CN101963131B - 风力发电机的偏航机构、偏航控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风力发电机的偏航机构及采用该偏航机构的偏航控制系统及该偏航系统的控制方法，该风力发电机的偏航机构；该偏航机构包括与发电机总成相连的底座，底座的外侧壁上具有三个向外凸起设置的侧板；每个侧板下方固定有预紧压力调节装置；所述偏航电机的另一端与减速器固定，减速器的输出轴与摩擦轮相连；四点接触球轴承，所述底座底部端面与该四点接触球轴承的内圈固定，该四点接触球轴承的外圈与塔架顶部相连，并且所述摩擦轮与四点接触球轴承的外圈相接触。与现有技术相比，本发明的优点在于：相对于偏航机构常用的齿轮传动形式，由于采用摩擦轮传动形式，其结构形状简单，加工方便，同时具有工作过程平稳、冲击小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机的偏航机构及采用该偏航机构的偏航控制系统及该偏航系统的控制方法。
背景技术
目前，风力发电机组中常用的偏航机构有电机驱动和液压驱动两种方式。对于电机驱动的偏航机构，其结构简单、可靠，可充分利用有限空间，实现分散布置，常采用三个电机分别驱动三个主动齿轮，把四点接触球轴承的内圆或外圆制成齿轮，通过主动齿轮和四点接触球轴承上的齿轮啮合传动完成偏航动作。其缺点是由于四点接触球轴承外形尺寸较大，其齿廓加工困难，同时齿轮啮合传动时冲击较大，若制造或安装不良，轮齿局部受载过大时，轮齿会产生局部折断等现象。液压驱动方式变距力大，但存在液压传动系统复杂，非线性、泄漏等现象。同时目前偏航系统的控制方式常采用PID控制，由于风力发电系统的复杂性，系统模型的建立非常困难，不能准确的对偏航系统进行控制。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种运动时无冲击、运动平稳，各元件加工方便的风力发电机的偏航机构。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种能准确的对上述偏机构进行控制的偏航控制系统。
本发明所要解决的第三个技术问题是针对上述现有技术提供一种偏航控制系统的控制方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该风力发电机的偏航机构，其特征在于：包括
与发电机总成相连的底座，底座的外侧壁上具有三个向外凸起设置的侧板；每个侧板下方固定有预紧压力调节装置；
所述预紧压力调节装置包括一对相互配合的具有燕尾形状的凸凹块，其中燕尾凸块和偏航电机一端连接固定，燕尾凹块与挡板连接固定，燕尾凸块与挡板之间具有间隔空间；双头螺柱一头和燕尾凸块螺纹固定连接，另一头穿过所述挡板，并且穿出挡板外的双头螺柱上设置有调节螺母；穿设在燕尾凸块和挡板间的所述双头螺柱外套设有一弹簧；
所述偏航电机的另一端与减速器固定，减速器的输出轴与摩擦轮相连；
四点接触球轴承，所述底座底部端面与该四点接触球轴承的内圈固定，该四点接触球轴承的外圈与塔架顶部相连，并且所述摩擦轮与四点接触球轴承的外圈相接触。
作为改进，所述底座为半球形，所述三个侧板按照120度间隔均匀分布在底座的外侧壁上。
上述摩擦轮的基体采用钢材料，其外部覆盖一层MC尼龙材料。
由于摩擦轮传动可以通过预紧压力调节装置进行调节，通过该装置施加一定的预紧压力，并且在摩擦轮或轴承外圈产生磨损时，调节摩擦轮位置，改变预紧压力，从而保证摩擦轮传动的正常工作。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：该偏航控制系统，其特征在于：包括
一采用上述结构的偏航机构；
一用于测量风向信号的检测元件；
一用于计算风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的计算元件，所述检测元件的信号输出端与该计算元件的一信号输入端相连，所述风力机用于输出风轮轴线方向的信号输出端与该计算元件的另一信号输入端相连；
一PLC控制器；所述计算元件的输出端与该PLC控制器的一输入端相连，该PLC控制器输出端通过一软启动器与所述偏航机构的偏航电机相连；
一偏航计数器，用于计算所述偏航机构的偏航次数，其信号输入端与所述偏航机构相连；其信号输出端与所述PLC控制器的另一输入端相连。
