JP6577394B2 - 風力発電設備の異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電設備の異常診断装置に関する。

風力発電設備は、５０ｍ以上あるタワーの上端部に回動可能にナセルが設置され、このナセルに設けられた主軸の一端側に風を受けるブレードが設置され、主軸の他端側には増速機や、発電機が設置されている。
風力発電設備には、上記のように主軸、増速機及び発電機といった回転機器を有しており、これらの機器の異常を診断する方法として、振動センサを用いた診断方法が提案されている。

例えば、特許文献１には「転がり軸受の異常診断装置、風力発電装置及び異常診断システム」という発明が提案されている。
特許文献１のものは、「転がり軸受の振動波形を測定するための振動センサと、前記転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備え、前記処理部は、前記振動センサを用いて測定された前記振動波形の実効値を算出する第１の演算部と、前記振動センサを用いて測定された前記振動波形にエンベロープ処理を行なうことによって前記振動波形のエンベロープ波形を生成するエンベロープ処理部と、前記エンベロープ処理部によって生成された前記エンベロープ波形の交流成分の実効値を算出する第２の演算部と、前記第１の演算部によって算出された前記振動波形の実効値および前記第２の演算部によって算出された前記エンベロープ波形の交流成分の実効値に基づいて前記転がり軸受の異常を診断する診断部とを含む、転がり軸受の異常診断装置。」（請求項１参照）である。

また、特許文献２には、「状態監視システム」という発明が提案されており、これは「風力発電装置に設けられた機器の異常を診断する状態監視システムであって、前記機器に設けられるセンサを含むモニタ装置と、前記モニタ装置が前記機器の異常を診断するために使用するしきい値を設定し、前記しきい値に基づいて前記機器の異常を診断する監視側制御装置と、前記機器の状態を監視する監視用端末装置とを備え、前記モニタ装置は、前記診断前の第１の期間に計測したしきい値設定用データを前記監視側制御装置へ送信し、前記監視側制御装置は、前記しきい値設定用データに基づき、前記しきい値を生成し、前記モニタ装置は、前記第１の期間経過後の第２の期間に、測定したデータを前記監視側制御装置に送信し、前記監視側制御装置は、前記データと前記データに対応する前記しきい値とに基づいて前記機器が異常か否かを診断し、前記監視用端末装置に診断の結果を送信する、状態監視システム。」というものである。

特開２０１１−１５４０２０号公報 特開２０１３−１８５５０７号公報

風力発電設備に生じる故障箇所や態様を列挙すると、主軸ベアリング損傷（フレーキング、摩耗、割損等）、増速機低速側ベアリング損傷、増速機高速側ギヤ歯欠損（歯面摩耗、歯欠損等）、遊星歯車軸受割損、遊星歯車スプライン軸歯面損傷、発電機軸受破損、主軸と増速機、増速機と発電機間の芯狂いによる異常振動などがあり、極めて多様である。

