CN100439702C - 双馈式变速恒频风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种双馈式变速恒频风力发电机组，属于风力发电机组技术领域，包括前机舱底盘、后机舱底盘、发电机、增速箱、风轮和控制单元，其中前机舱底盘和后机舱底盘之间的连接面为斜面，后机舱底盘固定在塔架上，发电机置于后机舱底盘上，增速箱置于前机舱底盘上；发电机通过联轴器与增速箱连接，增速箱与风轮的轮毂之间通过端盖连接；控制单元分别与发电机、增速箱、风轮叶片、主轴相连。本发明提高了风力机运行的稳定性，机舱底盘的斜面设计一方面减轻了上面放置的增速箱和发电机的轴向串动，另一方面使机舱底盘的结构更加平稳；本发明还实现了变速风力发电机组变速运行调速，避免了复杂的矢量解耦计算，使实时控制实施方便快捷，控制目标更加直接有效。

Description

双馈式变速恒频风力发电机组

技术领域

本发明属于风力发电机组技术领域，特别涉及一种双馈式变速恒频风力发电机组。

背景技术

风能利用是可再生能源技术最成熟的一种，风力发电机组就是将风能转化为常规电能的设备，这种设备有很多种。现有的水平轴式三叶片并网型风力发电机组的传动轴是水平的，即风轮的转速通过主轴、增速箱和联轴器传递给发电机。在兆瓦级风力发电机组中主轴的一端与轮毂的一端相连接，这样，主轴不但要承受风轮的扭矩作用，还要受到风轮的弯矩和轴向的气动推力，由于风轮的重量比较大，所以主轴做的比较粗。主轴的直径通常是按照公式D/100近视选取的，其中D为风轮直径。机舱底盘是风力发电机组中的重要组成部件，它上面不但支撑着风轮、传动系统、发电机、液压站和电控柜等重要的零部件，并且还受到前端风轮的气动推力。在兆瓦级风力发电机组中，机舱底盘的结构多采用前后连接形式，其连接面是垂直面，机舱底盘的前段固定在塔架上，机舱底盘的后段则与机舱底盘的前段通过螺栓固定，这种结构不利于平衡机舱底盘所承受的力。

另外大型风力发电机组的变速运行控制也有许多方法，通常由机械调速和电气调速两种方式，电气的调速方式是通过控制发电机的励磁磁场来实现，如磁阻调速、变滑差调速和转子励磁电流调速，实际应用时励磁电流调速最有效。但目前的风力发电机组都采用定子磁场定向矢量控制方法达到转子调速，其具有复杂的矢量解耦计算，控制实施复杂，控制目标效果不明显。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明提供一种双馈式变速恒频风力发电机组。

本发明包括前机舱底盘、后机舱底盘、端盖、主轴、发电机、增速箱、风轮和控制单元，前机舱底盘和后机舱底盘之间的连接面为斜面，斜面的倾斜角度的取值范围在38°～43°之间；前机舱底盘通过螺栓及其上的弯钩固定在后机舱底盘上，后机舱底盘固定在塔架上；发电机置于后机舱底盘上，增速箱置于前机舱底盘上；发电机通过联轴器与增速箱连接，增速箱与轮毂之间通过端盖连接，其端盖内部设置有主轴，两端分别通过圆锥滚子轴承固定在端盖上，主轴一端穿过端盖与风轮的轮毂连接，另一端通过锁紧盘与增速箱连接，轮毂和端盖通过球轴承联结，控制单元分别与发电机、增速箱、风轮叶片、主轴相连。

其中端盖与轮毂的连接方式有两种：一种结构型式：主轴与端盖均穿过轮毂，端盖与轮毂两端分别通过球轴承连接，主轴伸出轮毂并与轮毂端部通过花键连接，并通过螺母固定。另一种结构型式：主轴一端穿过端盖，通过花键与轮毂连接，轮毂和端盖通过球轴承联结，轮毂与球轴承的外圈联结，端盖与球轴承内圈联结。此两种结构中，端盖承受着前端风轮的弯矩和轴向气动推力，主轴只承受风轮的扭矩。主轴直径可通过公式 $d\≥A_0\sqrt[3]{P/n}$ 确定，式中：

