專利名稱：慣性儲能，工頻順槳變槳系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，更具體地講，涉及一種以風力發(fā)電機的慣性作為后備能源的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)的發(fā)展，可再生能源的關(guān)注和利用程度日益增加，其中，風力發(fā)電是一種已經(jīng)發(fā)展相對成熟的能源技術(shù)。風力發(fā)電要求有較強的環(huán)境適應(yīng)能力，而變槳系統(tǒng)則是風力發(fā)電的核心部件之一。變槳系統(tǒng)的功能主要有以下兩個方面。第一，按照風力發(fā)電機組主控制器的要求實時調(diào)節(jié)風力發(fā)電機組的葉片槳距角，以確保發(fā)電機工作在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，從而在風力發(fā)電機組安全的前提下，最大限度吸收風能。第二，在風力發(fā)電機組出現(xiàn)故障時，變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)葉片槳距角至最大，此時葉片不再吸收風能，實現(xiàn)氣動剎車停機的功能。這種停機方式是變槳變速型風力發(fā)電機組唯一的安全停機方式。目前，風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)從執(zhí)行硬件角度可以分為電動變槳系統(tǒng)和液壓變槳系統(tǒng)兩大類。液壓變槳系統(tǒng)依靠儲能器中儲存的壓力油作為后備能源，電動變槳系統(tǒng)通常依靠電池或者電容作為后備能源。液壓變槳系統(tǒng)由電動液壓泵作為工作動力，液壓油作為傳遞介質(zhì)，電磁閥作為控制單元，通過將油缸活塞桿的徑向運動變?yōu)闃~的圓周運動來實現(xiàn)槳葉的變槳距。液壓變槳系統(tǒng)由油箱、液壓動力泵、動力單元蓄壓器、液壓管路、旋轉(zhuǎn)接頭、變槳系統(tǒng)蓄壓器幾個部分組成。液壓油的壓力在20MPa左右，因此制造工藝要求較高，實現(xiàn)難度較大，而管路也容易產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。液壓系統(tǒng)由于受液壓油黏溫特性的影響，對環(huán)境溫度的要求比較高，對于在不同緯度使用的風力發(fā)電機組，液壓油需增加加熱或冷卻裝置。液壓變槳系統(tǒng)受限于其機械結(jié)構(gòu)，最大變槳速度比電動變槳系統(tǒng)慢。電動變槳系統(tǒng)由風力機組內(nèi)部市電作為動力源，通過電動伺服系統(tǒng)經(jīng)由減速機構(gòu)傳動之后驅(qū)動葉片完成槳距角調(diào)節(jié)。電動變槳系統(tǒng)通常由驅(qū)動單元、電動機、儲能單元(電池或者電容)、邏輯控制單元、外部傳感器組成。電動變槳系統(tǒng)使用電池或者電容作為電源。在外部能源中斷時，驅(qū)動單元使用儲能單元中儲存的能量將葉片驅(qū)動至順槳位置。電動變槳系統(tǒng)由于備用電源的限制，驅(qū)動單元和電動機都需要特別設(shè)計，無法使用通用產(chǎn)品。這些特別設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，使用維護的成本都非常高。電池或者電容充電、檢測、放電技術(shù)都比較復雜，且電池的壽命較短，需要經(jīng)常更換。使用交流電動機的電動變槳系統(tǒng)在驅(qū)動器發(fā)生故障時，無論備電是否正常都無法完成順槳動作。因此，需要一種能夠降低故障率和成本的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以風力發(fā)電機的慣性作為后備能源的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，以降低變槳系統(tǒng)的故障率和成本。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，包括磁粉離合器、齒輪箱、發(fā)電機、切換開關(guān)和變槳電機，磁粉離合器的輸入軸連接到風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子單元，磁粉離合器的輸出軸連接到齒輪箱的輸入軸，齒輪箱的輸出軸連接到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機通過切換開關(guān)電連接到變槳電機，其中，當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，切換開關(guān)閉合，磁粉離合器的輸入軸在風力發(fā)電機組的槳葉的慣性驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，磁粉離合器的輸出軸以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動并且在通過齒輪箱提高轉(zhuǎn)速后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，變槳電機在發(fā)電機拖動下將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置?？蛇x擇地，所述變槳系統(tǒng)還包括不間斷電源，其中，當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，不間斷電源將磁粉離合器投入工作狀態(tài)，以使磁粉離合器的輸出軸以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動?？蛇x擇地，所述變槳系統(tǒng)還包括滑環(huán)和變槳驅(qū)動器，其中，在風力發(fā)電機組的外部電源正常的情況下，當需要執(zhí)行變槳操作時，滑環(huán)將外部電源提供給變槳驅(qū)動器，從而使變槳驅(qū)動器驅(qū)動變槳電機將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置?？蛇x擇地，磁粉離合器、齒輪箱和發(fā)電機設(shè)置在風力發(fā)電機組的機艙中，切換開關(guān)和變槳電機設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中?？蛇x擇地，磁粉離合器、齒輪箱、發(fā)電機、切換開關(guān)和變槳電機設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中?？蛇x擇地，所述變槳系統(tǒng)還包括連接到切換開關(guān)的限位開關(guān)，其中，當槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置時觸發(fā)限位開關(guān)，從而通過限位開關(guān)的觸發(fā)使切換開關(guān)斷開。可選擇地，磁粉離合器、齒輪箱和發(fā)電機由風力發(fā)電機組的靜軸支撐?？蛇x擇地，發(fā)電機的輸出電壓等級與變槳電機的輸入電壓等級一致。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括所述風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)的風力發(fā)電機組。所述風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)不受儲能系統(tǒng)電壓限制，而變槳電機可選用通用的三相異步電機，從而大大降低成本。此外，根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)不需要輪轂內(nèi)部電池(電容)儲能，從而簡化了變槳系統(tǒng)設(shè)計。