通过检测元件检测，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，将偏差信号传给PLC，PLC根据偏航计数器检测后反馈给控制器的数值，计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，PLC输出指令驱动偏航电机(带失电制动)，将机头朝正对风的方向调整，并记录当前调整的角度，调整完毕电机停转并启动偏航制动。同时用于计算所述偏航机构的偏航次数，记录偏航系统所运转的圈数，当偏航系统的偏航圈数达到计数器的设定条件时，则触发自动解缆动作。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：该偏航控制系统的控制方法，其特征在于：当所述计算单元计算出风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值大于零时，该偏航控制系统开始工作，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值大于等于一预先设定值时，所述偏航控制系统的PLC控制器采用模糊控制方法对所述偏航机构的偏航电机进行控制，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值小于所述预先设定值时，所述偏航控制系统的PLC控制器采用PID控制方法对所述偏航机构的偏航电机进行控制，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值等于零时，PLC控制器输出控制信号使偏航电机停止工作。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1、相对于偏航机构常用的齿轮传动形式，由于采用摩擦轮传动形式，其结构形状简单，加工方便，同时具有工作过程平稳、冲击小的特点；2、由于具有预紧压力调节装置，通过设定适当的预紧压力，保证了偏航动作的顺利完成；3、由于摩擦轮采用MC尼龙材料，具有重量轻、强度高、抗冲击、抗振、耐磨、防腐和绝缘多种独特性能，其耐磨性保证了摩擦轮磨损量小，无须经常调节预紧压力。4、由于采用模糊和PID对本偏航机构进行分段控制，结合了模糊和PID控制的优点，使得控制的输出结果能在合理的时间内达到稳态，克服了PID控制的超调和波动。
附图说明
图1为本发明实施例中偏航机构的结构示意图；
图2为本发明实施例中预紧压力调节装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中偏航控制系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明首先提供了一种风力发电机的偏航机构，请参见图1和图2所示，其包括与发电机总成相连的半球形底座1，底座1通过左侧端面的螺纹孔7与发电机总成相连，底座1的外侧壁上按照120度间隔均匀分布有三个向外凸起设置的侧板13；每个侧板13下方通过螺栓6固定有预紧压力调节装置；所述预紧压力调节装置包括一对相互配合的具有燕尾形状的凸凹块，其中燕尾凸块8和偏航电机5一端连接固定，燕尾凹块14与挡板9连接固定，燕尾凸块8与挡板9之间具有间隔空间；双头螺柱11一头和燕尾凸块8螺纹固定连接，另一头穿过所述挡板9，并且穿出挡板外的双头螺柱上设置有调节螺母12；穿设在燕尾凸块8和挡板9间的所述双头螺柱外套设有一弹簧10；所述偏航电机5的另一端与减速器4固定，减速器4的输出轴与摩擦轮3相连；所述底座1底部端面与四点接触球轴承2的内圈固定，该四点接触球轴2承的外圈与塔架顶部相连，并且所述摩擦轮3与四点接触球轴承2的外圈相接触。
在摩擦轮传动副产生微量磨损时，通过弹簧力自动调节预紧压力，保证摩擦轮3和四点接触球轴承2的外圈相互压紧。当摩擦轮传动副磨损量较大时，旋动调节螺母12使得燕尾凸块沿预紧压力方向移动，改变预紧压力，使得摩擦轮3能和四点接触球轴承2的外圈相互压紧，保证偏航动作的顺利完成。
本发明还提供了一种偏航控制系统，其包括上述结构的偏航机构，一用于测量风向信号的检测元件；一用于计算风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的计算元件，所述检测元件的信号输出端与该计算元件的一信号输入端相连，所述风力机用于输出风轮轴线方向的信号输出端与该计算元件的另一信号输入端相连；一PLC控制器；所述计算元件的输出端与该PLC控制器的一输入端相连，该PLC控制器输出端通过一软启动器与所述偏航机构的偏航电机相连；一偏航计数器，用于计算所述偏航机构的偏航次数，其信号输入端与所述偏航机构相连；其信号输出端与所述PLC控制器的另一输入端相连。
