CN102177365A - 用于风力发电站的差动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于能量获取设备，尤其是风力发电站的差动机构，其包含三个驱动端和从动端。其中一个第一驱动端与能量获取设备的驱动轴连接，一个从动端与发电机(8)连接，并且一个第二驱动端与作为差动驱动装置的电机(6)连接。所述与驱动轴连接的第一驱动端以基本转速转动。第一驱动端的转速范围至少为基本转速的-/+6.0％并且最多为基本转速的-/+20.0％，而电机(6)则以额定转速运行。

Description

用于风力发电站的差动机构
技术领域
本发明涉及一种用于能量获取设备、尤其是风力发电站的差动机构、一种用于运行这种差动机构的方法以及一种具有这种差动机构的能量获取设备、尤其是风力发电站。
背景技术
风力发电站逐渐成为越来越重要的发电设备。因此通过风进行发电的百分比份额持续提高。这点一方面由和电流质量的新标准有关，另一方面和风力发电站越来越大的趋向有关。同时海上风力发电站也成为趋势，这种风力发电站要求至少5WM安装容量的设备规模。由于海上区域中的风力发电站的基础设施和维护或安装成本很高，所以这类设备的效率和可使用性都是特别重要的。
对于所有设备共同的是可变的转子转速的必要性，一方面为了提高在部分负荷范围内的空气动力效率并且另外一方面为了调节风力发电站的传动系中的转矩，最后为了与转子叶片调节相结合进行转速调节。现在应用的大部分风力发电站为了满足该要求，使用与变频器组合的、转速可变的所谓的双重馈电的三相交流电机或同步发电机形式的发电机方案。这些方案然而具有缺点：(a)风力发电站在电网干扰的情况下的电特性仅仅有条件地满足供电企业的要求；(b)风力发电站仅仅借助于变压站可连接到中压电网上；以及(c)对于可变的转速需要的变频器是功率非常大的并且因此是效率损失的源头。
这些问题能够通过应用他励的中压同步发电机解决。在此然而需要替代的方案，以便满足对风力发电站的传动系中的可变的转子转速或转矩调节的要求。一个可能性在于应用差动机构，其通过在恒定的发电机转速的情况下改变传动比而允许风力发电站的可变的转速。
WO2004/109157A1示出了一种复杂的、流体静力的“多通道”设计，其具有多个平行的差动级和多个可切换的离合器，由此可在单个通道间切换。借助所示技术方案可减小流体静力的功率和由此流体静力的损耗。但整个装置的复杂结构是一大缺点。此外，各单个级之间的切换在控制风力发电站时也是问题。另外该公开文献还示出了一种机械的制动器，其直接作用于发电机轴上。
WO2006/010190A1示出一种简单的具有多级的差动机构的电概念，该差动机构优选设定一个异步发电机作为差动驱动装置。该差动驱动装置的额定转速1500rpm在电动运行时扩大1/3至2000rpm，这意味着大约33％的磁场削弱范围。
EP 1283359A1示出了具有电差动驱动装置的单级和多级差动机构，单级方案具有围绕输入轴同轴定位的具有高额定转速的特殊三相交流电机，其基于结构形式具有极大的关于转子轴的惯性矩。作为替换方案，多级差动机构设有高速标准三相交流电机，该三相交流电机平行于差动机构的输入轴定向。
已知设计的缺点一方面在于差动驱动装置中的高损耗，另一方面在于设计时用来解决该问题的复杂的机械结构或特殊机电构造以及由此的高昂成本。在流体静力的方案中此外应用的泵的寿命是一个问题或者在与外部的环境调节适配时需要高的耗费。总之可以确定，所选择的额定转速范围或者对于调整极端负载是过小的或对于风力发电站的最佳的发电是过大的。此外在已知的用于差动驱动装置的电方案中可以确定，它们在额定转速范围和磁场削弱范围之间规定了不利的分配并且没有充分考虑到对于控制重要的标准如差动驱动装置的关于转子的惯性矩(Jred)。
发明内容
本发明的任务是尽可能地避免上述缺点并且提供一种差动驱动装置，其除成本尽可能低外既保证了最大发电量又确保了风力发电站的最佳控制。
上述任务利用具有权利要求1特征的差动机构解决。
上述任务此外利用具有权利要求13特征的能量获取设备解决。
上述任务最后也利用具有权利要求15和16的特征的方法解决。
其余从属权利要求的技术方案为本发明优选的实施方式。
通过将转速限定在给定的范围上在较高的空气动力效率和通过差动驱动装置引起的效率损失之间达到了最佳的平衡，同时顾及到了在能量获取设备特别是风力发电站中的与调节相关的边界条件。
附图说明
下面参考附图进一步说明本发明优选的实施方式。
