專利名稱：風力發(fā)電設備的傳動鏈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電設備的傳動鏈，包括作為用于傳動裝置的驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)子，其中，在一轉(zhuǎn)子輪轂上裝有繞其縱軸線可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子葉片；還包括與傳動裝置和一電網(wǎng)連接的三相交流發(fā)電機；以及包括用于傳動裝置的轉(zhuǎn)速可變的輔助驅(qū)動裝置。
本發(fā)明還涉及一種用于在風力發(fā)電設備的傳動鏈中控制轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的方法，其中，一個三相交流發(fā)電機由一傳動裝置驅(qū)動，該傳動裝置本身則又由風力發(fā)電設備的轉(zhuǎn)子軸以及一輔助驅(qū)動裝置驅(qū)動。
在風力發(fā)電設備中，原理上存在采用同步發(fā)電機或異步發(fā)電機來產(chǎn)生供給電網(wǎng)的電流的可能性。
在兩方案中存在的問題是，由發(fā)電機產(chǎn)生的電流必須準確地同步于電網(wǎng)，這就要求復雜的控制裝置和電路或變換器，它們不僅制造昂貴，而且?guī)в谢虼蠡蛐〉墓β蕮p耗。
此外，因不均勻的風力所引起的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩波動由于在供給電網(wǎng)時有強的功率波動而產(chǎn)生不利的影響。
為了消除這種缺點，已建議，給位于發(fā)電機前面的傳動裝置配備一轉(zhuǎn)速可變的輔助驅(qū)動裝置，它不僅可作為發(fā)電機而且可作為電動機操作。該輔助驅(qū)動裝置，其可以說經(jīng)由一第二驅(qū)動軸附接于傳動裝置，用以保持傳動裝置向同步發(fā)電機的輸出轉(zhuǎn)速不變，這在高風速時并從而在馬達轉(zhuǎn)速很高時意味著，輔助驅(qū)動裝置作為發(fā)電機工作，相反，在低風速時輔助驅(qū)動裝置的電動機操作是必然的。
輔助驅(qū)動裝置本身在現(xiàn)有技術(shù)中同樣與發(fā)電機軸連接，而且是經(jīng)由一變換器和另一發(fā)電機或電動機，其直接連接于三相交流發(fā)電機的驅(qū)動軸。這不僅要求高的技術(shù)費用，而且，由于兩個附加的輔助驅(qū)動裝置或發(fā)電機和在兩者之間的變換器，在很大程度上共同使得總效率降低。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種具有權(quán)利要求1前序部分特征的傳動鏈，其以較小的費用實現(xiàn)傳動鏈的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制并且降低設備總體的負荷。
上述目的通過具有權(quán)利要求1特征的傳動鏈得以實現(xiàn)。
上述目的還通過具有權(quán)利要求11特征的方法來達到。
在本發(fā)明中采取的途徑是，通過對各轉(zhuǎn)子葉片或轉(zhuǎn)子葉片的各部分的位置、亦即其相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向或相對于風向的定位角(“pitch”)的各自單獨的控制，結(jié)合輔助驅(qū)動裝置，達到傳動鏈的轉(zhuǎn)速或驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的均勻性，并降低設備總體的負荷。
輔助驅(qū)動裝置與單獨的位置控制的組合還導致可以將輔助驅(qū)動裝置的額定功率設計得較小。通過對可供利用的風的有效利用，還可以在電動機操作中以較小的轉(zhuǎn)矩開動，借此，輔助驅(qū)動裝置例如4極三相交流電機的操作在場強減弱的范圍內(nèi)(例如-2000/min-1)也是可能的，相反，輔助驅(qū)動裝置在發(fā)電機操作中設計用于達例如+1500/min-1的轉(zhuǎn)速范圍。由于輔助驅(qū)動裝置的較大的轉(zhuǎn)速擴展，輔助驅(qū)動裝置的較小的額定功率成為可能，這是因為，所需要的輔助驅(qū)動裝置功率正比于設備的額定功率和轉(zhuǎn)速范圍(轉(zhuǎn)差率)。
