基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系转速测量方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系传动系统转速测量系统及方法。

背景技术：

常见的风力发电机均采用水平轴的装机样式，通过大功率的升速齿轮箱将风轮转速提高到与后端发电机匹配的发电转速。正是由于齿轮箱的存在，使得风力发电机的机械结构更加复杂，到达一定的年限后，机械故障开始频发。为了在机械部件故障萌发期就将其找出，处理后以降低机组故障后带来的损失，需要在风力发电机的关键部位安装传感器，对机组的运行状态进行监测、评估。通用的监测手段是采集机组运行的振动信号，对其进行时域和频域的分析，进而检测出机组运行时的工作异常部件，对故障进行预警。在对振动信号做频域分析时，准确的机组轴系传动的转速测量是不可或缺的。

目前，工业上常见的针对风力发电机的转速测量的解决方案有两种。第一种是基于光的反射原理测量转速的激光转速表，需要配合反光贴片使用。激光转速表发射激光的同时，接收系统接收到反射光线后，会产生一个脉冲信号，以此来记录一次旋转(当旋转轴上只有一片反光贴片时)。被测量物体上没有贴反射材料的部分，受到激光照射后会发生漫反射，因此反射光线不能回到激光转速表的接收系统内，也就不会被记录。第二种是基于光电编码器的转速测量装置。该装置广泛应用于电机转速的检测，通常安装在电机转子所在的轴上，每圈可以产生上千个按角度均匀分配的脉冲信号，可以同时用来监测旋转轴的转速和相位。两种方法都可以应用在风力发电机的转速测量上，但是都不尽完美。激光转速测量由于反光片和光源点径的限制，无法完成在变速情况下的高精度转速测量；光电编码器在精度上可以满足高精度变速测量的要求，但是其安装过程繁琐，在风力发电机整个传动系统中没有特别合适的安装位置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种安装操作便利，对安装位置要求不高，同时具备高转速测量精度的风力发电机轴系转速测量系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系转速测量系统，包括磁栅条及对应的脉冲信号读头，用于脉冲计数的数据采集单元，根据脉冲计数值和计数时间计算旋转轴转速的数据处理单元；磁栅条安装在风力发电机旋转轴上，读头通过安装间固定在磁栅条对应的位置。

进一步，读头与数据采集单元之间有信号调理电路，使读头读取的脉冲信号满足数据采集单元的数据录入要求。

进一步，数据处理单元使用以下两种方式之一计算旋转轴转速：

方式一：定脉冲个数的转速计算

转速计算的触发条件为脉冲计数累加到达设定值n时，数据处理单元根据下式计算旋转轴转速rpm，

式中，n0为磁栅条旋转一圈所触发的脉冲数，t为脉冲计数累加过程的持续时间；

方式二：定脉冲采集时间的转速计算

转速计算的触发条件为脉冲计数累计时间达到设定值t时，数据处理单元根据下式计算旋转轴转速rpm，根据数据采集单元的脉冲计数nt，计算转速，其计算公式如下：

式中，nt为时间t内的脉冲总计数值；t为计数时间的累加设定值，n0为磁栅条旋转一圈所触发的脉冲数。

进一步，旋转轴高速旋转时，使用方式一计算转速，旋转轴低速旋转时，使用方式二计算转速。

本发明还提出一种基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系转速测量方法，包括磁栅条及对应的脉冲信号读头，用于脉冲计数的数据采集单元，根据脉冲计数值和计数时间计算旋转轴转速的数据处理单元；磁栅条安装在风力发电机旋转轴上，读头通过安装间固定在磁栅条对应的位置。

