CN101010506B - 一种控制风车、尤其是单机运行的风车的方法以及一种风车 - Google Patents

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Abstract

一种包括一具有一基本水平的转动轴线(1a)的转子、至少两叶片(4)和一叶片调整装置(11，13)的风车，所述叶片沿一各自的叶片轴线延伸，叶片可以绕该轴线转动至叶片的一调整角度，所述叶片调整装置用于调整叶片的一共同的基本调整角度，所述风车还包括用于检测基本调整角度的大小的设备(14)、用于检测风车上的风负荷的设备和用于检测叶片的偏转的设备(15-22)，较佳地在转子的轴线方向(1a)，根据本发明通过调整基本调整角度来控制，一用于叶片调整装置的控制信号取决于负荷和风速而被提供，而且，较佳地在转子的转动轴线(1a)的方向，使用叶片的偏转(α)作为对于风速的一测量。

Description

一种控制风车、尤其是单机运行的风车的方法以及一种风车
技术领域
本发明一般地涉及产生电力的风车。
本发明涉及控制一风车、尤其是单机运行的风车的方法，所述风车包括一具有一基本水平的转动轴线的转子、至少两叶片、一叶片调整装置、用于检测一基本调整角度的大小的设备和用于检测叶片在转动轴线方向上的偏转的设备，所述每个叶片在一端连接至转子并基本沿一叶片轴线从此延伸，叶片可以绕该轴线转动至叶片的一调整角度，所述叶片调整装置用于调整叶片的一共同的基本调整角度，在该方法中，风车转子的转动速度通过调整基本调整角度来控制，一用于叶片调整装置的控制信号取决于负荷和风速而被提供。
本发明进一步涉及包括一具有一基本水平的转动轴线的转子、至少两叶片、一叶片调整装置和一铰链的风车，所述每个叶片在一端连接至转子并基本沿一叶片轴线从此延伸，叶片可以通过一第一轴承绕该轴线转动至叶片的一调整角度，所述叶片调整装置用于调整叶片的一共同的基本调整角度，所述铰链在叶片和转子之间的具有一在横向于叶片轴线和转子转动的轴线方向的方向，凭借该铰链每个叶片可以在转子转动的轴线方向通过绕各自的铰链轴线来偏转。这种类型的风车区别于申请者拥有的DK-B-174346。
背景技术
用于控制一风车的以上类型的方法的一例子公开在GB-A-2023237中。根据此公布，风速通过一风测量装置来测量，该风测量装置设置于风车的吊架上或一不被风轮机的转动所影响的位置上。
US-A-5584655公开了一风车，其中，叶片绕叶片轴线转动的调整角度由一液压缸来控制，即该液压缸构成了一用于调整一个叶片的单个调整角度的单个叶片调整装置。
US-A-6619918描述了一风车，其中在叶片上装备有应变仪以监测叶片的偏转，从而防止与风车塔碰撞。随着应变仪的一适当位置，这样的风车可以用于实现根据本发明的方法。
现有技术的其它例子公开如下：
US-A-6361275，其目的在于减小一风车的组件上的(最大)负荷。所以，例如叶片的众多组件的张力通过应变仪装置被测量；每个独立叶片的所需的角度位置不取决于其它叶片而被确定，一调整装置放置相应的叶片在所需的位置，从而防止最大负荷以及延长风车的使用寿命。安装至叶片上的风向标或风力仪也被使用来测量风冲击的角度。
US-A-4183715公开了一具有因为一气动升力的结果而相对风向上转动的叶片的风车。一悬锤或一伺服电动机阻碍转动从而控制风车。在实施例中，通过风车外壳上的一风测量装置测量的风速随着伺服电动机可以被包括在控制中。
