ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2023 года по МПК G01N25/72 G01M15/14 G01J5/00 G01K13/08 F03D13/30 

Модель относится к устройствам контроля температуры и диагностики комплектующих ветрогенератора (подшипников и обмоток электродвигателей).

Известна диагностика температурного состояния ветрогенератора термопарами и термометрами сопротивления контактным методом [A.D. Spacek, О.Н. Ando Junior, J.М. Neto, V.L. Coelho, M.O. Oliveira, V. Gruber, L. Schaeffer. Management of mechanical vibration and temperature in small wind turbines using ZigBee wireless network. - 2013. - Vol. 11, №1. - P. 512-517; K.E. Haman, S.P. Malinowski, B.D. Strus. Two new types of ultrafast aircraft thermometer. - 2001. - Vol. 18, Iss. 2. - P. 117-134].

Их недостатком является низкая точность измерения температуры до ±1,0°С, а также помехи, возникающие в результате близкого расположения электрогенератора. Корме того, невозможно ими измерить температуру подвижного объекта.

Таким образом, измерение температуры в труднодоступных, удаленных или подвижных объектов требует применения особых приборов с длинными каналами доставки сигнала, сложной системы их обработки, большого количества дополнительных устройств генерации, преобразования и приема. Кроме того, при воздействии электромагнитных помех, дополнительным требованием к измерительным приборам является помехозащищенность.

Известна инфракрасная (ИК) волоконная сборка из семи галогенидсеребряных световодов системы AgCl - AgBr, предназначенная для бесконтактной визуализации распределения теплового поля от удаленного объекта в диапазоне температур от -150 до +900°С. Показана принципиальная применимость в низкотемпературной ИК пирометрии на примере передачи теплового изображения нагретой проволоки и лопатки турбины через ИК световод [А.С. Корсаков. Структура фотонно-кристаллических световодов на базе модифицированных галогенидсеребряных кристаллов и исследование их функциональных свойств: автореф. док. дисс. на соиск. степени д-ра. техн. наук., г. Санкт-Петербург. - 2018. - с. 29 (http://www.npkgoi.ru/?module=articles&c=Personal&b=7&a=5)].

Известна также работа «Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами» [Шмыгалев, А.С. Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами: автореф. канд. дисс. на соиск. степени канд. техн., г. Новосибирск. - 2018. - с. 24 (https://www.nstu.ru/science/dissertation_sov/dissertations/view?id=17021)].

В этих работах показан только принцип возможной передачи по галогенид серебряным ИК световодам теплового изображения, но не предложена конструкция ИК волоконно-оптической системы контроля температуры, который может применяться в ветрогенераторах.

Известен волоконно-оптический датчик (ВОД) температуры на основе кварцевых световодов, применяемый в ветрогенераторах [A feasibility study of transformer winding temperature and strain detection based on distributed optical fibre sensors / L. Yunpeng [et.al] // Optics and lasers in engineering. - 2018. - №111. - P. 167-171], включающий:

- источник излучения - лазеры, длина волны (λ) 1,310 и 1,550 мкм, что соответствует температурам 1039°С и 1596°С, соответственно;

- канал передачи излучения - кварцевый световод длиной 90 м, выполненный в виде катушки, прозрачный в указанном спектральном диапазоне;

- приемник - фотодиоды, λ=1310 мкм и 1550 мкм.

Такой ВОД косвенно определяет температуру с неудовлетворительной точностью определения ±1,0°С и выше.

Также следует отметить, что главным недостатком данной конструкции, которая реализует метод оптического контроля, является невозможность прямого измерения температуры в диапазоне работы ветрогенератора от +300 до -20°С, так как оптический диапазон кварцевых волокон ограничен длиной волны 2,0 мкм, что соответствует температуре 1176°С [W. Wien. Temperature and entropy of starching. - Annals of Physics. - 1894. - Vol. 52. - P. 132-165.], а ветрогенераторные установки работают в диапазоне от -20°С до +300°С. Поэтому применяемый в данной конструкции метод контроля температуры требует использования специальных программ и сложных дополнительных систем обработки оптических сигналов. Недостатком данного ВОД является также низкая точность измерения температуры до ±1,0°С и выше.