$A_0=\sqrt[3]{9550000/0.2{\left[\mathrm{\τ}\right]}_T},$

[τ]_T——许用扭转切应力，Mpa；

P——轴传递的功率，Kw；

n——轴的转速，r/min；

本发明中前机舱底盘受力，如图5所示，从此图中可以看到，一方面前端风轮所受的气动推力和自身重量的合力将作用在机舱底盘前后段连接的斜面上，并且通过这个斜面与发电机的支反力进行平衡，抵消了一部分轴向推力，减轻了上面放置的增速箱和发电机的轴向串动。分开来说的话，前端风轮的重量垂直向下，通过斜面的作用把力传递到塔架上，而气动推力由于斜面的阻挡作用，大部分的力被传递到塔架上，一小部分的力通过端盖传递到后面的发电机上，这样就分解掉了气动推力。另一方面，由于机舱底盘缩短，没有主轴承座，使得增速箱位置比较靠前，从图5中可以看出风轮的重力矩M1和增速箱的重力矩M2方向相同，并且与气动推力的力矩M3进行平衡，从而减轻了机舱底盘的受力。

本发明中控制单元包括检测传感器、输入信号接口、监控显示器、上位机、转子侧IGBT模块、电源侧IGBT模块、基于直接转矩的变速恒频控制器、主控制器、偏航冷却伺服电机、继电器、变桨距控制器、液压伺服机构。检测传感器包括转速传感器、角度传感器和温度传感器。检测传感器的转速传感器分别与发电机、增速箱相连；角度传感器与叶片根部相连；温度传感器分别与主轴、发电机、增速箱相连；主控制器分别与监控显示器、偏航冷却伺服电机、继电器、变桨距控制器、变速恒频控制器相连；输入信号接口分别与检测传感器、监控显示器相连；上位机与监控显示器相连；变桨距控制器分别与变速恒频控制器、液压伺服机构相连；变速恒频控制器分别与转子侧IGBT模块、电源侧IGBT模块相连；转子侧IGBT与电源侧IGBT模块相连，如图6所示。

其中基于直接转矩的变速恒频控制器包括工作表、PI调节器、磁通比较器、逆变器开关表、转差计算、磁链计算、转矩比较器、扇区计算、符号函数、转子磁链幅值计算、转子磁链模型、转矩计算、电流的3/2变换，如图7所示。

1.工作表

将转速的给定N与测得电机的实际转速N^*相加后所得的偏差ΔN送入T-N工作表，通过此表可查出对应的ΔT，此表的输出经过PI调节器转换为转矩的给定T^*。

2.磁通比较器

在此控制中，磁链的调节是通过滞环控制来实现的。当磁链大于设定的磁链上限时，选择适当的电压矢量来减小磁链；当小于设定的磁链下限时，选择另外的电压矢量来增大磁链，即实际转子磁链矢量ψ_r的端点轨迹不能超出以给定磁链ψ_r ^*为中心圆的圆形偏差带(偏差为ε_ψ)，如此反复调节，磁链轨迹就会逼近给定值，接近圆形。

3.逆变器开关表

本控制部分选择了适合于低速下运行的近似圆形磁链直接转矩控制策略，把六个区域里可选择的空间电压矢量制成表格，根据转子磁链的区间信号θ_n，磁链控制信号

和转矩控制信号ΔT来选择每一个状态下唯一确定的空间电压矢量(如表1所示)，从而实现直接转矩控制。

表中

和ΔT分别是磁链滞环控制器和转矩滞环控制器的输出。当

表示反馈磁链小于给定磁链，要求增大磁链；反之，则要求要减小磁链。同理，若ΔT＝1，表示反馈转矩小于给定转矩，即此时风速较小，输入的机械转矩小于给电磁转矩，为亚同步运行状态，要求增大转矩，即需要给双馈发电机转子馈入正相有效电流；反之，当ΔT＝0时，则要求减小转矩，此时风速较大，输入的机械转矩大于电磁转矩，为超同步运行状态，需要向转子侧馈入反相有效电流。θ(1)-θ(6)则表示转子磁链所在的区间。