US-A-4297076公开了一具有用于监测叶片负荷的应变仪的风车。来自这些应变仪的信号被使用来确定风车是否朝向风，且假如需要的话提供一信号至一头旋转电动机。此外，应变仪的信号被使用来调整风车叶片末端的角度，以防止风车轴心的延续的超负荷和振动的应力。风车的控制系统包括一基于旋转的数量的封闭控制回路和一基于输出的开放的控制回路，通过风车传输到其连接的电网以及被一风测量装置所测量的风速。通过叶片上的负荷的应变仪来测量的精确方向没有在出版物中出现。然而，应变仪似乎被设置于远离叶片的根部的叶片的轮廓部分的中心，从而应变仪会在一垂直于叶片轮廓的方向测量，该方向相对于垂直于转子的转动轴线的一平面倾斜。以此方式，应变仪会在不平行于转子的转动方向的方向测量。
DD-A-252640描述了借助一用于控制叶片的调整装置的角度针对最优地利用风能、维持转动的一定数量和避免超负荷的一风车。因此，作用在叶片根部的一弯矩被测量，一与弯矩成比例的信号取决于从控制转动的数量的一装置到一控制脉冲到一调整叶片的电动机的一信号而被处理。风车输出的测量未被提到，且弯矩似乎在与转子的转动轴线的方向约成45°的一方向被测量。
在风车的单机运行中，即在风车的运行中，不频繁地连接至可被使用来控制风车的一电网，很难精确地控制风车的转动速度，从而通过一交流发电机一交流电可以以一基本不变的频率被获得。此问题在描述了上文的一控制一风车的方法的GB-A-2023237中被提到的其它问题中。
然而，用于精确控制一风车的一先决条件是风车上风负荷的一精确的和可靠的测量，因为正是这一负荷通过风车叶片被转化成旋转动能，进一步被转化成发电机中的电能。
发明内容
本发明的目的是根据一个方面提供用于控制一风车的一方法，由此风车的转速和因此由关联的发电机产生的交流电的频率可以保持不变而在很小的公差之内。
本发明的目的是根据一第二方面提供可以被使用来实现此方法的一风车。
本发明的目的根据第一方面来达到，一种控制一风车的方法，所述风车包括一具有一水平的转动轴线的转子、至少两叶片、一叶片调整装置、用于检测一基本调整角度的大小的设备、用于检测在风车上的负荷的设备、用于检测叶片在转动轴线方向上的偏转的设备，每个所述叶片在一端连接至转子并沿一叶片轴线从此延伸，所述叶片可以绕该轴线转动至所述叶片的一调整角度，所述叶片调整装置用于调整所述叶片的一共同的基本调整角度，在该方法中，所述风车转子的转动速度通过对所述基本调整角度进行调整来控制，用于所述叶片调整装置的控制信号根据负荷和风速而被提供，由此使用所述叶片在所述转动轴线方向上的偏转作为对所述风速的测量。
本发明的目的根据第二方面来达到，一种风车，包括：一转子，具有一水平的转动轴线，至少两叶片，每个所述叶片在一端连接至转子并沿一叶片轴线从那里延伸出来，所述叶片可以绕该轴线转动，一第一轴承，用于允许所述叶片围绕所述叶片轴线转动以改变所述叶片的一调整角度，一叶片调整装置，用于调整所述叶片的一共同的基本调整角度，一在所述叶片和所述转子之间的铰链，具有在横向于所述叶片轴线和所述转子转动轴线方向的一方向延伸的一铰链轴线，由此每个所述叶片可以通过绕所述各自的铰链轴线的转动沿所述转子的转动轴线方向被偏转，以及包括用于检测一叶片在所述转子的转动轴线方向偏转的大小的一装置，用于检测所述基本调整角度的大小的设备和用于传输一叶片偏转的一已检测的大小和所述基本调整角度的一已检测的大小至一控制装置的设备。
因为随着紊乱和阵风，风是一不稳定的参数，从而风负荷可以在几米的距离内显著地变化，假如一对于风车上的风负荷的精确测量能够获得，风车的叶片被使用作为风速计，本发明基于此实现。因此，风车的叶片根据本发明被使用作为风速计，用于提供一输入信号至风车的控制单元。
一风负荷的精确测量，尤其是其变化，用于具有一快速响应的风车控制是必须的，这是精确控制的先决条件。
