CN102562471B - 在机器中提供恒速机械输出的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“在机器中提供恒速机械输出的系统和方法”。提供了一种在风力涡轮中提供恒速机械输出的系统。该系统包括至少一个电机，该至少一个电机配置成将从主传动机构接收的旋转机械功率转换为机器电功率。该系统进一步包括电耦合至机器并配置成将机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率或从交流(AC)功率转换为直流(DC)功率的一个或多个电变换器，其中变换器生成差分电功率。转矩变换器电耦合至电变换器，并采用从该一个或多个电变换器接收到的差分电功率来生成恒速机械输出。

Description

在机器中提供恒速机械输出的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及风力涡轮，更具体地，涉及在风力涡轮中提供恒速机械输出的系统和方法。
背景技术
可再生形式的能量，如风力，已经日益成为符合当前和未来电力要求的期望源。通常通过使用风力涡轮来捕获风力，风力涡轮包括具有机械耦合至可旋转轴的多个风力涡轮叶片的轮毂。可旋转轴直接或者间接地连接至发电机。例如，发电机包括同步发电机。
典型地，为了进行有效运行，发电机需要恒定的输入角速度。然而，风的角速度经常发生变化，从而可旋转轴不能够为发电机提供恒定的输入角速度。通常，提供变速磁耦合来解决上述问题。变速磁耦合提供在可旋转轴处，这消除了可旋转轴角速度的变化并向发电机提供了恒定的输入角速度。变速磁耦合将电功率转换为机械功率，并将该机械功率传递至可旋转轴以维持该恒定的输入角速度。
传统上，变速磁耦合直接从电网汲取电功率以供其运行，这导致在多种电网准则符合性问题，从而引起了复杂性和费用。
由于这些和其它原因，需要本发明的实施例。
发明内容
提供了一种在风力涡轮中提供恒速机械输出的系统。该系统包括至少一个电机，该至少一个电机配置成将接收自输入轴的旋转机械功率转换为机器电功率。该系统进一步包括电耦合至机器并配置成将机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率或从交流(AC)功率转换为直流(DC)功率的一个或多个电变换器，其中变换器生成差分电功率。转矩变换器电耦合至电变换器并采用从该一个或多个电变换器接收到的差分电功率来生成恒速机械输出。
附图说明
参考附图阅读下文的详细描述将更好地理解本发明实施例的这些和其它特征、方面和优点，在整个附图中，相同的附图标记代表相同的部件，在附图中：
图1是风力涡轮系统的图示，该系统包括根据本发明示范实施例的恒速机械输出系统；
图2是根据示范实施例的图1中恒速机械输出系统的放大图；以及
图3是根据本发明实施例的一种用于提供在风力涡轮中生成恒速机械输出的系统的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例包括一种在风力涡轮系统中提供恒速机械输出的系统和方法。该系统包括设置在中间轴上的至少一个电机，中间轴的一端附着至主传动机构，第二端附着至转矩变换器。电机将接收自输入轴的旋转机械功率转换至机器电功率。机器电功率被传送至一个或多个电变换器，其将该机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。交流功率被传送至转矩变换器，该转矩变换器将交流功率转换为辅助机械功率并将该辅助机械功率传送给机械耦合至该转矩变换器的输出轴。由转矩变换器生成的辅助机械功率与旋转机械功率叠加以提供恒速机械输出。该恒速机械输出被馈送至同步发电机以生成电网电功率。
图1是风力涡轮系统10的图示，风力涡轮系统10包括根据本发明示范性实施例的恒速机械输出系统12。风力涡轮系统10包括在一端18处附着到输入轴16的多个风力涡轮叶片14。在运行中，风以一风角速度击打多个风力涡轮叶片14并使得多个风力涡轮叶片14以一叶片角速度旋转。多个风力涡轮叶片14进一步使得输入轴16以一输入角速度转动。如本文所使用的，术语“角速度”是测量为转每分钟(rpm)的转速并且可互换使用。如同所示，在一个实施例中，输入轴16在第二端24处机械耦合至传动链22中提供的主传动机构20。传动链22通过传动链22内的行星齿轮组将输入角速度增大至中间角速度。传动链22连接至中间轴26，中间轴26机械耦合至恒速机械输出系统12。在示范性实施例中，输入轴可以直接机械耦合至中间轴或恒速机械输出系统。恒速机械输出系统12向输出轴28提供恒速机械输出，以使其以恒定角速度旋转。以该恒定角速度旋转的输出轴28驱动同步发电机30。
