CN101871423B - 回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统 - Google Patents

Abstract

一种回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统，涉及风力发电技术领域，所解决的是降低成本及故障率的技术问题。该系统包括具有桨叶的风轮、发电机组、变桨控制器、变桨执行单元和检测单元，所述变桨控制器控制变桨执行单元运行，所述变桨执行单元用于控制风轮的桨距角变化，所述风轮连接发电机组，用于带动发电机组发电，所述检测单元用于检测风轮的桨距角及发电机组的功率，并将反馈信号传递至变桨控制器，其特征在于：所述变桨执行单元是回转型液压缸及其控制回路；所述回转型液压缸包括缸体、缸体两端的端盖、缸体内的两个定子和一个转子，所述风轮的桨叶连接转子的转轴；本发明提供的系统，成本低且故障率低，能随时启动发电。

Description

回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统

技术领域

本发明涉及风力发电的技术，特别是涉及一种用于控制风轮的回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统的技术。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，风力发电设备的应用也日益广泛。风力发电设备都包括风轮和发电机组，其中风轮由桨叶和风轮轴组成，风能经桨叶、风轮轴带动发电机组发电，由于风轮的转速会随着风速的变化而变化，因此风力发电设备中都设有调速系统以控制风轮对风能的吸收。

目前的风轮调速都采用变桨距控制系统，这种控制系统通过控制桨叶的桨距角控制风轮对风能的吸收，具有输出功率平稳、转矩振荡及机舱振荡小的特点，而且能有效降低噪音，改善桨叶和整机的受力状况，因而能保证发电机组的安全可靠运行，延长设备整体的使用寿命；例如，遇到台风等强风力时，将桨叶控制在和风向相平行的位置上，此时桨叶变距起到气动刹车的作用，使桨叶不再转动，从而使发电机组停止运行；风力较小时，控制桨叶增加受力面积，以尽可能多的吸收风能。

现有的变桨距控制系统有电动变桨距系统和直线型液压缸(双油缸)变桨距系统两种，其中：

电动变桨距系统中的变桨执行单元由电动机、变桨齿轮箱和蓄电池组成，这种执行单元的成本较高，而且发电机组不能随时启动发电(即紧急停机后的快速启动)，需要等蓄电池充电后才能启动，系统的响应速度也较慢，具有风轮超速的隐患，使得发电机组具有潜在的超载风险。

直线型液压缸(双油缸)变桨距系统的变桨执行单元是直线型液压缸(双油缸)及其控制回路，这种执行单元具有传动力矩大、刚度大、定位精确、动态响应速度快等优点；但是由于其控制回路中部件较多，控制回路很复杂，体积也很大，因此故障率较高，维护极为不便。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、响应速度快，而且故障率低、维护方便，能随时启动发电的回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统，包括具有桨叶的风轮、发电机组、变桨控制器、变桨执行单元和检测单元，所述变桨控制器控制变桨执行单元运行，所述变桨执行单元用于控制风轮的桨距角变化，所述风轮连接发电机组，用于带动发电机组发电，所述检测单元用于检测风轮的桨距角及发电机组的功率，并将反馈信号传递至变桨控制器，其特征在于：所述变桨执行单元是回转型液压缸及其控制回路；

所述回转型液压缸包括缸体、缸体两端的端盖、缸体内的两个定子和一个转子，所述两个定子分别轴对称固定于缸体内壁，所述转子与缸体同轴并可转动，其轴心设有用于将动力输至缸体外部的转轴，两端与缸体的端盖相贴合，两个定子及缸体的部分内壁分别与转子的部分周面相贴合，所述定子和转子在缸体内组合成X形，并将缸体分隔为四个相互独立的油腔，其中两个对角的油腔为进油腔，另两个为出油腔，所述缸体上设有连通进油腔的进油口和连通出油腔的出油口；所述风轮的桨叶连接转子的转轴，其桨距角的变化量与转子转动角度的变化量成正比；

