专利名称：风机载荷的测量装置、系统和风机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风机载荷的测量装置、系统和风机 控制系统。
背景技术：
风力发电机组(以下简称风机)的叶片根部截面和塔架各法兰截面的载荷是其设计和认证的重要依据，用于评估风机长期服役安全、故障预测与诊断。由于风机系统的复杂性、外部环境不可预测性以及仿真分析模型可能存在缺陷和不确定因素，因此需要通过测试来验证载荷，IEC61400-13标准对载荷测试内容进行了明确的规定。由于风机的叶片根部截面和塔架各法兰截面的载荷巨大，因此还没有成熟、精确的专项测试技术。目前，Wintest和Moog分别采用电阻应变计和光纤应变传感器对载荷进行测量，电阻应变计和光纤应变传感器均可以在距离叶片根部I. 5m处或塔筒的内壁表面沿轴向90°均匀分布，从而测量出叶片根部和塔架的载荷。图7为现有技术中电阻应变计的应用示意图，图8为图7中B-B向剖视图，如图7和图8所示，在被测部件12的内壁上粘贴电阻应变计Rl、R2、R3和R4，Rl、R2、R3和R4分别位于被测部件12圆周上的四等分处，且Rl、R2、R3和R4沿轴线方向粘贴于被测部件12的内壁上。被测部件12可以为叶片或者塔架，当被测部件12为叶片时电阻应变计可粘贴于叶片根部。需要说明的是图7中为清楚的表达出电阻应变计的结构，在画出粘贴于内壁上的R3之外还同时画出了 R3的平面结构图，即图7中R3这一标号所指的图形。图9为图7中电阻应变计通过全桥或者半桥进行载荷测量的示意图，如图9所示，若通过
全桥测量载荷时，载荷函数为 若通过半桥测量时，载荷函数为
其中，Δυ。为电阻·应7变计的输出信号，Ui为电阻·应变i十的输Λ 言
号，k为电阻应变计中应变片的灵敏系数，r为应变测量点与圆心的距离，E为被测部件的材料弹性模量，W为测量截面的抗弯截面模量。由于作用在测量截面的载荷可沿坐标系的X轴和Y轴分解为Mx和My，因此上述载荷函数中的i =x，y。则上述载荷函数中，系数Ci可包括(；和(；為可包括凡和乂。在已知AUt^PCi的前提下，可通过载荷函数计算出载荷Mi,其中，AU。由电阻应变计测量获得，而Cx和Cy需要通过现场加载标定的方式获得。现有技术中还可以通过光纤应变传感器进行风机载荷的测量。光纤应变传感器大致可分为分布型光纤应变传感器和多点型光纤应变传感器，多点型光纤应变传感器的测试精确度明显高于分布型光纤应变传感器，故在风机载荷测量时通常采用多点型光纤应变传感器测试测量点的应变，并通过应变推导出载荷。典型的多点型光纤应变传感器为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,以下简称FBG)结构。光纤应变传感器能够反射特定波长的光并能通过其它波长的光，当光纤应变传感器部分受到应变时，周期即波长也发生改变，反射波长与应变成比例，即通过测量波长的变化可计算出应变大小。图10为现有技术中光纤应变传感器的应用示意图，图11为图9中C-C向剖视图，如图10和图11所示，在被测部件12的内壁上粘贴FBGl、FBG2、FBG3和FBG4, FBGl、FBG2、FBG3和FBG4分别位于被测部件12圆周上的四等分处，且FBG1、FBG2、FBG3和FBG4沿轴线方向粘贴于被测部件12的内壁上。需要说明的是图10中为清楚的表达出光纤应变传感器的结构，在画出粘贴于内壁上的FBG3之外还同时画出了 FBG3的平面结构图，即图10中FBG3这一标号所指的图形。则通过光纤应变传感器测量载荷的载荷函数为Mi = Cifbg · Δ λ i，其中，Λ λ i为FBG输出的波长变化值，CiFBe为弯矩系数。由于作用在测量截面的载荷可沿坐标系的X轴和Y轴分解为Mx和My,因此上述载荷函数中的i = x,y。则上述载荷函数中，系数CiFBe包括Cxfm和CyFBG, Mi可包括虬和乂。在已知Δ λ i和CiFBe的前提下,可通过载荷函数计算出载荷Mi,其中，Λ λ i由FBG测量获得，而Cxfm和CyFBe需要通过现场加载标定的方式获得。目前现场加载标定的方式可以包括重力标定或者外载标定。