4.转差计算

在双馈式风力发电机组变速发电运行的直接转矩控制系统中需要控制转子的磁链，磁链的给定ψ^*是通过转差s的积分获得的，而风机的转差可以通过下式来计算：

$s=\frac{n_1-n}{n_1}$

式中n₁为磁场的同步旋转速度，n为风机的转子旋转速度。

5.磁链计算

由下式计算转子磁链ψ_r

ψ_r＝∫sV_kdt

式中V_k为双馈电机转子开路电压。

6.转矩比较器

在直接转矩控制中，采用滞环来控制发电机的电磁转矩，电磁转矩给定值T^*与反馈值T进行比较时，当T^*-T≥ΔT，滞环控制器输出ΔT为“1”，表示要求增大转矩；当T^*-T≤-ΔT时，滞环控制器输出ΔT为“0”，表示要求减小转矩；当-ΔT≤T^*-T≤ΔT时，滞环控制器输出ΔT保持原状态。

另外，磁链和转矩在一个开关周期内都有一个最小变化量，若磁链和转矩的控制误差带比这个变化量更小时，误差带的存在是没有意义的，若误差带的设置大于此最小变化量时，则可以通过改变误差带的大小来控制器件的开关频率，尤其在大功率变频器中，通过增大误并带来降低开关频率，以降低开关损耗。

7.电流的3/2变换

双馈发电机直接转矩控制是在转子两相坐标系下计算的，由霍尔及其硬件电路得到三相转子及定子电流中的两相电流i_a、i_b经过下式的3/2变换，并去掉零序分量便可得到d，q轴上的电流分量：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

考虑有：i_a+i_b+i_c＝0

可得到：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]$

u_d、u_q的计算

根据公式u_a+u_b+u_c＝0，利用和上式类似的变换公式，可求出：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{3}{2}}& 0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \sqrt{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\end{array}\right]$

由于测量转子侧交流电压u_a、u_b、u_c比较困难，本发明采用逆变器模型的方法来获得，逆变器模型是基于逆变器的电压状态与开关状态和直流母线电压E之间的关系得到的。对于逆变器供电的发电机来说，其相电压瞬时值为一组固定的值，与逆变器的开关状态一一对应。对于本系统的逆变器来讲，八个空间电压矢量在平面中的位置是固定的。因此若逆变器直流侧母线电压固定时，其d，q轴上的分量也是固定的。各电压矢量的d，q分量见下表。

表一  电压矢量d，q分量表

其中u_d是逆变器的直流电压，u_d＝2u_dc

8.符号函数

符号函数Sign(ψ_dr)和sign(ψ_qr)分别计算转子磁通d-q分量的代数符号，用于判断转子磁通矢量所处的复平面扇区。

9.扇区计算

因直接转矩控制不需要知道转子磁通得精确位置，只需知道转子磁通矢量处于复平面的哪一个扇区，而转子磁通矢量所处于复平面扇区可由转子磁通d-q分量代数符号来决定。在某些扇区，不用两个磁通分量得到的符号，因其信息是不够用的，而是用B相转子磁通的符号。B相磁通的符号是用 ${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{Bs}}=-0.5{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}=0.5\sqrt{3}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}$ 得到的。表三总结了使用转子磁通符号和B相转子磁通符号来决定转子磁通所处的扇区。

表二  转子磁通空间矢量所处扇区位置

	扇区I	扇区II	扇区III	扇区IV	扇区V	扇区VI
							ψ<sub>dr</sub>的符号ψ<sub>qr</sub>的符号ψ<sub>Br</sub>的符号	++或--	+++	-++	-+或-+	---	+---

使用d-q分量的另一种可能性是与这两个分量的比值共同使用。d-q分量的符号唯一定义了转子磁通空间矢量所处的象限(0°～90°，90°～180°，180°～270°，270°～360°)。然而，在每一象限内，有两个可能的扇区。例如，在第一0°～30°象限里，30°～90°是扇区I，是扇区II。如果q分量与d分量的比值小于0.577，那么矢量是在扇区I；如果比值大于0.577矢量是处于扇区II。