在根据本发明的方法的较佳的实施例中，转子的转速被测量，且测量值被使用于产生用于叶片调整装置的控制信号。
在一实际的实施例中，具有最大偏转的叶片的偏转被使用作为用于风速的一测量。
通过在控制中使用转子的转速，可以设立一封闭的控制回路来保证转速不相对于所需的值浮动。
假如转速仅仅被使用于控制，直到转速变化才设置一控制响应。
当风负荷变化时，在此变化导致转速的变化前，可以通过使用在风车上的实际风负荷设置一控制响应。
在根据本发明的风车的一实际的实施例中，提供了用于检测具有最大偏转的叶片的偏转的一装置。此外，提供了用于检测转子的转速的设备和用于传输已检测的值至一控制单元的设备。
用于提供一控制信号至叶片调整装置的一控制单元可以是风车的一部分。可选择地，一外部控制单元可以被连接至风车。在实践中，控制单元会包括一计算机。
根据本发明的控制方法首先趋向于用于控制在单机运行中的一风车，当没有其它的控制来源时，其中由风车供给的能量能够满足需要。然而，本方法可以使用于在电网中的一风车，其中可以使用本方法来用于提供一来自风车的基本不变的输出功率，从而一般地促进电网的控制。
当使用在单机运行中时，根据本发明的一风车可以装备有一具有附加定子的异步电机，该异步电机提供磁化电流至发电机的定子绕组。这样的发电机构成现有技术，通过控制由附加定子产生的磁化电流的强度来控制发电机是可能的，该附加定子供给至发电机的定子绕组。从而，控制发电机的负荷或输出功率是可能的。通过使用这样一个发电机，例如，假如功率可以被允许变化上至一给定的最大值，来控制磁化电流继而控制以渐增的风速的发电机的输出功率，直到达到所述最大值，然后首先控制叶片的调整装置的基本角度从而不超出输出功率的最大值，这是可能的，反之亦然。
附图说明
参考示意图，借助实施例，本发明在下文会被详细说明，其中
图1是沿着如图2中以I-I标示的一风车的一转子外套的主轴线的剖面图，
图2是如图1中以II-II标示的剖面图，以及
图3是沿着主轴线穿过控制部分的剖面图。
具体实施方式
参考图1和2，一根据本发明的风车具有一主轴1，沿着一主轴线1a延伸以及绕该主轴线1a可转动。主轴1延伸入风车的吊架(未显示)至一齿轮，用于以一本身已知的方式传输转动能至一交流发电机。
主轴1以一抗扭矩方式连接至且支持一转子外套2，该转子外套2支持两个轴承箱3，每个轴承箱3支持一叶片4。转子外套2及其布置和设备关于主轴线1a对称。因此，只有一个叶片及其至转子外套2的固定在下面被描述。
参考附图在此描述的风车装备有两叶片，但本领域的普通技术人员会理解，本发明可以被使用而与具有更多的例如三个叶片的风车相关。此外，参考附图在此描述的风车是所谓的顺风转子，即在叶片中的转子设置于未显示的风车塔的背风面。本领域的普通技术人员会认识到，本发明也可以在一先驱上，即转子和叶片位于风车塔的迎风面的一风车。
轴承箱3借助两轴承5以一方式铰链至转子外套2，从而轴承箱3可以绕一延伸入垂直于主轴线1a的一平面的轴线3a枢转。
在轴承箱3中，一叶片根部7经过两轴承6被轴颈支承，所述叶片根部因此可绕一叶片轴线7a转动。叶片根部7在一端支持了叶片4并在另一端以一抗扭矩的方式连接至一锥齿轮8，该锥齿轮8与一第二锥齿轮9啮合。第二锥齿轮9被固定至支持一涡轮11的一调整轴10。具有锥齿轮9和涡轮11的调整轴10经过轴承12被轴颈支承而可绕在轴承箱3中的轴线3a转动。
涡轮11与一蜗杆13接合，该蜗杆13借助同轴延伸经过主轴1的一中空的控制轴14可以被转动。
在图1显示的在末端支持了一对接板16的一支柱15延伸经过中空的控制轴14。一杠杆臂17能够绕一轴承18倾斜，并在一端通过在轴承箱3上的一支架19和一通过两铰链21连接至支架19和杠杆臂17的接头20连接至轴承箱3。在与接头20相反的一端，杠杆臂支持了一压紧辊22，该压紧辊22可以邻接于对接板16。
