CN102606421A - 用于对风力涡轮机中的传动系进行减振的方法、风力涡轮机以及制动装置的使用 - Google Patents

用于对风力涡轮机中的传动系进行减振的方法、风力涡轮机以及制动装置的使用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对风力涡轮机（13）中的传动系（22）进行减振的方法，所述传动系（22）将转子（14）与发电机（45）连接起来。在此求得代表着所述传动系（22）的振动（S）的参数值（P、Pt0、Pt1），并且在所求得的参数值（P、Pt0、Pt1）的基础上以受控制的方式在使用制动装置（43）的情况下将减振力（D）施加到所述传动系（22）上，所述减振力（D）反作用于所述传动系（22）的振动（S）。此外，本发明涉及一种风力涡轮机（13）以及制动装置（43）的使用。

Description

用于对风力涡轮机中的传动系进行减振的方法、风力涡轮机以及制动装置的使用
技术领域
本发明涉及一种用于对风力涡轮机中的将转子与发电机连接起来的传动系进行减振的方法。此外，本发明涉及一种这样的风力涡轮机以及制动装置的在这样的风力涡轮机中的特殊使用。
背景技术
在风力涡轮机中将风的动力能用于将转子置于旋转运动中。这种旋转运动通过传动系传输到发电机中，该发电机从旋转能中产生电能。
由于从转子到发电机中的能量传输并且由于其它的影响（见下文），所述风力涡轮机的传动系和将该传动系包围的组件经受大量的力，从这些力中产生振动也就是所述传动系中的振荡。在此原则上可以区分出在轴向的也就是沿着所述传动系的轴或者多根轴传播的振动，以及径向的横向于这根轴或者说这些轴演进的振动。这样的振动具有一系列的原因：
首先，多个外部的因素比如风速、风向、外部温度或者涡流起作用。这些影响因素将力施加到转子上，所述力不是全部沿所述传动系的轴向方向或者说沿所述转子的轴线起作用。由此首先在传动系中引起高达大约10Hz的低频的振动。
其次，在风力涡轮机的运行中复杂的由大量彼此进行机械连接的组件构成的总系统在起作用。经常比如设置了加速器，该加速器将传动系的转子或者说第一轴的较慢的旋转转换为所述传动系的第二轴的较快的旋转。在这种传动机构中，由于所述两个传动系组件的借助于齿轮或者其它传力元件进行的连接自动地产生振荡，也就是扭转振动。扭转力也从传动机构传递到机器壳体也就是舱室（Kanzel）的内部结构上。此外，通过所述传动机构也产生大多数处于高于10Hz的较高频率的范围内的轴向的振动。
再其次，通过所述舱室与支承在舱室中的组件之间的连接中的强制力产生俯仰力矩和横摆力矩。这些强制力在安装时产生，但是也通过重力分布产生，并且额外地通过传动系的固有频率的激发来产生。通过所述传动系上的俯仰力矩和横摆力矩产生力，这些力作用于所述风力涡轮机的舱室中的底座并且会损坏风力涡轮机。单个组件的固有频率在此取决于其重量或者说其惯性。通过在安装时一个组件系统的联接，出现新的系统性能并且由此出现新的固有频率。
其它的振动可能通过以下方式所诱发，即从转子看在这样的加速器后面布置了第二轴，在所述第二轴上安置了制动装置，并且所述第二轴通过联轴器朝发电机的方向通到所述舱室的后面的区域中。比如通过该联轴器可以朝比所述加速器支承得深或者高的发电机的方向实现水平平衡。这个联轴器也会在运行中引起振动。
这里概括地归纳的振动和在传动系的区域中的力的作用在风力涡轮机的运行中是一个问题，因为其可能显著地降低作为整体的风力涡轮机或者说其单个组件的使用寿命或者说会持续危害其功能能力。尤其自大约10Hz起的较高频的振动在振幅较大时首先会在传动机构中、在发电机中并且也在风力涡轮机的舱室中引起巨大的损坏。所述振动经常越过整个传动系延续并且甚至会通过传动机构中的传动还得到增强。VDI标准VDI 3834的公开内容明确地视为本申请的一部分，在该VDI标准VDI 3834中记下了用于对风力涡轮机及其组件的机械振动进行测量和评估的基础。此外从中产生振荡负荷极限，在此应该尽可能不超过所述负荷极限。
所提到的振动和力可以借助于不同的应对措施来加以补偿，从而尽可能没有强制力从所述传动机构或者说传动系传递到所述舱室上。目前，所述传动系比如有弹性地支承在所述舱室的壳体上。这种支承比如通过三点或者四点支承结构来进行。所述三点或者四点支承结构因而在所述传动系的三个点或者说四个点上包括所述底座与传动系或者说加速器之间的有弹性的灵活的连接。在此所述传动系在至少一个点上沿着其纵向延展全面或者部分地被包围，使得所述传动系也在侧面并且向上得到稳定。轴向上较软的比如弹性体衬套的形式的弹性体用作这样的轴承的缓冲器，所述弹性体形成所述传动机构或者说传动系组件与相应的轴承支座或者说相应的轴承圈之间的接触。
三点支承结构比如可以包括主轴承和传动机构支撑结构：所述主轴承具有轴承圈，该轴承圈将传动系的轴也就是传动系组件包围。所述主轴承由此不仅承受轴向力而且承受径向力。所述传动机构支撑结构部分包围地从两侧也就是说沿水平方向横向于所述传动系的轴线支承着加速器。该传动机构支撑结构构造为能够轴向运动的结构并且因此也承受扭转力。这个轴承也用于对俯仰力矩和横摆力矩进行补偿。四点支承结构包括第二轴承，该第二轴承包围着所述传动系的轴并且由此通过轴向力的额外的承受来提供系统稳定性得到提高的优点。
作为这种借助于轴承对振动进行的被动的补偿的补充，可以设置主动的减振。为此比如可以在轴承上主动地将力施加到风力涡轮机的传动系上或者说施加到风力涡轮机的其它与传动系相连接的组件上，所述力反作用于所述传动系或者说与传动系相连接的组件的振动。但是，这样的主动的减振组件在风力涡轮机的舱室的内部要求额外的结构空间并且此外应该以巨大的费用来提供并且其维护作业很多。另一种类型的主动的减振借助于变频器也就是电子的构件来进行。通过变频器的有针对性的调整可以降低或者扩大来自发电机方面的负载。因而可以以减振为目的对所述变频器进行控制并且目前这一点也得到了实现；但是这种做法降低了能量生产的效率并且此外意味着，额外的影响因素在控制变频器时起作用。
