CN102312780A - 风力涡轮机偏航系统和控制该偏航系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明风力涡轮机偏航系统和控制该偏航系统的方法。具体地，提供的风力涡轮机偏航系统具有偏航齿轮、至少两个小齿轮、至少两个传动单元，每个传动单元与一个小齿轮关联以驱动相应的小齿轮。偏航系统包括的控制系统具有控制器，以根据传动单元参考信号为每个传动单元产生传动单元控制信号以控制相应传动单元，从而在相应传动单元中实现至少一个期望操作参数值，传动单元参考信号包括用于相应传动单元的至少一个期望操作参数值。控制系统包括针对每个传动单元的至少一个反馈回路，其将至少一个传动单元反馈信号反馈回控制器，反馈信号至少包括相应传动单元的一个操作参数的实际值。而且，控制器适于根据参考信号和反馈信号生成传动单元控制信号。

Description

风力涡轮机偏航系统和控制该偏航系统的方法

技术领域

本发明涉及一种具有偏航齿轮、至少两个小齿轮和至少两个传动单元的风力涡轮机偏航系统，每个传动单元与小齿轮中的一个关联。此外，本发明涉及一种用于这类风力涡轮机偏航系统的控制方法。

背景技术

风力涡轮机偏航系统被定位于风力涡轮机的机舱和塔架之间，用于使风力涡轮机的转子绕塔轴旋转。它通常包括环形齿轮固定到塔架，至少一个电动机从动小齿轮固定到机舱的齿轮组件。通常，存在至少两个电动机从动小齿轮以用于在环形齿轮上实现更为均匀的负载分布。风力涡轮机偏航系统的一个例子在WO 2008/053017 A2中有描述。当风力涡轮机的转轴不与风向一致时，偏航系统使机舱旋转，诸如通过驱动与环形齿轮啮合的小齿轮，带动转轴使其与风向一致。

如已经提到的，典型地，使用与环形齿轮啮合的至少两个传动单元和小齿轮。但是，这种配置代表机械连接的电动机，其可能导致类似不仅在使用不同大小的电动机，而且在使用相同大小但具有稍微不同特征的电动机时，电动机承受不同负载的负载分担问题。尽管在低负载时，低分担通常不会是问题，但在高负载或满负载时，具有较低转差的传动电动机会承担比具有更高转差的电动机更高份额的负载。这又会引发传动电动机和变速箱的机械组件的不相等的撕扯和磨损。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许更均匀地在偏航系统中的传动单元上分布负载的风力涡轮机偏航系统。另一目的是提供一种有利的风力涡轮机。本发明的又一目的是提供一种用于控制偏航系统中的传动单元的方法，其允许在传动单元上更均匀地分布负载。

这些目标分别通过根据权利要求1的风力涡轮机偏航系统、通过根据权利要求11的风力涡轮机和根据权利要求12的控制风力涡轮机偏航系统的方法来达成的。从属权利要求包含本发明的进一步改进。

发明的风力涡轮机偏航系统包括偏航齿轮、至少两个小齿轮、至少两个传动单元和具有控制器的控制系统，其中每个传动单元与小齿轮中的一个关联以便驱动相应的小齿轮。控制器被配置成用来根据传动单元参考信号为每个传动单元生成传动单元控制信号以控制相应的传动单元，从而在相应的传动单元中实现至少一个期望操作参数值，其中所述传动单元参考信号包括用于相应传动单元的至少一个期望操作参数值。所述控制系统进一步包括针对每个传动单元的至少一个反馈回路，其将至少一个传动单元反馈信号反馈到所述控制器，所述传动单元反馈信号至少包括相应传动单元的一个操作参数的实际值。所述控制器适于根据所述参考信号和所述反馈信号生成传动单元控制信号。

使用反馈信号允许控制传动单元，以便最小化各传动单元承受的负载之间的不同。通过此措施，机械撕裂和磨损可以在传动单元的机械和/或电学组件之间相等地分担，这又确保延长的组件寿命和延长的维修间隔。

具体地，每个传动单元可以包括感测相应的传动单元产生的扭矩的至少一个扭矩传感器。所述扭矩传感器可以是机械式或电磁式扭矩传感器。在这种情况下，每个反馈信号可以至少表示相应的扭矩传感器的输出。

