CN102562462A - 大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置 - Google Patents

大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置 Download PDF

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Abstract

大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，主要由风速仪、垂直轴风轮本体、自锁螺旋传动装置和PLC控制单元组成，驱动机构通过自锁螺旋传动装置使风轮叶板沿滑轨轴线方向运动，PLC控制单元控制伺服电机，当风速超过预设值时，风轮叶板向中心轴方向移动，实现主动失速，当风速低于预设值时，风轮叶板反方向运动，回复至正常运转位置。本装置当风速检测值超过预设阈值时，启动螺旋传动机构使得风轮迎风凹面板沿轨道向中心轴方向移动，一方面降低风轮掠风面积，另一方面向中心轴方向移动的迎风凹面板又阻止风能进入三戟风轮内腔不产生二次驱动而达到主动失速控制的目的，保护风电机组的正常运行。

Description

大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置
 
技术领域
本发明涉及一种用于三戟垂直轴风轮的失速调节装置，具体的说是一种大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置。
背景技术
风力发电在世界能源总量中所占的比例逐渐提高，风电已成为世界上发展最快、最具发展前景的能源开发方式之一。垂直轴风力发电系统近年来得到国际风能届的普遍重视，它具有重心低、结构简单、成本低廉、维护方便、不需迎风调节系统等优点，具有广阔的应用领域和发展前景。垂直轴风力发电系统主要包括垂直轴风轮、风力发电机、电压控制输出单元等。采用风力机直接驱动永磁发电机，是风力发电行业的发展趋势之一，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率高，在今后风电机组的研发中将有很大的发展空间。一种垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮（ZL 2008 1 0049517.4）弥补了传统的萨布纽斯式风轮力矩变化幅度大的不足，涡流损失低，风能利用率高，为风能利用提供了成本低廉的垂直轴风力发电风轮。一种轴向主磁路结构永磁风力发电机（公示号：201110215832.1）可由垂直轴风轮驱动，与风轮同轴的轴对称主磁路结构永磁风力发电装置可在1.0m/s～25m/s风速范围内工作。在室外风场运转环境下，风速变化范围较宽，甚至会大大超出风力发电系统的额定风速范围。直驱式永磁风力发电系统的垂直轴风轮与永磁发电机的转子同步运转，当垂直轴风轮的转速超过永磁发电机转子的额定转速后，发电机磁路饱和，当转速继续升高，将对发电机的运行性能产生恶劣影响，产生永磁体过热、甚至不可逆退磁等破坏现象。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，根据风速实时调整三戟垂直轴风轮的掠风面积，以获得较高的风能吸收率，达到对永磁发电机进行过载保护的目的，同时该装置具有结构简单、制造方便、易于安装维护的优点，可为直驱风电机组的稳定工作提供技术保护。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，主要由风速仪、垂直轴风轮本体、自锁螺旋传动装置和PLC控制单元组成，所述的垂直轴风轮本体由风轮中心轴、上支撑板、下支撑板和三片相同的活动式风轮叶板构成，上、下支撑板分别通过轴承组件水平套装在风轮中心轴的两端，三片活动的风轮叶板设置在上、下支撑板之间，每片风轮叶板的下部固连有螺母套，在螺母套上设有行程定位板，螺母套内置具有自锁功能的螺杆，螺杆与驱动机构的动力输出端相连接，位于风轮的上支撑板的下端面设有滑轨，滑轨轴线与螺杆轴线处于同一垂直面内并相互平行，风轮叶板上端设有滑动导柱，滑动导柱位于滑轨内，驱动机构通过螺杆、螺母套使风轮叶板沿滑轨轴线方向做往复直线运动，每一块风轮叶板行程的两端在下支撑板上分别设有内行程开关和外行程开关，在螺杆的末端还连接有电磁制动器，风速仪设置在风轮中心轴的顶部，内行程开关、外行程开关和风速仪的输出信号分别输入至PLC控制单元，PLC控制单元具有两个控制端，一路输入至电磁制动器，另一路输入至驱动机构中的伺服电机，PLC控制单元控制伺服电机，当风速超过预设值时， 风轮叶板向中心轴方向移动，实现主动失速，当风速低于预设值时，风轮叶板反方向运动，回复至正常运转位置。
所述每一组内的螺杆轴线均沿其对应的风轮叶板迎风凹面弧段的弦长方向布置，并与风轮中心轴有一定偏距，风轮中心轴位于三组螺杆围成空间的中心。
所述的驱动机构由伺服电机、刚性联轴器、同轴减速器和弹性联轴器组成，伺服电机的动力输出端通过刚性联轴器与同轴减速器的输入端相连接，同轴减速器的输出端通过弹性联轴器与螺杆相连。
所述的螺杆两端分别由螺杆内支座和螺杆外支座支撑，螺杆内支座和螺杆外支座固定设置在下支撑板上。
所述的风轮叶板上端设有导柱板，滑动导柱一端与导柱板固定连接，另一端通过轴承设置在上支撑板的滑轨内。
所述的电磁制动器通过制动器支架设置在下支撑板上。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在三戟垂直轴风轮各迎风凹面板底端设置自锁螺旋传动机构，利用风速仪采集的风速信号，通过PLC控制单元启闭伺服电机，驱动螺旋传动机构使得风轮叶板沿轨道做往复运动，使得风速检测值超过预设阈值时，各风轮叶板内缩以降低风轮掠风面积，降低风轮的风能吸收率，同时减小导流内腔容积，阻止风能进入三戟风轮内腔产生二次驱动，从而达到主动失速控制的目的。而当风速值回复到允许范围内时，风轮叶板外伸到达正常运转位置，以高转速和高风能利用率驱动永磁发电机运转。
2、本发明通过具有自锁性能的螺旋传动机构驱动风轮叶板实现往复平移运动。螺旋传动机构使伺服电机输出的旋转运动转化为风轮叶板的平移运动。当叶板在进行主动失速的调整行程和处于内行程极限位置时，受到迎面风对其迎风板的作用力F(t)，另一方面，叶板在旋转过程中，其自重产生离心力F M 的作用，叶板受的总力为：
Figure 2012100380567100002DEST_PATH_IMAGE001
                         