发明内容
在这种背景下，本发明的任务是，提供一种得到改进的用于减振的方案，该方案随之优选尤其带来最小的额外的安装开销或者说维护开销，并且/或者优选与纯被动的减振相比尤其优选以较高的作用精度引起较高的减振效率。
该任务通过一种按权利要求1所述的方法和一种按权利要求10所述的风力涡轮机并且通过按权利要求15所述的制动装置的使用得到解决。
相应地，开头所提到的类型的方法按本发明通过以下方式得到改进，即求得代表着所述传动系的振动的参数值，并且在所求得的参数值的基础上以受控制的方式在使用制动装置的情况下将减振力施加到所述传动系上，所述减振力反作用于所述传动系的振动。
从所述传动系的振动中可以推导出有代表性的参数值，比如频率和振动曲线的振幅。相反，也可以说，特定的参数值也代表着传动系的振动特性。尤其传动系的转速和转矩属于所述特定的参数值，由从传动系的转速和转矩中可以间接地推断，哪些力通过传动系的旋转所引起，这些力会导致振荡。尤其这样的参数值代表着传动系的振动特性，所述参数值可以直接从振荡测量中产生，也就是说比如在传动系上的力的测量的基础上求得。
这样的合适的参数的研究在按本发明的方法的范围内用于推断出振动特性并且从中推导出用于主动的减振装置的控制指令。作为减振装置或者说作为这样的减振装置的组成部分，现在按照本发明使用风力涡轮机的制动装置：
也就是说在风力涡轮机的不同的危险状况或者说临界的运行状况中有必要进行传动系的制动。这一点尤其在风力涡轮机的单个组件停止运行并且通过传动系的旋转运动可能引起更多损坏时适用。同样的情况适用于维护状况，在所述维护状况中风力涡轮机由专业人员进行维护。专业人员为此通常处于风力涡轮机的舱室中并且通过所述传动系的旋转运动不仅在执行其工作方面受到阻碍而且通过由这种旋转引起的巨大的力也会受到巨大危害。这意味着，所述传动系在维护时通常必须完全制动并且锁止，以便对于所述人员来说排除危害和阻碍。
对于极端的起风情况尤其风暴或者飓风来说，传动系的旋转运动的完全或者部分的制动是必要的。唯有如此才能保证，在风速很高时在风力涡轮机的功能件上比如在转子上或者在发电机中不会产生损坏。
相应地，现今工业上使用的拥有巨大功率也就是比100kW大的功率的风力涡轮机通常总是配备了制动装置，所述制动装置允许传动系的旋转运动的部分的制动并且也允许其完全的制动。这样的制动装置一般由至少一个（相应地）具有至少一个制动衬片的制动钳构成，其中所述制动钳如此包围着制动盘，从而将所述制动衬片朝制动盘挤压并且由此所述制动盘在其运动方面制动。所述制动盘为此固定地安装在风力涡轮机的传动系的传动系组件上。因此所述制动盘以和所述传动系组件相同的旋转速度旋转；通过其旋转运动的制动，由此也反过来使所述传动系组件一同制动。
因此本发明利用这一点，即风力涡轮机的本来存在的功能组件，也就是制动装置现在额外地用于在上面提到的从所述参数值中推导出来的控制指令的基础上实施主动的减振。在此所述制动装置可以作为额外的主动的减振装置起作用，但是也作为唯一的减振装置起作用。在作为唯一的主动的减振装置运行时保证，不需要重要的附加措施用来安装主动的减振装置，因为至少所述主动的减振装置的机械的主要组件也就是所述制动装置本来就存在。因而仅仅需要对这种制动装置的控制进行适配，使得其可以同时用作制动器并且用作主动的减振装置。
在产生用于所述制动装置的控制指令时，原则上可以在制动指令与减振指令之间进行区分。制动指令在此是用于通过所述制动装置来有针对性地使传动系的旋转制动的控制指令，而减振指令则是用于主动的减振的控制指令。在所述制动指令与减振指令之间优选进行协调，从而借助于所述制动装置事先或者说在所述制动装置运行时相互地考虑到制动与减振之间的相互影响。如果借助于制动指令来将所述制动装置用于使传动系制动，那就可能产生对所述传动系的振动特性的影响。因此可以推导出相应地预先计算的或者说在制动过程的同时求得的减振指令，从而在运行中立即如此调节所述制动装置的制动特性，使得所述传动系的振荡的增强主动地受到抑制。借助于制动装置对传动系实施的正好相反的在时间上主动的减振干预也是一种制动作用。如果在进行减振的同时也还使所述传动系制动，那么因此在得到协调的制动和减振过程中这种制动作用可以立刻被一同用于计算有待施加的制动力。在最终效果中，在借助于制动装置来协调制动过程和减振过程时这两种类型的控制指令叠加，用于就这样推导出组合的制动/减振指令。这样的叠加不仅可以以电子方式进行而且可以通过来自多个在所述制动装置上起作用的机械的执行器的力的相互影响并且可以通过这两种叠加原理的组合来进行。产生组合的制动/减振指令的结果无论如何就是将组合的制动/减振力馈入到所述传动系中。
因而借助于所述制动装置不仅实施所述传动系的制动，而且额外地进行有针对性的有意的力的作用，目的是针对传动系的振动进行减振。因此，所述相应的减振-控制指令从关于所述传动系振动特性的参数值中推导出来。所述减振-控制指令如此控制着所述制动装置，使得其在特定的规定的时间将准确调节的力加入到所述传动系中，所述力反作用于所述传动系的从所述参数值中推导出来的振动特性。
所述控制指令在风力涡轮机中的或者与风力涡轮机相连接的控制装置（也就是控制单元）中产生。所述控制装置因而是用于进行制动力调节的控制装置，该控制装置额外地在运行中主动地反作用于所述传动系的至少一个传动系组件的振荡或者说振动。所述控制装置由此执行一种“制动程序或者说减振程序”，该制动程序或者说减振程序从上面提到的参数测量中推导出控制指令，所述控制指令适合于反向于振荡频率来使所述传动系组件制动。
作为借助于所述制动装置进行的主动的减振的补充，也可以设置比如通过相应的支承结构和弹簧装置进行的被动的减振。在双重保险的意义上并且为了提高减振效率，这一点是优选的。