在运行中，风角速度由于多种环境因素而变化。风角速度的变化导致动态的叶片角速度。该动态的叶片角速度引起输入角速度改变或变化，从而导致不期望的中间角速度的变化。可以理解，需要输出轴28的恒定的角速度以运行同步发电机30。中间角速度的变化由恒速机械输出系统12进行调节以提供恒定的角速度给输出轴28。在示范性实施例中，由恒速机械输出系统12生成的辅助机械功率向在此所述的输出轴28提供恒定的角速度。
恒速机械输出系统12接收中间角速度并确定输出轴28处的角速度与该中间角速度之间的差。恒速机械输出系统12基于该差生成辅助机械功率，其与中间角速度叠加以维持输出轴28处的恒定角速度。在一个实施例中，恒速机械输出系统12包括用于维持输出轴28处的恒定角速度的反馈机构(未示出)。输出轴28以恒定角速度旋转同步发电机30从而生成传输至电网32的电网电功率。参考下文的附图2可以更好的理解恒速机械输出系统12。
图2是根据本发明示范性实施例提供在图1风力涡轮系统10中的恒速机械输出系统12的放大图。恒速机械输出系统12包括机械耦合至中间轴26的至少一个电机34。电机34由中间轴26带动以中间角速度旋转，从而将中间轴26的旋转机械功率转换为机器电功率。在示范性实施例中，电机34包括旋转功率发电机。在另一实施例中，该至少一个电机34位于中间轴26处或输出轴28处或中间轴26和输出轴28两者处。在示范性实施例中，机器34可作为电动机操作，其将电功率转换为机械功率以驱动中间轴。
电机34将机器电功率传送给经由多相导线38电耦合至机器34的一个或多个电变换器36。变换器36将机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率。如同风力涡轮10(图1)的运行所需要的以及且当风力涡轮10(图1)的运行需要时，电变换器36还可将交流(AC)功率转换为直流(DC)功率。一个或多个电变换器36电耦合至控制器40。控制器40确定输出轴30处的角速度与中间角速度之间的差。控制器40识别出转矩变换器42为维持输出轴28处的恒定角速度所需的差分电功率，并调节一个或多个电变换器36以将该差分电功率传送至转矩变换器42。控制器40的运行在2010年10月24日提交的名为“VariableSpeedMagneticCouplingandMethodforControl(变速磁耦合及控制方法)”的共同受让专利申请号12/911,284中进行了详细描述。
转矩变换器42从经由多相导线38电耦合至转矩变换器42的变换器36接收差分电功率。转矩变换器42将差分电功率转换为辅助机械功率，其叠加至中间轴26的中间角速度以提供恒速机械输出并保持恒定角速度。在一个实施例中，转矩变换器42包括变速磁耦合。可对于本文引用的共同受让专利申请来更好理解转矩变换器42的操作。
转矩变换器42还机械耦合至输出轴28，输出轴28从转矩变换器42接收恒速机械输出。输出轴28以恒定角速度驱动同步发电机30，以生成馈送至电网32的电网电功率。
图3是表示方法50中所涉及步骤的流程图，根据本发明实施例的方法50用于在风力涡轮中提供恒速机械输出。方法50包括在步骤52中将接收自主传动机构的旋转机械功率转换为机器电功率。在一个实施例中，机器提供在中间轴上或输出轴上或这两个轴上。在另一实施例中，提供旋转功率发电机作为该至少一个电机。机器经由多相导线电耦合至一个或多个电变换器。在步骤54，电变换器将接收自至少一个电机的机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率或者从交流(AC)功率转换为直流(DC)功率。在步骤56中，转矩变换器电耦合至变换器，其采用接收自该一个或多个电变换器的差分电功率来生成恒速机械输出。在一实施例中，提供变速磁耦合作为转矩变换器。该恒速机械输出被提供用来控制输出轴的速度。在一特定实施例中，通过控制转矩变换器接收的差分电功率来控制输出轴的速度。转矩变换器接收的差分电功率由电耦合至该一个或多个电变换器的控制器进行控制。此外，恒速机械输出被传送至电耦合至电网的同步发电机。
上述提供恒速机械输出至风力涡轮的系统和方法的多种实施例提供恒定的角速度给输出轴以驱动同步发电机。通过在风力涡轮系统的中间轴上叠加辅助机械功率来提供该恒定的角速度。辅助机械功率由转矩变换器提供，转矩变换器从该一个或多个电变换器提供的差分电功率生成该辅助机械功率。该一个或多个电变换器从位于中间轴处的至少一个电机接收机器电功率，位于中间轴处的至少一个电机从中间轴的中间角速度生成该机器电功率。从而，这些技术提供了一种独立于电网的系统，其生成辅助机械功率以提供恒速机械输出给输出轴并且避免了由于电网准则要求所带来的任何复杂问题。
当然应当理解并非上述所有这些目的或优点均可根据任何特定实施例实现。因此，例如，本领域技术人员可认识到本文所述系统和技术可通过实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不一定要实现本文可能教导或建议的其他目的或优点。