10.转子磁链模型及转子磁链幅值计算

双馈发电机的静止坐标系下的磁链模型采用u-i模型。

ψ_r＝∫(u_r-Ri_r)dt

在逆变器每一次开关间隔内，时间非常短，因此，每一电压矢量近似可以看作常量，那么上式可以写成如下的形式：

ψ_r＝u_rt-R∫i_rdt+ψ_r|t＝0

若忽略转子电阻，从上式可以看出转子磁链矢量ψ_r，的终端将会沿着施加电压矢量的方向移动。这种模型最为简单和常用，它在高速域精度高，很有优势，但在低速域因积分项中的Ri_s项的误差致使模型精度严重下降，可能导致系统不能有效工作。

通过u-i模型可以计算转子磁链在d-q轴上的分量ψ_dr、ψ_qr，即：

ψ_dr＝∫(u_dr-Ri_dr)dt

ψ_qr＝∫(u_qr-Ri_qr)dt

${\mathrm{\ψ}}_r^2={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}^2$

则 $\left|{\mathrm{\ψ}}_r\right|=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}}^2}$

同时要将给定ψ_r ^*与反馈值|ψ_r|作比较。

11.转矩计算

在直接转矩控制中，需要以电磁转矩作为反馈量，但直接测量电磁转矩是困难的，因此本发明采用间接法求电机的电磁转矩，电磁转矩的计算公式为：

$T_e=\frac{3}{2}{p}_n({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qs}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{ds}})$

其中p_n为极对数。

本发明的有益效果：端盖的设计分担了主轴的受力，大大地降低了主轴的直径和重量，并且去掉了主轴承和主轴承座；由于主轴伸在轮毂中，使整体结构更加紧凑，缩短了机舱底盘的长度，降低了整个机舱的重量，提高了风力机运行的稳定性。机舱底盘的斜面设计一方面抵消了一部分轴向推力，减轻了上面放置的增速箱和发电机的轴向串动；另一方面平衡了机舱底盘的受力，使机舱底盘的结构更加平稳。本发明还通过四象限变流器对双馈式发电机绕线转子励磁电流进行控制，实现了变速风力发电机组变速运行调速，避免了复杂的矢量解耦计算，使实时控制实施方便快捷，控制目标更加直接有效。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构剖视图，

图2是本发明实施例2的结构剖视图，

图3是本发明中机舱底盘主视图，

图4是图3的俯视图，

图5是本发明中机舱底盘前端受力图；

图6是本发明控制单元结构示意图；

图7是本发明控制单元中基于直接转矩控制的变速恒频控制器的控制原理框图；

图8是本发明实例中变速恒频控制器电路原理图；

(a)是DSP及其外围电路原理图；

(b)IGBT模块状态输出电路原理图；

(c)IGBT模块控制极驱动电路原理图；

(d)IGBT模块输入处理电路原理图；

(e)故障状态显示电路原理图；

(f)故障报警电路原理图；

(g)继电器控制电路原理图；

(h)单路采样电路原理图；

(i)故障屏蔽电路原理图；

(j)电网电压、定子电压采样电路原理图；

(k)定子电流采样电路原理图；

(l)转子采样电路原理图；

图9是本发明实例主控制器控制流程图；

图10是本发明实例变速恒频控制器流程图。

图中1.增速箱，2.圆锥滚子轴承，3.端盖，4.球轴承，5.轮毂，6.主轴，7.联轴器，8.发电机，9.前机舱底盘，10.后机舱底盘，11螺母，12.弹簧垫圈，13.挡圈，14.花键，15.锁紧盘，O为风轮中心，G为风轮总重，F为气动推力，N为发电机的支反力，F_合为合力，M1为风轮重力力矩，M2为增速箱重力力矩，M3为气动推力力距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

实施例1：如图1所示，本发明包括前机舱底盘9、后机舱底盘10、发电机8、增速箱1和风轮，风轮包括轮毂5和叶片，叶片与轮毂5的三个口连接，前机舱底盘9和后机舱底盘10之间的连接面为斜面，后机舱底盘10固定在塔架上，发电机8置于后机舱底盘10上，增速箱1置于前机舱底盘9上；发电机8通过联轴器7与增速箱1连接，增速箱1与轮毂5之间通过端盖3连接。

如图3、图4所示，本例中前机舱底盘9和后机舱底盘10之间斜面的倾斜角度为40°；前机舱底盘9通过螺栓及其上的弯钩固定在后机舱底盘10上。由于斜面和弯钩的作用，前段机舱底盘9承受的力都作用在斜面上，通过斜面把力传递到塔架上。