重力标定就是利用风机部件中心位置的变化实现电阻应变计的弯矩加载，但是由于部件质量、重心位置都很难精确测定，因此标定精确度差(大于10%);外载标定需要大吨位吊车和载荷作用连接装置，现场施工难度和风险都很大，且费用高、效率低、加载方向也很难精确控制。综上所述，现有技术中无论通过电阻应变计还是光纤应变传感器测量风机载荷，电阻应变计和光纤应变传感器均是现场直接粘贴于风机上的，并且需要现场对电阻应变计和光纤应变传感器进行标定，由于现场技术条件的限制，加载标定过程中加载方向和大小都很难精确控制，因此加载标定精确度较低，这导致通过现场加载标定获得的系数具有较大误差，造成得出的载荷精确度较低，从而降低了载荷的测量精确度。
发明内容
本发明提供一种风机载荷的测量装置、系统和风机控制系统，用以提高载荷的测
量精确度。为实现上述目的，本发明提供一种风机载荷的测量装置，包括测力环和至少二个测量传感器，所述测力环设置于风机的被测部件的断开截面处，所述测量传感器设置于所述测力环上；所述测量传感器，用于测量出测量信号，所述测量信号用于生成载荷。可选地，所述测力环的外形与所述被测部件的外形相同。可选地，所述测力环与所述被测部件通过固定连接方式连接，其中，固定连接方式包括法兰螺栓方式、焊接方式、铆接方式、粘接方式或者混凝土连接方式。可选地，所述测量传感器设置于所述测力环的内壁上。可选地，所述测量传感器的数量为四个，该四个测量传感器分别位于所述测力环圆周上的四等分处。可选地，所述测量传感器包括传感器敏感元件、第一传感器连接端和第二传感器连接端，所述传感器敏感元件位于所述第一传感器连接端和所述第二传感器连接端之间且分别与所述第一传感器连接端和所述第二传感器连接端连接，所述测力环设置有第一测力环连接端和第二测力环连接端，所述第一测力环连接端和所述第一传感器连接端连接，所述第二测力环连接端和所述第二传感器连接端连接。可选地，所述传感器敏感元件的中心位于测试截面上，所述第一传感器连接端的某一截面位于第一端面截面上，所述第二传感器连接端的某一截面位于第二端面截面上，所述第一端面截面与所述第二端面截面位于所述测试截面的两侧且相对设置。可选地，所述测量信号包括位移信号或者载荷信号。
可选地，所述被测部件包括叶片或者塔架。为实现上述目的，本发明还提供了一种风机载荷的测量系统，包括风机载荷的测量装置和数据处理模块，所述风机载荷的测量装置包括测力环和至少二个测量传感器，所述测力环设置于风机的被测部件上，所述测量传感器设置于所述测力环上；所述测量传感器，用于测量出测量信号，并将所述测量信号输出至所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于根据所述测量信号生成载荷。为实现上述目的，本发明还提供了一种风机控制系统，包括风机载荷的测量系统和主控制器，风机载荷的测量系统包括风机载荷的测量装置和数据处理模块；所述风机载荷的测量装置，用于测量出测量信号，并将所述测量信号输出至所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于根据所述测量信号生成载荷，并将所述载荷输出至所述主控制器；所述主控制器，用于根据所述载荷对风机进行控制。可选地，所述风机控制系统还包括状态监测模块，所述风机载荷的测量系统还包括数据接口，所述状态监测模块通过数据接口与所述数据处理模块连接；所述数据处理模块还用于通过所述数据接口将所述载荷输出至所述状态监测模块；所述状态监测模块，用于根据所述载荷对所述风机进行监测。本发明具有以下有益效果本发明提供的技术方案中，风机载荷的测量装置包括测力环和测量传感器，测力环设置于风机的被测部件的断开截面处，测量传感器设置于测力环上测量出测量信号，该测量信号用于生成载荷，本发明中由于测量传感器是设置于测力环上的，而非直接粘贴于风机上，因此该测量装置可在实验室完成加载标定，而无需现场进行加载标定，提高了加载标定的精确度，从而提闻了载荷的测量精确度。
