一种风塔及测量和计算风塔微型姿态的方法技术

本发明专利技术一方面提供了一种风塔，风塔外部安装至少一个测量计算装置，用以测量风塔的姿态，测量计算装置包括陀螺仪、加速度惯性传感器和采集传输电路，加速度惯性传感器与陀螺仪安装在风塔的同一高度的同一径向上；本发明专利技术的另一方面提供了风塔实现测量计算微型姿态的方法。本发明专利技术结构简单，测量精度高，所用部件成本较低，既解决了技术问题，又具有成本优势，具有推广应用价值。

A Method for Measuring and Calculating the Micro Attitude of Wind Towers

On the one hand, the invention provides a wind tower, and at least one measuring and calculating device is installed outside the wind tower to measure the attitude of the wind tower. The measuring and calculating device includes a gyroscope, an acceleration inertia sensor and a collection and transmission circuit. The acceleration inertia sensor and a gyroscope are installed on the same radial direction of the same height of the wind tower; on the other hand, the invention provides a wind tower realization measuring instrument. The method of calculating miniature attitude. The invention has the advantages of simple structure, high measurement accuracy and low cost of components, which not only solves technical problems, but also has cost advantages, and has popularization and application value.

【技术实现步骤摘要】
一种风塔及测量和计算风塔微型姿态的方法
本专利技术涉及风力发电领域，尤其涉及一种风塔及测量和计算风塔微型姿态的方法。
技术介绍
风能是重要的可再生清洁能源之一，我国海上风能资源丰富，加快海上风电建设，对于促进沿海地区治理雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。风力发电机是将风能转换为电能的重要电力设备，一般由风轮、发电机、调向器、塔架(风塔)、限速安全机构和储能装置等构建组成。风塔与基础相连接，支撑位于空中的发电机，承受发电机运行引起的各种载荷以及风、地震等自然环境施加的载荷，是主要的受力部件之一，容易出现共振、疲劳等现象，影响风塔的稳定性，从而威胁整个风力发电机组的安全运作。海上风电单机装机容量大，自然环境更为复杂，相应地，风塔的稳定性受到了更大的挑战。为了保障发电机运行过程中的安全，需要在发电机运行过程中，时时监测风塔的微型姿态，以及时了解风塔的性能和状态的变化，从而及时发现潜在风险并顺利应对突发情况。但是风塔姿态变化非常小，同时由于风塔受到多种因素的影响，其姿态变化并不规律，因此，目前现有的风塔不具备直接测量或者通过计算间接测得自身微型姿态的装置及相应的计算方法，这将给风力发电机的运行造成安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供了一种风塔及测量和计算风塔微型姿态的方法，能够解决当前风塔不具备测量和计算自身微型姿态功能，无法实时监测、保障发电机运行安全的问题。为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供了一种风塔，风塔外部安装至少一个测量计算装置，测量计算装置包括陀螺仪、加速度惯性传感器和采集传输电路，加速度惯性传感器与陀螺仪安装在风塔的同一高度的同一径向上。陀螺仪用于测量风塔运动的角速度；加速度惯性传感器用于测量风塔运动轨迹的切向合加速度；采集传输电路用于采集陀螺仪测得的风塔运动的角速度以及加速度惯性传感器测得的风塔运动轨迹的切向合加速度，并结合角速度和合加速度计算风塔的微型姿态。进一步地，测量计算装置还包括滤波电路，用于对加速度惯性传感器测得的信号进行滤波处理；进一步地，采集传输电路结合角速度和合加速度计算风塔的微型姿态为：其中，L是测量计算装置距离风塔底部的安装高度，ω是角速度，a是切向合加速度，g是重力加速度；进一步地，测量计算装置为多个，沿风塔同一高度的径向依次排布；进一步地，测量计算装置为多个，沿风塔的轴向依次排布；本专利技术的另一方面提供了一种基于上述风塔的测量计算装置实现的测量和计算风塔微型姿态的方法，将风塔简化成一个梁，在外力作用下，风塔的运动简化成以风塔底部为圆心，以测量计算装置距离风塔底部的安装高度为半径的圆周运动，该方法包括以下步骤：步骤一，测量风塔运动轨迹的切向合加速度a；步骤二，测量风塔运动的角速度ω；步骤三，根据公式计算得到风塔的微型姿态θ，其中，L是测量计算装置距离风塔底部的安装高度，ω是角速度，a是切向合加速度，g是重力加速度。本专利技术实施例提供的风塔具备测量和计算自身微型姿态的功能，借助加速度惯性传感器、陀螺仪、采集传输电路以及相应的计算方法实现对风塔微型姿态的实时监测。