图1示出按现有技术的5WM风力发电站的功率曲线、转子转速和由此产生的特性值如叶尖速比和功率系数，
图2示出按现有技术的具有电差动驱动装置的差动机构的原理图，
图3示出按现有技术的具有泵/马达组合的流体静力的差动驱动装置的原理图，
图4示出按现有技术的同轴于差动级的输入轴定向的特殊三相交流电机的原理图，
图5示出风力发电站的转子上的转速情况和由此产生的用于差动驱动装置的最大输入转矩Mmax，
图6示例示出电差动驱动装置的转速和功率与风速的关系，
图7示出对于单级差动机构而言最大转矩和比例因数y/x与额定转速范围的关系，
图8示出具有单级和替代地具有二级差动机构的差动驱动装置的传动比和转矩以及对Jred的作用，
图9示出单级或二级差动机构的倍乘因数f(J)，差动驱动装置的惯性矩J的值与该倍乘因数相乘，从而计算在最小的转子转速(nmin)时关于转子轴的Jred，
图10示出对于单级或二级差动机构而言所需的转矩，以便借助电差动驱动装置能够根据转速补偿转子上的转速跳跃，
图11示出包括磁场削弱范围的电差动驱动装置(PM-同步电机)的转速/转矩特性与所需的用于差动驱动装置的转矩的比较，
图12示出用于差动驱动装置的最大输入转矩和比例因数y/x与电差动驱动装置的磁场削弱范围的关系，
图13示出总发电量的差异率与磁场削弱范围的关系，
图14示出在具有80％的磁场削弱范围的电差动驱动装置的情况下，在不同年平均风速时对于不同额定转速范围而言的总发电量的差异率，
图15示出在液压差动驱动装置的情况下在不同年平均风速时对于不同额定转速范围而言的总发电量的差异率，
图16示出对于单级差动机构而言在不同的额定转速范围中电差动驱动装置的发电成本，
图17示出对于二级差动机构而言在不同的额定转速范围时电差动驱动装置的发电成本，
图18示出三相交流电机，其利用在之间连接的电阻短路，
图19示出具有集成到主传动装置中的单级差动机构的方案，
图20示出具有集成到同步发电机中的单级差动机构的方案，
图21示出单级差动机构的替代方案，其具有位于内齿轮和差动驱动装置之间的同轴连接。
具体实施方式
风力发电站的转子的功率由下述公式计算出：
转子功率＝转子面积×功率系数×空气密度/2×风速3
其中，功率系数与风力发电站转子的叶尖速比(＝叶尖速度与风速的比值)有关。风力发电站的转子设计基于随发展待确定的叶尖速比(值大多在7和9之间)，以获得最佳的功率系数。出于这个原因，在风力发电站运行时应在部分负荷范围中调节到相应小的转速，以便确保最佳空气动力效率。
图1示出了转子功率、转子转速、叶尖速比和用于转子的给定最大转速范围的功率系数或8.0-8.5的最佳叶尖速比的功率系数的关系。从图表中可以看出，当叶尖速比偏离于其8.0-8.5的最佳值时，功率系数下降，因此根据上述公式转子功率相应于转子的空气动力特性也降低。
图2示出用于风力发电站的差动系统，其包括差动级3或11至13、适配传动级4和差动驱动装置6。风力发电站的转子1驱动主传动装置2，该转子位于用于主传动装置2的驱动轴上。主传动装置2为3级传动装置，其具有两个行星齿轮级和一个圆柱齿轮级。差动级3位于在主传动装置2和发电机8之间，主传动装置2通过差动级3的行星架12驱动发电机。发电机8优选是他励同步发电机，在需要时也可具有大于20kv的额定电压，发电机与差动级3的内齿轮13连接并且由其驱动。差动级3的小齿轮11与差动驱动装置6连接。调节差动驱动装置6的转速，以便一方面在转子1转速变化时保证发电机8转速恒定并且另一方面在风力发电站的整个传动系中控制转矩。为了提高用于差动驱动装置6的输入转速，在所示情况下选择二级差动机构，其在差动级3和差动驱动装置6之间提供圆柱齿轮形式的适配传动级4。差动级3和适配传动级4因此构成所述二级差动机构。差动驱动装置为三相交流电机，其通过变频器7和变压器5连接到电网上。作为替换方案，差动驱动装置还可以如图3所示被构造成例如流体静力泵/马达组合9。在这种情况下第二泵优选通过适配传动级10与发电机8的驱动轴连接。
图4示出了根据现有技术的差动机构的另一种可能的实施方式。在此行星架12以所示方式被主传动装置2驱动，发电机8与内齿轮13连接或小齿轮与电差动驱动装置6连接。这种变型方案为单级方案，在此出于结构原因使用特殊三相交流电机，与标准三相交流电机相比该特殊三相交流电机昂贵许多并且还具有特别大的惯性矩。差动驱动装置6的关于转子1的惯性矩这点对控制技术产生不利的影响。
差动机构的转速方程如下：