Наиболее близким аналогом является инфракрасная волоконно-оптическая система контроля температуры ветрогенератора [RU 2708814, опубл.: 11.12.2019.], включающая источник ИК излучения, канал передачи и приемник, отличающаяся тем, что канал передачи выполнен в виде волоконной сборки диаметром 990 мкм и длиной 5 м, состоящей из 91 световода каждый диаметром 90 мкм на основе монокристаллов системы Agl-xTlxBrl-0.54xI0.54x, где 0,03≤х≤0,31, на входном торце которой установлена цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 30 мм, оптически связанная с источником ИК излучения, а на выходном торце размещена собирающая линза с тем же фокусным расстоянием, оптически связанная с приемником ИК излучения, при этом в качестве источника ИК излучения используют подшипники или обмотки ветрогенератора, в качестве приемника используют тепловизор, а линзы изготовлены из тех же монокристаллов, что и волоконная сборка.

Технической проблемой прототипа является и всех известных решений является ограниченность диагностики турбины только измерением температуры.

Отсутствует возможность выявления проблем в контролере подачи питания, контроллере турбины, электрического контакта в щетках поворотного механизма, электрического контакта между контроллером турбины и коробками соединительными, возможного отсутствия электронного размыкания обмоток, наличия короткого замыкания в обмотках статора турбины.

Кроме того, в процессе диагностики перегрева нельзя определить причину и источник перегрева (перегрев обмотки статора турбины, перегрев радиатора контроллера турбины, перегрев обмотки статора и радиатора контроллера турбины и т.п.).

В процессе эксплуатации в сложных климатических условиях кустовой телемеханики (КТМ) кустов газовых скважин (КГС) возникает необходимость в ремонте и комплексном техническом обслуживании ветряных турбин, установленных на мачтах КТМ КГС.

В связи с этим задачей полезной модели является потребность в разработке диагностического стенда для ветряной турбины, который позволял бы выявлять все вышеуказанные технические неисправности.

Техническим результатом является возможность диагностики проблем как в электронных компонентах турбины, так и перегрева различных узлов турбины, с точным установлением источника неполадки.

Также техническим результатом является возможность в условиях максимально приближенных к реальным качественно проводить все виды диагностики ветряных турбин при входном контроле, в рамках проведения технического обслуживания, после ремонта, повысить надежность оборудования, а также минимизировать время, необходимое для диагностики и выявления отклонений от технических характеристик, заявленных заводом изготовителем.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен диагностический стенд для ветряной турбины, включающий канал передачи от источника ИК излучения, связанный с источником ИК излучения, при этом в качестве источника ИК излучения используют подшипники или обмотки турбины, отличающийся тем, что стенд представляет собой станину, выполненную с возможностью фиксации на ней электродвигателя ветряной турбины в корпусе фланцем-зажимом таким образом, чтобы инфракрасный модуль связи, расположенный на опоре, зафиксированной к станине, находился напротив светодиодов, а индикаторы светодиодов - на внешней поверхности корпуса турбины, причем сами светодиоды подключены к диагностическим датчикам температуры и тока, выполненных с возможностью фиксации на узлах турбины; на станине напротив места расположения турбины установлен и подключен к частотному регулятору асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока, на валу которого установлена эластичная муфта, выполненная с возможностью соединения с валом электродвигателя ветряной турбины, а частотный регулятор и инфракрасный модуль связи выполнены с возможностью подключения к компьютеру.

Инфракрасный модуль связи может быть подключен по USB кабелю к компьютеру.

Инфракрасный модуль связи может быть подключен к компьютеру по беспроводной связи.

Частотный регулятор может быть подключен к компьютеру проводным способом.

Частотный регулятор может быть выполнен с возможностью управления компьютером с помощью беспроводной связи.

Индикаторы светодиодов могут быть установлены на внешней поверхности корпуса турбины на расстоянии 100-300 мм от инфракрасного модуля связи.