相应地，所述按本发明的风力涡轮机包括转子和发电机以及制动装置及控制装置，其中所述转子和发电机通过传动系彼此相连接。在此所述控制装置在运行中从代表着所述传动系的振动的参数值中推导出用于在使用制动装置的情况下将减振力施加到所述传动系上的控制指令，所述减振力在受控制的情况下反作用于所述传动系的振动。
因而如此构造所述控制装置，使得其根据按本发明的方法从所述参数值中推导出控制指令，所述控制指令用于有针对性地控制所述制动装置以进行减振。
本发明也包括用于对风力涡轮机中的传动系进行减振的制动装置的使用，所述传动系将转子与发电机连接起来，其中求得代表着所述传动系的振动的参数值，并且在所求得的参数值的基础上以受控制的方式在使用制动装置的情况下将减振力施加到所述传动系上，所述减振力反作用于所述传动系的振动。
本发明的其它特别有利的设计方案和改进方案从从属权利要求及以下说明中获得。在此所述按本发明的方法或者说所述按本发明的使用情况也可以根据关于风力涡轮机的从属权利要求得到改进并且反之亦然。
目前，在风力涡轮机中的制动装置上的制动作用的控制通过机械的传动系统通常以液压方式或者气动方式来传递。也可以设想其它的比如通过连杆传动机构和/或齿轮传动机构和/或绳索组或者甚至通过直接的人力作用实现的机械的传动系统。优选所述制动装置的控制以电子方式进行。因而产生电子的控制指令，所述控制指令通过传输线直接传输给执行器并且可以由该执行器通过所述制动装置的位置的相应的调节来实施。比如而后就不需要比如借助于液压的传输流体进行的间接的传输，这种传输具有相应的易于出错并且经常需要维护的特性并且具有较长的反应时间。更确切地说，所述电子的控制和触发反而能够实现非常精细地微调的比如脉动的制动及减振作用，并且能够在实际上实时地也就是在毫秒范围内实现这一点，此外可以用纯电子的调整系统来实现封闭的调节回路，对于该调节回路来说用于进行电子的制动力调节的控制装置与分析单元相连接（或者说包括这样的分析单元），该分析单元则对来自所述制动或者说减振作用的测量的制动和/或减振测量信号进行处理，使得所述控制装置可以从这种信号处理的结果中推导出得到改进的用于进行制动力或者说减振力调整的控制指令。因而这里提供一种自我调整的系统，对于该系统来说尽管在制动装置上不可避免地出现的磨损也能够随时地也在所述制动装置的连续的运行中进行精确的制动力和/减振力调节。
优选作为制动装置而使用包括楔形制动器的制动装置，该制动装置特别优选用电子的制动力调节机构来控制。相应地，所述按本发明的风力涡轮机包括制动装置，该制动装置则包括楔形制动器优选电子的楔形制动器。
楔形制动器的在所述制动装置的范围内的使用相对于具有上面所描述的类型的传统制动装置（以气动或者液压方式受控制的鞍式制动器）的现有技术具有多个决定性的优点。尤其应该提到，为进行制动，通常需要花费较小的力或者用相同的力能够获得制动装置的更大的制动作用。由此也可以获得更为有效的减振作用。此外楔形制动器可以非常精确地受到控制并且不需要液压的或者说气动的输入管路系统，从而可以避免这样的系统的上面提到的技术问题。尤其完全取消传输流体的过滤及其冷却。换而言之，对于所述楔形制动器来说仅仅需要一个执行器，该执行器如此移动制动楔块，从而获得所期望的制动或者说减振作用，或者说从而降低当前的制动或者说减振作用。关于减振，尤其结合楔形制动器的电子控制获得能够非常精细地微调的减振作用，如果其在振幅方面预料到最大值或者说最小值，从而可以相应地在量方面降低所述最大值和/或最小值，那就可以时间精确地施加所述减振作用。
现今楔形制动器试验性地在汽车中用作新颖的制动系统。比如在这方面可以参照Gombert,Bernd/Philip Gutenberg的论文：“Die elektronische Keilbremse（电子楔形制动器）”，汽车技术杂志11/08，108，2006年11月，第904-912页。该论文也反映了常规的液压的制动系统与电子的楔形制动器之间的比较情况-相应地对于汽车的应用范围中的制动系统来说。该论文概括，所述电子的楔形制动器需要较少的力的消耗并且由此需要较少的能量，用于达到与其它的汽车的制动系统相同的制动力。
迄今还不知道楔形制动器的在风力涡轮机的范围内的使用情况。除了刚刚提到的优点之外，其在风力涡轮机领域中的使用之所以特别有效，是因为出现的力的大小以及潜在地通过摩擦力产生的放热显著大于用在轿车中的情况。此外，与机动车相反，制动在风力涡轮机中必须全自动地并且在没有人的再调节的情况下进行，而所述执行器在汽车中的制动器运行时在最终效果中是人也就是驾驶员。同样的情况也适用于将楔形制动器用于减振的情况。发明人的试验已经表明，风力涡轮机领域内的楔形制动器的运行如此可靠，使得其正好可以恰当地用在那里，其中在这种商业上的应用情况中所述优点甚至还得到扩大：首先在按现有技术的制动装置上的上面所描述的问题明显比在内燃机的具有大约100kW的数量级中的技术应用情况更加简洁，因为现代结构的风力涡轮机完全具有超过1MW的额定功率。其次由于设备的大小也存在着明显更大的用于所述制动装置的结构空间，从而在最终效果中可以使用具有更为简单的设计方式的楔形制动器并且因此其甚至还有助于节省位置空间效果。因此比如所述风力涡轮机中的制动盘相应地大得多并且因此比在汽车发动机舱中的情况提供更多用于所述楔形制动器的制动楔块的作用面。再其次，这里从执行器到真正的制动器的力传递比在汽车领域内起着重要得多的作用。最后，所述楔形制动器甚至通过其精细得多的可控制性提供了作为附加效果对振荡起减振作用的特别有效的方案。
已经证实目标特别有针对性的是，根据风力涡轮机的组件的谐振频率来推导出用于触发制动装置的控制指令以激活减振力。所述谐振频率为此在试运行风力涡轮机之前，优选通过模拟和/或测量，并且/或者在风力涡轮机的运行中来求得。相同的风力涡轮机结构类型或者基本上类似地制造的结构类型的样机也可以用作在试运行风力涡轮机之前测量谐振频率的基础。