转速发电机＝X＊转速转子+y＊转速差动驱动装置，其中，发电机转速是恒定的，因数x和y可以从所选择的主传动装置和差动机构的传动比中推导出。转子上的转矩通过待刮过的风和转子的空气动力效率来确定。转子轴上的转矩和差动驱动装置上的转矩之间的比例是恒定的，所以传动系中的转矩可以通过差动驱动装置来调整。差动驱动装置的转矩方程如下：
转矩差动驱动装置＝转矩转子＊y/x，
其中，比例系数y/x是差动驱动装置的所需的设计转矩的量度。
差动驱动装置的功率基本上正比于转子转速与其基本转速的百分比偏差和转子功率的乘积。因此原则上大转速范围要求相应大尺寸的差动驱动装置。
图5示出了例如对于不同转速范围的情况。转子的-/+额定转速范围定义其与转子基本转速的百分比偏差，该范围可借助差动驱动装置(电动运行时为负或在发电运行时为正)的额定转速在无磁场减弱的情况下实现。当差动驱动装置为电三相交流电机时，其额定转速(n)定义最大转速，在该最大转速时电三相交流电机可持续产生额定扭矩(Mn)或额定功率(Pn)。
在流体静力驱动装置如液压的轴向活塞泵的情况下，差动驱动装置的额定转速是这样的转速，在该转速时流体静力驱动装置能够以最大转矩(Tmax)提供最大持续功率(P0max)。在此，泵的额定压力(PN)和标称尺寸(NG)或排液体量(Vgax)决定最大转矩(Tmax)。
在额定功率范围中，风力发电站的转子以在nmax和nmin-maxP极限之间的平均转速nrated在处于nrated和nmin之间的部分负荷范围中旋转，这在该实施例中可以借助80％的磁场削弱范围来实现。为了控制风暴而选择相应大的nmax和nmin-maxP之间的控制转速范围，该转速范围可在无负荷减小的情况下实现。该转速范围的值与风暴的大小和/或风力发电站的转子惯性和所谓的变桨系统(转子叶片调整系统)的动力学特点有关，并且通常约为-/+5％。在所示实施例中，选择-/+6％的控制转速范围以便足够用来借助差动驱动装置控制极风暴。但是带极慢变桨系统的风力发电站可以设计约-/+7％至-/+8％的控制转速范围。在该控制转速范围中风力发电站必须产生额定功率，这意味着，差动驱动装置在此被加载以最大转矩。也就是说，转子的-/+额定转速范围必须大致相同，因为只有在该范围中差动驱动装置才能产生其额定转矩。
在具有差动级的电的和流体静力的差动驱动装置中，在差动驱动装置的转速为0时的转子转速称为基本转速。因为现在转子转速范围较小时基本转速超过nmin-maxP，所以差动驱动装置在转速为0的情况下必须产生额定转矩。而电或液压的差动驱动装置在转速为0时仅可产生明显小于额定转矩的转矩，但这可以通过设计时相应的超尺寸来补偿。但因为最大设计转矩是差动驱动装置的尺寸因数，所以小转速范围对于差动驱动装置的尺寸的有利影响只是有限的。
在具有多于一个差动级的或具有一个流体动力的差动驱动装置的驱动装置设计中，-/+额定转速范围可以替代地从下述公式计算出：
-/+额定转速范围＝-/+(nmax-nmin)/(nmax+nmin)
基本转速＝(nmax+nmin)＊0.5。
在这种情况下差动驱动装置的额定转速替代地可以借助其最大转速nmax和最小转速nmin来确定。
图6中例如可看出差动极的转速或功率情况。发电机、优选他励中压同步发电机的转速通过连接到频率固定的电网中为恒定的。为了可相应很好地利用差动驱动装置，该差动驱动装置在小于基本转速的范围内电动地运行并且在大于基本转速的范围内发电机式运行。从而在电动运行时功率馈入差动级中，而在发电机式运行时从差动级中取得功率。该功率在电差动驱动装置的情况下优选从电网获取或馈入到电网中。在液压的差动驱动装置中该功率优选从发电机轴取得或输入给发电机轴。发电机功率和差动驱动装置的功率之和形成为电差动驱动装置而输出到电网中的总功率。
差动驱动装置的输入转矩除了与差动器输入端上的转矩有关之外，还主要与差动机构的传动比有关。如果以此分析为基础(行星齿轮级的最佳传动比在所谓的大约为6的固定传动比时)，那么通过单级差动机构，用于差动驱动装置的转矩不是正比于转速范围地变小。在技术上也可实现较大的固定传动比，这可以最好地减小该问题，但不能消除它。
图7示出了对于单级差动机构而言最大转矩和比例因数y/x(出于显示的原因乘以-5.000)与转子的额定转速范围的关系。在大约-/+14％至-/+17％的额定转速范围中对于差动驱动装置而言得到最小的比例因数和由此最小的最大转矩(Mmax)。
该图示出，对单级差动机构而言当额定转速范围变小时差动驱动装置的设计转矩变大。为了解决这一问题，可以使用例如二级差动机构。这例如可以通过在差动级3和差动驱动装置6或9之间设置适配传动级4来实现。但主要决定差动级成本的差动级的输入转矩却不能由此减小。
