CN102624140A - 同频同步控制装置和风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同频同步控制装置和使用该装置的风力发电机。本发明的同频同步控制装置包括：同步用电动机；第一转动构件，所述第一转动构件与所述同步用电动机相连以选择性地在所述同步用电动机驱动下转动；滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动；同频用电动机，所述同频用电动机固定于所述滚筒用于提供与所述转动轴线同轴的转动输出；以及第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。本发明能够以更少的成本实现同频同步控制。

Description

同频同步控制装置和风力发电机

技术领域

本发明涉及用于进行同频同步控制的同频同步控制装置以及包括这种同频同步控制装置的风力发电机。

背景技术

由于化石能源日趋匮乏以及对环境产生的影响日益显著，世界各国都在积极开发各种清洁能源。风能作为最重要的清洁能源之一，受到了人们越来越强烈的关注，在人类能源利用领域中所占的份额越来越大。

对风能的利用方式主要是利用风力发电机将风能转换为电能。随着大功率风力发电机的出现以及大规模风力发电场的建设，风能的利用正逐步商业化。风能商业化的一种基本途径是将风电并入市政电网中。由于风场的风是不稳定的，时有时无，忽大忽小，这样所产生的电能是无法进网的。目前，普遍采用的是一种恒速恒频并网运行方式，即风力发电机的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。

然而在实践中，所获得的电能质量仍然不能令人满意。例如，市政电网要求入网交流电的频率在49.8～50Hz，而目前风力发电机输出的电力频率是48～52Hz，不能很好地与电网匹配，而且存在着不能同步的问题。再者，现有风力发电机为实现恒速恒频而配备的电力电子设备结构复杂、价格昂贵，增加了风力发电机的成本以及风场运营的成本。

发明内容

相应地，本发明提供了一种同频同步控制装置，其包括：第一转动构件，所述第一转动构件能够与同步用电动机相连以选择性地在同步用电动机驱动下转动；滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动，并且具有用于固定同频用电动机以使得同频用电动机选择性地提供与所述转动轴线同轴的转动输出的第一支撑件；以及第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。

优选的是，所述第一支撑件被设置成其所固定的同频用电动机的输出轴能够与所述所述转动轴线重合。

优选的是，所述滚筒还具有第二支撑件，所述第二支撑件用于固定减速机，使得减速机的输入轴能够与所述第一支撑件固定的同频用电动机的输出轴连接并且使得减速机的输出轴能够与所述转动轴线重合。

本发明还提供了一种同频同步控制装置，其包括：同步用电动机；第一转动构件，所述第一转动构件与所述同步用电动机相连以选择性地在所述同步用电动机驱动下转动；滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动；同频用电动机，所述同频用电动机固定于所述滚筒，用于选择性地提供与所述转动轴线同轴的转动输出；以及第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。

优选的是，所述同频用电动机的输出轴与所述转动轴线重合。

优选的是，所述同频同步控制装置还包括减速机，所述减速机固定于所述滚筒，所述减速机具有输入轴和输出轴，所述同频用电动机具有输出轴，所述减速机的输入轴与所述同频用电动机的输出轴相连，所述减速机的输出轴与所述转动轴线重合。

在上述的任意一种同频同步控制装置中，优选的是，所述滚筒的第一轴向端部固定有第一端盖，所述第二转动构件固定地形成在所述第一端盖上。

在上述的任意一种同频同步控制装置中，优选的是，所述第一转动构件是蜗杆，所述第二转动构件是蜗轮；或者，所述第一转动构件和所述第二转动构件是相互啮合的齿轮。

本发明还提供了一种风力发电机，其包括：风轮，能够接收风能而转动；发电机，具有能够在来自风轮的动能下转动的输入转轴；同频同步控制装置。所述同频同步控制装置包括：同步用电动机；第一转动构件，所述第一转动构件与所述同步用电动机相连以选择性地在所述同步用电动机驱动下转动；滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动；同频用电动机，所述同频用电动机固定于所述滚筒，用于经输出转轴选择性地提供与所述转动轴线同轴的转动输出；以及第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。其中，所述输出转轴与所述发电机的输入转轴连接。