輔助驅(qū)動裝置按照本發(fā)明還可以用于抑制傳動鏈振動，傳動鏈振動是因內(nèi)部的傳動鏈動力學特性引起的。為此，在傳動裝置的輸出軸上或在三相交流發(fā)電機的驅(qū)動軸上設置一測量裝置，用以檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。同時測出的振動可以用于輔助驅(qū)動裝置的驅(qū)動的相應匹配，由此在總體上可以抑制傳動鏈振動。
可選擇地或附加地，也有可能在輔助驅(qū)動裝置與傳動裝置的連接區(qū)域內(nèi)和/或在轉(zhuǎn)子軸上設置一測量裝置，用以檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，因為在該位置也可以很好地檢測傳動鏈振動。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施形式中，輔助驅(qū)動裝置是一異步電機，它經(jīng)由一變換器連接于電網(wǎng)。在電動機驅(qū)動時所需要的功率因此直接從電網(wǎng)中取得或者是降低由三相交流發(fā)電機供給電網(wǎng)的功率。無論如何，附帶產(chǎn)生的發(fā)電機功率經(jīng)由變換器供給電網(wǎng)。不過，由于輔助驅(qū)動裝置的功率很小，變換器的規(guī)格可以確定得很小，因此變換器的功率損耗也很小。
或者，輔助驅(qū)動裝置也可以是一流體靜力的或流體動力的傳動裝置或轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器。
在一種優(yōu)選的實施形式中，所述三相交流發(fā)電機是同步發(fā)電機。
本發(fā)明的其他的特征和優(yōu)點由以下針對本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例的描述得出。


圖1示出按照本發(fā)明的風力發(fā)電設備的傳動鏈的電路圖；圖2示意地示出傳動鏈包括一行星齒輪傳動裝置的實施形式；圖3示出轉(zhuǎn)矩在時間上的變化，沒有本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整和傳動鏈減振；圖4示出轉(zhuǎn)矩在時間上的變化，具有本發(fā)明的轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整和傳動鏈減振。
如圖1和2示意示出的那樣，具有多個轉(zhuǎn)子葉片2的轉(zhuǎn)子1經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸3驅(qū)動一傳動裝置，優(yōu)選為行星齒輪傳動裝置4。在行星齒輪傳動裝置4上經(jīng)由主軸6連接一個三相交流電機(在所示的實施例中為同步電機5)和經(jīng)由一輔助軸7連接一輔助驅(qū)動裝置(例如為異步電機7的形式)。同步電機5經(jīng)由導線9直接連接于電網(wǎng)。而異步電機7則經(jīng)由一變換器10和一電源濾波器11與導線9或電網(wǎng)12連接。在導線9與電網(wǎng)12之間，如通常那樣，可以連接一變壓器13和一總開關(guān)14。
設備總體由一控制單元15控制。該控制單元取得下列數(shù)據(jù)經(jīng)由導線16和17同步電機5的驅(qū)動軸6以及異步電機7的輔助軸8的轉(zhuǎn)速；經(jīng)由導線18異步電機的電流；經(jīng)由導線19變換器10的中間電路電壓；經(jīng)由導線20電網(wǎng)側(cè)的電流；經(jīng)由導線21同步電機的電網(wǎng)側(cè)的電壓；經(jīng)由導線22電網(wǎng)側(cè)的電流和經(jīng)由導線23電網(wǎng)側(cè)的電壓。
由這些數(shù)據(jù)，控制單元15算出相應的調(diào)整值，以便控制傳動鏈的各個部件。特別是，經(jīng)由一導線24來控制驅(qū)動裝置，借此每一轉(zhuǎn)子葉片2可被單獨調(diào)整，亦即可繞其縱軸線轉(zhuǎn)動。經(jīng)由另一導線25控制同步電機5的激勵。經(jīng)由兩導線26和27控制變換器10的異步電機側(cè)的和電網(wǎng)側(cè)的部分。經(jīng)由另一導線28接通和斷開總開關(guān)14。