通過下面結(jié)合附圖對實施例進行的描述，本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點將會變得清楚和更易于理解，其中:圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)的示圖。
具體實施例方式現(xiàn)在對本發(fā)明實施例進行詳細的描述，其示例表示在附圖中，其中，相同的標號始終表示相同的部件。下面通過參照附圖對實施例進行描述以解釋本發(fā)明。圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)的示圖。參照圖1，根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)包括磁粉離合器10、齒輪箱20、發(fā)電機30、切換開關(guān)40和變槳電機50。磁粉離合器根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩，其具有激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系。在同滑差無關(guān)的情況下能夠傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、無污染、無噪音、無沖擊振動節(jié)約能源等優(yōu)點，是一種多用途、性能優(yōu)越的自動控制元件。當磁粉離合器中的線圈不通電時，磁粉離合器的輸入軸旋轉(zhuǎn)，磁粉在離心力的作用下，壓附于夾環(huán)內(nèi)壁，磁粉離合器的輸出軸與輸入軸沒有接觸，此時，磁粉離合器為空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當線圈通電時，磁粉在磁力線作用下產(chǎn)生磁鏈，從而使輸出軸與輸入軸成為一剛體而旋轉(zhuǎn)，并在超載時產(chǎn)生滑差，此時為工作狀態(tài)，從而達到傳遞扭矩的目的。因此，磁粉離合器既可以起到轉(zhuǎn)矩投切的作用，又可以起到將輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在預定值的作用。根據(jù)本發(fā)明實施例，磁粉離合器10的輸入軸連接到風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子單元，輸出軸連接到齒輪箱20的輸入軸。因此，當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，如果投入磁粉離合器10，則磁粉離合器10的輸入軸可在風力發(fā)電機組的槳葉的慣性驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，而輸出軸可以以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。齒輪箱是由齒輪組成的變速裝置，其可以實現(xiàn)增速功能。實際上，齒輪箱在風力發(fā)電機組當中經(jīng)常用到，而且是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪(即槳葉)在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給風力發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到風力發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)本發(fā)明實施例，齒輪箱20的輸入軸與磁粉離合器10的輸出軸相連接，齒輪箱20的輸出軸連接到發(fā)電機30的轉(zhuǎn)子。因此，當在風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障情況下投入磁粉離合器10時，齒輪箱20可將磁粉離合器10的輸出軸的轉(zhuǎn)速提高到預定轉(zhuǎn)速。此時，發(fā)電機30在齒輪箱20的輸出驅(qū)動下發(fā)電。根據(jù)本發(fā)明實施例，發(fā)電機30可實現(xiàn)為現(xiàn)有技術(shù)中的各種發(fā)電機。發(fā)電機30通過切換開關(guān)40電連接到變槳電機50。切換開關(guān)40可以為常開型開關(guān)。當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，切換開關(guān)40閉合。此時，發(fā)電機30在齒輪箱20的輸出驅(qū)動下發(fā)電，從而變槳電機50在發(fā)電機30拖動下將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置。根據(jù)本發(fā)明實施例，變槳電機50可以實現(xiàn)為通用交流或者直流電動機，并且變槳電機50的輸入電壓等級與發(fā)電機40的輸出電壓等級一致。再次參照圖1，根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)還可包括不間斷電源(UPS) 60、滑環(huán)70、變槳驅(qū)動器80和限位開關(guān)(未示出)。當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，UPS60向磁粉離合器10供電，從而磁粉離合器10投入工作狀態(tài)。此時，如上所述，磁粉離合器10的輸入軸可在風力發(fā)電機組的槳葉的慣性驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，而輸出軸可以以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。相應(yīng)地，發(fā)電機30被驅(qū)動而發(fā)電，變槳電機50在發(fā)電機30拖動下將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置。當槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置時觸發(fā)限位開關(guān)，限位開關(guān)連接到切換開關(guān)40。因此，當限位開關(guān)被觸發(fā)時，切換開關(guān)40由于限位開關(guān)的觸發(fā)而斷開，從而停止變槳操作。另一方面，在風力發(fā)電機組的外部電源正常的情況下，當需要執(zhí)行變槳操作時，滑環(huán)70可將外部電源提供給變槳驅(qū)動器80，從而使變槳驅(qū)動器80驅(qū)動變槳電機50將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置?？