优选地，每个传动单元包括一个电动机。则每个反馈信号可以具体地表示相应的电动机的至少一个操作参数。例如，由电动机承受的负载可以用作反馈信号中的操作参数。而且，由于电动机所承受的负载可以由相应的电动机消耗的电流表示，该电流指示电动机承受的负载，因此可以用作反馈信号中表示电动机承受的负载的操作参数。

此外，每个传动单元可以包括在所述电动机和所述小齿轮之间的齿轮。在这种情况下，每个反馈信号可以表示所述齿轮的至少一个操作参数。例如，与已经提到的扭矩传感器类似的扭矩传感器可以被定位在所述齿轮的高速侧和/或所述齿轮的低速侧。那么，齿轮的操作参数相应地是由齿轮承受的扭矩或者由齿轮产生的扭矩。作为另一种选择，扭矩传感器可以被定位在齿轮本身中。

更进一步地，每个传动单元可以包括一个位置编码器，该编码器对连接所述电动机和所述小齿轮的轴的旋转位置编码，或者在所述电动机和所述小齿轮之间有齿轮时，对所述电动机和所述齿轮之间的轴或者所述齿轮和所述小齿轮之间的轴的旋转位置编码。作为另一种替代，位置编码器可以被定位在齿轮的齿轮的轮子。如果存在这样的位置编码器，则反馈信号可以至少表示相应的位置编码器的输出，该位置编码器如果被适当校准，则可以表示作用于小齿轮上的负载。

更进一步，每个传动单元可以包括位于所述控制器和所述电动机之间用来控制所述电动机的转速的变频器。在这种情况下，每个反馈信号可以表示相应的变频器的至少一个操作参数。

本发明的风力涡轮机包括发明的风力涡轮机偏航系统。在这种风力涡轮机中，通过使用发明的偏航系统，偏航系统的寿命可以延长，服务间隔也可以延长。

根据本发明的又一方面，提供一种控制具有偏航齿轮、至少两个小齿轮、至少两个传动单元的风力涡轮机偏航系统的方法。在发明的方法中，每个传动单元是根据包括针对相应的传动单元的至少一个期望操作参数值的传动单元参考信号被控制的，以便在相应的传动单元中实现至少一个期望操作参数值。每个传动单元的一个操作参数的至少实际值通过反馈信号被馈送到所述控制器。所述控制器根据参考信号和相应的反馈信号为所述传动单元生成传动单元控制信号。

使用来自传动单元的反馈信号允许控制传动单元，以例如最小化各传动单元之间的负载的不同。通过该措施，各传动单元的机械撕裂和磨损之间的不同可以被降低，这又允许延长偏航系统的寿命，并用于延长维修间隔。

具体地，传动单元控制信号可以根据所述参考信号和所述相应的反馈信号中包含的操作参数值之间的不同生成。不过，还可以根据参考信号的至少一个期望操作参数和由相应的从动控制信号控制的传动单元的反馈信号的至少一个操作参数值之间的不同生成每个传动单元的控制信号。

如果每个传动单元包括电动机，则传动单元的反馈信号可以表示相应的电动机的至少一个操作参数，例如由电动机消耗的电流指示电动机承受的负载。

而且，如果每个传动单元包括用于控制电动机转速的变频器和和/或电动机和小齿轮之间的齿轮，则传动单元的反馈信号可以表示相应变频器和/或相应齿轮的至少一个操作参数。例如，提到的操作参数可以是连接到齿轮的轴产生或经历的扭矩、变频器输出端的输出和齿轮的旋转位置等。

附图说明

通过下文对实施例的描述并结合附图，本发明的另外的特征、性质和优点是显然的。

图1示意性地示出了风力涡轮机。

图2示意性地示出了图1中所示的风力涡轮机的偏航系统的环形齿轮和其它小齿轮。

图3示出了电动机的典型的电动机特征。

图4示意性地示出了风力涡轮机偏航系统的控制系统。

具体实施方式

典型的风力涡轮机示于图1中。风力涡轮机1包括塔架1，其安置于地面3的地基上。机舱5被定位在塔架1的顶部，机舱5承载由风驱动的转子7。典型地，转子包括设置成120度角的3个转子叶片。其它具有多于或者少于3个转子叶片的转子设计也是可行的，例如两叶片转子或者甚至是一个叶片的转子。但是，最常用的是两叶片转子，特别是三叶片转子。