图8示出了用于单级差动机构和二级差动机构的差动驱动装置的转矩的对比以及因数J(red)，该因数是两种方案的关于转子轴的惯性矩的比值。由图8中可以明确看出，在自由选择差动机构的传动比的情况下-在所示情况下差动驱动装置的额定转速为大约1500rpm，差动驱动装置所需的转矩随变小的转速范围相应地变小。在大于约-/+16.5％额定转速范围时，该实施例中采用的单级差动机构的固定传动比足够用来实现1500rpm的差动驱动装置的额定转速，无需附加的适配传动级。多级差动机构的缺点在于较大的传动损耗和较高的传动成本。此外，虽然差动驱动装置的惯性矩随变小的额定转矩也变小，但较高的传动比引起差动驱动装置关于风力发电站的转子轴的较大的惯性矩(Jred)。因为风力发电站的可控性与Jred密切相关(与风力发电站的转子的惯性矩相比越小，则差动驱动装置的控制动力学就越好)，所以在所示情况中当风力发电站转子的转速范围较小时，二级差动机构的Jred值约为单级差动机构的2.6倍，其缺点在于：(a)要求相应更大的尺寸的差动机构，或(b)当没有采取相应的补偿措施时，由于控制性能差会导致风力发电站负荷更大且电流质量较差。因此并且也由于较高的传动成本和传动损耗，单级差动机构相对于多级差动机构只能有条件地并且在小额定转速范围中才可能作为技术上可能的替代方案。
对Jred的说明通常在选择转速范围时也有效。图9示出了在转子转速最小时的倍乘因数f(J)，其与差动驱动装置的惯性矩的值相乘，以便计算在最小的转子转速(nmin)时差动驱动装置关于转子轴的Jred。
为了能够控制风力发电站的转子的转速跳跃，差动驱动装置必须相应超尺寸设计，其随着渐增的Jred、即渐增的额定转速范围或在多级差动驱动装置的情况下业已在较小的转速范围时就表现为巨大的成本因素。
图10示出了差动驱动装置为能够控制风暴所需的转矩。当风暴在2秒内从4.5m/s加速到11.5m/s时，根据风力发电站转子的额定转速范围这可引起转速从5.6至10.3rpm跳跃到对所有额定转速范围来说相同的转速11.7rpm。差动驱动装置跟随该转速跳跃，所需的加速力矩相应于Jred和该转速跳跃的值而降低。可明确看出，在此多级差动机构基于更高的传动比需要更大的转矩。
在差动机构传动比不变的情况下扩大风力发电站转子的转速范围并且因此提高发电量的可能性是利用电差动驱动装置的磁场削弱范围
Figure BDA0000054316750000091
如在具有变频器的例如永磁激励式的同步三相交流电机的情况下。
磁场削弱范围是指超出电三相交流电机的额定转速的转速范围。为额定转速还定义了额定转矩或额定失步转矩。在表格和其它说明中，磁场削弱范围定义为转速超过额定转速的百分比——也就是说，例如1.5倍转速相应于50％的磁场削弱范围。
图11举例示出了额定转速为1500rpm的电差动驱动装置的最大转矩或失步转矩的值。可明确看出，无论在转速为零时还是在大于额定转速时最大可达到的转矩都变小。但风力发电站的一个主要特点是，在部分负荷范围中——在该示例中该部分负荷范围大约相当于电动运行——所需的转矩大大小于最大允许转矩。在发电机式运行中对于大于大约1730rpm的转速，风力发电站需要减小负荷，以便不超过允许的最大转矩。图10示出了80％的磁场削弱范围，其达到1.8倍额定转速，这对于为该例所选择的电驱动装置来说是技术上合理的上限。
在此需要提出，例如永磁激励式同步三相交流电机在磁场削弱范围内的效率非常好，这是与差动驱动装置的效率相关联的重要优点。
三相交流电机在磁场削弱范围内的运行根据其设计最多至50％至60％、也就是说1.5倍至1.6倍额定转速且无转速反馈，此外需要使用如编码器。因为编码器的使用代表附加的误差来源并且所谓的无传感器的转矩或转速在力矩或转速调节方面在动态性上更好，所以在确定磁场削弱范围时可找到在调节动态性和最佳年均发电量之间的最佳点。也就是说，在平均风速高并且在与之相关的极风暴的情况下，可以选择允许无传感器控制的磁场削弱范围，以便相应控制风暴。在待控制风暴的小的平均风速较的情况下，可以着重最佳年均发电量并且因此选择尽可能大的具有转速反馈的磁场削弱范围。这也很好地适配风力发电站的差动驱动装置的转速特点，该差动驱动装置在风速低的情况下作为电动机使用尽可能大的转速范围。
为了验证在不同的年均风速时磁场削弱范围的大小对差动驱动装置的大小或风力发电站的发电量的影响，可以在风力发电站的转子的转速范围固定的情况下改变差动驱动装置的磁场削弱范围，同时调整差动机构的传动比。