Полезная модель поясняется Фиг. 1. На чертеже показана схема размещения элементов диагностического стенда ветряной турбины, где: 1 - станина, 2 - асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока, 3 - эластичная муфта, 4 - фланец зажим для крепления испытуемой турбины, 5 - электродвигатель ветряной турбины в корпусе, 6 - опора для инфракрасного модуля связи, 7 - инфракрасный модуль связи, 8 - частотный регулятор, 9 - ПЭВМ с установленным специализированным ПО (на стенде не размещается), 10 - светодиоды, 11 - кабель USB связи между инфракрасным модулем связи, 12 - провод питания асинхронного трехфазного электродвигателя переменного тока, 13 - корпус турбины, 14 -диагностические датчики турбины. Элементы 2-8 стенда смонтированы на станине 1.

Диагностический стенд для ветряной турбины (см. Фиг. 1), включает канал передачи от источника ИК излучения, связанный с источником ИК излучения, при этом в качестве источника ИК излучения используют подшипники или обмотки турбины.

Новым является то, что стенд представляет собой станину 1, выполненную с возможностью фиксации на ней электродвигателя ветряной турбины 5 в корпусе фланцем-зажимом 4 таким образом, чтобы инфракрасный модуль связи 7, расположенный на опоре 6, зафиксированной к станине 1, находился напротив светодиодов 10 разного спектра, а индикаторы светодиодов - на внешней поверхности корпуса 13 турбины.

Сами светодиоды 10 подключены к диагностическим датчикам 14 температуры и тока, выполненных с возможностью фиксации на узлах турбины 5.

На станине 1 напротив места расположения турбины 5 установлен асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока 2, на валу которого установлена эластичная муфта 3, выполненная с возможностью соединения с валом электродвигателя ветряной турбины 5.

Электродвигатель 2 подключен к частотному регулятору через провод 12.

Частотный регулятор 8 и инфракрасный модуль связи 7 выполнены с возможностью подключения к компьютеру 9.

Инфракрасный модуль связи 7 может быть подключен по USB кабелю к компьютеру 9 или может быть подключен к компьютеру 9 по беспроводной связи (на чертеже не показано).

Частотный регулятор 8 может быть подключен к компьютеру 9 проводным способом или с возможностью управления компьютером 9 с помощью беспроводной связи (на чертеже не показано).

Индикаторы светодиодов 10 могут быть установлены на внешней поверхности корпуса 13 турбины 5 на расстоянии 100-300 мм от инфракрасного модуля связи.

Активация тех или иных светодиодов 10 осуществляется от сигналов с различных датчиков 14 (например, датчиков тока, температурных датчиков и иных требуемых), установленных на исследуемой турбине 5.

Уменьшая или увеличивая частоту вращения электродвигателя 5 происходит имитация различной скорости ветра. Инфракрасный модуль связи 7 считывает показания светодиодов 10 на корпусе турбины 5 и по USB передает их на компьютер 9 с установленным специализированным программным обеспечением (ПО). На специализированном ПО происходит контроль различных режимов работы турбины 5.

Пример работы диагностического стенда показан на различных режимах индикации световых сигналов светодиодов, представленных в таблицах 1 и 2.

Диагностический стенд для ветряной турбины используют следующим образом.

Электродвигатель ветряной турбины 5 в корпусе 13 фиксируется во фланце-зажиме 4 таким образом, чтобы инфракрасный модуль связи 7, расположенный на креплении для инфракрасного модуля 6 находился напротив светодиодов 10 разного спектра (например, зеленого, оранжевого и красного) на корпусе турбины 5, например, на расстоянии 100-300 мм. Электродвигатель ветряной турбины 5 соединяется с асинхронным трехфазным электродвигателем переменного тока 2 через эластичную муфту 3 для обеспечения плавной и бесшумной работы стенда. Обороты электродвигателя 5 плавно регулируются частотным регулятором 8 для имитации различной скорости ветра. Инфракрасный модуль связи 7 подключается по USB кабелю 11 или через беспроводную связь к компьютеру 9 с установленным специализированным программным обеспечением.

Активация тех или иных цветных светодиодов 10 осуществляется от сигналов с различных датчиков 14 (например, датчиков тока, температурных датчиков и иных требуемых), установленных на исследуемой турбине 5.