优选的是，所述输出转轴是所述同频用电动机的输出轴，所述输出转轴与所述转动轴线重合。

优选的是，所述风力发电机还包括减速机，所述减速机固定于所述滚筒，所述减速机的输入轴与所述同频用电动机的输出轴相连，所述减速机的输出轴与所述转动轴线重合，所述输出转轴是所述减速机的输出轴。

优选的是，所述输出转轴通过齿轮机构与所述发电机的输入转轴连接。

附图说明

图1是根据本发明一种实施方式的同频同步控制装置的透视图，其中，滚筒被切除了一部分。

图2是根据本发明一种实施方式的滚筒的侧视图。

图3是图2滚筒沿III-III线截取的剖视图。

图4是图2滚筒沿IV-IV线截取的剖视图。

图5是根据本发明一种实施方式的滚筒第一端盖的俯视图。

图6是图5所示第一端盖的剖视图。

图7是根据本发明一种实施方式的滚筒第二端盖的俯视图。

图8是图7所示第二端盖的剖视图。

图9是根据本发明一种实施方式的蜗轮的剖视图。

图10是根据本发明一种实施方式的风力发电机的示意性框图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的具体实施方式。

图1是根据本发明一种实施方式的同频同步控制装置的透视图。所示同频同步控制装置包括第一转动构件1、第二转动构件2和滚筒3。第一转动构件1作为主动构件与作为从动构件的第二转动构件2相连，以选择性地驱动第二转动构件2。第二转动构件2固定地形成于滚筒3上，以驱动滚筒3绕着其转动轴线4转动。

第一转动构件1和第二转动构件2构成了一种传动机构。根据传动精度的需要，本领域技术人员可以相应地选择现有技术中已知的各种传动机构用于本发明。例如，在需要精确控制的场合中，第一转动构件1和第二转动构件3可以是能够实现精确传动的螺纹传动件。如图1所示，第一转动构件1可以是蜗杆，第二转动构件2可以是对应的蜗轮。作为替换方式，第一转动构件1和第二转动构件2可以是相互啮合的齿轮。本领域技术人员还可以想到，在精确度要求不是很高时，第一、第二转动构件也可以用例如链条传动、带传动等机构实现。这些传动机构可以用现有技术中已知的方式进行制造加工，本发明对此不进行详细的描述。

第一转动构件1由同步用电动机(未示出)驱动。在本发明中，“同步用电动机”可以是现有技术中已知的各种电动机或者马达，其用途是选择性驱动第一转动构件1转动。本领域技术人员可以根据是否需要控制、控制精度、成本、安装空间、转速等因素进行选择。优选的是，可以用伺服电机，或者，步进电机。所谓“选择性”是指根据需要来启动电机。

在一些场合中，需要防止滚筒3的转动通过第二转动构件2向第一转动构件1传递。这时，可以在滚筒3和第二转动构件2之间，或者第二转动构件2和第一转动构件1之间，或者第一转动构件1和同步用电动机之间，设置单向传动机构，例如棘轮机构。

在本发明中，术语“固定”指的是在工作过程中相关联的两个以上的构件彼此之间的位置关系不发生变化，即相对于彼此而言是固定的；术语“形成”指的是以任何方式在一种结构上得到另一种结构，例如，可以通过分别形成两个结构件然后将它们组装到一起，或者在一个结构件上通过例如铸造、切削等机加工方式加工出另一个结构件。

如图3和4所示，滚筒3沿着转动轴线4的方向具有第一轴向端部31(图3中的右侧，图4中的下侧)和第二轴向端部36(图3中的左侧，图4中的上侧)。在图示的例子中，在两个轴向端部31和36处分别形成有第一凸缘32和第二凸缘34。第一、第二凸缘32、34上分别形成多个螺纹孔33、35。如图5和图6所示，第一端盖5的边缘处沿周向形成有与滚筒3上的螺纹孔33位置对应的通孔51；如图7和8所示，第二端盖9的边缘处沿周向形成有与滚筒3上的螺纹孔35位置对应的通孔91。在组装时，用没有示出的螺钉分别穿过通孔51和91拧进螺纹孔33、35中，从而将第一端盖5和第二端盖9分别固定在滚筒3的第一、第二轴向端部31、36上。