图I为本发明实施例一提供的一种风机载荷的测量装置的结构示意图；图2为图I中A-A向剖视图；图3为本实施例中弯曲式测量传感器的平面示意图；图4a为本实施例中弯曲式测量传感器的平面示意图4b为图4a中弯曲式测量传感器的变形示意图；图5为本发明实施例二提供的一种风机载荷的测量装置的结构示意图；图6为本发明实施例四提供的一种风机控制系统的结构示意图；图7为现有技术中电阻应变计的应用示意图；图8为图7中B-B向剖视图9为图7中电阻应变计通过全桥或者半桥进行载荷测量的示意图；图10为现有技术中光纤应变成传感器的应用示意图；图11为图10中C-C向剖视图。
具体实施例方式为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的风机载荷的测量装置、系统和风机控制系统进行详细描述。图I为本发明实施例一提供的一种风机载荷的测量装置的结构示意图，图2为图I中A-A向剖视图，图3为图I中风机载荷的应用示意图，如图I、图2和图3所示，该风机载荷的测量装置包括测力环5和至少二个测量传感器，测力环5设置于风机的被测部件15的断开截面上，测量传感器设置于测力环5上。测量传感器用于测量出测量信号，该测量信号可用于生成载荷。具体地，可将该测量信号输出至数据处理模块，以供数据处理模块根据测量信号生成载荷。当需要对被测部件15的某一截面进行载荷的测量时，可将被测部件15从该截面处断开，被测部件15断开的截面为断开截面，此时如图3所示，被测部件15从断开截面处被断开为两部分，而测力环5设置于被断开的两部分被测部件15之间，即测力环5设置于被测部件15的断开截面处。其中，断开截面可以为被测部件15的任意截面。测力环5设置于被测部件15的断开截面时，可同时起到将断开的两部分被测部件15连接的作用，从而使得该测力环5成为被测部件15整体的一部分。测力环5与被测部件15通过固定连接方式连接，其中，固定连接方式包括焊接方式、铆接方式、粘接方式或者混凝土连接方式。换言之，测力环5与被测部件15可通过焊接方式、铆接方式、粘接方式或者混凝土连接方式连接。上述焊接方式、铆接方式、粘接方式和混凝土连接方式均为固定连接方式，从而可以使测力环5牢固且可靠的设置于被测部件上。在上述连接方式中，铆接方式和粘接方式均为可拆卸连接方式，从而可以方便对测力环5进行拆卸。测力环5的外形与被测部件15的外形相同，换言之，测力环5的外形与被测部件15的外形是相匹配的，从而使得测力环5能够安装于被测部件15的断开截面处。例如当被测部件15为筒状结构时，也就是说，被测部件15的截面为圆形时，为配合被测部件15的外形，测力环5可以为圆环，这样测力环5的外形与被测部件15的外形相同，从而使得测力环5的外形与被测部件15的外形相同。且测力环5截面的尺寸与被测部件15的断开截面的尺寸相匹配，以便于测力环5能够更加精确的安装于被测部件15的断开截面处。其中，被测部件15可以包括叶片或者塔架。当需要测量叶片的载荷时，可以将测力环5安装于叶片的断开截面处；当需要测量塔架的载荷时，可以将测力环5安装于塔架的断开截面处。测量传感器可设置于测力环5的内壁或者外壁上。本实施例中，优选地，测量传感器设置于测力环5的内壁上。如图2所示，测量传感器的数量优选为四个且四个测量传感器分别位于测力环5圆周上的四等分处。其中，四个测量传感器分别为测量传感器I、测量传感器2、测量传感器3和测量传感器4，测量传感器I、测量传感器2、测量传感器3和测量传感器4分别位于测力环5圆周上的四等分处。为清楚的表示出四个测量传感器的位置，在图2中画出坐标系，其中，X轴和Y轴的坐标原点O位于测力环5的的圆心处，测量传感器I和测量传感器3相对设置且均位于X轴上，测量传感器2和测量传感器4相对设置且均位于Y轴上。在实际应用中，测量传感器的数量不限于4个还可以采用大于2个的其它任意数量个，测量传感器在测力环5上的位置也可以任意设置，可采用均布或者非均布方式设置于测力环5上。优选地测量传感器和测力环之间需要满足定位精确以及测量传感器之间需要满足互换装配原则，从而使得测量传感器实现载荷沿坐标系X轴和Y轴分解解耦 和精确测量。下面以测量传感器I为例对测量传感器的具体结构和测量传感器与测力环的连接方式进行详细描述。测量传感器I包括传感器敏感元件6、第一传感器连接端7和第二传感器连接端8，传感器敏感元件6位于第一传感器连接端7和第二传感器连接端8之间且传感器敏感元件6分别与第一传感器连接端7和第二传感器连接端8连接。