由于同步電機5是直接與電網(wǎng)連接的，故而其轉(zhuǎn)速是常數(shù)。在50Hz電網(wǎng)頻率時，同步電機的轉(zhuǎn)速為3000min-1/p。因此，按照極對數(shù)P，轉(zhuǎn)速可以為3000min-1、1500min-1、1000min-1等。由于風力發(fā)電設備以轉(zhuǎn)子1的可變的轉(zhuǎn)速操作，輔助驅(qū)動裝置7應該用于轉(zhuǎn)子與同步電機之間的轉(zhuǎn)速平衡。作為輔助驅(qū)動裝置，采用一經(jīng)由變換器10供電的異步電機(鼠籠轉(zhuǎn)子)。該變換器構(gòu)成為電壓中間電路變換器，其中，各開關(guān)元件例如是IGBT’s。異步電機7的場定向的控制能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的精確和高度動態(tài)的調(diào)整。變換器10的電網(wǎng)側(cè)的部分同樣構(gòu)成為反用換流器(逆變器)，因此，在兩個方向上的功率流是可能實現(xiàn)的，也就是說，異步電機不僅可以用作為發(fā)電機而且可以用作為電動機。變換器10在電網(wǎng)12上的耦合要求有一電源濾波器(正弦波濾波器)，以便將變換器10的接通頻率的諧波電流限定到允許的程度。
同步電機5的轉(zhuǎn)速是恒定的。輔助驅(qū)動裝置7提供轉(zhuǎn)子1與同步電機5之間的差轉(zhuǎn)速和差功率。輔助驅(qū)動裝置7在轉(zhuǎn)子功率或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很小時以電動機方式工作，在功率或轉(zhuǎn)速較大時以發(fā)電機的方式工作。在本發(fā)明的傳動鏈的實施形式中，用于風力發(fā)電設備功率控制的兩個控制參數(shù)是轉(zhuǎn)子葉片2的葉片角度(“pitch”)和輔助驅(qū)動裝置7的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速。輔助驅(qū)動裝置7的轉(zhuǎn)矩正比于同步電機5的轉(zhuǎn)矩或正比于轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)矩。因此，對輔助驅(qū)動裝置的一定轉(zhuǎn)矩的調(diào)整相當于對同步電機5的一種轉(zhuǎn)矩調(diào)整。
在風速低于額定速度時，這相當于轉(zhuǎn)子功率低于額定功率，將各轉(zhuǎn)子葉片2的葉片角度在中位保持不變并且正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方調(diào)整轉(zhuǎn)矩。由此使轉(zhuǎn)子1始終以盡可能最好的空氣動力效率工作。
在風速超過額定速度時，亦即轉(zhuǎn)子功率超過額定功率，將同步電機的轉(zhuǎn)矩的平均值保持不變并且借助于各轉(zhuǎn)子葉片2的葉片角度的調(diào)整控制一恒定的轉(zhuǎn)速或恒定的功率，其中，為該目的設定的額定值對于全部的轉(zhuǎn)子葉片是相同的。此外還可以將用于可單獨調(diào)整或控制每一轉(zhuǎn)子葉片的附加值疊加在所述的用于葉片角度的額定值設定和控制各個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)矩上，以便改善動力性能并由此降低設備總體的負荷。這些附加的影響參數(shù)例如得自取決于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片在地面以上的高度的不同的風速以及干擾影響，后者產(chǎn)生于風力發(fā)電設備的桅桿的區(qū)域內(nèi)。
同步電機5的電網(wǎng)連接性能相當于傳統(tǒng)的發(fā)電裝置包括一同步電機。設備的無功功率可以在負荷極限內(nèi)通過同步電機的激勵自由地調(diào)整。通過無功功率的依賴于電網(wǎng)電壓的設定可以有助于電網(wǎng)中的電壓控制。在電網(wǎng)故障(電壓擾動等)的情況下產(chǎn)生一個同步電機的已知的性能，亦即同步電機保留在電網(wǎng)上并且可以供給一相應的短路電流。由此以簡單的方式滿足傳輸和分配電網(wǎng)控制器的有關(guān)要求(例如“EON-規(guī)程”)而不需要附加的技術(shù)措施。同步電機的大的短路量值在這里以慣常的方式確保了一種選擇的電網(wǎng)保護的功能。
同步電機5和異步電機7的轉(zhuǎn)速范圍例如在2000kW設備中可以設定如下轉(zhuǎn)速范圍轉(zhuǎn)子同步電機 異步電機nmin＝10min-1n＝1000min-1nmin＝-2000min-1nmax＝16.5min-1n＝1000min-1nmax＝1500min-1由轉(zhuǎn)速等式nSM＝72.92n轉(zhuǎn)子-0.1354nASM(SM-同步電機，ASM-異步電機)可以導出轉(zhuǎn)矩等式 由此，在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下得出下列功率轉(zhuǎn)子PR＝2000kW(16.5rpm，1157.5kNm)同步電機PSM＝1662kW(1000rpm，15.87kNm)異步電機PASM＝338kW(1500rpm，2.15kNm)由此可見，輔助驅(qū)動裝置7的額定功率大致只須為設備的額定功率的約17％，從而在總體上風力發(fā)電設備具有特別穩(wěn)定的向電網(wǎng)的供電性能。