所述回转型液压缸的控制回路包括电动机、液压泵、蓄能器、进油换向阀、电液比例换向阀、出油换向阀和油箱；所述进油换向阀和出油换向阀均具有断电负载口、通电负载口和公口，所述电液比例换向阀具有进油口、出油口及两个负载口，且两个负载口分别连通其进油口和出油口并能交叉换向；所述进油换向阀的断电负载口经一单向阀接至回转型液压缸的进油腔，其通电负载口连接电液比例换向阀的进油口，所述出油换向阀的断电负载口连接回转型液压缸的出油腔，其通电负载口连接电液比例换向阀的出油口，所述电液比例换向阀的两个负载口各经一平衡阀分别连接到回转型液压缸的进油腔和出油腔；所述出油换向阀的公口经一单向阀接至油箱，其中连接油箱的单向阀用于阻止油箱中的液压油流向出油换向阀；

所述平衡阀用于稳定液压泵的运转速度；所述进油换向阀的断电负载口与回转型液压缸的进油腔之间的单向阀用于将风轮的桨叶锁定在安全的桨距角；

所述电动机连接液压泵，用于驱动液压泵运转，所述液压泵的进油口经一高压滤油器连接油箱，其出油口经一单向阀、一高压滤油器、一单向阀连接蓄能器和进油换向阀的公口，其中连接蓄能器的单向阀用于阻止蓄能器中的液压油向高压滤油器回流，连接液压泵出油口的单向阀用于阻止高压滤油器中的液压油向液压泵回流；所述蓄能器经一溢流阀连接油箱，并设有控制溢流阀通断的压力传感器，用于限制系统液压超压，所述溢流阀并接一截止阀，用于释放蓄能器中的液压油。

进一步的，所述定子与转子的贴合面、转子与缸体内壁的贴合面及转子与缸体的端盖的贴合面均用密封件密封。

进一步的，所述密封定子与转子的贴合面及转子与缸体内壁的贴合面的密封件是方形密封条，所述密封转子与缸体的端盖的贴合面的密封件是密封圈。

本发明提供的回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统，具有以下有益效果：

1)在变桨执行单元中省去了变桨齿轮箱及蓄电池，从而节约了成本，而且发电机组能随时启动发电，不需要等蓄电池充电后才启动；

2)相比电动变桨距系统的变桨执行单元，回转型液压缸具有传动力矩大、刚度大、定位精确、动态响应速度快等优点；

3)由于采用回转型液压缸(单缸)作为变桨执行部件，其控制回路中部件很少且控制回路很简单、体积小，因此其成本较低，而且故障率也很低，维护非常方便。

附图说明

图1是本发明实施例回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统的结构框图；

图2是本发明实施例的回转型液压缸进油口位置的横截面示意图；

图3是本发明实施例的回转型液压缸出油口位置的横截面示意图；

图4是本发明实施例回转型液压缸的控制回路原理图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统，包括具有桨叶的风轮、发电机组、变桨控制器、变桨执行单元和检测单元，所述变桨控制器控制变桨执行单元运行，所述变桨执行单元用于控制风轮的桨距角变化，所述风轮连接发电机组，用于带动发电机组发电，所述检测单元用于检测风轮的桨距角及发电机组的功率，并将反馈信号传递至变桨控制器，其特征在于：所述变桨执行单元是回转型液压缸及其控制回路；

如图2-图3所示，所述回转型液压缸包括缸体1、缸体1两端的端盖(图中未示)、缸体1内的两个定子2和一个转子3，所述两个定子2分别轴对称固定于缸体1内壁，所述转子3与缸体1同轴并可转动，其轴心设有用于将动力输至缸体外部的转轴4，两端与缸体1的端盖相贴合，两个定子2及缸体1的部分内壁分别与转子3的部分周面相贴合，所述定子2和转子3在缸体1内组合成X形，并将缸体1分隔为四个相互独立的油腔，其中两个对角的油腔为进油腔7，另两个为出油腔8，所述缸体1上设有连通进油腔7的进油口6(参见图2)和连通出油腔8的出油口9(参见图3)；所述风轮的桨叶连接转子3的转轴4，其桨距角的变化量与转子3转动角度的变化量成正比；

所述定子2与转子3的贴合面、转子3与缸体1内壁的贴合面及转子3与缸体1的端盖的贴合面均用密封件密封；其中所述密封定子2与转子3的贴合面及转子3与缸体1内壁的贴合面的密封件是方形密封条5，所述密封转子3与缸体1的端盖的贴合面的密封件是密封圈；