本领域技术人员应该理解，本发明中在一些构件前所使用的“第一”和“第二”仅仅是表示不同的构件，例如位置不同的构件，而不是对构件本身的限定，也可以用前、后、左、右、上、下等各种类似的词语代替。

在图6所示的实施方式中，第一端盖5是例如通过铸造一体地形成的构件，包括第一延伸部52和第二延伸部53。第二延伸部53的直径或者外形尺寸大于第一延伸部52，从而在二者之间形成台阶部54。在台阶部54上沿延伸部轴向形成多个螺纹孔55。

参见图9，蜗轮形式的第二构件2包括中心孔21，中心孔21与第一端盖5的第一延伸部52滑动配合。中心孔21的内径小于第二延伸部53的外形尺寸，因此，蜗轮2的本体部分22靠在台阶部54上。在蜗轮2的本体部分22上与台阶部54上的螺纹孔55位置对应地形成多个通孔23。这样，通过将未示出的螺钉穿过通孔23拧进螺纹孔55中，可以将蜗轮2固定地形成于第一端盖5上。

本领域技术人员应该理解，上述的固定形成方式仅仅是一种示例性的实施方式，只要能够按照设计要求传递动力即可用于本发明。例如，第一端盖5可以只有一个延伸部，蜗轮2可以利用键配合的方式固定地安装到延伸部。作为另一种替换方式，可以直接在延伸部上形成蜗轮2。

下面参见图2～4描述根据本发明一种实施方式的滚筒。滚筒3是一种筒状体，能够绕着转动轴线4转动。在图示的实施例中，滚筒3的内部固定地形成有第一支撑件38和第二支撑件37。

第一支撑件38和第二支撑件37可以如图所示是彼此独立的零件，也可以一体形成，作为一个部件上的两个部分。

第二支撑件37可以是板状，用于固定减速机6(见图1)。例如，板状的第二支撑件37上形成有多个安装孔372，这些安装孔372同未示出的螺纹件和减速机6上的安装孔一起，将减速机6固定到第二支撑件37。类似地，板状的第一支撑件38上形成的安装孔381同未示出的螺纹件和同频用电动机4上的安装孔一起，将同频用电动机4固定到第一支撑件38。

第一、第二支撑件38、37的布置方式取决于减速机6和同频用电动机4的具体结构。如图1所示，在减速机6采取相互垂直的输入输出布局的情况下，第一、第二支撑件38、37大体垂直。作为一个具体例子，如图2～4所示，第一支撑件38的两端固定在滚筒3的内壁上，从截面上看，像一个圆的弦。在第一支撑件38的中心处形成电动机孔382。如果安装空间不够，可以如图2、3所示那样，在滚筒3的筒体侧壁上形成安装孔39，使得同频用电动机4的一部分可以伸出到滚筒3的外面。在图2的示例中，第二支撑件37一端固定在滚筒3的内壁上，另一端通过第三支撑件371固定在滚筒3内。

第一支撑件38和第二支撑件37(以及第三支撑件371)可以以已知的任何手段固定在滚筒3上，例如通过焊接。或者，这些支撑件可以同滚筒3是一体形成的，作为滚筒3的一部分。

本领域技术人员应该理解，某些应用场合可能不需要减速机6，可以将同频用电动机4的输出直接作为本发明同频同步控制装置的输出。在这种情况下，不需要第二支撑件37。通过例如设计第一支撑件38的长度，可以确定第一支撑件38在滚筒3内部的位置，从而使得第一支撑件38所固定的同频用电动机4的输出轴与转动轴线4重合。在某些场合中，考虑到位置和结构上的设计需要，本发明同频同步控制装置可能使用单独的输出转轴8(见图1)。这时，在这个单独的输出转轴8和同频用电动机4的输出轴之间会布置相应的传动机构(未示出)，例如联轴器，并使得传动机构的输出与转动轴线4重合。本领域技术人员可以理解，上述的减速机6也可以作为一种传动机构。概括起来说，同频用电动机4提供与转动轴线4同轴的转动输出。

本领域技术人员可以理解，上述的支撑件不是必须固定形成在滚筒的内部，滚筒也并非一定是筒状，只要是能够与滚筒固定在一起因此能够随着滚筒一起转动就足够。本领域技术人员可以根据具体的应用场合和安装空间，对滚筒的具体形状以及支撑件的具体位置进行设计。