通過驅(qū)動軸6和/或輔助軸8的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確測定，也可以很精確地檢測由傳動鏈本身的動力學特性所產(chǎn)生的傳動鏈振動。從而能夠反過來控制這些振動，亦即抑制這些振動，通過相應匹配地驅(qū)動輔助驅(qū)動裝置7，使傳動鏈振動得以抑制。該減振的對應措施的計算同樣在控制單元15中實現(xiàn)，其接著再相應地控制變換器10。
圖2中示意示出本發(fā)明的傳動鏈，其中，采用三級的齒輪傳動裝置4。第一行星齒輪級4a構(gòu)造成傳統(tǒng)的形式，也就是說，轉(zhuǎn)子軸3作為驅(qū)動軸與一行星齒輪系桿30相連接而一輸出軸31與一太陽齒輪32相連接。第一傳動級4a的輸出軸31同時是第二傳動級4b的驅(qū)動軸，其又連接于一行星齒輪系桿33。第二傳動級4b的與一太陽齒輪34連接的輸出軸35經(jīng)由第三傳動級36連接同步電機的驅(qū)動軸6。
第一傳動級4a的內(nèi)齒輪37是固定的，而第二傳動級4b的內(nèi)齒輪38是可旋轉(zhuǎn)的并且由輔助驅(qū)動裝置7經(jīng)由一圓柱齒輪級39和一齒輪38進行驅(qū)動。內(nèi)齒輪為此設有內(nèi)嚙合齒和外嚙合齒。通過內(nèi)齒輪38以不同速度和不同轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)動，則可以改變第二傳動級4b的傳動比，而使得即便在轉(zhuǎn)子軸3轉(zhuǎn)速可變的情況下也總是以恒定的轉(zhuǎn)速驅(qū)動軸6。
在圖3和4中示出在渦流風情況下驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動，表示為驅(qū)動軸3在時間上的轉(zhuǎn)矩變化。圖3示出的轉(zhuǎn)矩變化，沒有單獨的轉(zhuǎn)子葉片控制也沒有傳動鏈減振；而圖4示出的轉(zhuǎn)矩變化，則具有按照本發(fā)明的單獨的轉(zhuǎn)子葉片控制和傳動鏈減振。由兩曲線變化的比較可以看出，單獨的轉(zhuǎn)子葉片控制協(xié)同傳動鏈減振，尤其在額定載荷范圍內(nèi)使得轉(zhuǎn)矩明顯更為均勻，這樣就導致負荷的相應降低，從而也導致傳動裝置、三相交流電機和輔助驅(qū)動裝置的優(yōu)化設計。
權(quán)利要求
1.風力發(fā)電設備的傳動鏈，包括作為用于傳動裝置的驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)子，其中，在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子輪轂上裝有繞其縱軸線可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子葉片；包括與所述傳動裝置和與一電網(wǎng)連接的三相交流發(fā)電機；以及包括用于所述傳動裝置的轉(zhuǎn)速可變的輔助驅(qū)動裝置；其特征在于，每一轉(zhuǎn)子葉片具有一自身的驅(qū)動裝置，用于各自單獨繞其縱軸線的轉(zhuǎn)動。
2.按照權(quán)利要求1所述的傳動鏈，其特征在于，所述輔助驅(qū)動裝置可以按電動機方式和按發(fā)電機方式工作。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的傳動鏈，其特征在于，所述輔助驅(qū)動裝置設計用于一種有不對稱的轉(zhuǎn)速范圍的操作，所述轉(zhuǎn)速范圍例如從-2000至+1500min-1。
4.按照權(quán)利要求1至3之一項所述的傳動鏈，其特征在于，在所述傳動裝置的輸出軸上或在所述三相交流發(fā)電機的驅(qū)動軸上設置一測量裝置，用以檢測轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩。
5.按照權(quán)利要求1至4之一項所述的傳動鏈，其特征在于，在所述輔助驅(qū)動裝置與所述傳動裝置的連接區(qū)域內(nèi)設置一測量裝置，用以檢測轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩。