图12示出了差动驱动装置的与磁场削弱范围相关的最大输入转矩和比例因数y/x(出于显示目的乘以-5,000)。从大约70％的磁场削弱范围开始产生用于差动驱动装置的最佳比例因数并且因此也产生最低的最大转矩(Mmax)，绝对最小值在100％的磁场削弱范围时存在。
图13示出了与用于不同的年均风速的磁场削弱范围相关的发电量的差异率。最佳值产生于100％至120％的磁场削弱范围之间。基于该边界调节，根据使用条件选择磁场削弱范围，但必须选择≥50％的磁场削弱范围。
年均风速是在轮毂高度(相当于转子中心)上测得的风速的年平均值。为10.0m/s、8.5m/s、7.5m/s和6.0m/s的最大年均风速相应于所谓的IEC分级1、2、3、4。采用瑞利分布作为标准的统计学上的频率分布。
此外还需提到，永磁激励式同步三相交流电机作为差动驱动装置的优点还在于，与其它结构类型的三相交流电机相比具有对额定转矩而言较小的惯性矩，如上所述，这点被证明有利于控制风力发电站，因此，用于差动驱动装置的特别低惯性矩的设计的花费总是值得的。
作为替换方案，所谓的磁阻电机在典型的较高额定转速的情况下也同样具有非常小的惯性矩。已知磁阻电机极其坚固，这特别有利于海上区域中的使用。
差动驱动装置的大小当然也对风力发电站的总效率有重要影响。通过观察上述实施方式可以得出下述基本认识，即风力发电站转子的大转速范围可以改善空气动力效率，但另一方面也要求差动驱动装置具有更大的尺寸，这会造成更高的损耗，这阻止取得更好的系统效率(系统效率由转子的空气动力性和差动驱动装置的损耗确定)。
图14示出了根据风力发电站的转子的额定转速范围的、不同年均风速下的具有电差动驱动装置的风力发电站的总发电量的差异。在此，总发电量基于风力发电站转子的扣除了差动驱动装置(包括变频器在内)和差动机构损耗的输出功率。根据本发明，-/+6％的额定转速范围是基础，该转速范围由具有差动驱动装置的风力发电站的额定功率范围中最小所需的控制转速区域所要求，额定转速范围表示可以借助差动驱动装置的额定转速来实现的转子转速范围。此外，采取高于差动驱动装置的额定转速的直至80％的磁场削弱范围。从附图中不难看出，在约-/+20％的额定转速范围时达到最佳值，并且此外扩大额定转速范围不再有益处。
图15示出了具有液压差动驱动装置的风能发电设备在不同的年均风速时的总发电量的差异。在此，液压差动驱动装置中明显更高的损耗对发电量产生不利影响，由此额定转速范围在用于控制目的的最小所需的-/+6％和在高年均风速(大于8.5m/s)时-/+10％的发电量最佳值以及在较低年均风速时-/+15％之间是合理的。曲线在大约-/+12％的额定转速范围的弯折是由转速为0时风力发电站的额定运行区域中差动驱动装置的高额定转矩以及在适配传动级4的低传动比所造成的。
最终目标是研制一种传动系，其使发电成本最小。对此在优化差动驱动装置时有以下几个相关问题：(a)总发电量，(b)差动驱动装置的制造成本和(c)影响总制造成本的风力发电站的转矩或转速控制的质量。总发电量成比例地计入发电成本并且因此计入风力发电区的经济性。制造成本与所谓的风力发电区总成本有关，但仅为风力发电站的按份额的资金成本占风力发电区的包括维护和运行费用的总成本的百分比。风力发电站所属份额平均占所谓的岸上项目的约2/3，占海上项目的约1/3。因此平均来说百分比可以定义为约50％。这意味着，年发电量的差异平均地双倍于风力发电站的制造成本的差异。也就是说，当在所示用于电差动驱动装置的例子中在大约-/+14％至-/+17％的额定转速范围已经出现最佳比例因数时，该决定成本的因数对发电成本的影响在百分比上小于从约-/+20％的额定转速范围起的最佳发电量对发电成本的影响。
图16示出不同转速范围对具有单级差动机构和电差动驱动装置的风力发电区的发电成本的影响。在此可以看出，在所有风速条件下较好的值位于约-/+15％和-/+20％之间的额定转速范围中并且最佳值约为-/+17.5％。
图17示出不同转速范围对具有包含电差动驱动装置的二级差动机构(低于约-/+16.5％的额定转速)的风力发电区的发电成本的影响。首先可以看出在较小的年均风速时最佳值位于-/+15％至-/+20％之间的转速范围中。在年均风速大于8.5m/s时，出于控制原因最低为+/-6％直至约-/+10％的较小转速范围成为有利的替换方案。也就是说，多级差动机构在年均风速很高的情况下与单级方案相比是具有竞争力的。