在本发明中，“同频用电动机”可以是现有技术中已知的各种电动机或者马达，其用途是输出所希望的转速。本领域技术人员可以根据是否需要控制、控制精度、成本、安装空间、转速等因素进行选择。优选的是，可以用伺服电机，或者，步进电机。

本发明对于减速机的类型没有任何的限制，本领域技术人员可以根据精度、成本、安装空间、转速和传动比等因素从现有技术中已知的各种减速机中进行选择。

如图1所示，滚筒3由例如至少一对轴承座7内的轴承(未示出)可转动地支承。如图6和9所示，第一端盖5形成有贯穿延伸部52和53的支承孔56，第二端盖9形成有贯穿延伸部92的支承孔93。在上面所述的使用单独的输出转轴8的情况下，输出转轴8作为支承轴在图中的左侧分别通过轴承(未示出)可转动地安装在支承孔93和轴承座7内。在直接使用减速器6或者同频用电动机5的情况下(即不使用单独的输出转轴8)，可以将第二端盖9的延伸部92作为支承轴由左侧的轴承座7转动支承。这时，第二端盖9可以不形成支承孔93。在图1中的右侧，将另一支承轴通过轴承(未示出)可转动地安装在支承孔56和轴承座7内。

转动支承是现有技术中公知的技术。在上述说明的教导下，本领域技术可以想到使用各种其他转动支承方案，只要能够使得滚筒3能够转动。

图10是根据本发明的一种实施方式的风力发电机的示意性框图。其中，风力发电机100包括：风轮110，其能够接收风能而转动；发电机120，具有能够在来自风轮110的动能下转动的输入转轴130；以及上面参照附图1～9所描述的任何一种同频同步控制装置140。同频同步控制装置140的输出转轴150与发电机120的输入转轴130相连接，使得输入转轴130受到同频同步的控制。如上所述，输出转轴150可以是单独的输出转轴8(图1)，也可以是减速机6或者同频用电动机5的输出轴。作为一个例子，输出转轴150可以通过齿轮系统160与发电机120的输入转轴130相连。

工业实用性

本发明一方面可以实施为一种包括第一转动构件1、第二转动构件2、滚筒3、滚筒3内的第一支撑件38的同频同步控制装置，另一方面也可以实施为一种在上述结构基础上结合了同步用电动机和同频用电动机的同频同步控制装置。

本发明还可以实施为一种风力发电机，其中，同频同步控制装置的输出用于对发电机进行同频同步控制。

下面结合图10所示的风力发电机说明本发明的操作。发电机120接受来自风轮110的风能而产生电能，所产生的电能被并入预定电网中或者被输入到其他的用电场合。在操作过程中，如果检测到发电机120的输出电压(或电流或功率)信号频率不符合要求，则启动同频用电动机5，输出实现同频所需要的转速。该转速输出经同频同步控制装置140的输出转轴150对发电机120的输入转轴130进行同频控制。当检测到发电机120的输出信号与拟并入的电网或者其他场合的电参数不同步时，启动同步用电动机，通过第一、第二转动构件1、2使得滚筒3按照同步所需要的转速转动。因为同频用电动机5固定在滚筒3上而随着滚筒3一起转动，而且同频用电动机5所提供的转动输出与滚筒3的转动轴线4同轴，所以，同步用电动机的同步转动输出以或加或减的方式叠加在同频用电动机5的转动输出上。当滚筒3的转动方向与同频用电动机5的转动输出同方向时，两个转动以加的方式叠加，从而使得同频同步控制装置140的输出转轴150的转动快些，即转动输出的相位提前一些；反之，当滚筒3的转动方向与同频用电动机5的转动输出反方向时，两个转动以减的方式叠加，从而使得同频同步控制装置140的输出转轴150的转动慢些，即转动输出的相位落后一些。于是，实现了发电机120输出的同步控制。可以理解，当不需要同频控制时，仅仅需要启动同步用电动机，通过滚筒3的转动使同频同步控制装置140的输出转轴150的转动相位提前或落后。