力F的作用为使叶板有沿螺杆轴线方向运动的趋势。采用具有自锁性能的螺旋传动机构，使作用于风轮叶板的合力的作用线在摩擦角之内，从而使叶板具有保持静止的趋势。同时，当叶板处于内行程极限位置时，通过电磁制动器对螺杆进行制动，进一步保证风轮叶板主动失速调节运动的可靠性。
综上所述，本发明具有结构简单、成本低廉、控制方便、易于安装维护等特点。
附图说明
图1是本发明的正向结构剖视图。
图2是本发明拆去上支撑板的俯视图。
图3是本发明的控制信号流示意图。
图中标记：1、风轮叶板，2、上支撑板， 3、风轮中心轴，4、滑轨，5、风速仪，6、密封盖，7、滑动导柱，8、导柱板，9、电磁制动器，10、制动器支架，11、螺杆外支座，12、外行程开关，13、行程定位板，14、螺母套，15、螺杆，16、内行程开关，17、螺杆内支座，18、弹性联轴器，19、同轴减速器，20、刚性联轴器，21、伺服电机，22、下支撑板。
具体实施方式
下面结合具体方式和附图对本发明进行进一步的描述。
大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，主要由风速仪5、垂直轴风轮本体、自锁螺旋传动装置和PLC控制单元组成，所述的垂直轴风轮本体由风轮中心轴3、上支撑板2、下支撑板22和三片相同的活动迎风凹面风轮叶板1构成，风轮中心轴3固定，上支撑板2通过轴承、密封盖6等组件套装在风轮中心轴3上，下支撑板22亦通过相同结构套装，上下支撑板同时绕中心轴3转动，三片活动的风轮叶板1设置在上、下支撑板之间，每片风轮叶板1的下部固连有螺母套14，在螺母套14上设有行程定位板13用于和安装在两侧的行程开关配合使用，螺母套14内置具有自锁功能的螺杆15，螺杆15与驱动机构的动力输出端相连接，位于风轮的上支撑板2的下端面设有滑轨4，滑轨轴线与螺杆轴线处于同一垂直面内并相互平行，风轮叶板1上端设有滑动导柱7，滑动导柱7位于滑轨4内，驱动机构通过螺杆、螺母套使风轮叶板沿滑轨轴线方向做往复直线运动，每一块风轮叶板1行程的两端在下支撑板22上分别设有内行程开关16和外行程开关12，在螺杆15的末端还连接有电磁制动器9，风速仪5设置在风轮中心轴3的顶部，内行程开关16、外行程开关12和风速仪5的输出信号分别输入至PLC控制单元，PLC控制单元具有两个控制端，一路输入至电磁制动器9，另一路输入至驱动机构中的伺服电机21，风速仪以获取实时风速信息并转换为风速信号，通过PLC控制器控制伺服电机，从而达到风速超过预设值时，风轮叶板向中心轴方向移动，实现主动失速，而当风速低于预设值时，叶板反方向运动，回复至正常运转位置，从而达到对永磁发电机进行过载保护的目的。
所述每一组内的螺杆15轴线均沿其对应的风轮叶板1的弦向方向布置，为使风轮叶板在调节过程中的行程更长以达到更佳的失速调节效果，风轮叶板的往复行程方向为风轮叶板内外两端点的连线方向，即螺杆轴线方向，螺杆15轴线并与风轮中心轴3有一定偏距，风轮中心轴3位于三组螺杆围成空间的中心处，该结构可以避免三片风轮叶板在进行运动时发生位置干涉而产生碰撞。
所述的驱动机构由伺服电机21、刚性联轴器20、同轴减速器19和弹性联轴器18组成，伺服电机21的动力输出端通过刚性联轴器20与同轴减速器19的输入端相连接，同轴减速器19的输出端通过弹性联轴器18与螺杆15的内端相连，以使螺杆15获得动力驱动，通过螺旋传动带动螺母套14，使叶板1沿螺杆轴线方向往复运动。伺服电机21、刚性联轴器20、同轴减速器19、弹性联轴器18均固定在下支撑板22的上表面上。所述的弹性联轴器18为一柔性联轴器，其目的是使螺杆径向负载低于允许值，以满足伺服电机高机械强度工况下运转的要求。
所述的螺杆15两端分别由螺杆内支座17和螺杆外支座11支撑，螺杆内支座17和螺杆外支座11固定设置在下支撑板22上。