但是在设计差动驱动装置时还要考虑其它重要的特殊情况。例如由于转子转速和差动驱动装置上的转速比值恒定，差动驱动装置故障可能引起很严重的损坏。例如差动驱动装置在风力发电站额定运行时发生故障，由此同时传动系上的可传递转矩变为零。风力发电站转子的转速在这种情况下优选通过转子叶片调整装置的快速调整迅速减小，并且将发电机从电网分离。由于发电机惯性相对高，所以其只能缓慢改变其转速。由此，如果差动驱动装置不能立即至少部分地保持其转矩，则差动驱动装置的过度转速是不可避免的。
出于这个原因，例如在使用流体静力差动驱动装置时设置机械制动器，该机械制动器用于在差动驱动装置故障时防止损坏传动系的超速。为该目的WO2004/109157A1示出一种机械制动器，其直接作用到发电机轴上并且由此可以相应地制动发电机。
上述多次提及的(可以与变频器组合作为差动驱动装置应用的)永磁激励式同步三相交流电机具有下述优点：它们高度防故障并且可简单地通过初级绕组的短路-在其中接有或者不接有电阻的情况下-维持大约直至额定转矩高度的转矩。也就是说，例如在变频器故障的情况下，同步三相交流电机可以通过简单的电路自动(自动防止故障危害地)短路并且由此维持转矩，其在额定转速的情况下可达额定值，并且随变小的转速相应地减小，从而在极小的转速时归零。因此以简单的方式防止了差动驱动装置的过度转速。
图18示出了其中接有电阻的三相交流电机短路的可能性。
在永磁激励式同步三相交流电机发生故障时，控制转子转速，使得差动驱动装置的转速不超过损坏该驱动装置的临界转速。基于所测得的风力发电站的发电机和转子的转速，根据用于差动机构的转速方程(转速发电机＝x＊转速转子+y＊转速差动驱动装置)借助转子叶片调整装置控制转子转速，使得差动驱动装置的转速不超过预给定的临界极限值。
在风力发电站控制故障并且该故障可能会导致转子叶片控制和差动驱动装置的控制同时失效时，永磁激励式同步三相交流电机的初级绕组的短路能够维持一个防止其超速的转矩。风力发电站和永磁激励式同步三相交流电机的控制不可能同时失效。
当风力发电站例如停止使用时，也可以通过永磁激励式同步三相交流电机的短路来防止差动驱动装置的不希望的加速。
由于上述风力发电站的最佳控制、总效率和差动机构简单或成本优化的机械结构的原因，单级差动机构成为理想的技术方案。在此存在各种用于在结构上结合差动驱动装置的方案。
图19示出了根据本发明的可能的变型方案。转子1驱动主传动装置2并且主传动装置通过行星架12驱动差动级11至13。发电机8与内齿轮13连接，或小齿轮11与差动驱动装置6连接。差动机构为单级差动机构，并且差动驱动装置6既同轴于主传动装置2的输出轴又同轴于发电机8的驱动轴布置。因为小齿轮11和差动驱动装置6之间的连接通过圆柱齿轮级和主传动装置2的从动轴进行，所以差动级优选是主传动装置2的组成部分并且主传动装置优选通过作用于转子1的制动器15和通过离合器14与发电机8连接。
图20示出了根据本发明的另一种可能的变型方案。在此，转子同样驱动主传动装置2并且主传动装置通过行星架12驱动差动级11至13。发电机8与内齿轮13连接，或小齿轮11与差动驱动装置6连接。差动机构为单级差动机构，并且差动驱动装置6既同轴于主传动装置2的输出轴又同轴于发电机8的驱动轴布置。在此在发电机8上设置空心轴，该空心轴允许将差动驱动装置定位于发电机8的远离差动机构的一侧上。因此，差动级优选是单独的连接在发电机8上的组件，该组件优选通过离合器14和制动器15与主传动装置2连接。在一种惯性矩特别低的变型方案中小齿轮11和差动驱动装置6之间的连接轴16可优选构造为例如具有玻璃纤维或碳纤维的纤维复合轴。
这两种变型方案的所示的同轴的单级实施方式的主要优点在于：(a)差动机构的结构简单，(b)由此差动机构的效率高和(c)差动驱动装置6的关于转子1的惯性矩相对小。此外，在按图19的变型方案中，差动机构可以作为单独的组件制造并且与主传动装置无关地实施和维护。当然也可用流体静力驱动装置来替代差动驱动装置6，但对此必须优选通过发电机8来驱动与该流体静力驱动装置处于相互影响的第二泵元件。
对于高年均风速，可以在按图19和20的实施方式中在差动级11至13和差动驱动装置6之间设置适配传动级4(原理如图2和3所示)。
按图19和图20的变型方案与按图4的现有技术相比区别主要在于标准三相交流电机的可替换性和差动级的简单且成本低廉的结构(差动级无需用于三相交流电机和小齿轮的空心轴方案)以及在关于转子轴的惯性矩(Jred)方面对风力发电站控制的决定性优点。