进一步，读头与数据采集单元之间有信号调理电路，使读头读取的脉冲信号满足数据采集单元的数据录入要求。

进一步，数据处理单元使用以下两种方式之一计算旋转轴转速：

方式一：定脉冲个数的转速计算

转速计算的触发条件为脉冲计数累加到达设定值n时，数据处理单元根据下式计算旋转轴转速rpm，

式中，n0为磁栅条旋转一圈所触发的脉冲数，t为脉冲计数累加过程的持续时间；

方式二：定脉冲采集时间的转速计算

转速计算的触发条件为脉冲计数累计时间达到设定值t时，数据处理单元根据下式计算旋转轴转速rpm，根据数据采集单元的脉冲计数nt，计算转速，其计算公式如下：

式中，nt为时间t内的脉冲总计数值；t为计数时间的累加设定值，n0为磁栅条旋转一圈所触发的脉冲数。

进一步，旋转轴高速旋转时，使用方式一计算转速，旋转轴低速旋转时，使用方式二计算转速。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，发明基于磁栅条脉冲信号对风力发电机轴系传动系统转速进行测量，同时具有安装方便，对安装位置的要求低和转速测量精度高。

附图说明

图1是基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系转速测量系统组成框图。

图2是基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系转速测量方法流程图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系转速测量系统及方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

基于磁栅条脉冲信号的风力发电机轴系传动系统转速测量系统可以分为磁栅脉冲信号采集和处理采集数据计算转速两大部分。

磁栅条的安装

磁栅条有三层结构，中间层为磁栅磁条，内部有等间隔均匀分布的磁条，包裹着磁条的是两层不锈钢金属，保护磁条，避免工作时受到损伤。磁栅条可以弯曲，通过ab胶粘在风力发电机外露的旋转轴上，要求磁栅条的接缝处连接工整，没有突起。安装完成后，磁栅条应在旋转轴上形成一个标准的圆环，并与旋转轴同轴。磁栅条每圈的脉冲数n0可由所用磁栅条总长度除以两个磁栅之间的间隔d求出，磁栅条和旋转轴一同旋转时产生读头所需的磁栅触发。

读头的安装

读头对磁栅条的有效感应面是一个长方形平面，要求有效感应面与磁栅条的外圈钢条的垂直距离在2mm～3mm之间，有效感应面与磁栅条形成的圆环相切。读头长边所在方向应于旋转轴旋转方向即磁栅条的旋转方向相同。当读头上的工作指示灯为蓝色时，表示其工作正常；如果其为红色，则需按上述要求对读头进行调整。对读头的固定应当是稳定的牢固的，以保证其工作时不受机组振动产生的影响。读头读取磁栅条的旋转信息，感应面每通过一个磁栅格变产生一个脉冲信号传输给数据采集单元。

数据采集单元的数据录入

要求读头的脉冲输出信号与数据采集单元的脉冲录入信号相匹配，两者之间可能需要增加信号调理电路使得脉冲信号满足数据采集单元的数据录入要求。调理电路需要对脉冲信号的宽度、幅值、占功比进行适当调节，在信号不失真的前提下，使得读头的脉冲信号满足数据采集单元的信号录入要求。数据采集单元对读头传输的脉冲信号进行计数保存。

转速计算

数据处理单元读取数据采集单元上的脉冲计数数据，基于该数据通过编程实现转速的计算。转速计算方法如下：

(1)定脉冲个数的转速计算：此时转速计算的触发条件为脉冲计数累加到达一个设定值后，从数据处理单元中调出累计过程的持续时间，计算转速。其计算公式如下：

式中，转速rpm的单位为转/分；n为脉冲计数的数累设定值；t为脉冲计数累加到n的计数时间，单位为秒；n0为磁栅旋转一圈所触发的脉冲数。该方法适用于高速旋转轴的转速测量。

(2)定脉冲采集时间的转速计算：此时转速计算的触发条件为脉冲计数累计时间达到设定值时，根据数据采集单元内计数累加的结果，计算转速，其计算公式如下：

式中，转速rpm的单位为转/分；nt为时间t内脉冲计数的累加值；t为计数时间的累加设定值，单位为秒；n0为磁栅旋转一圈所触发的脉冲数。该方法适用于低速旋转轴的转速测量。

以上两种转速测量方法可以根据实际转速测量需要进行切换，以实现不同的功能。