機(jī)械耦合式磁懸浮風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械耦合式磁懸浮風(fēng)力偏航系統(tǒng)，包括行星齒輪、錐形齒輪、電磁離合器、垂直懸浮繞組、水平懸浮繞組、偏航電機(jī)。風(fēng)機(jī)偏航機(jī)械轉(zhuǎn)矩和偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)行星齒輪轉(zhuǎn)矩耦合并驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏航。風(fēng)機(jī)偏航機(jī)械轉(zhuǎn)矩由電磁離合器和錐形齒輪以固定變比取自發(fā)電機(jī)前側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩在機(jī)艙懸浮下由雙向PWM變流器控制；機(jī)艙懸浮由水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組共同控制，水平懸浮繞組平衡機(jī)艙重力，垂直懸浮繞組抑制中心偏移；偏航電機(jī)因風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩變化可工作在電動(dòng)和再生制動(dòng)兩模式，并由PWM變流器完成能量雙向流動(dòng)。本發(fā)明減少了偏航功率能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，大幅降低了偏航功耗，提高了風(fēng)能利用率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】機(jī)械耦合式磁懸浮風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)械耦合式磁懸浮風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)艙精確對(duì)風(fēng)的偏航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)可使風(fēng)機(jī)風(fēng)輪始終迎風(fēng)，提高風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用率，對(duì)確保風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有關(guān)鍵作用。目前，大中型風(fēng)電偏航系統(tǒng)普遍采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，偏航功耗大，故障率高，制約了大型風(fēng)電、尤其是海上風(fēng)電的發(fā)展，究其原因是海上風(fēng)電的安裝和維護(hù)需要大型船舶和直升飛機(jī)的輔助，高偏航故障率導(dǎo)致風(fēng)電成本升高。發(fā)明專(zhuān)利200910161406.7披露一種磁懸浮偏航裝置，該裝置采用磁懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)極大降低了偏航故障率和維護(hù)費(fèi)用，在機(jī)艙穩(wěn)定懸浮下進(jìn)行機(jī)艙偏航，降低了因機(jī)艙重力所致的摩擦轉(zhuǎn)矩；但由于風(fēng)機(jī)傾覆轉(zhuǎn)矩使得偏航電機(jī)中心偏移，偏航電機(jī)與塔架間的摩擦力矩依然存在，且偏航功耗較大，尤其需要說(shuō)明的是其偏航電機(jī)功率完全來(lái)自發(fā)電機(jī)發(fā)電功率，較大的偏航功耗限制了風(fēng)能利用率的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，提供一種基于機(jī)艙完全懸浮下的偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩和風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩機(jī)械耦合的新型風(fēng)力偏航系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為:風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)包括行星齒輪、錐形齒輪、電磁離合器、懸浮繞組、偏航電機(jī)。偏航電機(jī)吸收了軸/徑向電機(jī)特點(diǎn)，經(jīng)由水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組共同作用實(shí)現(xiàn)機(jī)艙完全懸浮，并由雙向PWM變流器控制定子繞組8供電產(chǎn)生偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩，其中水平懸浮繞組10用于平衡機(jī)艙重力，垂直懸浮繞組9用于抑制風(fēng)機(jī)傾覆力矩所致機(jī)艙中心偏移問(wèn)題，減小機(jī)艙偏航電機(jī)中心偏移所致摩擦轉(zhuǎn)矩。
[0005]所述風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩為經(jīng)由電磁離合器2和錐形齒輪3固定比例，取自發(fā)電機(jī)前側(cè)的風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，具有隨偏航對(duì)風(fēng)誤差減小而增大的特點(diǎn)，并在偏航角度為零時(shí)轉(zhuǎn)矩值最大。
[0006]所述行星齒輪15主要完成風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩和偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩機(jī)械耦合，共同驅(qū)動(dòng)機(jī)艙偏航。其中，太陽(yáng)輪5和風(fēng)機(jī)高速機(jī)械軸間存在固定轉(zhuǎn)矩變比的錐形齒輪傳動(dòng)體系，通過(guò)電磁離合器完成轉(zhuǎn)矩耦合；而齒圈5和偏航電機(jī)定子8機(jī)械聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩機(jī)械耦合，共同經(jīng)由行星架4驅(qū)動(dòng)機(jī)艙偏航，行星架和機(jī)艙機(jī)械聯(lián)接成一體。
[0007]所述懸浮繞組，包括水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組兩部分，分別通過(guò)對(duì)應(yīng)斬波器實(shí)現(xiàn)懸浮控制，而斬波器硬件拓?fù)浼翱刂撇呗砸褳槌墒旒夹g(shù)，在此不作贅述。