所述谐振频率在此不仅可以包括基础谐振频率而且可以包括其谐波频率。所述谐振频率可以涉及风力涡轮机的单个组件，比如加速器、发电机、传动系或舱室，但是“组件”这个概念也包括具有其谐振频率的整个风力涡轮机。通过谐振频率的事先计算并且/或者通过在连续的涡轮机运行中（也在特定的预先定义的检查时间间隔中）谐振频率的计算可以识别出谐振频率并且可以完全有针对性地在以后对其进行抑制。由此防止单个组件或者说整个风力涡轮机系统由于传动系的振荡而“起振（Aufschaukeln）”，这一点在技术问题的避免方面证实特别有效。恰好通过这样的起振现象的防止来排除特别剧烈的运动，由此可以在最大程度上主动地降低磨损和材料疲劳。
在风力涡轮机的运行中原则可以在推动运行与牵引运行之间进行区分：在牵引运行时风如此有力地驱动着转子，使得力从转子上作用于所述传动系并且将其驱动。在推动运行时适用相反的原则，也就是说旋转的传动系（以及发电机中和必要时加速器中的与所述传动系相连接的旋转的部件）的惯性使得所述转子被所述传动系所驱动，从而所述转子在最终效果中达到相应的旋转速度，使得所述转子不是由于存在的风而是由于来自传动系的力来保持所述旋转速度。所述传动系通过其惯性的运动继续使转子旋转，尽管对于这种转子运动来说本来不存在足够的风。因此，在推动运行中，也有其它的力在传动系中尤其在加速器中起作用，如果存在的话。
在这样的加速器中，现今在倾斜啮合的齿轮之间进行传动。由此在两个齿轮彼此间的每个轮位中，与直线的轮齿相比在轮齿之间产生更大的接触面。通过轮齿的这种倾斜，扭转力部分地在轴向上而且沿径向方向得到支撑。在风力涡轮机的牵引运行转变为推动运行的时刻，在所述齿轮之间产生其它的力关系，因为现在相应的轮齿的相应另外的（在牵引运行中不接触的）接触面彼此相碰。所述传动机构和传动系经受滞后现象，后果便是由于反向的扭转力而转换为传动系的不同取向的变形以及传动系的不同取向的俯仰力矩或者说横摆力矩。在这种通过滞后现象引起的较慢的转换过程中产生的震动和不受欢迎的振动。在从推动运行到牵引运行的转换的相反的情况下，也表现出这样的具有相反符号的特性，但是这里力的转换过程通常更快地进行：转子通过风在多数情况下获得几乎连续的能量输入，而在推动运行中仅仅消耗来自传动系以及与其相连接的组件的运动的剩余能量。连续地将能量输入到转子中这种情况也使得所述由转子、传动系、传动机构和发电机构成的系统又更快地得到稳定并且因此振荡较快地-在一定程度上自动地（必要时在通过被动的减振机构得到支持的情况下）得到平滑。
在这种背景下，发明人发现特别有利的是，在传动系推动运行时优选仅仅在传动系推动运行时，施加减振力。此外，这样做的优点是，所述风力涡轮机的效率通过主动的减振几乎没有得到降低，而在牵引运行的过程中进行主动的减振时自然要消耗更多能量。在牵引运行的范围内特别有益的是，从有代表性的参数值中推导出用于探测从牵引运行到推动运行的转换的识别信号。与此类似，也优选推导出用于探测从推动运行到牵引运行的识别信号。这些识别信号在以后优选用于使发送给制动装置的控制指令与推动运行或者说牵引运行相匹配。因而按风力涡轮机是处于牵引运行中还是处于推动运行中的情况来运行不同的减振程序。在这样的减振程序中，同样也可以规定，在推动运行中不借助于所述制动装置来实施主动的减振或者在牵引运行中仅仅在紧急情况中比如对于谐振频率来说在达到非常临界的振幅时才借助于所述制动装置来实施主动的减振。
所述制动装置本身的状态被视为在借助于制动装置进行减振时的影响因素。制动块磨损并且制动装置的制动盘随着时间出现不规则的变形并且同样通过腐蚀得到磨损以及沉积物。尤其通过紧急制动，制动盘也就是说会达到400℃到600℃的温度。对于局部地不均匀地进行的冷却过程来说，而后所述制动盘通过化学的和物理的效果而变形。在此产生不对称性。在这种背景下，优选的是，根据所述制动盘的均匀性偏差来改变作用于所述制动装置的制动盘上的作用力。在此询问代表着制动盘的均匀性的程度的参数值或者说测量信号，并且从中根据所述制动盘的状况来改变用于进行制动控制的控制指令。
优选在来自一定数目的测量传感器特别优选用于在风力涡轮机的组件上测量振荡的振荡传感器和/或用于对所施加的减振力进行测量的力传感器的传感器信号的基础上来求得所述参数值。在此所述参数值可以从所述传感器信号中推导出来或者直接将所述传感器信号用作参数值。所述测量传感器比如可以布置在风力涡轮机的外部，但是优选布置在其内部，也就是布置在所述传动系的有待检测的振动的附近并且防止受到通过天气和其它外部作用引起的外部影响。所述测量传感器尤其优选处于传动系上并且/或者处于风力涡轮机的与传动系相连接的组件上，比如处于发电机、加速器或者转子上。所述测量传感器也可以包括用于对传动系的转矩和/或其转速进行测量的传感器，其中这样的测量传感器比如也可以提供一些参数值，从这些参数值中可以推断出，风力涡轮机恰好处于推动运行中还是处于牵引运行中。所施加的减振力的测量能够将参数值反馈到所述系统中，所述参数值有助于描绘减振措施的效果。其它的（能够补充地或者可选使用的）测量传感器包括用于测量风速、风向和涡流并且用于进行位移测量（比如用于检测传动系或者说单个的传动系组件或者加速器的传动机构壳体的轴向移动）的传感器。而后从所述从相应的测量中推导出来的参数值中可以推断出所述传动系的振动特性。