所述的风轮叶板1的上部安装有导柱板8，导柱板8上均布滑动导柱7，滑动导柱7一端与导柱板8固定连接，另一端通过轴承设置在上支撑板的滑轨4内可沿滑轨侧壁做滚动平移。因此发明通过上支撑板2的滑轨装置和下部螺旋传动机构可使风轮叶板1沿向中心轴方向及反向做往复直线运动。
本发明，在螺母套的下方两端安装行程定位板13，在下支撑板22上表面安装有内行程开关16，外行程开关12，在叶板1的往复行程末端，行程定位板分别触发内、外行程开关，以控制风轮叶板行程。
所述的电磁制动器9通过制动器支架10设置在下支撑板22上。当风轮叶板到达行程末端时，通过信号控制对螺杆15进行制动。
本发明中的垂直风轮本体的主要结构和一种垂直轴风力发动机的三戟消涡风轮（ZL 200810049517.4）相同，其不同点仅仅在与三片风轮叶板是活动可调节其位移的。
    本装置的大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节主要通过以下方式实现。大功率三戟垂直轴风力发电系统在自然环境下运转时，风轮转速随环境风速的变化而变化，安装于垂直轴风轮组件上端的风速仪5获取实时风速值并转换为风速信号。在环境风速低于25m/s的工作风速范围内，垂直轴风轮的三片迎风叶板处于外行程末端，形成较大的风轮掠风面积，以获得较高的风能吸收率，同时，三片风轮叶板之间结构互相形成导流内腔，导引气流从内腔通过产生二次驱动，进而提高风能利用率。当环境风速超过发电机额定风速值（25m/s）时，PLC控制单元接收风速仪5产生的风速信号，发送控制信号给伺服电机21控制其启动，伺服电机21使螺杆15获得驱动动力绕轴线旋转，通过螺旋传动带动螺母套14，使风轮叶板1沿螺杆轴线方向向内侧做直线运动。同时，风轮叶板1的导柱板8上均布的滑动导柱7置于上支撑板2的滑轨中，可沿滑轨侧壁做滚动平移，以减小摩擦阻力。当风轮叶板运动到内行程极限位置时，螺母套14的内行程定位板触碰内行程开关16，产生触发信号给PLC控制单元，PLC控制单元发送信号控制伺服电机21停止，使螺杆15停止转动，并发送信号给电磁制动器9制动螺杆15。此时，三片风轮叶板运动至风轮中心轴附近并互相靠拢，风轮总掠风面积减小，降低了风能吸收率，三片叶板之间导流内腔的区域也同时减小，阻止气流从内腔流过，增大了风轮的涡流损失，从而降低风轮的转速。当风轮叶板处于内行程位置，且环境风速由恶劣状况（风速值大于25m/s）降低到允许工作风速范围内时，PLC控制单元接收风速仪5产生的风速信号，发送信号给电磁制动器9松开，并发送控制信号给伺服电机21控制其反向启动，使螺杆15获得驱动动力绕轴线旋转，通过螺旋传动带动螺母套14，使风轮叶板1沿螺杆轴线方向向外侧做直线运动。
当风轮叶板运动到外行程极限位置时，螺母套14的外行程定位板13触碰外行程开关12，产生触发信号给PLC控制单元，PLC控制单元发送信号控制伺服电机21停止，使螺杆15停止转动。此时，垂直轴风轮的三片迎风叶板处于正常工作位置，以高转速和高风能利用率驱动永磁发电机运转。
    所述的风速仪用于风速信号采集，可采用三杯式风速仪，主要由3杯式风杯、光电转换机构、工业微电脑处理器、标准电流发生器、电流驱动器等构成，采用高性能的微电脑处理器实施风速的计算，抗干扰能力强，对风向风位角度不敏感，启动风速低，信号传输距离远，具有能抵御12级以上风暴的自动垂直系统。PHl00SX三杯式风速仪测量范围0-60m/s，分辨率0.1m/s，启动风速小于0.5m/s，它输出一个频率信号来代表风速v，计算公式为：                          
f为频率信号，可由单片机内部定时器/计数器得到。
    所述的驱动电机21为伺服电机。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机的瞬时最大转矩为：
Figure 2012100380567100002DEST_PATH_IMAGE003
                               
