量信号a和第二振动传感器120的测量信号b(步骤s210)。随后，数据处理器80判断测量信号b是否等于或大于预定阈值sth2(sth2<sth1)(步骤s220)。该阈值sth2是用于判断背景噪声是否小到可忽略的值，例如通过预先获取和评估设备中的数据来适当地设置。
如果测量信号b等于或大于阈值sth2(步骤s220为是)，则数据处理器80进入步骤s230。步骤s230和随后的步骤s250分别与图4所示的流程图中的步骤s20和s30相同，不再重复其描述。
另一方面，如果在步骤s220判断测量信号b小于阈值sth2(步骤s220为否)，则数据处理器80将第一振动传感器110的测量信号a设置为振动测量数据c(步骤s240)。也就是说，如果由第二振动传感器120检测到的背景噪声很小，则将第一振动传感器110的测量信号a直接用作振动测量数据c。
如上所述，根据第三实施例，当背景噪声很小时，不执行从第一振动传感器110的测量信号a减去第二振动传感器120的测量信号b的处理，从而防止不必要地执行处理。
[第四实施例]
该第四实施例是前述第二和第三实施例的组合。在该第四实施例中，当由第二振动传感器120检测到的背景噪声过大时，禁止实施振动测量数据c的计算以及向服务器的传输。当背景噪声很小时，将第一振动传感器110的测量信号a直接用作振动测量数据c，并且当背景噪声不是很小也不过大时，通过将从测量信号a减去测量信号b而获得的信号计算为振动测量数据c。
第四实施例中的风力发电装置10的整体构造与图1中所示的第一实施例相同。
图7是示出第四实施例中由数据处理器80执行的处理的步骤的流程图。该流程图中所示的处理同样以预定间隔或在满足预定条件时从主流程调用执行。
参照图7，步骤s310和s330～s360分别是与图6中所示的步骤s210至s250相同的处理。在该流程图中，当在步骤s310获取第一振动传感器110的测量信号a和第二振动传感器120的测量信号b时，数据处理器80判定测量信号b是否等于或大于预定阈值sth1(步骤s320)。
如果在步骤s320判定测量信号b等于或大于阈值sth1(步骤s320为是)，则数据处理器80不执行后续处理，并且返回处理。也就是说，在这种情况下，确定背景噪声过大，不执行振动测量数据c的计算和向服务器的传输。
另一方面，如果在步骤s320判定测量信号b小于阈值sth1(步骤s320为否)，则数据处理器80进入步骤s330。如前所述，步骤s330之后的处理与图6所示的步骤s220之后的处理相同，不再重复其描述。
如上所述，第四实施例实现了与第二实施例和第三实施例相同的效果。
[变形例]
在前述实施例中，第二振动传感器120与轴承60间隔开，从而不会从轴承60接收到轴承60的振动，并且使用诸如束线带的固定部件130、132固定在第一振动传感器110上(图2)。然而，第二振动传感器120的安装方法不限于这种方式。例如，第二振动传感器120可以经由用于吸收轴承60的振动的部件安装在作为测量目标的轴承60上。
图8是表示变形例中的振动检测单元70#的结构的图。参照图8，在振动检测单元70#中，用于测量由第一振动传感器110接收的背景噪声的第二振动传感器120经由振动吸收部件140安装在轴承60上。振动吸收部件140是用于吸收轴承60的振动的部件，由例如橡胶或弹性体部件构成。
在前述实施例和变形例中，在振动检测单元70中测量轴承60的振动。然而，作为振动测量目标的机械部件不限于轴承60，可以是变速箱40或发电机50，或者可以是轴承60以外的轴承。
这里公开的实施方式应该在各方面被视为是说明性的而非限制性的。本发明的范围并不由前文的说明示出而是由权利要求示出，并且旨在包括与权利要求等同的含义和范围内的所有修改。
标号说明
10风力发电装置，20主轴，30叶片，40变速箱，50发电机，52控制台，54电力传输线，60轴承，70、70#振动检测单元，80数据处理器，90机舱，100塔，110第一振动传感器，112、122信号线，120第二振动传感器，114金属基座，130、132固定部件，140振动吸收部件，210、220滤波器单元，230数据处理单元，240发送单元。