按图19和图20的变型方案的区别主要在于风力发电站借助制动器15的所谓的紧急制动的效果。出发点是，在激活制动器15时通常是2.5倍于额定转矩的制动力矩起作用，该制动力矩相应于转子、发电机和差动驱动装置的减小的惯性矩分配地作用于转子、发电机和差动驱动装置上。这些惯性矩当然与该风力发电站的质量比例有关。作为现实的例子，在5MW风力发电站的额定运行中可以为转子1关于制动器15设定约1900kgm2，为同步发电机8设定约200kgm2，为差动驱动装置6设定约10kgm2。也就是说，大部分制动力矩(大约90％或2.2倍的转子额定转矩)作用于风力发电站的转子轴。因为在按图19的变型方案中差动驱动装置位于处于制动器15和转子1之间的转矩流中能够，所以其必须相应于转子和差动驱动装置之间恒定的转矩比也保持约2.2倍的额定转矩。
按图20的变型方案的主要优点在于，当制动器开始起作用(Einfall)时其制动力矩并不通过差动机构作用于决定惯性矩的转子。在该情况下，只有约9.5％的制动力矩作用于发电机或约0.5％作用于差动驱动装置6。通过按图19所示的制动器15和差动机构11至13的布置，永磁激励式同步三相交流电机的用于维持差动驱动装置中的转矩的短路才有意义，因为否则在紧急情况下会存在显著超过其额定转矩的转矩。
图21示出了差动机构的另一种可能的实施方式。在此，行星架12以已经示出的方式被主传动装置12驱动，但发电机8与小齿轮11连接，或内齿轮与由转子17和定子18构成的电差动驱动装置连接。该变型方案也是同轴的单级方案，其中，传动装置技术方面的边界调节导致转子15的转速相对低。这在控制技术方面对差动驱动装置17至18的关于转子1的惯性矩来说时特别有利的。
上述实施方式也可用于相似的技术应用中。这例如主要涉及利用水流和海流的水利发电站。对于这种应用而言适用如对于风力发电站的基本前提条件，即可变的流动速度。在这种情况下驱动轴直接或间接由通过流体介质如水驱动的装置驱动。随后该驱动轴直接或间接驱动差动机构。

Claims (36)

1.用于能量获取设备、尤其是风力发电站的差动机构，其包含三个驱动端和从动端，其中一个第一驱动端与能量获取设备的驱动轴连接，一个从动端与发电机(8)连接，并且一个第二驱动端与作为差动驱动装置的电机(6)连接，并且所述与驱动轴连接的第一驱动端以基本转速转动，其特征在于，第一驱动端的转速范围至少为基本转速的-/+6.0％并且最多为基本转速的-/+20.0％，而电机(6)则以额定转速运行。
2.用于能量获取设备、尤其是风力发电站的差动机构，其包含三个驱动端和从动端，其中一个第一驱动端与能量获取设备的驱动轴连接，一个从动端与发电机(8)连接，并且一个第二驱动端与液压的差动驱动装置(6)连接，并且所述与驱动轴连接的第一驱动端以基本转速转动，其特征在于，第一驱动端的转速范围至少为基本转速的-/+6.0％并且最多为基本转速的-/+15.0％，而液压的差动驱动装置(6)则以额定转速运行。
3.根据权利要求1或2所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围至少为基本转速的-/+7.0％。
4.根据权利要求1或2所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围至少为基本转速的-/+8.0％。
5.根据权利要求1或2所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围至少为基本转速的-/+10.0％。
6.根据权利要求1所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+17.5％。
7.根据权利要求1所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+15.0％。
8.根据权利要求1至5之一所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+14.0％。
9.根据权利要求1至5之一所述的差动机构，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+10.0％。
10.根据权利要求1所述的差动机构，其特征在于，所述电机(6)是三相交流电机。
11.根据权利要求10所述的差动机构，其特征在于，所述电机(6)是永磁激励式同步三相交流电机。
12.根据权利要求1至11之一所述的差动机构，其特征在于，第二驱动端直接与差动驱动装置(6)连接。