偏航驱动10被设置在机舱5和塔架1之间，以允许机舱5绕塔轴A旋转，从而带动转轴B与风向D对准，并保持转轴B与风向D对准。典型的偏航驱动10以平面图示意性地示于图2中。它包括典型地被定位在塔架顶部的环形齿轮11和被定位在机舱5并与环形齿轮11啮合的许多小齿轮13。小齿轮13可以被电动机驱动，使得通过旋转小齿轮13，可以实现机舱5绕塔轴A的旋转。注意，尽管环形齿轮典型地被定位在塔架1，小齿轮13典型地被定位在机舱5，但将小齿轮13定位在塔架1，将环形齿轮11定位在机舱5也是可行的。

图2中示出了用在风力涡轮机偏航驱动中的齿轮组件的平面示意图。该图示出了环形齿轮11和两个小齿轮13。注意，并非强制使用两个小齿轮13。实际上，小齿轮13的数目可以多于两个，例如是三个或四个，或者甚至更多的小齿轮。数目更多的小齿轮导致负载在环形齿轮上的更均匀分布。

如已经提到的，小齿轮13典型地由电动机即感应电机驱动，电动机典型地由两个基本电力组件即缠绕定子和转子组件组成。当给定子的绕组供应AC电流时，特别是两相或三相电流时，这会产生作用于定子上的旋转磁场。定子由于旋转的磁场而转动，旋转的磁场在定子的导体中感生电流。

当不给转子施加任何负载时，转子以与磁场相同的旋转频率旋转，即转子以被称为电动机的同步转速的速度旋转。此同步转速是根据以下公式由定子中磁极的数目和电源的频率决定的：

，其中

Ns是同步转速

f是电源的频率，和

P是磁极的数目。

同步转速，即转子转速和旋转磁场的速度之间没有差时的速度，是可能的电动机速度的上极限。当电动机以同步转速旋转时，在转子中不会感生电压，结果，其不会发展成扭矩。另一方面，当给转子施加负载时，转子转速降低，使得磁场的速度和转子转速之间产生不同。该转子转速和磁场的速度之间的差被称作转差，用下式计算：

，其中

s是转差

Ns是同步转速

Na是转子的实际转速。

当转差出现时，转子中感生电压，因此产生扭矩。

根据感应电动机的设计，实际的转速和产生的扭矩之间的关系表现如示意性示于图3中的不同特性。该图示出了由三种不同的电动机A、B和C产生的作为电动机转速的函数的扭矩。电动机A和B可以被看作是称为“低转差”的电动机，在宽的转子转速范围内表现出恒定或者增加的扭矩。另一方面，所称的“高转差”电动机在整个范围或者至少在大部分的速度范围内表现出随增加的转子转速下降的扭矩。

如果用来驱动小齿轮的电动机具有即使稍微不同的特性，例如由于生产工艺中的公差，也可能出现负载分担问题。

感应电动机的速度通常是通过使用频率控制器通过控制施加到电动机的电流的频率来控制的。而且，在电动机和小齿轮之间可以有齿轮，以便将电动机的旋转按比例降低到期望的较低水平。

本发明的风力涡轮机偏航系统包括用于控制由传动单元产生的扭矩的控制系统，其在本实施例中，分别包括如上所述的电动机、通过向电动机供应具有适当频率的电流从而控制电动机转速的频率控制器，以及用于将电动机的转动速度按比例降低到小齿轮的较低转动速度的齿轮。

图4中示出了具有控制系统的偏航系统的示意说明图。该图表示沿图2中的线IV-IV的截面视图，并示出了环形齿轮11和两个小齿轮13，以及两个传动单元23。每个传动单元23驱动一个小齿轮，并通过公用的控制器25控制。