所述减振力的精确的微调可以额外地通过预控制来得到改进。这也就是意味着，用于施加减振力的控制指令在从所述参数值中推导出来的预控制信号的基础上产生。这样的预控制信号建立在基于参数-演变值、也就是代表着所研究的参数和/或参数组合的数值演变的数值对传动系的振动演变（Schwingungsentwicklung）所作的预测的基础上。从中可以相对充分地预先计算所述传动系的振动的在较短的时间里的未来演变。根据当前的减振控制指令从关于参数比如转速、转矩、制动盘的位置和同心度（Rundlauf）的参数值中来求得额定值；所述预控制额外地从环境中得到参数值，从而能够作为减振的效果预测参数值的进一步的演变。从中得到额定-状态参量，将所述额定-状态参量馈入到反馈中并且与实际-状态参量进行比较。所述控制装置由此不是剧烈地作出反应，而是作为基础拥有已经事先计算的期望值或者主导信号，其而后又可以在微调中在封闭的调节回路内部用实际的测量值或者说参数值来调准。由此所述控制过程更快并且更精确。
这样的状态估算比如可以借助于卡尔曼滤波器（Kalman-Filter）来实施：借助于这种滤波器在存在仅仅带有误差的研究时可以推断出许多分配给工艺、科学和管理的系统的状态。简化地讲，所述卡尔曼滤波器用于除去由测量仪器引起的干扰。在此不仅必须知道基础的动态的系统的数学结构而且必须知道测量失真的数学结构。
原则上可以直接从所求得的参数值中比如从传动系上的力的测量的数值中推导出控制指令，所述控制指令借助于所述制动装置引起直接反作用于所确定的力的力作用。优选从所述参数值中求得有待减振的振动的曲线并且在方向和/或强度和/或频率方面-优选考虑到所有这三个特征参量-相对于所求得的曲线反向等量地（gegengleich）施加减振力。相应地从所述曲线中推导出控制指令，所述控制指令优选具有刚好反向的曲线的形状。
本发明的一种特别优选的使用领域涉及这样的风力涡轮机，对于所述风力涡轮机来说所述传动系作为传动系组件包括第一轴和第二轴，所述第一轴和第二轴通过加速器彼此相连接。这里主动的减振特别有利，因为所述加速器如上面所描述的一样产生额外的高频的振动。优选所述制动装置在此布置在所述第二轴的区域中，也就是布置在从所述加速器通向发电机的方向的轴的区域中。这里按本发明沿着整个传动系出现最大的振幅，从而可以将所述主动的减振方法特别有效地恰好用在所述制动装置的使用位置上。
所述加速器将所述第一轴中的较低的转速变换为所述第二轴中的较高的转速，从而一方面可以驱动较轻的发电机并且另一方面可以更为精细地微调所述传动系的制动：旋转得较快的轴的制动和减振（与转子及和转子直接相连接的第一轴的旋转速度相比）之所以可以更为精确地进行，是因为在减速的绝对值中制动作用能够比在轴缓慢旋转时容易测量。同样的情况适用于关于减振力作用的绝对值的减振作用。此外，由此所述第二轴的惰性小于缓慢运转的第一轴。
对于具有楔形制动器的风力涡轮机来说，所述楔形制动器优选包括以下组件：
-与有待制动的传动系组件相连接的制动盘，
-布置在所述制动盘的至少一个扁平侧上的固定地安装的具有导向面的保持结构，
-支承在所述导向面上的具有朝向所述导向面的表面的制动楔块，所述表面在其形状方面与所述导向面的形状相一致，
-在运行中使所述制动楔块沿着所述导向面移动的执行器。
所述制动楔块不仅可以直接地而且可以间接地与所述导向面处于接触之中。该制动楔块比如可以通过滑轮与所述导向面相连接或者借助于合适的滑动机构沿着所述导向面滑动。
所述制动楔块优选包括安装在所述制动楔块的朝制动盘的方向与所述导向面对置的一侧上的制动衬片，该制动衬片在制动运行中挤压到所述制动盘上。
楔形制动器的组件的这样的布置结构可以容易地安装（并且必要时加装在既存的制动装置中）并且在操纵方面不复杂；尤其所述制动楔块的沿着导向面的导引实现了这一点，即通过所述制动楔块和导向面的形状可以事先调节所述楔形制动器的制动作用。比如可以如此设计所述导向面的造型和/或所述制动楔块的造型，从而在所述制动楔块运动时不产生线性的力的提升，而是产生乘方的力的提升或者相反产生仅仅比较缓慢地上升的力的提升。
具有刚刚所描述的组件的楔形制动器有利地通过作为执行器的电动马达来调整，该执行器优选由电子的控制装置来调节。由此可以使用尽可能电子的或者说电气的系统，对于该系统来说所述制动装置的仅仅前面所描述的组件机械地构造并且所述调节完全在电子的控制之下进行。
因此，关于所述楔形制动器的导向面的造型，按照其原理上的第一替代方案规定，其是平坦的并且斜向于有待制动的传动系组件的旋转轴线定向。在此所述导向面优选陡峭地朝有待制动的制动盘逐渐靠近。这种第一替代方案的一种变形方案在于，所述导向面不平坦，而是以滑槽的样式在横截面中描绘了单调地优选严格单调上升或者下降的曲线。这在改变所述制动楔块的位置时实现上面已经提到的效果，即制动力的非线性的增强。优选所述制动楔块具有与所述导向面的这种形状相匹配的形状。
一种原理上的第二替代方案在于所述制动楔块的锯齿状的比如W形的导向面和/或表面。优选不仅所述制动楔块的导向面而且其表面都类似地构造为锯齿状。这样的锯齿形状比如在Roberts, Richard等人的论文“Testing the Mechatronic Wedge Brake” SAE 论文 2004-01-2766中在图1中示出并且在伴随文字说明中得到描述。该说明书的教导相应地作为教导加入到本专利申请中。
当然，所述锯齿形状不一定是角形的锯齿形状，而是也可以是经过倒圆的形状。换句话说，所述制动楔块的导向面和/或表面具有凸起和凹处，使得所述楔块可以从原始零点朝两个不同的方向朝导向面运动，用于获得制动力提升。在这种替代方案中，可以在所述导向面与所述制动楔块之间产生紧密的接触；由此可以实现较为紧凑的系统，因为其本身之所以更为稳定，是因为所述制动楔块不会比如朝一个方向完全从所述导向面上滑脱。
按本发明的风力涡轮机在一种特别有利的改进方案中包括多个制动装置。在这种情况下可以如此构造并且/或者控制制动装置，使得其用于纯粹地使所述传动系制动。这种制动装置由此只需较简单的控制方案。其它的制动装置而后可以排他地或者不排他地构造用于减振并且/或者相应地受到控制。但是优选如此构造或者说控制至少两个这样的制动装置特别优选如此构造或者说控制所有的制动装置，从而可以将其用于进行减振。