测力环5上设置有第一测力环连接端9和第二测力环连接端10，优选地，第一测力环连接端9、第二测力环连接端10与测力环5 —体成型。图I至图3中，第一测力环连接端9和第二测力环连接端10均设置于测力环5的内壁上。在实际应用中，若测量传感器可设置于测力环5的外壁上时，第一测力环连接端9和第二测力环连接端10均设置于测力环5的外壁上，此种情况不再具体画出。第一测力环连接端9和第一传感器连接端7连接，第二测力环连接端10和第二传感器连接端8连接。本实施例中，第一测力环连接端9和第一传感器连接端7可通过机械加工的方式实现机械固定连接，具体地，第一测力环连接端9和第一传感器连接端7可通过精确定位装置进行定位并通过螺栓连接或者铆接等方式进行可拆卸的固定连接；第二测力环连接端10和第二传感器连接端8可通过机械固定连接的方式进行连接，具体地，第二测力环连接端10和第二传感器连接端8可通过精确定位装置进行定位并通过螺栓连接或者铆接等方式进行可拆卸的固定连接。可选地，第一测力环连接端9和第一传感器连接端7还可通过焊接或者粘接等可靠连接方式进行连接，第二测力环连接端10和第二传感器连接端8可通过焊接或者粘接等可靠连接方式进行连接。本实施例中，其余测量传感器的具体结构以及测量传感器与测力环的连接方式均与测量传感器I相同，此处不再一一描述。其中，当第一测力环连接端9和第一传感器连接端7通过可拆卸的固定连接方式进行连接，以及第二测力环连接端10和第二传感器连接端8通过可拆卸的固定连接方式进行连接时，当测力环5上安装的测量传感器出现问题时，可方便的对测量传感器进行更换，无需更换整个测量装置。如图I和图3所示，传感器敏感元件6的中心位于的测试截面上，第一传感器连接端7的某一截面位于第一端面截面上，第二传感器连接端8的某一截面位于第二端面截面上，第一端面截面与第二端面截面位于测试截面的两侧且相对设置。本实施例中，测力环5可传递被测部件15的载荷，测量传感器可通过测量第一端面截面和第二端面截面之间的相对位移变化而得出测量信号，换言之，测量传感器可通过测量第一传感器连接端7和第二传感器连接端8中间的相对位移变化而得出测量信号。本实施例中，测量信号可包括位移信号或者载荷信号。在测量传感器进行测量的过程中，测量传感器中的传感器敏感元件6会发生变形，其变形的方式包括拉压、弯曲、扭转或其任意组合。相应地，根据传感器敏感元件6变形方式的不同，测量传感器可包括拉压式测量传感器、弯曲式测量传感器或者扭转式测量传感器。若测量信号为位移信号，测量传感器可测量位移或者变形；若测量信号为载荷信号时，测量传感器可测量拉压、弯曲或者扭转等载荷。下面通过图4a和图4b以弯曲式测量传感器为例对测量传感器的变形过程进行详细描述。图4a为本实施例中弯曲式测量传感器的平面示意图，图4b为图4a中弯曲式测量传感器的变形示意图。如图4a所示，第一传感器连接端7和第二传感器连接端8之间未发生相对位移变化，因此传感器敏感元件6未发生变形。如图4b所示，第一传感器连接端7和第二传感器连接端8之间发生了相对位移变化，因此传感器敏感元件6发生了弯曲变形。本实施例中，数据处理模块可以采用风机中原有的的数据处理模块，或者也可以是为实现测量载荷这一功能而单独设置的数据处理模块。数据处理模块在接收到测量传感器输出的测量信号后，可对该测量信号进行计算处理生成载荷。该载荷可包括X轴载荷和Y轴载荷。根据力的正交原理，可将作用在被测部件的载荷Mxy沿坐标系(参考GL规范)分解成X轴载荷Mx和Y轴载荷Mr，My = Mxy · sin Θ，Mx = Mxy · cos Θ，其中，Θ为弯矩方向与X轴之间的夹角。具体地，数据处理模块可根据载荷函数公式对测量信号进行计算处理生成载荷。以本实施例中风机载荷的测量装置包括四个测量传感器为例，载荷函数公式可以为
权利要求
1.一种风机载荷的测量装置，其特征在于，包括测力环和至少二个测量传感器，所述测力环设置于风机的被测部件的断开截面处，所述测量传感器设置于所述测力环上；所述测量传感器，用于测量出测量信号，所述测量信号用于生成载荷。