每个传动单元23包括用于产生传动单元的驱动扭矩的电动机27。电动机27通过第一轴29耦连到齿轮31的高速侧，用来按比例降低转子的转动速度。齿轮31的低速侧通过第二轴33连接到小齿轮13。而且，每个传动单元23包括一个位置编码器35，其在本实施例中被定位在传动单元23的第二轴33，即在齿轮33的低速侧。但是，位置编码器35也可以被定位在第一轴29，即在齿轮31的高速侧或者在齿轮31的齿轮的轮子上。位置编码器可以基于电、磁或光工作。此外，每个传动单元23包括一个扭矩传感器37，它在本实施例中被定位在传动单元23的第一轴29，即在齿轮31的高速侧。类似于位置编码器35，扭矩传感器可以被定位在可选位置，例如在第二轴33，即在齿轮31的低速侧，或者在齿轮31本身。扭矩传感器37可以是机械式扭矩传感器，或者是磁扭矩式传感器。

每个传动单元23由控制器25控制，变频器39接收来自控制器25的控制信号，从而控制转子的转动速度。控制信号允许给电动机27提供具有特定频率的交流电，以便获得小齿轮13的期望转动速度。作用于变频器39上的控制信号是控制器25基于通过参考信号输入41输入的参考信号来决定的。参考信号包括电动机27的期望转动速度值和/或电动机或小齿轮13的期望扭矩值。除了基于参考信号之外，通过控制器25输出到传动单元23的变频器39的控制信号也是基于由传动单元23得到的反馈信号的，该反馈信号表示各个传动单元23的至少一个操作参数的实际值。

例如，由控制器25产生的输出到变频器39的控制信号可以通过各个传动单元23的反馈信号中包含的操作参数值与参考信号中包含的期望操作参数值之间的差导出。通过该措施，可以确保能够达到并保持每个电动机27和/或小齿轮13的期望操作参数值。例如，将每个小齿轮13产生的扭矩保持恒定于各个小齿轮13的期望扭矩水平是可行的。

可替代地，在由不同的传动单元23得到的反馈信号中包含的操作参数值之间形成差是可行的。然后，可选择传送给变频器39的控制信号，使得两个传动单元23的反馈信号中包含的操作参数值中的差可以优选被降低到0。如果操作参数是例如小齿轮13作用于环形齿轮11上的扭矩，则将两个小齿轮提供的扭矩之间的差降低到0会意味着每个小齿轮13以相同的扭矩作用于环形齿轮11上。

注意，尽管扭矩被示范性地作为反馈信号中包含的操作参数提及，但同样可以使用其它操作参数作为反馈信号中的操作参数，扭矩是每个小齿轮13的实际负载的指示。

图4示出了不同种类的可以用来控制偏航驱动，特别是用来控制传动单元23的反馈信号。如已经提到的，每个传动单元23包括一个位置编码器35，它可以在齿轮的高速侧或者低速侧或者齿轮本身实现。在初始校准之后，位置编码器可以确定各个轴或齿轮的精确角位置，这又是小齿轮13相对于齿轮环11的固定水平的指示，由此是作用于小齿轮和齿轮环11之间的负载的指示器。

而且，可以在齿轮的高速侧、齿轮的低速侧或者在齿轮本身实现的扭矩传感器也提供作用于各小齿轮13和齿轮环11之间的负载的测量。

而且，传动单元的操作参数可以用作作用于各个小齿轮和齿轮环11之间的实际负载的指示，该参数是由电动机27消耗的电流。因此，由电动机消耗的电流也是作为反馈信号的适当参数。

又一适当的操作参数是电动机27中转子的转动频率。

总得说来，适当的反馈信号可以包含通过齿轮31或者轴29、33中的一个得到的操作参数、通过电动机27得到的操作参数以及通过变频器39得到的操作参数。而且，不仅可以使用一个反馈信号，还可以使用许多个包含不同操作参数的值的反馈信号。此外或可替代地，操作参数的许多个值可以包含于一个反馈信号中。

已经结合其示例性实施例描述了本发明，通过本发明，可以确保偏航系统的传动单元的负载分担。这是通过使用不仅依赖于参考信号还依赖于来自传动单元中的一个的至少一个反馈信号的闭环控制系统实现的。借助这样的控制系统，可以确保实现要求的偏航任务所需的机械功被相等地以基本相同的负载分布到传动单元的每一个中。这提供了这样的优势，即机械撕裂和磨损在传动单元的机械和/或电学组件之间相等地分担。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机偏航系统，其具有偏航齿轮（11）、至少两个小齿轮（13）、至少两个传动单元（23）以及具有控制器（25）的控制系统，其中每个传动单元（23）与所述小齿轮（13）中的一个关联以便驱动相应的小齿轮（13），所述控制器（25）用于根据传动单元参考信号为每个传动单元（23）产生传动单元控制信号以控制相应的传动单元（23），从而在相应的传动单元（23）中实现至少一个期望操作参数值，其中所述动单元参考信号包括用于相应传动单元（23）的至少一个期望操作参数值，