13.能量获取设备、特别是风力发电站，其包含驱动轴、发电机(8)和差动机构(11至13)，其特征在于，所述差动机构根据上述权利要求1至12之一项进行设计。
14.根据权利要求13所述的能量获取设备，其特征在于，它仅仅具有一个差动级(11至13)。
15.根据权利要求1至14之一所述的能量获取设备，其特征在于，它具有一个单级的差动机构(3)。
16.根据权利要求1至14之一的能量获取设备，其特征在于，它具有一个多级的差动机构(3，4)。
17.用于运行用于能量获取设备、尤其是风力发电站的差动机构的方法，该差动机构包含三个驱动端和从动端，其中一个第一驱动端与能量获取设备的驱动轴连接，一个从动端与发电机(8)连接，并且一个第二驱动端与作为差动驱动装置的电机(6)连接，并且所述与驱动轴连接的第一驱动端以基本转速转动，其特征在于，第一驱动端在至少为基本转速的-/+6.0％且最多为基本转速的-/+20.0％的转速范围内被驱动，而电机(6)则以额定转速运行。
18.用于运行用于能量获取设备、尤其是风力发电站的差动机构的方法，该差动机构包含三个驱动端和从动端，其中一个第一驱动端与能量获取设备的驱动轴连接，一个从动端与发电机(8)连接，并且一个第二驱动端与液压的差动驱动装置(6)连接，并且所述与驱动轴连接的第一驱动端以基本转速转动，其特征在于，第一驱动端在至少为基本转速的-/+6.0％且最多为基本转速的-/+15.0％的转速范围内被驱动，而液压的差动驱动装置(6)则以额定转速运行。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述转速范围至少为基本转速的-/+7.0％。
20.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述转速范围至少为基本转速的-/+8.0％。
21.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述转速范围至少为基本转速的-/+10.0％。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+17.5％。
23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+15.0％。
24.根据权利要求17至23之一所述的方法，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+14.0％。
25.根据权利要求17至23之一所述的方法，其特征在于，所述转速范围最多为基本转速的-/+10.0％。
26.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，电机(6)能够在磁场削弱范围内运行，并且电机(6)至少暂时在至少为50％的磁场削弱范围内运行。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，电机(6)至少暂时在至少为60％的磁场削弱范围内运行。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，电机(6)至少暂时在至少为70％的磁场削弱范围内运行。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，电机(6)至少暂时在至少为80％的磁场削弱范围内运行。
30.根据权利要求26至29之一所述的方法，其特征在于，电机(6)至少暂时在直至100％的磁场削弱范围内运行。
31.根据权利要求26至29之一所述的方法，其特征在于，电机(6)至少暂时在直至120％的磁场削弱范围内运行。
32.根据权利要求26至31之一所述的方法，其特征在于，电机(6)不利用传感器地运行。
33.根据权利要求26至31之一所述的方法，其特征在于，电机(6)利用传感器运行。
34.根据权利要求32和33所述的方法，其特征在于，电机(6)有时利用传感器运行并且有时不利用传感器运行。
35.根据权利要求32至34之一所述的方法，其特征在于，电机在一个50％的磁场削弱范围之上利用传感器运行。
36.根据权利要求32至24之一所述的方法，其特征在于，电机在一个60％的磁场削弱范围之下不利用传感器地运行。
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