2.根据权利要求I所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述测力环的外形与所述被测部件的外形相同。
3.根据权利要求I所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述测力环与所述被测部件通过固定连接方式连接，其中，固定连接方式包括法兰螺栓方式、焊接方式、铆接方式、粘接方式或者混凝土连接方式。
4.根据权利要求I所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述测量传感器设置于所述测力环的内壁上。
5.根据权利要求4所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述测量传感器的数量为四个，该四个测量传感器分别位于所述测力环圆周上的四等分处。
6.根据权利要求4所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述测量传感器包括传感器敏感元件、第一传感器连接端和第二传感器连接端，所述传感器敏感元件位于所述第一传感器连接端和所述第二传感器连接端之间且分别与所述第一传感器连接端和所述第二传感器连接端连接，所述测力环设置有第一测力环连接端和第二测力环连接端，所述第一测力环连接端和所述第一传感器连接端连接，所述第二测力环连接端和所述第二传感器连接端连接。
7.根据权利要求I所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述传感器敏感元件的中心位于测试截面上，所述第一传感器连接端的某一截面位于第一端面截面上，所述第二传感器连接端的某一截面位于第二端面截面上，所述第一端面截面与所述第二端面截面位于所述测试截面的两侧且相对设置。
8.根据权利要求I所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述测量信号包括位移信号或者载荷信号。
9.根据权利要求I至8任一所述的风机载荷的测量装置，其特征在于，所述被测部件包括叶片或者塔架。
10.一种风机载荷的测量系统，其特征在于，包括风机载荷的测量装置和数据处理模块，所述风机载荷的测量装置包括测力环和至少二个测量传感器，所述测力环设置于风机的被测部件上，所述测量传感器设置于所述测力环上；所述测量传感器，用于测量出测量信号，并将所述测量信号输出至所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于根据所述测量信号生成载荷。
11.一种风机控制系统，其特征在于，包括风机载荷的测量系统和主控制器，风机载荷的测量系统包括风机载荷的测量装置和数据处理模块；所述风机载荷的测量装置，用于测量出测量信号，并将所述测量信号输出至所述数据处理模块；所述数据处理模块，用于根据所述测量信号生成载荷，并将所述载荷输出至所述主控制器；所述主控制器，用于根据所述载荷对风机进行控制。
12.根据权利要求11所述的风机控制系统，其特征在于，所述风机控制系统还包括状态监测模块，所述风机载荷的测量系统还包括数据接口，所述状态监测模块通过数据接口与所述数据处理模块连接；所述数据处理模块还用于通过所述数据接口将所述载荷输出至所述状态监测模块；所述状态监测模块，用于根据所述载荷对所述风机进行监测。
全文摘要
本发明公开了一种风机载荷的测量装置、系统和风机控制系统。该风机载荷的测量装置包括测力环和至少二个测量传感器，所述测力环设置于风机的被测部件的断开截面处，所述测量传感器设置于所述测力环上；所述测量传感器，用于测量出测量信号，所述测量信号用于生成载荷。本发明中，由于测量传感器是设置于测力环上的，而非直接粘贴于风机上，因此该测量装置可在实验室完成加载标定，而无需现场进行加载标定，提高了加载标定的精确度，从而提高了载荷的测量精确度。
文档编号F03D7/00GK102937526SQ201210246860
公开日2013年2月20日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者彭云, 杨炯明 申请人:江苏金风风电设备制造有限公司