[0008]所述偏航定子三相繞組放置及繞制技術(shù)為發(fā)明專(zhuān)利200910161406.7中
【發(fā)明內(nèi)容】
。鑒于本發(fā)明特殊偏航運(yùn)行機(jī)制，偏航電機(jī)(應(yīng)具有發(fā)電和電動(dòng)兩種工作模式)定子電流采用雙向PWM變流器(具有整流和逆變雙重功能)控制。受外界風(fēng)能隨機(jī)性影響，偏航風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩具有波動(dòng)性特點(diǎn)，偏航電機(jī)需補(bǔ)充或吸收部分波動(dòng)轉(zhuǎn)矩確保偏航轉(zhuǎn)速恒定，為此，偏航電機(jī)可分別工作在電動(dòng)模式、再生制動(dòng)式發(fā)電模式以及停止模式等三種工作模式。
[0009]所述本發(fā)明塔架結(jié)構(gòu)(圖3)采用立式塔架12、水平懸浮支架16和垂直懸浮支架15組成。立式塔架用于支撐行星齒輪及機(jī)艙；水平懸浮支架和垂直懸浮支架為硅鋼片材質(zhì)組成鐵芯結(jié)構(gòu)，并分別放置水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組。
[0010]本發(fā)明所帶來(lái)的有益效果是:1)本發(fā)明借助水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)機(jī)艙兩自由度完全懸浮，其中水平懸浮平衡機(jī)艙重力；垂直懸浮抑制風(fēng)機(jī)傾覆力矩所致機(jī)艙徑向偏移，大幅降低摩擦轉(zhuǎn)矩和風(fēng)機(jī)偏航功耗。2)本發(fā)明借助于行星齒輪實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩和偏航電機(jī)轉(zhuǎn)矩機(jī)械耦合，偏航電機(jī)工作在電動(dòng)、再生制動(dòng)式發(fā)電以及停止等三種工作模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)艙被動(dòng)偏航和主動(dòng)偏航完美統(tǒng)一，大幅降低了偏航功耗，提高了風(fēng)能利用率。3)本發(fā)明偏航轉(zhuǎn)矩部分來(lái)自風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，減少了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了風(fēng)能利用率；且偏航電機(jī)功耗隨機(jī)艙對(duì)風(fēng)偏航角減小而減小，偏航目標(biāo)達(dá)到判定可通過(guò)偏航電機(jī)功率計(jì)算比較確定。該方法可有效消除傳統(tǒng)偏航控制完全依賴(lài)風(fēng)向傳感器所致偏航控制精度不高問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1本發(fā)明實(shí)例一偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2本發(fā)明實(shí)例二行星齒輪機(jī)械耦合結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3本發(fā)明實(shí)例三風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4本發(fā)明實(shí)例四機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)控制方案原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]如圖1、圖2和圖3如示，本發(fā)明所公布的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，包括塔架結(jié)構(gòu)(圖3，水平懸浮支架16、垂直懸浮支架15以及塔架12)、機(jī)艙1、行星齒輪17 (太陽(yáng)輪5、行星架4以及齒圈6組成)、機(jī)械耦合結(jié)構(gòu)(電磁離合器2和錐形齒輪3組成)、塔架上安裝有垂直懸浮繞組9和水平懸浮繞組10組成的磁懸浮機(jī)構(gòu)以及行星齒輪齒圈6上安裝有定子繞組8共同組成。
[0017]如圖4所示，本發(fā)明公布的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)控制方案。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為成熟技術(shù)，不受本發(fā)明保護(hù)。雙向PWM變流器20、垂直懸浮繞組斬波器18以及水平懸浮繞組斬波器19分別與發(fā)電系統(tǒng)直流母線耦合，通過(guò)變流器20、18和19實(shí)現(xiàn)機(jī)艙懸浮和機(jī)艙偏航；雙向PWM變流器主要任務(wù)為機(jī)艙勻速偏航，采用基于定子磁鏈定向和定子電流d軸分量id=0的軸/徑向磁場(chǎng)解耦策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙懸浮與偏航解耦控制；為降低偏航對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量的影響，雙向PWM變流器可工作在逆變和整流兩狀態(tài)，并經(jīng)由偏航轉(zhuǎn)速跟蹤控制(圖4中基于轉(zhuǎn)速控制和電流跟蹤控制器的雙閉環(huán)控制)完成電能雙向流動(dòng)，確保機(jī)艙穩(wěn)定偏航。18和19斬波器為成熟技術(shù)，在此不做贅述。
[0018]本發(fā)明專(zhuān)利系統(tǒng)工作包括機(jī)艙懸浮、機(jī)艙偏航以及機(jī)艙降落等3個(gè)步驟。
[0019]機(jī)艙懸浮，當(dāng)機(jī)艙安裝的風(fēng)向傳感器11檢測(cè)到風(fēng)向改變時(shí)，垂直懸浮繞組9通電，抑制傾覆轉(zhuǎn)矩所致的機(jī)艙中心偏移問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙與塔架σ間距恒定，確保塔架和行星齒輪中心具中，減小徑向摩擦；進(jìn)而水平懸浮繞組10供電，機(jī)艙懸浮啟動(dòng)，平衡機(jī)艙重力，最終將機(jī)艙穩(wěn)定懸浮于氣隙《，從而有效降低因機(jī)艙重力所致的摩擦力矩。
