一種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法
2023-05-01 15:38:31
專利名稱：一種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法
技術領域：
本發明涉及動カ機械及信號處理技術領域，特別是涉及ー種針對低速變轉速變エ況風電機組轉子振動信號的變換分析方法。
背景技術：
目前對風電機組振動信號的分析及處理方法的研究主要集中在齒輪箱和發電機的振動信號處理上。風電機組轉子及主軸承是吸收和傳遞載荷的主要部件，作用在機組上的徑向力、軸向カ及彎矩等都先附加於風電機組轉子系統上，這將引起轉子的振動，而針對變速風電機組轉子振動信號的處理研究尚屬空白。同時，風電機組是ー個剛柔耦合的多體系統，其動カ源是具有很強隨機性和不連 續性的自然風能。作用在風電機組上的空氣動力、慣性カ和弾性力等交變載荷會使風電機組發生變形和振動，這會影響風電機組的正常運行，嚴重時會導致風電機組損壞。風電機組轉子運轉在低轉速(一般<20rpm)、動載荷下，且轉速不穩定，長期變エ況運行，運行エ況不同於普通旋轉機械，振動信號為非平穩信號，因此，傳統的轉子振動信號分析方法難以直接應用，並有效提取到風電機組轉子振動中的特徵信息，這給風電機組轉子振動信號的分析及故障診斷帶來了困難。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，使其可實現對風電機組轉子振動信號的有效分析。為解決上述技術問題，本發明ー種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，包括以下步驟:A.以等時間間隔同步採集風電機組轉子振動信號和轉速脈衝信號，採集時間超過8個風輪旋轉周期或採樣時長大於30s，其中，轉速脈衝信號是在主軸上沿旋轉角度等分採集依據轉速脈衝信號定位脈衝上升沿或下降沿時刻序列並據此計算轉速序列，並按脈衝序列將對應的振動信號劃分為振動信號段，截取成風輪旋轉的整周期的時間長度；C.對截取的各個整周期振動信號分別進行插值復採樣；D.對復採樣得到的振動信號進行指定轉速下的時間延拓，得到指定轉速的整周期連續振動信號，保證指定轉速在計算所得轉速序列變化區間內；E.對得到的指定轉速整周期連續振動信號進行分析。作為本發明的一種改進，所述的步驟A中轉速脈衝信號採集的等分點數不小於30。所述的步驟A中轉速脈衝信號採集是通過沿主軸旋轉角度均布反光條或採用編碼器實現。所述的步驟B中，轉速序列是採用零相移濾波器平滑轉速波動後所得。所述的步驟C中，插值復採樣過程中選擇具有線性相位的FIR數字低通濾波器進行抗混疊濾波，插值方法選擇線性插值，並保證整個周期內每個相鄰轉速脈衝對應的振動信號段具有相同的採樣點數。
所述的步驟E中所述的分析採用FFT分析。 採用這樣的設計後，本發明主要考慮了風電機組轉子低轉速、變エ況的運行特點，利用數據採集裝置以等時間間隔同步採集轉子振動信號及轉速脈衝串信號，利用轉速脈衝串信號將振動信號變換為指定轉速下的整周期信號，通過這種變換，可以獲得利於分析的波形圖譜，利用常規的譜分析方法即可實現對風電機組轉子振動信號的有效分析，為風電機組轉子振動信號分析和故障診斷提供依據。
上述僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，以下結合附圖與具體實施方式
對本發明作進ー步的詳細說明。圖I為本發明轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法的示意圖。圖2為本發明具體實施例的傳感器安裝位置示意圖。圖3為本發明沿主軸周向均布反光條等相位採集轉速脈衝的示意圖。圖4為本發明具體實施例中同步採集振動信號的時域波形示意圖。圖5為本發明具體實施例中同步採集轉速信號的時域波形示意圖。圖6為本發明具體實施例中利用零相移濾波平滑前的轉速/時間曲線。圖7為本發明具體實施例中利用零相移濾波平滑後的轉速/時間曲線。圖8為本發明具體實施例中信號整周期插值的復採樣示意圖。圖9為本發明具體實施例中對多個整周期振動信號變換前的時域圖。圖10為對本發明具體實施例中多個整周期振動信號變換後的時域圖。圖11為本發明具體實施例中信號變換前的時域波形圖。圖12為本發明具體實施例中信號變換前的頻譜分析圖。圖13為本發明具體實施例中信號變換後的時域波形圖。圖14為本發明具體實施例中信號變換後的頻譜分析圖。