多个制动装置的使用在本发明的范围内提供这样的特殊的优点，即多个制动装置可以在运行中比如在紧急制动时更好地彼此卸荷并且由此受到较少的负荷和磨损。这一点而后使得所述制动盘的不均匀性更少并且由此作为效果实现可以通过每个制动装置施加的减振力的更精确的可微调性。此外，所述主动的减振作用也还可以局部地变化，从而可以将减振力尤其在所述减振力可以特别好地得到减振的地方加入到所述传动系中。也就是说如果振幅在一个位置上特别高，那就优选首先将离这个位置最近的制动装置用于进行减振。此外，可以有区别地布置所述制动装置，使得比如一个制动装置从一侧并且另一个制动装置从上面加入减振力（以及制动力）。这样做的效果是，也可以尽可能有效地对具有不同的振动方向的振动进行减振。
此外，在这种背景下，发明人追求的是，所述制动装置中的至少两个制动装置优选所有制动装置彼此独立地得到触发。独立的触发在这方面意味着，将不同的控制指令传送给单个的制动装置。但是，这些控制指令一般来说完全-这一点是优选的-处于总体关联中，使得所述控制指令与单个的制动装置相协调。由此进行独立的制动装置的“集中的”减振动作，所述减振力在量与方向方面相加为所有制动装置的总减振力，该总减振力相当于由控制系统所期望的减振作用。
还要提到，在由于巨大的突然出现的力而出现比较严重的震动时比如在风力涡轮机的电网故障的情况下也可以将制动装置用于进行减振：所述制动装置通过减振的制动干预来防止所述风力涡轮机的舱室与塔架一起迎风运动或者说所述塔架（根据风向）不受欢迎地剧烈扭转。转子的作用在此等同于飞机螺旋桨的作用：在此间接地通过所述制动装置的减振干预引起反作用力矩，该反作用力矩显著降低舱室和塔架的运动并且由此也显著降低塔架的扭转。
附图说明
下面还要参照附图借助于实施例再次详细地对本发明进行解释。在此在不同的附图中相同的组件用相同的附图标记来表示。附图示出如下：
图1是按本发明的风力涡轮机的一种实施方式的在其机舱的打开的状态中的侧视图；
图2是楔形制动器的横截面的大为简化的原理图；
图3是图1的传动系的部件以及风力涡轮机的制动装置的详细视图；
图4是关于按本发明的一种实施方式的减振方法的流程的示意性的框图；
图5是关于具有预控制器的制动装置的可以在按本发明的减振方法的范围内使用的控制过程的流程的示意性的框图；并且
图6是关于传动系的可以在按本发明的减振方法的范围内推导出来的振动曲线的示意性的控制曲线。
具体实施方式
图1示出了按本发明的一种实施方式的风力涡轮机13。该风力涡轮机在其前面的迎风的一侧上具有转子14，该转子14具有多个转子叶片19。这些转子叶片19与轮毂17相连接。第一轴21从所述轮毂17通到所述风力涡轮机13的舱室37的内部。所述第一轴通过有弹性的主支承结构23和第一轭25以及第二轭35（其位置能够借助于马达29、31来调节）支承在所述舱室37中。
传动机构33将所述第一轴21的旋转转换为第二轴44的旋转，其中所述第二轴44布置在所述传动机构33的背向第二轴21的一侧上。所述第二轴44通到发电机45中，在该发电机45中从所述第二轴44的旋转能量中获取能量。离合器41用于接入或者分离所述第二轴44，以便能够在危险状况中使发电机45从所述第二轴44的旋转上退耦。所述第一轴21和第二轴44一起是传动系22的一部分。所述发电机45用水冷却器49并且用额外的通风机51来冷却。也可以取代所述水冷却器49而使用油冷却器。
所述舱室37以能够转动的方式支承在塔架27上。在所述舱室37的外侧面上安装了气象的传感器47，该气象的传感器47提供比如关于风的位置、关于温度、关于云的情况以及关于视野情况及许多情况的气象上的数据。
在所述第二轴44的区域中有伺服电动机39，该伺服电动机39啮合在齿轮40上，所述齿轮49则与所述第二轴44相连接。此外，制动盘42与所述第二轴44相连接，所述第二轴44则通过制动装置43得到制动。
如此构造所述制动装置43，使得其在受控制的情况下将减振力施加到所述传动系22上，该传动系22反作用于所述传动系的不受欢迎的振动。这种作用原理还要借助于图3到6进行详细描述。
图2为展示楔形制动器的作用原理而作为侧视图示出楔形制动器43的原理图。该楔形制动器具有制动楔块5，该制动楔块5能够通过滑轮9沿着保持结构10的导向平面11进行运动。所述制动楔块5的表面或者支承面12指向所述导向平面11的方向，沿着所述导向平面11支承着滑轮9。在所述制动楔块5的背向支承面12的一侧上有制动衬片3，该制动衬片3指向制动盘42的方向。所述制动盘42围绕着轴线A旋转，所述导向平面11相对于该轴线A倾斜地也就是说以不等于180°并且不等于90°的角度定向。这意味着，所述制动盘42沿观察者视向旋转。
如果所述制动楔块5以制动衬片3抵靠在所述制动盘42上，那么在所述制动盘42上就存在着法向力F1并且沿相对于法向力F1相切的方向存在着摩擦力F2。从这两个力F1、F2的组合中以三角形产生组合的制动力F4。在这种力的平衡中进行所述制动盘42的制动。如果现在通过执行器力F3将所述制动楔块5进一步朝所述轴线A的方向进行挤压，那就从中产生更强的制动力F5。因而通过所述制动楔块5的朝旋转轴线A的方向的移动，可以获得所述楔形制动器43的制动力的提升。在此所述楔形制动器43的制动力的提升程度虽然不如所述执行器力F3，但是在移动所述制动楔块5之后再也不必施加另外的额外的力，用于将所述制动楔块5保持定位。换而言之，用恒定的制动力F5产生新的力的平衡。必要的执行器力F3在最终效果中取决于所述制动盘42与制动衬片3之间的接触的摩擦性能。如果再也不必花费额外的执行器力F3，以便将所述制动楔块5进一步朝所述轴线A的方向移动，用于由此获得相应所期望的制动力，那么所述楔形制动器43就已达到其最佳的制动点。对所述执行器力F3进行调整的控制装置在最终效果中旨在刚好达到这个点，方法是达到了力的平衡。
在本发明的范围内优选使用楔形制动器，尽管原则上也可以使用其它类型的制动装置。