これらの多様な故障が生ずると、機械系の異常（ガタ）となって現れることが多い。

ところで、風力発電設備は、一定風速以上になると発電を開始し（カットイン）、風速が大きくなりすぎると危険防止のために発電を中止する（カットアウト）という特殊な動作を行う。
このような風力発電設備において機械系の異常（ガタ）が生じた場合、カットイン、カットアウトとの関係で振動波形に変化が生ずるが、特許文献１、２においてはこの点を考慮しておらず、ガタの発生を正確に診断することができない。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、風力発電設備において機械系の異常（ガタ）を的確に診断できる風力発電設備の異常診断装置を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る風力発電設備の異常診断装置は、風力によって回転するブレードと、該ブレードに連結された主軸を回転可能に支持する主軸受、前記主軸に連結されて主軸の回転を増速する増速機、該増速機の出力軸に接続される発電機、及び少なくとも該発電機の発電開始に関する制御する制御盤を備えた風力発電設備に設けられて機器の異常を診断する風力発電設備の異常診断装置であって、
診断対象となる機器の振動に関するデータと発電開始（カットイン）に関する情報を収集するデータ収集装置と、該データ収集装置で収集されたデータに基づいて機器の異常の有無を診断する診断装置とを備え、
前記データ収集装置は、前記制御盤から発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路と、前記主軸受と、前記増速機の入側と、該増速機の出側と、前記発電機の入側の４箇所において、それぞれ直交位置に設置された少なくとも８個の振動センサと、前記カットイン判断回路からの発電開始情報に基づいて前記振動センサにおける発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリング処理回路を有し、
前記診断装置は、前記データ収集装置で収集された情報に基づいて、ガタ発生の有無を判断する判定手段を有し、
該判定手段は発電開始前後の振動波形を比較して発電開始前の振動波形が発電開始後の振動波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前後の所定時間の振動波形の指定周波数成分の総和が予め設定した差以上であることでガタが発生していると判定することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記データ収集装置は、サンプリングしたデータを外部に送信するデータ送信手段を有し、
前記診断装置は、前記データ送信手段によって送信されたデータを受信するデータ受信部を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る風力発電設備の異常診断装置においては、診断対象となる機器の振動に関するデータと発電開始（カットイン）に関する情報を収集するデータ収集装置と、該データ収集装置で収集されたデータに基づいて機器の異常の有無を診断する診断装置とを備え、
前記データ収集装置は、前記制御盤から発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路と、前記主軸受と、前記増速機の入側と、該増速機の出側と、前記発電機の入側の４箇所において、それぞれ直交位置に設置された少なくとも８個の振動センサと、前記カットイン判断回路からの発電開始情報に基づいて前記振動センサにおける発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリング処理回路を有し、前記診断装置は、前記データ収集装置で収集された情報に基づいて、ガタ発生の有無を判断する判定手段を有し、
該判定手段は発電開始前後の振動波形を比較して発電開始前の振動波形が発電開始後の振動波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前後の所定時間の振動波形の指定周波数成分の総和が予め設定した差以上であることでガタが発生していると判定するようにしたので、カットイン、カットオフという特殊な動作をする風力発電設備において、機械系の異常（ガタ）発生を的確に診断することができる。

本発明の一実施の形態に係る風力発電設備の異常診断装置の構成を説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係る風力発電設備の異常診断装置におけるガタ発生の有無の判定方法を説明する説明図であって、解析の対象とした振動計の位置を説明する図である。 本発明の一実施の形態に係る風力発電設備の異常診断装置で計測した振動波形を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る風力発電設備の異常診断装置で解析した３次元周波数解析結果を示す図である。

本実施の形態に係る風力発電設備の異常診断装置１（以下、単に「異常診断装置１」という）は、図１に示すように、風力によって回転するブレード３と、ブレード３に連結された主軸５を回転可能に支持する主軸受６、主軸５に連結されて主軸５の回転を増速する増速機７、増速機７の出力軸に接続される発電機９と、少なくとも該発電機の発電開始に関する制御する制御盤１０を備えた風力発電設備１１に設けられて機器の異常を診断するものである。
そして、異常診断装置１は、ナセル内に設置されてデータの収集を行うデータ収集装置１３と、インターネット回線を介してデータ収集装置１３で収集されたデータを受信し、受信したデータに基づいて診断を行う診断装置１５を備えている。
以下、各装置について詳細に説明する。

＜データ収集装置＞
データ収集装置１３は、主軸受６と、増速機７の入側と、増速機７の出側と、発電機９の入側と、発電機９の出側との５箇所に設置された振動センサ１７を有している。４箇所のそれぞれにおいては、水平方向（Ｈ方向）と垂直方向（Ｖ方向）の２箇所に振動センサ１７が設けられているので、振動センサ１７は合計１０個設けられている（図１参照）。