其特征在于：

所述控制系统包括针对每个传动单元（23）的至少一个反馈回路，其将至少一个传动单元反馈信号反馈到所述控制器（25），所述传动单元反馈信号至少包括相应传动单元（23）的一个操作参数的实际值，而且

所述控制器（25）适于根据所述参考信号和所述反馈信号生成传动单元控制信号。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个传动单元（23）包括感测相应传动单元（23）产生的扭矩的至少一个扭矩传感器（37），和

每个反馈信号至少表示相应的扭矩传感器（37）的输出。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个传动单元（23）包括一个电动机（27），和

每个反馈信号表示相应的电动机（27）的至少一个操作参数。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个反馈信号至少表示由相应的电动机（27）承受的作为电动机（27）的操作参数的负载。

5.根据权利要求3或4所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个反馈信号至少表示由相应的电动机（27）消耗的电流。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个传动单元（23）包括在所述电动机（27）和所述小齿轮（13）之间的齿轮（31），和

每个反馈信号表示所述齿轮（31）的至少一个操作参数。

7.根据权利要求2和权利要求6所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

所述扭矩传感器（37）被定位在所述齿轮（31）的高速侧。

8.根据权利要求2和权利要求6所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

所述扭矩传感器（37）被定位在所述齿轮（31）的低速侧。

9.根据权利要求3-8中任一项所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个传动单元（23）包括一个位置编码器（35），该编码器对连接所述电动机和所述小齿轮的轴的旋转位置编码，或者在所述电动机（27）和所述小齿轮（31）之间有齿轮时，对所述电动机（27）和所述齿轮（31）之间的轴（29）和所述齿轮（31）和所述小齿轮（13）之间的轴（33）的旋转位置编码，或者对所述齿轮（31）中的齿轮的轮子的旋转位置进行编码，和

所述反馈信号至少表示相应的位置编码器（33）的输出。

10.根据权利要求3-10中任一项所述的风力涡轮机偏航系统，其特征在于：

每个传动单元（23）包括位于所述控制器（25）和所述电动机（27）之间用来控制所述电动机（27）的转速的变频器（39），和

每个反馈信号表示相应的变频器（39）的至少一个操作参数。

11.一种风力涡轮机，其具有根据权利要求1-10中任一项所述的风力涡轮机偏航系统。

12.一种控制具有偏航齿轮（11）、至少两个小齿轮（13）、至少两个传动单元（23）的风力涡轮机偏航系统的方法，其中每个传动单元（23）与小齿轮（13）中的一个关联以便驱动相应的小齿轮（13），其中每个传动单元（23）是根据包括针对相应的传动单元（23）的至少一个期望操作参数值的传动单元参考信号被控制的，以便在相应的传动单元（23）中实现至少一个期望操作参数值，

其特征在于：

每个传动单元（23）的一个操作参数的至少实际值通过反馈信号被馈送到所述控制器（25），并且所述控制器（25）根据相应的参考信号和反馈信号为所述传动单元（23）生成传动单元控制信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：

所述传动单元控制信号是根据所述相应的参考信号和所述相应的反馈信号的操作参数值之间的差生成的。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：

针对传动单元（23）的每个传动单元控制信号是根据参考信号的至少一个期望操作参数和通过由相应的从动控制信号控制的传动单元获得的反馈信号的至少一个操作参数值之间的差生成的。

15.根据权利要求12-14中任一项权利要求所述的方法，其特征在于：

每个传动单元（23）包括电动机（27），且传动单元（23）的反馈信号表示相应电动机（27）的至少一个操作参数，和/或；

每个传动单元（23）包括用来控制所述电动机（27）的转速的变频器（39）和/或位于所述电动机和所述小齿轮（13）之间的齿轮（31），传动单元（23）的反馈信号表示相应变频器（39）和/或相应齿轮（31）的至少一个操作参数。

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