[0020]機(jī)艙偏航,機(jī)艙穩(wěn)定懸浮后，電磁離合器2通電,發(fā)電機(jī)前端風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tff通過(guò)電磁離合器和錐形齒輪3的固定變比δ完成轉(zhuǎn)矩分解，其中部分轉(zhuǎn)矩用作風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩δ Tff ;此時(shí)通過(guò)偏航電機(jī)定子8通電，經(jīng)由圖4雙向PWM變流器控制偏航轉(zhuǎn)矩，確保機(jī)倉(cāng)以恒定轉(zhuǎn)I 偏航。在風(fēng)速較小或者機(jī)艙偏航角較大時(shí)，風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩不足以獨(dú)立完成風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏骯，偏航電機(jī)工作在電動(dòng)模式，雙向PWM變流器運(yùn)行在逆變模式，此時(shí)差額轉(zhuǎn)矩部分由偏航電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩輔助，TrefX)；隨著偏航角度0減小,風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩足以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)偏航機(jī)艙恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，偏航電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩7；tf=0，此時(shí)偏航電機(jī)和雙向PWM變流器均工作在停止模式，由于風(fēng)能隨機(jī)性問(wèn)題，此工作模式僅為暫態(tài)過(guò)程；隨著對(duì)風(fēng)精度進(jìn)一步升高，風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩逐步增大，此轉(zhuǎn)矩除滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)偏航轉(zhuǎn)矩需要外還有剩余時(shí)，偏航電機(jī)將工作在再生制動(dòng)回饋模式，為實(shí)現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)速恒定，多余電能部分將通過(guò)雙向PWM變流器整流回饋至風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)，此時(shí)雙向變流器工作在整流模式，偏航電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩7；rf〈0但, >0保持不變。針對(duì)風(fēng)向傳感器信號(hào)易干擾且測(cè)量精度不高等問(wèn)題，采用基于機(jī)艙偏航功耗的爬山法完成偏航目標(biāo)的判定工作，具體原理如下:當(dāng)偏航角度設(shè)min時(shí)，起動(dòng)偏航目標(biāo)判定程序，首先由Tref判定當(dāng)前偏航工作模式，當(dāng)7；ef>0時(shí)偏航工作在電動(dòng)模式，計(jì)算偏航電機(jī)功率&當(dāng)P-最小時(shí)即為偏航控制目標(biāo)達(dá)到；當(dāng)7；ef〈0時(shí)偏航電機(jī)工作在再生
制動(dòng)模式，偏航電機(jī)功率/^/0，當(dāng)其值最小即再生回饋功率最大時(shí)，即偏航角度達(dá)到控制要求，偏航結(jié)束。
[0021]機(jī)艙降落，將電磁離合器和偏航電機(jī)定子停止供電，水平懸浮繞組逐步減小供電電流，使機(jī)艙穩(wěn)定懸浮降落直至懸浮氣隙為，此時(shí)垂直懸浮繞組和水平懸浮繞組斷電，從而完成了機(jī)艙偏航全部過(guò)程。
[0022]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于大中型風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，包括行星齒輪、水平懸浮繞組、垂直懸浮繞組以及定子繞組，所述行星齒輪的三個(gè)轉(zhuǎn)矩輸入/輸出軸(太陽(yáng)輪、齒圈和行星架)分別與錐形齒輪、偏航電機(jī)定子繞組以及風(fēng)機(jī)機(jī)艙相連；所述錐形齒輪經(jīng)由電磁離合器以固定變比獲取部分風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)矩作為風(fēng)機(jī)偏航機(jī)械轉(zhuǎn)矩；所述偏航電機(jī)定子繞組通過(guò)雙向PWM變流器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)相連；所述水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組經(jīng)由斬波器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述雙向PWM變流器可工作于逆變和整流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)偏航電機(jī)電動(dòng)和再生回饋制動(dòng)模式以確保機(jī)艙勻速偏航。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述電磁離合器經(jīng)由變流器和發(fā)電機(jī)直流側(cè)相連，以確保電磁離合器有效吸合和斷開(kāi)。
4.如權(quán)利要求2所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述雙向變流器設(shè)置有電流傳感器。
5.如權(quán)利要求2所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述偏航電機(jī)設(shè)有電機(jī)角速度傳感器以及氣隙傳感器。
6.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述水平懸浮繞組和垂直懸浮繞組分別設(shè)置于塔架的水平和垂直支撐上。
7.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述偏航控制分機(jī)艙懸浮、機(jī)艙偏航以及機(jī)艙降落三個(gè)過(guò)程。
8.如權(quán)利要求7所述的機(jī)械耦合式磁懸浮偏航系統(tǒng)，其特征是，所述機(jī)艙偏航結(jié)束判定標(biāo)準(zhǔn)為基于風(fēng)向傳感器和偏航功耗爬山法的混合判定方法。
【文檔編號(hào)】F03D7/00GK103883469SQ201410143297
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】褚曉廣, 蔡彬, 孔英, 丁文龍 申請(qǐng)人:曲阜師范大學(xué), 褚曉廣