CN102996346B - 主动变桨风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动变桨风力发电机，由变桨控制系统控制主动变桨机构驱动叶片转动，主动变桨机构中由与叶片连接的曲柄、与曲柄连接的联动杆、与联动杆连接的联动盘构成联动机构，联动盘滑动安装在设有主轴中心孔的发电机主轴上，联动盘与穿过电机主轴中心孔的电动推杆连接，联动盘与机头轮毂之间设减震弹簧，带自锁的电动推杆作为主动变桨机构的执行驱动源安装在发电机组上，电位计安装在电动推杆上，所述的电位计的输出信号通过滑环与变桨控制系统连接。具有机头重量减小，减轻叶轮的转动惯量，提高风力发电机的机械强度；叶片主动变桨更加平稳有度，提高了发电效率、安全性、稳定性及运行寿命。

Description

主动变桨风力发电机

技术领域

本发明涉及一种主动变桨风力发电机。

背景技术

风能作来可再生、绿色环保能源，是我国目前发展的主要新能源之一。在风力发电中，由于自然界的风速不稳定，为了提高风能的利用率，多叶片的大中型风力发电机一般采用电动变桨距的控制技术。

风力发电机（以下简称风机）的变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。       风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。       风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。

变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。

每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。       风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。  

对于多叶片的大中型风力发电机，一般采用电动变桨距的控制技术遇大风甚至台风时，轴端带外齿轮的变桨伺服电机直接驱动叶片变桨轴承的内齿轮来调整叶片的浆距角，通过安装在伺服电机上的测量浆距角的编码器及变桨控制系统来控制叶片的浆距角，从而达到发电功率稳定输出或停机；电动变桨的控制系统机构中的执行驱动源一般是变桨伺服电机，通常也是安装在机头轮毂上，使机头轮毂体积很大、机头部位重量很重，叶轮的转动惯量很大，对风力发电机的机械强度影响很大；电动变桨控制系统机构复杂，其制造、安装难度大，故障多，成本较高。

小型风力发电机一般采用叶片失速控制技术或偏航控制技术或重力锤被动变桨控制技术来提高风机的安全性，由于受恶劣天气环境影响，存在发电功率控制不稳定、发电效率低、安全性较差、风机寿命较短等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动变桨风力，发电机结构简单、成本低、稳定性好。

为了达到上述目的，本发明提供一种主动变桨风力发电机，包括叶片、轴承、机头轮毂、发电机组、机壳、变桨控制系统、电位计，所述的叶片与轴承相连接并安装在机头轮毂上，机头轮毂安装在发电机主轴上，由变桨控制系统控制主动变桨机构驱动叶片转动，所述的主动变桨机构包括与叶片连接的轴承和曲柄、联动杆、联动盘、减震弹簧、带自锁的电动推杆和电位计，所述的电位计的输出信号通过滑环与变桨控制系统连接，电动推杆作为主动变桨机构的执行驱动源安装在发电机组上，发电机组安装在机壳上；电位计安装在电动推杆上；滑环安装在回转法兰上，回转法兰通过回转轴承安装在机壳上；由曲柄、与曲柄连接的联动杆、与联动杆连接的联动盘构成联动机构，联动盘滑动安装在设有主轴中心孔的发电机主轴上，联动盘与穿过电机主轴中心孔的电动推杆连接，联动盘与机头轮毂之间设减震弹簧。本发明的叶片装有轴承，使叶片能转动，变桨控制系统控制主动变桨机构动作来驱动叶片转动，从而实现变桨。联动机构固定在机头轮毂上，而电动推杆作为主动变桨机构的执行驱动源安装相对叶片的发电机组一侧，减小了机头的体积和重量，叶轮的转动惯量减小，对风力发电机的机械强度影响减低；使发电机结构简单、成本低、稳定性好。

在上述方案基础上，所述的电动推杆包括与之连接的变桨推杆、推力轴承、档圈和导杆，所述的变桨推杆分别与联动盘、电动推杆连接、并从发电机主轴中心孔穿过；所述的推力轴承安装在变桨推杆和电动推杆上的导杆及档圈上，其中，档圈与导杆连接。

在上述方案基础上，所述电动推杆上的导杆连接电位计上的滑块，导杆伸缩动作依次通过档圈、推力轴承、变桨推杆、联动盘、联动杆、曲柄使叶片变桨或回浆，同时，导杆带动电位计上的滑块动作，电位计发出的信号通过滑环传给变桨控制系统，变桨控制系统通过电位计发出的输出信号来确定叶片变桨的位置以及变桨角度的大小，使联动盘在发电机主轴上滑动。