其中，T A 为伺服电机加减速转矩，T L 为电机轴换算负载转矩，可根据电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算进行伺服电机的选型。

Claims (6)

1.大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，其特征在于：主要由风速仪（5）、垂直轴风轮本体、自锁螺旋传动装置和PLC控制单元组成，所述的垂直轴风轮本体由风轮中心轴（3）、上支撑板（2）、下支撑板（22）和三片相同的活动式风轮叶板（1）构成，上、下支撑板分别通过轴承组件水平套装在风轮中心轴（3）的两端，三片活动的风轮叶板（1）设置在上、下支撑板之间，每片风轮叶板（1）的下部固连有螺母套（14），在螺母套（14）上设有行程定位板（13），螺母套（14）内置具有自锁功能的螺杆（15），螺杆（15）与驱动机构的动力输出端相连接，位于风轮的上支撑板（2）的下端面设有滑轨（4），滑轨轴线与螺杆轴线处于同一垂直面内并相互平行，风轮叶板（1）上端设有滑动导柱（7），滑动导柱（7）位于滑轨（4）内，驱动机构通过螺杆、螺母套使风轮叶板沿滑轨轴线方向做往复直线运动，每一块风轮叶板（1）行程的两端在下支撑板（22）上分别设有内行程开关（16）和外行程开关（12），在螺杆（15）的末端还连接有电磁制动器（9），风速仪（5）设置在风轮中心轴（3）的顶部，内行程开关（16）、外行程开关（12）和风速仪（5）的输出信号分别输入至PLC控制单元，PLC控制单元具有两个控制端，一路输入至电磁制动器（9），另一路输入至驱动机构中的伺服电机（21），PLC控制单元控制伺服电机，当风速超过预设值时，风轮叶板向中心轴方向移动，实现主动失速，当风速低于预设值时，风轮叶板反方向运动，回复至正常运转位置。
2.根据权利要求1所述的大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，其特征在于：所述每一组内的螺杆（15）轴线均沿其对应的风轮叶板（1）迎风凹面弧段的弦长方向布置，并与风轮中心轴有一定偏距，风轮中心轴（3）位于三组螺杆围成空间的中心。
3.根据权利要求1所述的大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，其特征在于：所述的驱动机构由伺服电机（21）、刚性联轴器（20）、同轴减速器（19）和弹性联轴器（18）组成，伺服电机（21）的动力输出端通过刚性联轴器（20）与同轴减速器（19）的输入端相连接，同轴减速器（19）的输出端通过弹性联轴器（18）与螺杆（15）相连。
4.根据权利要求1所述的大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，其特征在于：所述的螺杆（15）两端分别由螺杆内支座（17）和螺杆外支座（11）支撑，螺杆内支座（17）和螺杆外支座（11）固定设置在下支撑板（22）上。
5.根据权利要求1所述的大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，其特征在于：所述的风轮叶板（1）上端设有导柱板（8），滑动导柱（7）一端与导柱板（8）固定连接，另一端通过轴承设置在上支撑板的滑轨（4）内。
6.根据权利要求1所述的大功率三戟垂直轴风轮的主动失速调节装置，其特征在于：所述的电磁制动器（9）通过制动器支架（10）设置在下支撑板（22）上。
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