图3以来自图1的更大的细节示出了所述第二轴44尤其制动装置43的区域。所述第二轴44从所述传动机构33通向发电机45（这里未示出）的方向。齿轮40与伺服电动机39相连接，该伺服电动机39通过齿轮39a啮合到所述齿轮40中。借助于所述伺服电动机39可以如此调节所述第二轴44的转动位置，使得止动装置59可以在特定的止动位置中啮合到所述齿轮40中并且可以就这样将其固定。由此同时固定所述第二轴44并且间接地通过所述传动机构33也固定所述第一轴21并且这二者都不能旋转。进一步朝所述发电机45的方向，接着布置了一个制动盘42和两个传感器63、65，这两个传感器63、65一方面测量所述第二轴44的转速或者说转矩并且由此间接地测量其振荡也就是干扰性的振动，所述振动应该在本发明的范围内加以减振。
如提到的一样，在这里的实施例中所述用于对振荡进行反作用的制动装置43作为楔形制动器得到实现。这意味着，制动楔块5根据在图2中示出的原理沿着滑轮9通过导向面51向上或者说向下运动，用于在所述制动盘42上获得所期望的制动力F3、F5（参照图2）。除了已经在图2中示出的制动衬片3之外，通过制动钳52在与所述制动衬片3对置的一侧上布置了第二制动衬片53，使得所述楔形制动器43的制动楔块5的移动引起所述制动盘42的在（第一）制动衬片3与第二制动衬片53之间的某种夹紧效果。电气的伺服电动机55通过调节轮57来如此调节所述楔形制动器43的制动楔块5的位置，从而达到所期望的制动力F3、F5。
所述伺服电动机55由控制装置61来控制，该控制装置61为此使用来自传感器尤其旋转传感器63、振荡传感器65和气象的传感器47的输入数据并且从中推导出尤其用于对所述第二轴44的振荡进行主动的减振的控制指令。这些输入数据是代表着传动系的振动特性的参数值。
此外，来自这些传感器的数据可以表明，是否存在着危险状况，由于所述危险状况应该降低所述第二轴44或者说整个传动系22的转速或者说完全将其置于零。在最终效果中，因而所述控制装置61可以根据这些输入数据和其它输入数据（比如关于所述楔形制动器43的当前的制动作用的测量数据）来精确调节所述楔形制动器43的最佳的当前的制动力或者说减振力。
图4示出了按本发明的一种实施方式的减振方法的示意性的流程图。从传动系22的振动S中（参照图1和3）可以求得对于这些振动S来说有代表性的参数值P。这比如可以借助于传感器63、65（参照图3）来进行。在推导步骤Ab中将这些参数值P用于推导用于对振动S进行减振的控制指令SB。关于所述传动系22或者风力涡轮机13或者说其单个的组件的谐振频率Res的信息也就是关于在哪些频率范围内振动会在风力涡轮机13中引起特殊的损坏这个方面的信息可以用作额外的输入。将如此产生的控制指令传输给制动装置43，通过所述制动装置43的激活来将减振力D施加到所述传动系22上，更准确地说施加到所述第二轴44上。
图5示出了关于控制过程的流程的示意性的框图。将在第一时刻询问的参数值Pt0输入到预控制器VS中。这些参数Pt0比如包括所述第二轴44的转速和/或转矩、所述转子14或者说第一轴21的转矩和转速及风速的测量值。此外，这些参数Pt0可以包括关于俯仰力矩和横摆力矩、传动系22（或者说其单个的组件）的轴向移动、关于制动盘42的盘状态以及关于制动装置43的当前的夹紧力（也就是施加到制动盘42上的力）以及更多参数的测量值。所述预控制器VS推导出预控制信号VSS，所述预控制信号VSS包含关于大致在第二（后来的）时刻通过所述制动装置43施加的制动力应该有多高这个方面的信息。将这些预控制信号VSS馈入到控制装置St中，该控制装置St则从中产生控制指令SB，所述控制装置St将所述控制指令SB传输给制动装置43以进行实施。
此外，将所述第一参数值Pt0和预控制调准信号VAS传输给调准单元AE。所述预控制调准信号VAS包含来自预控制器VS的信息，即该预控制器VS从关于所述传动系22的振动状态的第一参数值Pt0中进行了哪些状态推断，尤其是在通过所述制动装置43进行了减振的干预之后接着可以大致预料哪些参数值。在第二时刻也就是在首次操纵所述制动装置43的减振作用之后在调准单元AE中输入类似的第二参数值Pt1。所述调准单元AE将所述第二参数值Pt1与所述预控制调准信号VAS或者说与所述第一参数值Pt0进行比较并且从中产生调准数据AD。所述调准单元AE将这些调准数据AD与第二参数值Pt1一起返输给所述预控制器VS，该预控制器VS则从中推断出所述传动系22中的振动S的进一步演变。将所述调准数据AD同样传输给所述控制装置St，使得该控制装置St从中推断出未来必要的减振性能。
这种循环不断重复，从而在封闭的回路中可以实现所述制动装置43的减振力的不断细化的调整。
图6在关于时间t（以秒计，无刻度）绘出的情况下示出了相对传动系22的可以在按本发明的减振方法的范围内推导出来的显著简化的振动曲线K1的示意性的控制曲线K2。y坐标关于振动曲线K1示出了振动s完成的位移s（以mm计，无刻度）。关于所述控制曲线K2，y坐标则示出了可以从控制指令中推导出来的减振力D（以N计，无刻度）。振动曲线K1如借助于图4所解释的一样从参数值P中推导出来。
振动曲线K1在这里非常简化地作为具有固定的频率并且没有各种不均匀性的正弦曲线来示出。在实际上，该振动曲线K1在多数情况下明显偏离这样的理想典型的变化曲线，之所以如此，是因为多种振动类型（比如轴向的和径向的振动以及扭转振动）相叠加。这也意味着，相应的控制曲线K2将考虑到这种复杂性。关于振动特性和控制特性的解释因此同样应该理解为示意性地得到了简化。
在一开始也就是在时刻t0，振动S尚未主动地得到减振。振动曲线K1因此在舱室37的临界的频率范围内比如在其谐振频率中具有较大的第一振幅Amp1，该第一振幅Amp1高于上阈值SW1。由于达到这个阈值SW1而触发报警状态，该报警状态意味着，应该开始主动的减振。