主轴直径： $d\≥A_0\sqrt[3]{P/n}\≥350.1\mathrm{mm},$

$A_0=\sqrt[3]{9550000/0.2{\left[\mathrm{\τ}\right]}_T},$

[τ]_T——许用扭转切应力，200Mpa，

P——轴传递的功率，1000Kw，

n——轴的转速，1630r/min。

本例中端盖3的结构，如图1所示，端盖3内部设置有主轴6，两端分别通过圆锥滚子轴承2固定在端盖3上，主轴6一端穿过端盖3与轮毂5连接，另一端通过锁紧盘15与增速箱1连接，主轴6与端盖3均穿过轮毂5，端盖3与轮毂5两端分别通过球轴承4连接，主轴6伸出轮毂5并与轮毂5端部通过花键14连接，并通过螺母11固定。此种结构，端盖3直接穿透了轮毂5，轮毂5通过两球轴承4固定在端盖3上，风力机前端由风轮引起的弯矩和轴向气动推力就由端盖3来承担，并且通过增速箱1传递到塔架上。由于端盖3的卸荷作用，主轴6就只承受扭矩，直径和重量就大大降低。

本例中控制单元的检测传感器包括：风速风向传感器LE6，转速传感器XS2D12PA140C，温度传感器Pt100，角度传感器P0600805A，加速度传感器TGS-2以及增量式编码器10-1V631R048。输入信号接口电路模块采用6ES73331系列。主控制器采用型号6ES7314-6CF00-AB0的CPU模块实现。变桨距控制器采用cpu315c-2dp型号的CPU模块实现。监控显示器选用S7-300系列。发电机尾部、增速箱1的出口均安装有转速传感器，叶片根部安装有角度传感器，主轴、发电机、增速箱1均安装有温度传感器。输入信号接口电路模块的I/O口分别与检测传感器的I/O口、监控显示器的I/O口相连，上位机与监控显示器进行光纤通信，主控制器分别与监控显示器、领航冷却伺服电机、变桨距控制器、继电器、变速恒频控制器进行光纤通信，变速恒频控制器分别与变桨距控制器、转子侧IGBT模块、电源侧IGBT模块进行光纤通信。IGBT模块由8个IGBT开关组成。

变速恒频控制器电路如图8所示，图8(b)中端子IOPE1、PWM8/IOPE2、IOPE5、PWM1/IOPA6、PWM2/IOPA7、PWM3/IOPB0、PWM4/IOPB1、PWM5/IOPB2、PWM6/IOPB3、PWM7/IOPE1分别与图8(a)中DSP的相应管脚相连；图8(c)中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8管脚相连；图8(c)中P6、P7扩展口分别与图8(d)中P6、P7扩展口相连；图8(e)中故障1、故障2、故障3、故障4、故障5、故障6、故障7、故障8管脚分别与图8(f)中的1、2、3、4、5、6、11、12管脚相连；图8(g)中端子分别与图8(a)中DSP的IOPC0、IOPC1、IOPC2管脚、继电器J1、继电器J2、继电器J3相连；图8(h)是单路采样电路，本实例中有五路完全相同的采样电路，其采样量分别为母线电压1、母线电压2、功率因数、有功功率、无功功率，其端子4～20mA均与传感器相连，端子ADCIN分别与图8(a)中DSP的ADCIN04、ADCIN05、ADCIN06、ADCIN07、ADCIN08相连；图8(i)中端子a、b、c、分别与图8(c)中U1的8管脚、U2的8管脚、U3的8管脚相连，图8(i)中U57A的9管脚与图8(f)中74LS30的2管脚相连；图8(j)中端子d、e分别与电网电压传感器、定子电压传感器相连，端子ADCIN00、ADCIN01、IOPA0、IOPA1即与DSP相应管脚相连；图8(k)中端子f与定子电流传感器相连，端子ADCIN02、IOPA2即与DSP相应管脚相连；图8(1)中端子g与转子电流传感器相连，端子ADCIN03、IOPA3即与DSP相应管脚相连。