如图4所示，所述回转型液压缸的控制回路包括电动机M、液压泵D、蓄能器N、进油换向阀H1、电液比例换向阀H2、出油换向阀H5和油箱Y；

所述进油换向阀H1和出油换向阀H5均具有断电负载口、通电负载口和公口，所述电液比例换向阀H2具有进油口、出油口及两个负载口，且两个负载口分别连通其进油口和出油口并能交叉换向；所述进油换向阀H1的断电负载口经一单向阀H6接至回转型液压缸U的进油腔，其通电负载口连接电液比例换向阀H2的进油口，所述出油换向阀H5的断电负载口连接回转型液压缸U的出油腔，其通电负载口连接电液比例换向阀H2的出油口，所述电液比例换向阀H2的两个负载口各经一平衡阀(H3或H4)分别连接到回转型液压缸U的进油腔和出油腔；所述出油换向阀H5的公口经一单向阀H7接至油箱Y，其中连接油箱Y的单向阀H7用于阻止油箱Y中的液压油流向出油换向阀H5；

所述平衡阀H3、H4用于稳定液压泵D的运转速度；所述进油换向阀H1的断电负载口与回转型液压缸U的进油腔之间的单向阀H6用于将风轮的桨叶锁定在安全的桨距角；

所述电动机M经联轴器Z连接液压泵D，用于驱动液压泵D运转，所述液压泵D的进油口经一高压滤油器L1连接油箱Y，其出油口经一单向阀H8、一高压滤油器L2、一单向阀H9连接蓄能器N和进油换向阀H1的公口，其中连接蓄能器N的单向阀H9用于阻止蓄能器N中的液压油向高压滤油器L2回流，连接液压泵D出油口的单向阀H8用于阻止高压滤油器L2中的液压油向液压泵D回流；所述蓄能器N经一溢流阀H10连接油箱Y，并设有控制溢流阀H10通断的压力传感器G，用于限制系统液压超压，所述溢流阀H10并接一截止阀H11，用于释放蓄能器N中的液压油。

本发明实施例的回转型液压缸的工作原理如下：

如图2-图3所示，需要增加风轮的桨距角时，高压液压油从回转型液压缸缸体1上的进油口6进入进油腔7，同时出油腔8中的液压油由缸体1上的出油口排出，使得转子3顺时针转动，从而通过其转轴4带动风轮的桨叶旋转至合适的桨距角；

需要减小风轮的桨距角时，低压液压油从回转型液压缸缸体1上的进油口6抽出进油腔7，同时油箱中的液压油由缸体1上的出油口进入出油腔8，使得转子3逆时针转动，从而通过其转轴4带动风轮的桨叶旋转至合适的桨距角。

本发明实施例的回转型液压缸的控制回路的控制原理如下：

系统启动后先由电动机M驱动液压泵D运转向蓄能器N充能，蓄能器N完成蓄能后，将进油换向阀H1、电液比例换向阀H2、平衡阀H3和H4、出油换向阀H5通电，此时回转型液压缸U由液压泵D供油，并由电液比例换向阀H2进行精确控制；变桨控制器根据检测单元所传递来的反馈信号控制液压泵D运转，并精确控制电液比例换向阀H2输出油流的大小和方向，从而精确控制回转型液压缸U转子的转动角度，进而精确控制风轮的桨距角；

当变桨控制器需要控制风轮增加桨距角时，向电液比例换向阀H2输入正电流控制信号使其常态接通，由液压泵D驱动的高压液压油经进油换向阀H1、电液比例换向阀H2、平衡阀H3进入回转型液压缸U的进油腔，回转型液压缸U的出油腔中的液压油经平衡阀H4、电液比例换向阀H2，出油换向阀H5、单向阀H7排入油箱Y；

当变桨控制器需要控制风轮减小桨距角时，向电液比例换向阀H2输入负电流控制信号使其交叉接通，由液压泵D驱动的高压液压油经进油换向阀H1、电液比例换向阀H2、平衡阀H4进入回转型液压缸U的出油腔，回转型液压缸U的进油腔中的液压油经平衡阀H3、电液比例换向阀H2，出油换向阀H5、单向阀H7排入油箱Y；