因此在时刻t1也就是直接在确定临界的频率和较高的第一振幅Amp1之后主动控制借助于制动装置42来反作用于振动S。在此所述控制曲线K2描绘了沿着t轴（也就是振动曲线K1的振动零点）轴对称地映射的变化曲线，这就使得恰好针对所述振动曲线K1的曲线走向来施加减振力D，其中所述减振力D的量以所述传动系22的偏离振动曲线K1的振动零点的量上升或者说下降的程度进行上升。所述振动曲线K1的在时刻t1之后求得的振幅Amp2、Amp3、Amp4因此在量方面下降的程度小于所述第一振幅Amp1。
所述减振曲线K2的振幅Amp2’、Amp3’、Amp4’相当于所述振动曲线K1的振幅Amp2、Amp3、Amp4，因为它们和所述振动曲线K1的振幅Amp2、Amp3、Amp4一样在相同的程度上变小。所述振幅Amp4通过减振还仅仅具有低于下阈值SW2的量。这意味着，现在可以取消事先触发的报警状态。因此自时刻t2起也就是直接在低于下阈值SW2之后，借助于所述制动装置43来停止主动的减振。所述振动曲线K1以具有较低的振幅的轨迹继续伸展，直到又一次达到上阈值SW1。因此，所述减振工作纯粹地由所述风力涡轮机13中的被动的减振器也就是比如通过主支承结构23来承担。
最后还要再次指出，刚刚详细描述的方法以及所示出的风力涡轮机及其组件仅仅是一些实施例，这些实施例可以由本领域的技术人员以极为不同的方式加以改动，而不离开本发明的范围。此外，不定冠词“一个”的使用不排除这样的情况，即相关的特征也可以多数存在。此外，“单元”可以包括一个或者多个也在空间上分布地布置的组件。

Claims (15)

1.用于对风力涡轮机（13）中的传动系（22）进行减振的方法，所述传动系（22）将转子（14）与发电机（45）连接起来，其中求得代表着所述传动系（22）的振动（S）的参数值（P、Pt0、Pt1），并且在所求得的参数值（P、Pt0、Pt1）的基础上以受控制的方式在使用制动装置（43）的情况下将减振力（D）施加到所述传动系（22）上，所述减振力（D）反作用于所述传动系（22）的振动（S）。
2.按权利要求1所述的方法，其中所述制动装置（43）的控制以电子方式进行。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中作为制动装置使用包括楔形制动器（43）的制动装置，该制动装置优选用电子的制动力调节装置来控制。
4.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中根据所述风力涡轮机（13）的组件的谐振频率（Res）来推导出用于触发所述制动装置（43）的控制指令（SB）以激活所述减振力（D），所述谐振频率（Res）在试运行所述风力涡轮机（13）之前，优选通过模拟和/或测量，并且/或者在所述风力涡轮机（13）的连续的运行中求得。
5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述传动系（22）推动运行时施加所述减振力（D）。
6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中作用于制动装置（43）的制动盘（42）的作用力（F1、F2、F3）根据制动盘（42）的均匀性偏差来改变。
7.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中在来自一定数目的测量传感器（63、65）的、优选用于在风力涡轮机（13）的组件上测量振荡的振荡传感器和/或用于对所施加的减振力（D）进行测量的力传感器的传感器信号的基础上来求得所述参数值（P、Pt0、Pt1）。
8.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中在从所述参数值（P、Pt0、Pt1）中推导出来的预控制信号（VSS）的基础上产生用于施加减振力（D）的控制指令（SB）。
9.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述参数值（P、Pt0、Pt1）中求得有待减振的振动（S）的曲线，并且在方向和/或强度和/或频率方面相对于所求得的曲线反向等量地施加减振力（D）。
10.风力涡轮机（13），具有通过传动系（22）彼此相连接的转子（14）和发电机（45），并且具有制动装置（43）和控制装置（55），所述控制装置（55）在运行中在使用制动装置（43）的情况中下从代表着传动系（22）的振动（S）的参数值（P、P1、P2、P3、P4）中推导出用于将减振力（D）施加到传动系（22）上的控制指令（SB），所述减振力（D）在受控制的情况下反作用于所述传动系（22）的振动（S）。
11.按权利要求10所述的风力涡轮机，其中所述传动系（22）作为传动系组件包括第一轴（21）和第二轴（44），所述第一轴（21）和第二轴（44）通过加速器（33）彼此相连接。
12.按权利要求11所述的风力涡轮机，其中所述制动装置（43）布置在所述第二轴（44）的区域中。
13.按权利要求10到12中任一项所述的风力涡轮机，其中所述制动装置包括楔形制动器（43）优选电子的楔形制动器。
14.按权利要求10到13中任一项所述的风力涡轮机，包括多个制动装置（43）。
15.制动装置（43）的使用，用于对风力涡轮机（13）中的传动系（22）进行减振，所述传动系（22）将转子（14）与发电机（45）连接起来，其中求得代表着所述传动系（22）的振动（S）的参数值（P、Pt0、Pt1），并且在所求得的参数值（P、Pt0、Pt1）的基础上以受控制的方式在使用所述制动装置（43）的情况下将减振力（D）施加到所述传动系（22）上，所述减振力（D）反作用于所述传动系（22）的振动（S）。
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