在风车的运行中，地心引力会趋向于随着叶片轴线4a垂直于主轴而放置叶片4，然而来自风的压力，如图1中箭头23所示，会试图压迫叶片绕轴线3a回转至一偏转角度α。当不运行时，重力会绕轴线3a向下转动一叶片。因此，转子外套2较佳地支持稳定弹簧(未显示)，该稳定弹簧趋向于保持叶片4垂直于主轴线1a。这样的一稳定弹簧可以被固定至在每个轴承箱3上的支架24。
应该意识到，通过叶片4绕轴线3a转动，叶片根部7的锥齿轮8会转动调整轴10的锥齿轮9，由此叶片4会相应地绕叶片轴线7a转动。此转动不影响未显示的第二叶片。
此外，应该意识到，借助控制轴14的蜗杆13的转动会导致调整轴10的转动继而叶片4的转动。此转动施加至两叶片，两叶片中一个显示而另一个未显示。
在图3中显示了风车的控制部分。因此，图3显示了与图1中显示的一端相反的主轴1的一端、控制轴14和支柱15。
主轴1以一抗扭矩方式支持了一第一直齿轮26，控制轴14以一抗扭矩方式支持了一第二直齿轮27。第一直齿轮26与一第三直齿轮28啮合，第二直齿轮27通过一中间轮29与一第四直齿轮30啮合。第三和第四直齿轮28和30由诸轴31可转动地支持，诸轴31固定地安装在未显示的风车吊架中，并固定地连接至两个第一、相对的锥齿轮32中的每个，该锥齿轮32在一差动装置里，该差动装置具有一通过轴承38可转动的差动齿轮箱33。提供可绕一差动轴34转动的两个其它的、相对的锥齿轮35，所述直齿轮与第一、相对的锥齿轮32啮合。差动齿轮箱33在其外表面上支持一涡轮36，该涡轮36与固定地安装在吊架中的一蜗杆37啮合，所述蜗杆37绕垂直于视图平面的一轴线可转动。
第一直齿轮26和第三直齿轮28具有相同的直径，第二直齿轮27和第四直齿轮30具有相同的直径。因此，当主轴1和控制轴15具有相同的转动速度和方向时，差动轴34会停止。假如主轴1和控制轴15不具有相同的转动速度和方向，差动轴34会绕与轴31共轴的一轴线转动，带动差动齿轮箱33和涡轮36。后者会由于其啮合而驱动蜗杆37。
假如主轴1和控制轴15以不同的速度转动，会导致在转子外套2中的蜗杆13转动，继而导致叶片转动。从而，通过蜗杆37来输出叶片的调整装置的一基本角度是可能的。
一转速计40通过与一第一直齿轮26啮合的一第五直齿轮41连接至主轴，并因此指示其转速。
一位置计42装备有邻接于支柱15末端的一键42a，因此对于具有最高偏转角度的叶片，通过杠杆臂17提供一偏转角度α的测量。
一控制电动机43在其轴44上支持了一固定设置的第六直齿轮45，该第六直齿轮45与第二直齿轮27啮合。因此，控制电动机43控制了控制轴14的转动。
控制电动机43由一微处理器控制，该微处理器装备有一控制装置46，该控制装置46接收来自蜗杆37、转速计40、位置计42的信号和指示风车上的负荷的一信号，例如通过由未显示的发电机输送的功率的指示。
发电机是具有一附加的定子绕组的一异步电机，其中包括了许多永磁体，即磁化借助永磁体和电磁体来完成。发电机也具有一附加的转子绕组，在其中从附加的定子绕组感应出磁化能用于供给被重叠的原始的转子绕组。
在一较佳的实施例中，控制装置46接收了下面的信号：
A：源于蜗杆37的、叶片的基本调整角度的一测量，
B：源于转速计40的、(主轴1的)风车转速的一测量，
C：源于位置计42的、由偏转角度α表示的、作用在风车叶片上的风速或风车叶片上的风负荷的一测量，以及
D：由发电机(发电机的电压和动率)输送的风车功率的一测量。