本发明的工作原理是：电动推杆能自锁，当风小或风力平稳叶片不需要变桨时，主动变桨机构的电动推杆处于自锁静止状态，使叶片相对机头轮毂处于静止状态；当风变大导致发电机组发电量超过额定功率或风变小导致发电机组发电量小于额定功率叶片需要变桨或回浆时，主动变桨机构的电动推杆开始工作，电动推杆上的导杆伸缩动作依次通过档圈、推力轴承、变桨推杆、联动盘、联动杆、曲柄使叶片变桨或回浆，同时电动推杆上的导杆与电位计上的滑块是连接的，从而带动电位计上的滑块动作，电位计发出的信号通过滑环传给变桨控制系统，变桨控制系统通过电位计发出的输出信号来确定叶片变桨的位置以及变桨角度的大小；联动盘与发电机主轴是小间隙配合，使联动盘能在发电机主轴上滑动，减震弹簧能使叶轮平稳工作、减轻对主动变桨机构零部件的机械冲击。

在上述方案基础上，所述的电位计为独立安装，或与电动推杆合为一个整体。

本发明主动变桨风力发电机具有结构简单、成本低、稳定性好的特点，通过电动推杆来控制叶片变桨角度，从而实现叶片主动变桨；利用电动推杆的自锁功能，在小风或风力平稳时电动推杆不需要供电，能使叶片处于平稳状态，可以节省能源；同时主动变桨的执行驱动源没有装在机头轮毂上，有效减轻机头部位的重量、减轻叶轮的转动惯量，从而提高风力发电机的机械强度；装有电位计，通过变桨控制系统使叶片主动变桨更加平稳、有度，能有效提高风力发机的发电效率、安全性、稳定性及运行寿命。

附图说明

图1本发明的风力发电机主要部份结构示意图；

图2本发明的风力发电机初始安装状态时的结构剖视示意图；

图3本发明的电动推杆安装结构示意图；

图4本发明的叶片变桨90°后风力发电机结构剖示图；

图5本发明的叶片初始安装位置示意图；

图6本发明的叶片变桨后位置结构示意图；

图7本发明的叶片变桨90°后位置结构示意图；

图8本发明的电位计与电动推杆初始安装位置示意图；

图9本发明的叶片变桨后电位计与电动推杆安装位置示意图；

图中标号：

1--叶片；      2--曲柄；       3--联动杆； 

4--联动盘；    5--发电机主轴； 51--主轴中心孔；

6--轴承；      7—减震弹簧；  8--机头轮毂；

9--发电机组；  10--机壳；      11--电动推杆；  

12--滑环；     13--回转轴承；  14--回转法兰；  

15--变桨控制系统；            16--变桨推杆；

17--档圈；     18--推力轴承；  19--电位计；   

20--滑块；     21--导杆。

具体实施方式

如图1本发明的风力发电机主要部份结构示意图和图2本发明的风力发电机初始安装状态时的结构剖视示意图所示，一种主动变桨风力发电机，包括叶片1、轴承6、机头轮毂8、发电机组9、机壳10、变桨控制系统15、电位计19，所述的叶片1与轴承6相连接并安装在机头轮毂8上，机头轮毂8安装在发电机主轴5上，其中：

由变桨控制系统15控制主动变桨机构驱动叶片1转动，所述的主动变桨机构包括与叶片1连接的轴承6和曲柄2、联动杆3、联动盘4、减震弹簧7、带自锁的电动推杆11和电位计19，所述的电位计19的输出信号通过滑环12与变桨控制系统15连接，电动推杆11作为主动变桨机构的执行驱动源安装在发电机组9上，发电机组9安装在机壳10上，电位计19安装在电动推杆11上，滑环12安装在回转法兰14上，回转法兰14通过回转轴承13安装在机壳10上，由曲柄2、与曲柄2连接的联动杆3、与联动杆3连接的联动盘4构成联动机构，联动盘4滑动安装在设有主轴中心孔51的发电机主轴5上，即与发电机主轴5是小间隙配合，联动盘4与穿过电机主轴中心孔51的电动推杆11连接，联动盘4与机头轮毂8之间设减震弹簧7。叶片1装有轴承6，使叶片1能作转动，变桨控制系统15控制主动变桨机构动作来驱动叶片1转动，从而实现变桨。

如图2和图3本发明的电动推杆安装结构示意图所示，所述的电动推杆11包括与之连接的变桨推杆16、推力轴承18、档圈17和导杆21，所述的变桨推杆16分别与联动盘4、电动推杆11连接、并从主轴中心孔51穿过；所述的推力轴承18安装在变桨推杆16、电动推杆11上的导杆21及档圈17上，其中，档圈17与导杆21连接，该电动推杆能自锁。

如图8本发明的电位计与电动推杆初始安装位置示意图和图9本发明的叶片变桨后电位计与电动推杆安装位置示意图所示，所述电动推杆11上的导杆21连接电位计19上的滑块20，导杆21伸缩动作依次通过档圈17、推力轴承18、变桨推杆16、联动盘4、联动杆3、曲柄2使叶片1变桨或回浆，同时，导杆21带动电位计19上的滑块20动作，电位计19发出的信号通过滑环12传给变桨控制系统15，变桨控制系统15通过电位计19发出的输出信号来确定叶片1变桨的位置以及变桨角度的大小，使联动盘4在发电机主轴5上滑动。