また、データ収集装置１３は、図１に示すように、制御盤１０からの発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路１８と、各振動センサ１７から出力される信号を入力して各振動センサ１７ごとに振動波形データを取り込むアナログ回路１９、アナログ回路１９で取り込まれたアナログデータをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路２１と、Ａ／Ｄ変換回路２１によってデジタル変換されたデータをカットイン判断回路１８からの発電開始情報に基づいて発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリングするサンプリング処理回路２３と、サンプリング処理回路２３でサンプリングされたデータを記憶する記憶手段２５と、記憶手段２５に蓄積されたデータ及びカットイン判断回路１８の発電開始に関する情報を送信するデータ送信手段２７と、通信回線（例えば、インターネット回線）を介して接続された診断装置１５との通信を行うための通信制御手段２９を備えている。
アナログ回路１９は、積分回路、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタなどを備えて構成される。

＜診断装置＞
診断装置１５は、図１に示すように、インターネット回線を介して送信されるデータを受信する通信制御手段２９と、記憶されている解析プログラム（振動波形解析プログラム３１、３次元周波数解析プログラム３３）を読み出して、データ収集装置１３から送信されたデータに基づいて振動波形解析及び３次元周波数解析を行う解析手段３５と、解析手段３５の解析結果及びカットイン判断回路１８の発電開始に関する情報に基づいて機械系の異常（ガタ）発生の有無を判定する判定手段３６とを備えている。
なお、診断装置１５が振動波形解析プログラム３１及び３次元周波数解析プログラム３３以外の解析プログラムを有している場合を排除するものではない。

以下、解析手段３５と判定手段３６について詳細に説明する。

＜解析手段＞
解析手段３５が行う振動波形解析と３次元周波数解析について説明する。
《振動波形解析》
前述したように、風力発電設備１１は一定風速以上になると発電を開始し（カットイン）、風速が大きくなりすぎると危険防止のために発電を中止する（カットアウト）という特殊な動作を行う。
図３は、図２に示したａ（発電機反負荷側）、ｂ（発電機負荷側）、ｃ（増速機出力側）、ｄ（増速機入力側）の４箇所で測定した加速度（Acc.）波形と速度（Vel.）波形を示したものであり、横軸が経過時間で縦軸が振動波形の振幅を示している。なお、図３では主軸受６に設置した振動センサからの振動波形の解析結果を載せていないので、図２においては当該部位の位置を示していない。
横軸には、装置の起動、カットイン（発電開始時）、カットアウト（発電停止時）、及び装置の起動と停止の各タイミングを矢印で示してある。
また、今回解析の対象としたのはカットインの前後１２秒の間であることから、当該領域を示してある。

図３における「増速機入力側 Vel」の波形を見ると、カットイン前には速度波形に衝撃性のあるピーク振動波形が発生しており、この衝撃振動の周期は低速軸の１回転周期である。
一方、カットイン後にはこのピーク振動波形が小さくなり、振動速度レベルも減少している。
このように、カットインの前後においてピーク振動波形の振幅に大きな差が生ずる場合、当該部位の機械系に摩耗によるガタがある可能性がある。

ガタがある場合、カットイン前に生じていたピーク振動の振幅が小さくなる理由は、発電開始により発電機の軸芯がマグネットセンターに移動し、その動きに連動して増速機や、主軸受の軸芯も変化して負荷が増加する。その結果、各軸受の摩耗部で自由に振れ回っていた軸が、負荷が加わる方向に拘束されるため、結果としてガタによる振動が押さえられ小さくなるものと考えられる。

このように振動波形解析を行うことで、カットイン前後のピーク振動波形の振幅の変化を捉えることができ、ガタ発生の有無を判断する一つの要素とすることができる。

《３次元周波数解析》
機械系にガタがある場合、ガタがある回転軸の回転周波数とその高調波成分が発生することが知られている。風車の場合、低速軸の回転周波数は数Ｈｚ程度の低周波であり、１次の回転周波数だけに着目しようとしても、主軸受の振れ回り振動成分や増速機低速軸側の遊星歯車のギヤ噛み合い周波数など、複数の低周波数成分が複合されているため、分別することは困難である。
そこで、１次成分に着目せず、その高調波成分に着目することで、どの軸受部のガタであるかを確実に判定することができる。