在此描述的实施例中，风车是一单机运行，即它不连接至主电网。风车的转速尽可能地保持不变，因为由发电机供给的电流的频率与风车的转速成比例，而尽可能地保持此频率不变是需要的。
在运行中，风车的功率根据需要变化，因为额外的来自风车的功率会作为风车转动部分的动能被接收，即如同已提及的，风车的转速的增大是不合需要的。
在不变的风负荷下，可以通过调整叶片的基本调整角度来调整功率。
由于现实中的风负荷和功率需量随机变化，控制装置46的控制电动机43在一开放控制回路中被控制，在该开放控制回路中控制装置确定基于关于收集的风负荷和功率的测量C和D的一所需的基本调整角度。
当一起点时，控制轴14以与主轴1相同的转速转动。假如需要叶片的基本调整角度的一变化，控制轴的转速增大或减小。基本调整角度的变化源于来自蜗杆37的测量A。当测量A对应于由控制装置46设置的一值时，控制轴14的速度被调整至所需的主轴1的转速。
为了防止主轴1的转速浮动，随着从转速计到控制装置46的测量D的反馈，开放的控制回路通过一封闭的控制回路来添加。
试验已显示，以此方式，一来自发电机的交流电可以达到仅仅偏离所需的频率+/-2.5％的一频率。
独立叶片以及基本调整角度将以与申请者上文提及的在先丹麦专利第174346号同样的方式，变化其实际调整角度为其实际偏转角度α的结果。

Claims (7)

1.一种控制一风车的方法，
所述风车包括一具有一水平的转动轴线的转子、至少两叶片、一叶片调整装置、用于检测一基本调整角度的大小的设备、用于检测在风车上的负荷的设备、用于检测叶片在转动轴线方向上的偏转的设备，每个所述叶片在一端连接至转子并沿一叶片轴线从此延伸，所述叶片可以绕该轴线转动至所述叶片的一调整角度，所述叶片调整装置用于调整所述叶片的一共同的基本调整角度，
在该方法中，所述风车转子的转动速度通过对所述基本调整角度进行调整来控制，用于所述叶片调整装置的控制信号根据负荷和风速而被提供，由此使用所述叶片在所述转动轴线方向上的偏转作为对所述风速的测量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量所述转子的转速，用来提供用于所述叶片调整装置的控制信号。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用具有最大偏转的所述叶片的偏转作为对所述风速的测量。
4.一种风车，包括：
一转子，具有一水平的转动轴线，
至少两叶片，每个所述叶片在一端连接至转子并沿一叶片轴线从那里延伸出来，所述叶片可以绕该轴线转动，
一第一轴承，用于允许所述叶片围绕所述叶片轴线转动以改变所述叶片的一调整角度，
一叶片调整装置，用于调整所述叶片的一共同的基本调整角度，
一在所述叶片和所述转子之间的铰链，具有在横向于所述叶片轴线和所述转子转动轴线方向的一方向延伸的一铰链轴线，由此每个所述叶片可以通过绕所述各自的铰链轴线的转动沿所述转子的转动轴线方向被偏转，以及包括用于检测一叶片在所述转子的转动轴线方向偏转的大小的一装置，用于检测所述基本调整角度的大小的设备和用于传输一叶片偏转的一已检测的大小和所述基本调整角度的一已检测的大小至一控制装置的设备。
5.如权利要求4所述的风车，其特征在于，包括用于检测具有最大偏转的所述叶片的所述偏转的一装置。
6.如权利要求4或5所述的风车，其特征在于，包括用于检测所述转子的转速的设备和用于传输已检测值至一控制单元的设备。
7.如权利要求4或5所述的风车，其特征在于，包括用于提供一控制信号至所述叶片调整装置的一控制单元。
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