本发明通过简单的机械结构和简单的控制方式实现了同频同步控制，大大降低了目前风力发电机中昂贵的同频同步控制成本。

上面参照附图对本发明进行了具体的描述。但是，本领域技术人员应该理解，上面的具体描述仅仅是举例性质的，用于说明性的目的，并非是用来限制本发明的保护范围。得益于本发明的教导，本领域技术人员在不超出本发明保护范围的情况下可以根据具体情况对上述具体描述的实施方式做出各种变型、修改或者替换，这些变型、修改或者替换落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种同频同步控制装置，其特征在于，包括：

第一转动构件，所述第一转动构件能够与同步用电动机相连以选择性地在同步用电动机驱动下转动；

滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动，并且具有用于固定同频用电动机以使得同频用电动机能够选择性地提供与所述转动轴线同轴的转动输出的第一支撑件；以及

第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。

2.如权利要求1所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述第一支撑件被设置成其所固定的同频用电动机的输出轴能够与所述所述转动轴线重合。

3.如权利要求1所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述滚筒还具有第二支撑件，所述第二支撑件用于固定减速机，使得减速机的输入轴能够与所述第一支撑件固定的同频用电动机的输出轴连接，并且使得减速机的输出轴能够与所述转动轴线重合。

4.如权利要求1所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述滚筒的第一轴向端部固定有第一端盖，所述第二转动构件固定地形成在所述第一端盖上。

5.如权利要求1所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述第一转动构件是蜗杆，所述第二转动构件是蜗轮。

6.如权利要求1所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述第一转动构件和所述第二转动构件是相互啮合的齿轮。

7.一种同频同步控制装置，其特征在于，包括：

同步用电动机；

第一转动构件，所述第一转动构件与所述同步用电动机相连以选择性地在所述同步用电动机驱动下转动；

滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动；

同频用电动机，所述同频用电动机固定于所述滚筒，用于选择性提供与所述转动轴线同轴的转动输出；以及

第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动。

8.如权利要求7所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述同频用电动机的输出轴与所述转动轴线重合。

9.如权利要求7所述的同频同步控制装置，其特征在于，还包括减速机，所述减速机固定于所述滚筒，所述减速机具有输入轴和输出轴，所述同频用电动机具有输出轴，所述减速机的输入轴与所述同频用电动机的输出轴相连，所述减速机的输出轴与所述转动轴线重合。

10.如权利要求7所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述滚筒的第一轴向端部固定有第一端盖，所述第二转动构件固定地形成在所述第一端盖上。

11.如权利要求7所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述第一转动构件是蜗杆，所述第二转动构件是蜗轮。

12.如权利要求7所述的同频同步控制装置，其特征在于，所述第一转动构件和所述第二转动构件是相互啮合的齿轮。

13.一种风力发电机，包括：

风轮，能够接收风能而转动；

发电机，具有能够在来自风轮的动能下转动的输入转轴；

其特征在于，所述风力发电机还包括同频同步控制装置，所述同频同步控制装置包括：

同步用电动机；

第一转动构件，所述第一转动构件与所述同步用电动机相连以选择性地在所述同步用电动机驱动下转动；

滚筒，所述滚筒能够绕转动轴线转动；

同频用电动机，所述同频用电动机固定于所述滚筒，用于经输出转轴选择性地提供与所述转动轴线同轴的转动输出；以及

第二转动构件，所述第二转动构件固定地形成于所述滚筒上，并且与所述第一转动构件相连，以在所述第一转动构件的驱动下使所述滚筒绕着所述转动轴线转动，

其中，所述输出转轴与所述发电机的输入转轴连接。

14.如权利要求13所述的风力发电机，其特征在于，所述输出转轴是所述同频用电动机的输出轴，所述输出转轴与所述转动轴线重合。

15.如权利要求13所述的风力发电机，其特征在于，还包括减速机，所述减速机固定于所述滚筒，所述减速机具有输入轴和输出轴，所述同频用电动机具有输出轴，所述减速机的输入轴与所述同频用电动机的输出轴相连，所述减速机的输出轴与所述转动轴线重合，所述输出转轴是所述减速机的输出轴。

16.如权利要求13所述的风力发电机，其特征在于，所述输出转轴通过齿轮机构与所述发电机的输入转轴连接。

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