本文仅示出和描述了本发明的特定特征，本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，可以理解，所附权利要求意在覆盖落入本发明真实精神之内的所有这样的修改和变化。

Claims (19)

1.一种在机器中提供恒速机械输出的系统，包括：
电机，其配置成将接收自输入轴的旋转机械功率转换为机器电功率；
一个或多个电变换器，其电耦合至所述电机并配置成将所述机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率或从所述交流(AC)功率转换为所述直流(DC)功率，其中所述一个或多个电变换器生成差分电功率；以及
转矩变换器，其电耦合至所述一个或多个电变换器并配置成基于接收自所述一个或多个电变换器的所述差分电功率生成恒速机械输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个电变换器包括AC到DC变换器或DC到AC变换器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个电变换器通过多相导线电耦合至所述电机。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转矩变换器包括变速磁耦合(VSMC)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个电变换器电耦合至控制器。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器配置成控制传送给所述转矩变换器的所述差分电功率，以维持所述恒速机械输出。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电机机械耦合至输入轴或输出轴或所述输入轴和所述输出轴两者。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述输出轴机械耦合至同步发电机。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述同步发电机连接至电网。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电机包括旋转功率发电机。
11.一种在机器中提供恒速机械输出的方法，包括：
使用电机将接收自输入轴的旋转机械功率转换为机器电功率；
通过一个或多个电变换器将所述电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率或从所述交流(AC)功率转换为所述直流(DC)功率，以生成差分电功率；以及
使用转矩变换器并利用接收自所述一个或多个电变换器的所述差分电功率生成恒速机械输出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述一个或多个电变换器包括AC到DC变换器或DC到AC变换器。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括通过多相导线耦合将所述一个或多个电变换器电耦合到至少一个电机。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，提供所述转矩变换器包括提供变速磁耦合。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，提供所述恒速机械输出包括控制输出轴的速度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，控制所述输出轴的所述速度包括控制由所述转矩变换器接收的所述差分电功率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，控制由所述转矩变换器接收的所述差分电功率包括通过电耦合至所述一个或多个电变换器的控制器来控制所述差分电功率。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将所述恒速机械输出传送给电耦合至电网的同步发电机。
19.一种风力涡轮齿轮箱，包括用于转矩和速度的可变传送的装置，所述装置包括：
电机，其配置成将从主传动机构接收的旋转机械功率转换为机器电功率；
一个或多个电变换器，其电耦合至所述电机并配置成将所述机器电功率从直流(DC)功率转换为交流(AC)功率或从所述交流(AC)功率转换为所述直流(DC)功率，其中所述一个或多个电变换器生成差分电功率；以及
转矩变换器，其电耦合至所述一个或多个电变换器并配置成基于接收自所述一个或多个电变换器的所述差分电功率生成恒速机械输出。
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