本实例中主控制器控制过程如图9所示，主控制器复位后系统初始化自检，然后判断是否存在故障标志，若存在进行故障辨别与处理，若无故障就进行手动标志判断，若有手动标志则进行手操作及保护，若无手动标志，再判断是否运行(或停机)，若需要运行(或停机)则进行系统状态判别，若不需要运行(或停机)则进行系统启动，然后判断风速V是否小于2.5m/s，V小于2.5m/s时进行小风待机，否则进行领航控制，之后再判断风速V是否大于2.5m/s，，V大于2.5m/s时进行大风待机，否则进行开桨控制，判断风机转速是否小于900rpm，转速大于900rpm时进行并网桨距角调整，转速小于900rpm时进行并网准备，然后进行同步化并网，随后判断风速V是否小于8.5m/s，V小于8.5m/s进行变速控制，否则继续判断风速是否介于9m/s至12.5m/s之间，如果是进行恒速区控制，否则接着判断风速是否介于12.5m/s至25m/s之间，如果是进行额定风速以上控制，否则判断风速是否大于25m/s，如是是进行大风停机，否则判断风速是否小于2.5m/s，如果是进行小风停机，否则进行变频恒速控制，然后判断是否扭缆，如果是进行解缆控制，否则运行温度控制，最后返回。

其中并网桨距角调整是利用电动变桨距机构(交流伺服)调整叶片桨距角的角度，根据绝对编码器的反馈位置进行闭环反馈。变速控制是根据功率优化λ值来值确定转速值。恒速区控制是当转速达到额定值后进行恒速运行。额定风速以上控制是指额定风速以上进行恒功率运行。解缆控制是指当发电机主电缆扭转2.5周以上时，停机，解缆。

本实例中变速恒频控制器控制过程如图10所示，首先运行状态数据读取和数据交换；然后计算转矩和无功；再将转矩送功率优化控制器量，根据无功值限制电流及转速；计算变流器转矩F和磁链Φ；送PID控制器；变流器DSP控制器；输出变速恒频调节；最后返回。

实施例2：本发明包括前机舱底盘9、后机舱底盘10、发电机8、增速箱1和风轮，前机舱底盘9和后机舱底盘10之间的连接面为斜面，后机舱底盘10固定在塔架上，发电机8置于后机舱底盘10上，增速箱1置于前机舱底盘9上；发电机8通过联轴器7与增速箱1连接，增速箱1与轮毂5之间通过端盖3连接。

如图3、图4所示，本例中前机舱底盘9和后机舱底盘10之间斜面的倾斜角度为38°；前机舱底盘9通过螺栓及其上的弯钩固定在后机舱底盘10上。由于斜面和弯钩的作用，前段机舱底盘9承受的力都作用在斜面上，通过斜面把力传递到塔架上。

主轴直径： $d\≥A_0\sqrt[3]{P/n}\≥334.2\mathrm{mm}$

$A_0=\sqrt[3]{9550000/0.2{\left[\mathrm{\τ}\right]}_T},$

[τ]_T——许用扭转切应力，200Mpa，

P——轴传递的功率，1000Kw，

n——轴的转速，1600r/min。

本例中端盖3的结构，如图2所示，端盖3内部设置有主轴6，两端分别通过圆锥滚子轴承2固定在端盖3上，主轴6一端穿过端盖3与轮毂5连接，另一端通过锁紧盘15与增速箱1连接，主轴6一端穿过端盖3通过花键14与轮毂5连接，轮毂5和端盖3通过球轴承4连结，轮毂5与球轴承4的外圈联结，端盖3与球轴承4内圈联结。这种结构是轮毂5的一个外端面固定到了球轴承4上，通过球轴承4把弯矩作用到了端盖3上，端盖3内部通过两个圆锥滚子轴承2承受气动推力，主轴6与轮毂5间通过花键连接，轮毂5通过花键带动主轴转动，从图中可以看出，此种结构，主轴6又细又短，降低了整个机舱的重量。