具體實施例方式請參閱圖I所示，本發明變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，包括以下步驟。步驟A，以等時間間隔同步採集風電機組轉子振動信號和轉速脈衝信號，採集得到的轉速和振動信號採樣時長應滿足不影響後續的分析，採集時間應保證超過8個風輪旋轉周期或採樣時長大於30s，對於兆瓦級風電機組應滿足至少採樣時間長度大於30s。由於風輪轉速低(一般<20rpm)，轉速脈衝信號採集時在主軸上沿旋轉角度等分採集，等分點數應保證相鄰脈衝之間的轉速波動很小(可以忽略)，對於風輪額定轉速小於20rpm的風輪，等分點數應至少滿足n ^ 30。轉速脈衝信號可採用沿主軸旋轉角度均布反光條或採用編碼器的形式實現轉子等相位脈衝採集，但不局限於此種方法，通過信號採集器實現轉子等相位脈衝採集，並保證相鄰脈衝之內轉速波動變化極小的方法均在要求之列。步驟B，定位脈衝上升沿(或下降沿)時刻序列，依此計算轉速序列，並按脈衝序列將對應的振動信號劃分為振動信號段，截取成風輪旋轉的整周期的時間長度。其中，轉速序列是採用零相移濾波器平滑轉速波動後所得，以克服了轉速的波動。
步驟C，對步驟B截取的各個整周期振動信號分別進行插值復採樣。插值復採樣過程中選擇具有線性相位的FIR數字低通濾波器進行抗混疊濾波，插值方法選擇線性插值，並保證整個周期內每個相鄰轉速脈衝對應的振動信號段具有相同的採樣點數。在重採樣過程中應用線性相位FIR數字低通濾波器及線性插值，抗混疊及抑制幹擾效果較好，對風電機組轉子振動這種非平穩振動信號有較好處理能力。步驟D，對步驟C復採樣得到的振動信號進行指定轉速下的時間延拓，得到指定轉速的整周期連續振動信號，應保證指定轉速在計算所得轉速序列變化區間內；步驟E，對步驟D得到的指定轉速整周期連續振動信號進行FFT等分析。如上所述，本發明同步採集風電機組轉子的振動信號及轉速脈衝信號，轉速脈衝通過光電傳感器或編碼器按主軸旋轉角度等分採集。風輪每旋轉周期內的轉速脈衝數應保證相鄰脈衝之間的轉速波動很小(可以忽略)，採集的時間長度應保證超過8個風輪旋轉周期。按脈衝上升沿(或下降沿)時刻計算轉速序列並劃分整轉速脈衝數的振動信號，並對相鄰兩個轉速脈衝信號之間的振動信號進行插值復採樣。在指定分析轉速下對插值復採樣所 得振動信號進行時間延拓，將其變換為指定轉速下的整周期的振動信號，進而對信號進行FFT等分析。本發明針對變轉速的風電機組，通過轉速信號與振動信號的結合，以轉速脈衝串信號為參考，對振動信號進行變換，通過復採樣與時間延拓，實現了低轉速下變轉速振動信號到指定轉速整周期連續振動信號的變換，從而可用FFT等經典振動分析方法實現信號的後續分析，為變轉速變エ況風電機組轉子振動信號分析和故障診斷提供依據。以下列舉一具體實施例來進ー步說明本發明的應用方式和分析步驟請參閱圖2、圖3所示，在通過齒輪箱7、聯軸器8與發電機連接的主軸4上，周向均布有反光條6，將振動傳感器I和轉速傳感器2分別安裝在風電機組的主軸承3和主軸4處，並將其採集到的信號發送至數據採集裝置5，分析過程如下I)以等時間間隔同步採集風電機組轉子振動信號和轉速脈衝串信號，採樣時長45s，轉速脈衝信號採集時，通過沿主軸旋轉角度均布n=30個反光條，用光電傳感器實現轉子等相位脈衝採集，同步採集振動信號和轉速信號時域波形如圖4、圖5所示；2)定位脈衝上升沿(或下降沿)時刻序列，依此計算轉速序列(v=60/(n* (t2-tl)))，採用零相移濾波器平滑轉速波動，並按脈衝序列將對應的振動信號劃分為振動信號段，並截取成風輪旋轉的整周期的時間長度，利用零相移濾波平滑前後的轉速/時間曲線如圖6、圖7所示；3)請配合參閱圖8所示，對步驟2)中截取的各個整周期振動信號分別進行插值復採樣，插值復採樣過程中選擇具有線性相位的FIR數字低通濾波器進行抗混疊濾波，插值方法選擇線性插值，並保證每個相鄰轉速脈衝對應的振動信號段具有相同的採樣點數N=32個；4)對步驟3)復採樣得到的振動信號進行指定轉速15rpm下的時間延拓，得到指定轉速15rpm的整周期連續振動信號；5)請配合參閱圖9-14所示，對步驟4)得到的15rpm下的整周期連續振動信號進行FFT頻譜分析。