当风速低于额定风速时，利用电液比例换向阀H2精确改变液压油的流向和流量，从而通过回转型液压缸U将桨距角维持在3°；

当风速正常时，利用电液比例换向阀H2精确改变液压油的流向和流量，从而通过回转型液压缸U控制风轮的桨距角随风速变化，使其输出功率保持稳定；

当风速过高或其它原因需要停机时，将进油换向阀H1和出油换向阀H5断电，此时回转型液压缸U转由蓄能器N供油，蓄能器N中的液压油通过进油换向阀H1和单向阀H6进入回转型液压缸U的进油腔，回转型液压缸U的出油腔中的液压油经出油换向阀H5、单向阀H7排入油箱Y，从而控制风轮的桨叶转动至88°的安全桨距角，并由单向阀H6锁定。

本发明实施例使用时，先通过人机界面将给定桨距角和给定功率输入变桨控制器，变桨控制器根据给定桨距角、给定功率输入及检测单元的反馈信号控制变桨执行单元运行，进而控制风轮的桨距角变化。

Claims (3)

1.一种回转型液压比例伺服驱动马达变桨距系统，包括具有桨叶的风轮、发电机组、变桨控制器、变桨执行单元和检测单元，所述变桨控制器控制变桨执行单元运行，所述变桨执行单元用于控制风轮的桨距角变化，所述风轮连接发电机组，用于带动发电机组发电，所述检测单元用于检测风轮的桨距角及发电机组的功率，并将反馈信号传递至变桨控制器，其特征在于：所述变桨执行单元是回转型液压缸及其控制回路；

所述回转型液压缸包括缸体、缸体两端的端盖、缸体内的两个定子和一个转子，所述两个定子分别轴对称固定于缸体内壁，所述转子与缸体同轴并可转动，其轴心设有用于将动力输至缸体外部的转轴，转子两端与缸体的端盖相贴合，两个定子及缸体的部分内壁分别与转子的部分周面相贴合，所述定子和转子在缸体内组合成X形，并将缸体分隔为四个相互独立的油腔，其中两个对角的油腔为进油腔，另两个为出油腔，所述缸体上设有连通进油腔的进油口和连通出油腔的出油口；所述风轮的桨叶连接转子的转轴，其桨距角的变化量与转子转动角度的变化量成正比；

所述回转型液压缸的控制回路包括电动机、液压泵、蓄能器、进油换向阀、电液比例换向阀、出油换向阀和油箱；所述进油换向阀和出油换向阀均具有断电负载口、通电负载口和公口，所述电液比例换向阀具有进油口、出油口及两个负载口，且两个负载口分别连通其进油口和出油口并能交叉换向；所述进油换向阀的断电负载口经一单向阀接至回转型液压缸的进油腔，其通电负载口连接电液比例换向阀的进油口，所述出油换向阀的断电负载口连接回转型液压缸的出油腔，其通电负载口连接电液比例换向阀的出油口，所述电液比例换向阀的两个负载口各经一平衡阀分别连接到回转型液压缸的进油腔和出油腔；所述出油换向阀的公口经一单向阀接至油箱，其中连接油箱的单向阀用于阻止油箱中的液压油流向出油换向阀；

所述平衡阀用于稳定液压泵的运转速度；所述进油换向阀的断电负载口与回转型液压缸的进油腔之间的单向阀用于将风轮的桨叶锁定在安全的桨距角；

所述电动机连接液压泵，用于驱动液压泵运转，所述液压泵的进油口经一高压滤油器连接油箱，其出油口经一单向阀、一高压滤油器、一单向阀连接蓄能器和进油换向阀的公口，其中连接蓄能器的单向阀用于阻止蓄能器中的液压油向高压滤油器回流，连接液压泵出油口的单向阀用于阻止高压滤油器中的液压油向液压泵回流；所述蓄能器经一溢流阀连接油箱，并设有控制溢流阀通断的压力传感器，用于限制系统液压超压，所述溢流阀并接一截止阀，用于释放蓄能器中的液压油。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述定子与转子的贴合面、转子与缸体内壁的贴合面及转子与缸体的端盖的贴合面均用密封件密封。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述密封定子与转子的贴合面及转子与缸体内壁的贴合面的密封件是方形密封条，所述密封转子与缸体的端盖的贴合面的密封件是密封圈。

Images