本例中控制单元电路同例1相同，控制过程也同例1相同。

实施例3：本例结构与实施例2结构相同，如图2所示，只是前机舱底盘9和后机舱底盘10之间斜面的倾斜角度为43°；

主轴直径： $d\≥A_0\sqrt[3]{P/n}\≥334.2\mathrm{mm}$

$A_0=\sqrt[3]{9550000/0.2{\left[\mathrm{\τ}\right]}_T},$

[τ]_T——许用扭转切应力，200Mpa，

P——轴传递的功率，1000Kw，

n——轴的转速，1600r/min。

本例中端盖3的结构，如图2所示，端盖3内部设置有主轴6，两端分别通过圆锥滚子轴承2固定在端盖3上，主轴6一端穿过端盖3与轮毂5连接，另一端通过锁紧盘15与增速箱1连接，主轴6一端穿过端盖3通过花键14与轮毂5连接，轮毂5和端盖3通过球轴承4连结，轮毂5与球轴承4的外圈联结，端盖3与球轴承4内圈联结。

本例中控制单元电路同例1相同，控制过程也同例1相同。

Claims (7)

1、一种双馈式变速恒频风力发电机组，包括前机舱底盘、后机舱底盘、发电机、增速箱、风轮和控制单元，其特征在于前机舱底盘和后机舱底盘的连接面的倾斜角度为38°～43°，后机舱底盘固定在塔架上，发电机置于后机舱底盘上，增速箱置于前机舱底盘上；发电机通过联轴器与增速箱连接，增速箱与风轮的轮毂之间通过端盖连接，端盖内部设置有主轴，两端分别通过圆锥滚子轴承固定在端盖上，主轴一端穿过端盖与轮毂连接，另一端通过锁紧盘与增速箱连接，轮毂和端盖通过球轴承联结；控制单元分别与发电机、增速箱、风轮叶片和主轴相连。

2、根据权利要求1所述的双馈式变速恒频风力发电机组，其特征在于所述的端盖与轮毂的连接方式为：主轴与端盖均穿过轮毂，端盖与轮毂两端分别通过球轴承连接，主轴伸出轮毂并与轮毂端部通过花键连接，并通过螺母固定。

3、根据权利要求1所述的双馈式变速恒频风力发电机组，其特征在于所述的端盖与轮毂连接方式为：主轴一端穿过端盖，通过花键与轮毂连接，轮毂和端盖通过球轴承联结，轮毂与球轴承的外圈联结，端盖与球轴承内圈联结。

4、根据权利要求1所述的双馈式变速恒频风力发电机组，其特征在于前机舱底盘及其上的弯钩通过螺栓固定在后机舱底盘上。

5、根据权利要求1所述的双馈式变速恒频风力发电机组，其特征在于所述的主轴直径通过公式 $d\≥A_0\sqrt[3]{P/n}$ 确定，式中：

$A_0=\sqrt[3]{9550000/0.2{\left[\mathrm{\τ}\right]}_T},$

[τ]_T——许用扭转切应力，Mpa，

P——轴传递的功率，Kw，

n——轴的转速，r/min。

6、根据权利要求1所述的双馈式变速恒频风力发电机组，其特征在于所述的控制单元包括检测传感器、输入信号接口、监控显示器、上位机、转子侧IGBT模块、电源侧IGBT模块、基于直接转矩的变速恒频控制器、主控制器、偏航冷却伺服电机、继电器、变桨距控制器、液压伺服机构；其中检测传感器包括转速传感器、角度传感器和温度传感器；检测传感器的转速传感器分别与发电机、增速箱相连；角度传感器与叶片根部相连；温度传感器分别与主轴、发电机、增速箱相连；主控制器分别与监控显示器、偏航冷却伺服电机、继电器、变桨距控制器、变速恒频控制器相连；输入信号接口分别与检测传感器、监控显示器相连；上位机与监控显示器相连；变桨距控制器分别与变速恒频控制器、液压伺服机构相连；变速恒频控制器分别与转子侧IGBT模块、电源侧IGBT模块相连；转子侧IGBT与电源侧IGBT模块相连。

7、根据权利要求6所述的双馈式变速恒频风力发电机组，其特征在于所述的基于直接转矩的变速恒频控制器包括工作表、PI调节器、磁通比较器、逆变器开关表、转差计算、磁链计算、转矩比较器、扇区计算、符号函数、转子磁链幅值计算、转子磁链模型、转矩计算、电流的3/2变换。

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