図４は、カットイン前後の３次元周波数解析結果を示すものであり、縦軸が時間経過で横軸が周波数である。
カットイン前で低速回転系の回転周波数成分の逓数倍の周波数が顕著に現われており、低速回転系に異常（ガタ）があることが解る。逆に２０Ｈｚ以下の低周波領域では、あらゆる周波数成分が重畳しており、何の成分が含まれているか分別が困難であることもわかる。
このように、高調波成分に着目した３次元周波数解析を行うことで、ガタ発生の有無を確実に知ることができる。

＜判定手段＞
判定手段は、解析手段の解析結果を用いて以下のように判定する。
発電開始（カットイン）前後の振動波形を比較して発電開始前の振動波形が発電開始後の振動波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前後の所定時間の振動波形の指定周波数成分の総和が予め設定した差以上であることの２つの条件が成立したときにガタが発生していると判定する。
指定周波数とは、主軸回転周波数、増速機遊星歯車出力軸回転周波数、増速機１段軸回転周波数、増速機２段回転周波数などを指す。
また、予め定めた差の例としては、例えば加速度ピーク値で２倍以上などの設定を行う。

以上のように、本実施の形態の異常診断装置１によれば、カットイン、カットオフという特殊な動作をする風力発電設備において、機械系の異常（ガタ）発生を的確に判定することができる。

１ 異常診断装置
３ ブレード
５ 主軸
６ 主軸受
７ 増速機
９ 発電機
１０ 制御盤
１１ 風力発電設備
１３ データ収集装置
１５ 診断装置
１７ 振動センサ
１８ カットイン判断回路
１９ アナログ回路
２１ Ａ／Ｄ変換回路
２３ サンプリング処理回路
２５ 記憶手段
２７ データ送信手段
２９ 通信制御手段
３１ 振動波形解析プログラム
３３ ３次元周波数解析プログラム
３５ 解析手段
３６ 判定手段

Claims (2)

1. 風力によって回転するブレードと、該ブレードに連結された主軸を回転可能に支持する主軸受、前記主軸に連結されて主軸の回転を増速する増速機、該増速機の出力軸に接続される発電機、及び少なくとも該発電機の発電開始に関する制御する制御盤を備えた風力発電設備に設けられて機器の異常を診断する風力発電設備の異常診断装置であって、
   診断対象となる機器の振動に関するデータと発電開始（カットイン）に関する情報を収集するデータ収集装置と、該データ収集装置で収集されたデータに基づいて機器の異常の有無を診断する診断装置とを備え、
   前記データ収集装置は、前記制御盤から発電開始に関する情報を取得して発電開始状態かどうかを判断するカットイン判断回路と、前記主軸受と、前記増速機の入側と、該増速機の出側と、前記発電機の入側の４箇所において、それぞれ直交位置に設置された少なくとも８個の振動センサと、前記カットイン判断回路からの発電開始情報に基づいて前記振動センサにおける発電開始前後の所定時間の計測値をサンプリングするサンプリング処理回路を有し、
   前記診断装置は、前記データ収集装置で収集された情報に基づいて、ガタ発生の有無を判断する判定手段を有し、
   該判定手段は、発電開始前後の速度波形を比較して発電開始前の速度波形が発電開始後の速度波形よりも大きく、かつこの差が予め設定した差以上であること、及び、発電開始前の所定時間の速度波形の指定周波数の高調波成分の総和と、発電開始後の所定時間の速度波形の指定周波数の高調波成分の総和との差が予め設定した値以上であること、でガタが発生していると判定することを特徴とする風力発電設備の異常診断装置。
2. 前記データ収集装置は、サンプリングしたデータを外部に送信するデータ送信手段を有し、
   前記診断装置は、前記データ送信手段によって送信されたデータを受信するデータ受信部を備えたことを特徴とする請求項１記載の風力発電設備の異常診断装置。