图8中电动推杆的长度为D，图9中导杆伸缩位移后长度为D+H。

所述的电位计19为独立安装，或与电动推杆11合为一个整体。

如图1至图9所示，当风小发电机组9没有达到额定功率，叶片1处于初始安装状态如图2，主动变桨机构的电动推杆11处于自锁初始安装位置，联动盘4与发电机主轴5的端面有一定的空隙L；当风变大导致发电机组9发电量超过额定功率或风变小导致发电机组9发电量小于额定功率叶片1需要变桨或回浆时，主动变桨机构的电动推杆11开始工作，电动推杆11上的导杆21在工作驱动力作用下伸缩位移，依次通过档圈17、推力轴承18、变桨推杆16、联动盘4、联动杆3、曲柄2来驱动叶片1变桨或回浆，同时电动推杆11上的导杆21与电位计19上的滑块20是连接的，从而带动电位计19上的滑块20动作，电位计19发出的输出信号通过滑环12传给变桨控制系统15，变桨控制系统15通过电位计19发出的信号来确定叶片1变桨的位置以及变桨角度的大小；当大风叶片1变桨b角度后发电机功率趋向平稳，叶片1停止变桨时，主动变桨机构的电动推杆11停止工作，此时电动推杆11的导杆21行程为H，联动盘4与发电机主轴5的端面有一定的空隙距离增加到L+H，如图4所示；当遇特大风或风力发电机需要检修，风力发电机需要停机时，将叶片1变桨角度b调到最大，一般是90°如图7，同时电动推杆11的工作行程H也达到最大值；联动盘4与发电机主轴5滑动间隙是小间隙配合，使联动盘5能在发电机主轴5上平稳滑动，通过联动杆3、曲柄2使多组叶片1能同步动作；减震弹簧7能使叶轮平稳工作、减轻对主动变桨机构零部件的机械冲击。

Claims (3)

1.一种主动变桨风力发电机，包括叶片（1）、轴承（6）、机头轮毂（8）、发电机组（9）、机壳（10）、变桨控制系统（15）、电位计（19），所述的叶片（1）与轴承（6）相连接并安装在机头轮毂（8）上，机头轮毂（8）安装在发电机主轴（5）上，其特征在于：由变桨控制系统（15）控制主动变桨机构驱动叶片（1）转动，所述的主动变桨机构包括与叶片（1）连接的轴承（6）和曲柄（2）、联动杆（3）、联动盘（4）、减震弹簧（7）、带自锁的电动推杆（11）和电位计（19），所述的电位计（19）的输出信号通过滑环（12）与变桨控制系统（15）连接，电动推杆（11）作为主动变桨机构的执行驱动源安装在发电机组（9）上，发电机组（9）安装在机壳（10）上，电位计（19）安装在电动推杆（11）上，滑环（12）安装在回转法兰（14）上，回转法兰（14）通过回转轴承（13）安装在机壳（10）上，由曲柄（2）、与曲柄（2）连接的联动杆（3）、与联动杆（3）连接的联动盘（4）构成联动机构，联动盘（4）滑动安装在设有主轴中心孔（51）的发电机主轴（5）上，联动盘（4）与穿过电机主轴中心孔（51）的电动推杆（11）连接，联动盘（4）与机头轮毂（8）之间设减震弹簧（7）；其中，

所述的电动推杆（11）包括与之连接的变桨推杆（16）、推力轴承（18）、档圈（17）和导杆（21），所述的变桨推杆（16）分别与联动盘（4）、电动推杆（11）连接、并从发电机主轴（5）中心孔穿过；所述的推力轴承（18）安装在变桨推杆（16）、电动推杆（11）上的导杆（21）及档圈（17）上，其中，档圈（17）与导杆（21）连接。

2.根据权利要求1所述的主动变桨风力发电机，其特征在于，所述电动推杆（11）上的导杆（21）连接电位计（19）上的滑块（20），导杆（21）伸缩动作依次通过档圈（17）、推力轴承（18）、变桨推杆（16）、联动盘（4）、联动杆（3）、曲柄（2）使叶片（1）变桨或回桨，同时，导杆（21）带动电位计（19）上的滑块（20）动作，电位计（19）发出的信号通过滑环（12）传给变桨控制系统（15），变桨控制系统（15）通过电位计（19）发出的输出信号来确定叶片（1）变桨的位置以及变桨角度的大小，使联动盘（4）在发电机主轴上滑动。

3.根据权利要求2所述的主动变桨风力发电机，其特征在于，所述的电位计（19）为独立安装，或与电动推杆（11）合为一个整体。