6.按照權(quán)利要求1至5之一項所述的傳動鏈，其特征在于，所述輔助驅(qū)動裝置是一異步電機，它經(jīng)由一變換器與電網(wǎng)連接。
7.按照權(quán)利要求6所述的傳動鏈，其特征在于，所述輔助驅(qū)動裝置是一流體靜力的或流體動力的驅(qū)動裝置或轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器。
8.按照權(quán)利要求1至7之一項所述的傳動鏈，其特征在于，所述三相交流發(fā)電機是一同步發(fā)電機。
9.按照權(quán)利要求1至8之一項所述的傳動鏈，其特征在于，每一轉(zhuǎn)子葉片的驅(qū)動裝置可借助于各自單獨的額定值設定單獨地控制。
10.按照權(quán)利要求1至9之一項所述的傳動鏈，其特征在于，所述傳動裝置是行星齒輪傳動裝置。
11.用于在風力發(fā)電設備的傳動鏈中控制轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的方法，其中，一個三相交流發(fā)電機由一傳動裝置驅(qū)動，該傳動裝置本身則又由風力發(fā)電設備的轉(zhuǎn)子軸和一輔助驅(qū)動裝置驅(qū)動；其特征在于，為了傳動鏈的轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩的均勻性，使每一轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)由一自身的驅(qū)動裝置繞其縱軸線轉(zhuǎn)動。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，可以為每一轉(zhuǎn)子葉片的驅(qū)動裝置設定一單獨的額定值。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，使輔助驅(qū)動裝置按電動機方式和按發(fā)電機方式工作。
14.按照權(quán)利要求11至13之一項所述的方法，其特征在于，對傳動鏈的振動進行測量，并通過輔助驅(qū)動裝置的匹配的驅(qū)動或制動進行減振。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，檢測所述三相交流電機的驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩。
16.按照權(quán)利要求11至15之一項所述的方法，其特征在于，檢測所述輔助驅(qū)動裝置的輸出軸的轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩。
17.按照權(quán)利要求11至16之一項所述的方法，其特征在于，檢測轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩。
18.按照權(quán)利要求11至17之一項所述的方法，其特征在于，將已知的和/或測得的和/或因外力引起的周期性重復的負荷波動用于傳動控制的計算。
19.按照權(quán)利要求11至18之一項所述的方法，其特征在于，所述輔助驅(qū)動裝置經(jīng)由一變換器直接連接于電網(wǎng)。
全文摘要
在風力發(fā)電設備的傳動鏈中，設有作為用于傳動裝置(4)的驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)子(1)，其中，在轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)子輪轂上裝有繞其縱軸線可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子葉片。三相交流發(fā)電機(5)與傳動裝置(4)和與電網(wǎng)(12)連接。此外，設置一用于傳動裝置(4)的輔助驅(qū)動裝置(7)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩的均勻性，每一轉(zhuǎn)子葉片(2)具有一自身的驅(qū)動裝置，用于各自單獨繞其縱軸線的轉(zhuǎn)動。
文檔編號F03D9/00GK101031719SQ200580025839
公開日2007年9月5日 申請日期2005年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月30日
發(fā)明者格拉爾德·黑亨貝格爾 申請人:格拉爾德·黑亨貝格爾