蛇x擇地，根據(jù)本發(fā)明實施例，磁粉離合器10、齒輪箱20和發(fā)電機30可設(shè)置在風力發(fā)電機組的機艙中，切換開關(guān)40和變槳電機50可設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中。另一方面，磁粉離合器10、齒輪箱20、發(fā)電機30、切換開關(guān)40和變槳電機50均可設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中。此外，磁粉離合器10、齒輪箱20和發(fā)電機30可由風力發(fā)電機組的靜軸支撐。此外，UPS60可設(shè)置風力發(fā)電機組的機艙中，而變槳驅(qū)動器80可設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中。根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)可以應(yīng)用到現(xiàn)有技術(shù)中的各種風力發(fā)電機組中。根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)不受儲能系統(tǒng)電壓限制，而變槳電機可選用通用的三相異步電機，從而大大降低成本。此外，根據(jù)本發(fā)明實施例的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)不需要輪轂內(nèi)部電池(電容)儲能，從而簡化了變槳系統(tǒng)設(shè)計。同時，由于變槳系統(tǒng)得到大幅簡化，因此規(guī)避了變槳系統(tǒng)設(shè)計中最為核心的難題，大幅提高產(chǎn)品的可靠性，最大限度地減少了因變槳系統(tǒng)故障導致的飛車事故。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對描述的實施例進行修改，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，包括磁粉離合器、齒輪箱、發(fā)電機、切換開關(guān)和變槳電機，其特征在于: 磁粉離合器的輸入軸連接到風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子單元，磁粉離合器的輸出軸連接到齒輪箱的輸入軸，齒輪箱的輸出軸連接到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機通過切換開關(guān)電連接到變槳電機， 其中，當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，切換開關(guān)閉合，磁粉離合器的輸入軸在風力發(fā)電機組的槳葉的慣性驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，磁粉離合器的輸出軸以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動并且在通過齒輪箱提高轉(zhuǎn)速后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，變槳電機在發(fā)電機拖動下將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:還包括不間斷電源，其中，當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，不間斷電源將磁粉離合器投入工作狀態(tài)，以使磁粉離合器的輸出軸以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:還包括滑環(huán)和變槳驅(qū)動器，其中，在風力發(fā)電機組的外部電源正常的情況下，當需要執(zhí)行變槳操作時，滑環(huán)將外部電源提供給變槳驅(qū)動器，從而使變槳驅(qū)動器驅(qū)動變槳電機將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:磁粉離合器、齒輪箱和發(fā)電機設(shè)置在風力發(fā)電機組的機艙中，切換開關(guān)和變槳電機設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:磁粉離合器、齒輪箱、發(fā)電機、切換開關(guān)和變槳電機設(shè)置在風力發(fā)電機組的輪轂中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:還包括連接到切換開關(guān)的限位開關(guān)，其中，當槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置時觸發(fā)限位開關(guān)，從而通過限位開關(guān)的觸發(fā)使切換開關(guān)斷開。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:磁粉離合器、齒輪箱和發(fā)電機由風力發(fā)電機組的靜軸支撐。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)，其特征在于:發(fā)電機的輸出電壓等級與變槳電機的輸入電壓等級一致。
9.一種包括權(quán)利要求1至8中任意一項權(quán)利要求所述的風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)的風力發(fā)電機組。
全文摘要
本發(fā)明公開慣性儲能，工頻順槳變槳系統(tǒng)。所述風力發(fā)電機組的變槳系統(tǒng)包括磁粉離合器、齒輪箱、發(fā)電機、切換開關(guān)和變槳電機，磁粉離合器的輸入軸連接到風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子單元，磁粉離合器的輸出軸連接到齒輪箱的輸入軸，齒輪箱的輸出軸連接到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，發(fā)電機通過切換開關(guān)電連接到變槳電機，其中，當風力發(fā)電機組的外部電源發(fā)生故障時，切換開關(guān)閉合，磁粉離合器的輸入軸在風力發(fā)電機組的槳葉的慣性驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，磁粉離合器的輸出軸以預定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動并且在通過齒輪箱提高轉(zhuǎn)速后驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，變槳電機在發(fā)電機拖動下將槳葉轉(zhuǎn)動到順槳位置。
文檔編號F03D7/00GK103184974SQ20131010877
公開日2013年7月3日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者申亮, 陳楊 申請人:北京天誠同創(chuàng)電氣有限公司