Уменьшая или увеличивая частоту вращения электродвигателя 5 обеспечивают имитацию различной скорости ветра. Инфракрасный модуль связи 7 считывает показания светодиодов 10 на корпусе 13 турбины 5 и передает их по USB кабелю 11 или беспроводным способом на компьютер 9 с установленным специализированным ПО. На специализированном ПО происходит контроль различных режимов работы турбины 5.

Пример работы диагностического стенда показан на различных режимах индикации световых сигналов светодиодов, представленных в таблицах 1 и 2.

Таким образом, на компьютере отслеживаются параметры ветряной турбины 5:

• ток заряда аккумуляторной батареи резервного блока питания кустового комплекта;

• напряжение внутреннего стабилизатора на плате контроллера ветряной турбины;

• скважность управляющих импульсов;

• количество оборотов ротора ветряной турбины;

• температуры обмотки статора ветряной турбины;

• температуры радиатора платы контроллера ветряной турбины.

В ходе проведения диагностики ветряной турбины в случае выявления отклонений в показаниях или появления неисправности, технический специалист сможет настройку или ремонт турбины и сразу провести повторную ее диагностику.

В свою очередь, вышеуказанные возможности выявления неисправностей и быстрое их устранение, позволяют в условиях максимально приближенных к реальным качественно проводить все виды диагностики ветряных турбин при входном контроле, в рамках проведения технического обслуживания, после ремонта, повысить надежность оборудования, а также минимизировать время, необходимое для диагностики и выявления отклонений от технических характеристик, заявленных заводом изготовителем.

Изобретение относится к устройствам контроля температуры и диагностики комплектующих ветрогенератора (подшипников и обмоток электродвигателей). Заявлен диагностический стенд для ветряной турбины, включающий канал передачи от источника ИК-излучения, связанный с источником ИК-излучения, при этом в качестве источника ИК-излучения используют подшипники или обмотки турбины. Стенд представляет собой станину, выполненную с возможностью фиксации на ней электродвигателя ветряной турбины в корпусе фланцем-зажимом таким образом, чтобы инфракрасный модуль связи, расположенный на опоре, зафиксированной к станине, находился напротив светодиодов, а индикаторы светодиодов - на внешней поверхности корпуса турбины. Причем сами светодиоды подключены к диагностическим датчикам температуры и тока, выполненным с возможностью фиксации на узлах турбины. На станине напротив места расположения турбины установлен асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока, на валу которого установлена эластичная муфта, выполненная с возможностью соединения с валом электродвигателя ветряной турбины, и оба электродвигателя подключены к частотному регулятору, где частотный регулятор и инфракрасный модуль связи выполнены с возможностью подключения к компьютеру. Техническим результатом является возможность диагностики проблем как в электронных компонентах турбины, так и перегрева различных узлов турбины, с точным установлением источника неполадки. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Диагностический стенд для ветряной турбины, включающий канал передачи от источника ИК-излучения, связанный с источником ИК-излучения, при этом в качестве источника ИК-излучения используют подшипники или обмотки турбины, отличающийся тем, что стенд представляет собой станину, выполненную с возможностью фиксации на ней электродвигателя ветряной турбины в корпусе фланцем-зажимом таким образом, чтобы инфракрасный модуль связи, расположенный на опоре, зафиксированной к станине, находился напротив светодиодов, а индикаторы светодиодов - на внешней поверхности корпуса турбины, причем сами светодиоды подключены к диагностическим датчикам температуры и тока, выполненным с возможностью фиксации на узлах турбины; на станине напротив места расположения турбины установлен асинхронный трехфазный электродвигатель переменного тока, на валу которого установлена эластичная муфта, выполненная с возможностью соединения с валом электродвигателя ветряной турбины, и оба электродвигателя подключены к частотному регулятору, где частотный регулятор и инфракрасный модуль связи выполнены с возможностью подключения к компьютеру.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что инфракрасный модуль связи подключен по USB-кабелю к компьютеру.

3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что инфракрасный модуль связи подключен к компьютеру по беспроводной связи.

4. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что частотный регулятор подключен к компьютеру проводным способом.

5. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что частотный регулятор выполнен с возможностью управления компьютером с помощью беспроводной связи.

6. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что индикаторы светодиодов установлены на внешней поверхности корпуса турбины на расстоянии 100-300 мм от инфракрасного модуля связи.