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述掲示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發明的保護範圍 內。
權利要求
1.一種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，其特徵在於包括以下步驟 A.以等時間間隔同步採集風電機組轉子振動信號和轉速脈衝信號，採集時間超過8個風輪旋轉周期或採樣時長大於30s，其中，轉速脈衝信號是在主軸上沿旋轉角度等分採集； B.依據轉速脈衝信號定位脈衝上升沿或下降沿時刻序列並據此計算轉速序列，並按脈衝序列將對應的振動信號劃分為振動信號段，截取成風輪旋轉的整周期的時間長度； C.對截取的各個整周期振動信號分別進行插值復採樣； D.對復採樣得到的振動信號進行指定轉速下的時間延拓，得到指定轉速的整周期連續振動信號，保證指定轉速在計算所得轉速序列變化區間內； E.對得到的指定轉速整周期連續振動信號進行分析。
2.根據權利要求I所述的ー種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，其特徵在於所述的步驟A中轉速脈衝信號採集的等分點數不小於30。
3.根據權利要求I所述的ー種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，其特徵在於所述的步驟A中轉速脈衝信號採集是通過沿主軸旋轉角度均布反光條或採用編碼器實現。
4.根據權利要求I所述的ー種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，其特徵在於所述的步驟B中，轉速序列是採用零相移濾波器平滑轉速波動後所得。
5.根據權利要求I所述的ー種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，其特徵在於所述的步驟C中，插值復採樣過程中選擇具有線性相位的FIR數字低通濾波器進行抗混疊濾波，插值方法選擇線性插值，並保證整個周期內每個相鄰轉速脈衝對應的振動信號段具有相同的採樣點數。
6.根據權利要求I所述的ー種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，其特徵在於所述的步驟E中所述的分析採用FFT分析。
全文摘要
本發明是有關於一種變轉速風電機組轉子振動信號的變換分析方法，包括以等時間間隔同步採集風電機組轉子振動信號和轉速脈衝信號；依據轉速脈衝信號定位脈衝上升沿或下降沿時刻序列並據此計算轉速序列，並按脈衝序列將對應的振動信號劃分為振動信號段，截取成風輪旋轉的整周期的時間長度；對截取的各個整周期振動信號分別進行插值復採樣；對復採樣得到的振動信號進行指定轉速下的時間延拓；對得到的指定轉速整周期連續振動信號進行分析。本發明以等時間間隔同步採集轉子振動信號及轉速脈衝串信號，利用轉速脈衝串信號將振動信號變換為指定轉速下的整周期信號，獲得利於分析的波形圖譜，為風電機組轉子振動信號分析和故障診斷提供依據。
文檔編號G01H17/00GK102661787SQ20121015988
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月22日 優先權日2012年5月22日
發明者於遲, 楊懷宇, 程慶陽, 蘇寶定, 董禮 申請人:國電聯合動力技術有限公司