本专利技术结构简单，测量精度较高，所用部件成本较低，既解决了技术问题，又具有成本优势，具有推广应用价值。附图说明所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的测量计算装置框架图；图2为本专利技术实施例中风塔的简化模型示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本专利技术。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本专利技术。在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。风塔是风力发电机的重要组成部分，是主要的受力部件，在风力发电机运行过程中，需要了解风塔的状态，保障风力发电机的安全运行。风塔在海中或者山坡上，会受到海浪或者风等外力的冲击，使得风塔产生振动。在振动初始阶段，风塔处于受迫振动的状态，此时的振动为无规律的振动；一定时间后，受迫振动达到稳定状态，风塔的振动频率与周期性外力的振动频率相等，振幅保持不变，此时，受迫振动转变为简谐运动。但是，实际上，在海浪的冲击下，风塔大多数时间都在做受迫振动，不是周期性振动，更不是简谐运动。由于风塔的运动无规律且姿态变化非常小，因此风塔的姿态难以测量和计算，故而目前的风塔不具备测量和计算自身微型姿态的功能，也就无法对风塔实行实时监测，这一功能的缺失将会给风力发电的运行埋下安全隐患。为了解决以上问题，本专利技术提供了一种风塔，风塔外部安装至少一个测量计算装置，测量计算装置包括陀螺仪、加速度惯性传感器和采集传输电路，加速度惯性传感器与陀螺仪安装在风塔的同一高度的同一径向上。陀螺仪用于测量风塔运动的角速度；加速度惯性传感器用于测量风塔运动轨迹的切向合加速度；采集传输电路用于采集陀螺仪测得的风塔运动的角速度以及加速度惯性传感器测得的风塔运动轨迹的切向合加速度，并结合角速度和合加速度计算风塔的微型姿态。其中，陀螺仪可以选用硅微陀螺仪、光纤陀螺仪、石英陀螺仪等，单轴、双轴、三轴等类型均可实现本专利技术的目的。风塔在外力作用下，在空中做无规则的微小幅度的摇摆运动，也就是说，风塔的运动发生在风塔的无数个径向与风塔本身组成的无数个竖直面内。一个加速度惯性传感器能够测量风塔一个径向上的运动姿态；一个单轴陀螺仪能够测量风塔一个径向上的运动姿态，相应的，双轴陀螺仪能够测量风塔两个正交径向的运动姿态，三轴陀螺仪能够测量风塔两个正交径向(另一个与两个正交径向正交的方向为风塔的轴向)的运动姿态。因此，本专利技术中，一个测量计算装置包括至少一个加速度惯性传感器和一个陀螺仪，安装时，要保证加速度惯性传感器和陀螺仪的其中一个测量方向在风塔的同一高度的同一个径向上，以风塔测量同一高度同一径向上的运动姿态。加速度惯性传感器传输出的是模拟信号，需要经过采集传输电路中的转换模块被转换为数字信号，具体连接方式为：加速度惯性传感器的输出端与采集传输电路连接，采集模块输入端与加速度惯性传感器连接，用于接收加速度惯性传感器的模拟信号，并将模拟信号转换为第一数字信号，采集模块输出端与计算模块连接，用于将第一数字信号传输给计算模块进行计算。陀螺仪输出的是数字信号，具体连接方式为陀螺仪的输出端与采集传输电路连接，采集模块输入端与陀螺仪连接，用于接收陀螺仪的第二数字信号，采集模块输出端与计算模块连接，用于将第二数字信号传输给计算机模块进行计算。在保证信号完整性的同时为了提高信号的强度，可以在测量计算装置中加入滤波电路，用于对加速度惯性传感器测得的信号进行滤波处理。采集传输电路中包含计算模块，在接收到加速度惯性传感器测得的风塔运动角速度和陀螺仪测量的风塔运动轨迹的切向合加速度后，该计算模块根据设定的公式计算风塔的微型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风塔，其特征在于，所述风塔外部安装至少一个测量计算装置，所述测量计算装置包括陀螺仪、加速度惯性传感器和采集传输电路，所述加速度惯性传感器与所述陀螺仪安装在所述风塔的同一高度的同一径向上；所述陀螺仪用于测量所述风塔运动的角速度；所述加速度惯性传感器用于测量所述风塔运动轨迹的切向合加速度；所述采集传输电路用于采集所述陀螺仪测得的所述风塔运动的角速度以及所述加速度惯性传感器测得的所述风塔运动轨迹的切向合加速度，并结合所述角速度和所述合加速度计算所述风塔的微型姿态。

【技术特征摘要】
1.一种风塔，其特征在于，所述风塔外部安装至少一个测量计算装置，所述测量计算装置包括陀螺仪、加速度惯性传感器和采集传输电路，所述加速度惯性传感器与所述陀螺仪安装在所述风塔的同一高度的同一径向上；所述陀螺仪用于测量所述风塔运动的角速度；所述加速度惯性传感器用于测量所述风塔运动轨迹的切向合加速度；所述采集传输电路用于采集所述陀螺仪测得的所述风塔运动的角速度以及所述加速度惯性传感器测得的所述风塔运动轨迹的切向合加速度，并结合所述角速度和所述合加速度计算所述风塔的微型姿态。2.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述测量计算装置还包括滤波电路，用于对所述加速度惯性传感器测得的信号进行滤波处理。3.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述采集传输电路结合所述角速度和所述合加速度计算所述风塔的微型姿态为：其中，L是所述测量计算装置距离所述风塔...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭秋芬，石明泉，李玮燕，胡雄，李佳，王福增，贺鸣，焦向明，
申请(专利权)人：航天科工惯性技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11