计算元件将计算出的偏差信号传给PLC控制器，PLC控制器同时根据偏航计数器的测量的数值，计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，PLC控制器输出指令驱动偏航电机，将机头朝正对风的方向调整，并记录当前调整的角度，调整完毕电机停转并启动偏航制动。软启动器可实现偏航电机的平滑启动，降低启动电流，软启动器同时还提供软停车功能，避免自由停车引起的转矩冲击。
另外本发明还提供了一种上述偏航控制系统的控制方法，当所述计算单元计算出风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值大于零时，该偏航控制系统开始工作，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值大于等于一预先设定值时，所述偏航控制系统的PLC控制器采用模糊控制方法对所述偏航机构的偏航电机进行控制，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值小于所述预先设定值时，所述偏航控制系统的PLC控制器采用PID控制方法对所述偏航机构的偏航电机进行控制，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值等于零时，PLC控制器输出控制信号使偏航电机停止工作。
上述模糊控制方法、PID控制方法均为现有技术中常规的控制方法，预先设定值即为模糊控制方法与PID控制方法的切换点，该切换点的数值可以通过具体的风力发电机组的环境参数综合考虑后设定。
Claims (4)
1.一种风力发电机的偏航机构，其特征在于：包括
与发电机总成相连的底座，底座的外侧壁上具有三个向外凸起设置的侧板；每个侧板下方固定有预紧压力调节装置；
所述预紧压力调节装置包括一对相互配合的具有燕尾形状的凸凹块，其中燕尾凸块和偏航电机一端连接固定，燕尾凹块与挡板连接固定，燕尾凸块与挡板之间具有间隔空间；双头螺柱一头和燕尾凸块螺纹固定连接，另一头穿过所述挡板，并且穿出挡板外的双头螺柱上设置有调节螺母；穿设在燕尾凸块和挡板间的所述双头螺柱外套设有一弹簧；
所述偏航电机的另一端与减速器固定，减速器的输出轴与摩擦轮相连；
四点接触球轴承，所述底座底部端面与该四点接触球轴承的内圈固定，该四点接触球轴承的外圈与塔架顶部相连，并且所述摩擦轮与四点接触球轴承的外圈相接触。
2.根据权利要求1所述的风力发电机的偏航机构，其特征在于：所述底座为半球形，所述三个侧板按照120度间隔均匀分布在底座的外侧壁上。
3.一种采用如权利要求1所述偏航机构的偏航控制系统，其特征在于：包括
一用于测量风向信号的检测元件；
一用于计算风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的计算元件，所述检测元件的信号输出端与该计算元件的一信号输入端相连，所述风力机用于输出风轮轴线方向的信号输出端与该计算元件的另一信号输入端相连；
一PLC控制器；所述计算元件的输出端与该PLC控制器的一输入端相连，该PLC控制器输出端通过一软启动器与所述偏航机构的偏航电机相连；
一偏航计数器，用于计算所述偏航机构的偏航次数，其信号输入端与所述偏航机构相连；其信号输出端与所述PLC控制器的另一输入端相连。
4.一种如权利要求3所述偏航控制系统的控制方法，其特征在于：当所述计算元件计算出风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值大于零时，该偏航控制系统开始工作，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值大于等于一预先设定值时，所述偏航控制系统的PLC控制器采用模糊控制方法对所述偏航机构的偏航电机进行控制，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值的绝对值小于所述预先设定值时，所述偏航控制系统的PLC控制器采用PID控制方法对所述偏航机构的偏航电机进行控制，当风向与风力机的风轮轴线方向偏差值等于零时，PLC控制器输出控制信号使偏航电机停止工作。
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