CN104675622A - 一种具有变桨装置的风力发电机以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有变桨装置的风力发电机以及控制方法，所述风力发电机包括主轴、叶片、变桨装置，所述主轴前端固定有风轮盘，所述风轮盘的圆周上固定设置有至少三个均匀分布的叶片座，所述叶片座上设置有可转动的叶片轴，所述叶片轴上固定有叶片；所述主轴为空心轴，所述变桨装置包括与所述主轴同轴设置的可前后移动的导杆，所述导杆穿过所述主轴，所述导杆的后端设置有推动导杆移动的驱动装置，所述导杆的前端穿过所述风轮盘的中心，所述导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪。通过设置可前后移动的导杆、驱动装置、以及在导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪，实现叶片的变桨，因而该变桨装置结构简单、成本较低。

Description

一种具有变桨装置的风力发电机以及控制方法

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，具体涉及一种具有变桨装置的风力发电机以及控制方法。

背景技术

风力发电是通过将空气的动能转化为机械能，进而转化为电能，是目前新能源开发领域中发展最快和最具潜力的发展方向。由于风能作为一种间歇性能源，具有很大的随机性和不可控制性。为了提高风能的利用率，以及避免风速过高时，使得叶片的转速过快，造成损坏叶片、发电机、控制器等，风力发电机往往采用变桨技术，通过调整叶片与迎风的角度，达到发电功率稳定输出。

目前风力发电机的变桨，主要有两种方法，一种是伺服电机带动齿轮调速，这种应用最多；另一种是液压调速，液压缸带动叶片转动；这两种变桨的结构都比较复杂、制造成本较高，因而主要用于大型风力发电机组中，对于中、小的风力发电机，为了节约成本一般不设置变桨装置。

发明内容

本发明提供一种具有变桨装置的风力发电机，该变桨装置结构简单、成本较低，并且能够实现多个叶片的同步变桨，使得各叶片受力相同，增加了风力发电机的运行稳定性。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种具有变桨装置的风力发电机，包括主轴、叶片、变桨装置，所述主轴前端固定有风轮盘，所述风轮盘的圆周上固定设置有至少三个均匀分布的叶片座，所述叶片座上设置有可转动的叶片轴，所述叶片轴上固定有叶片；所述主轴为空心轴，所述变桨装置包括与所述主轴同轴设置的可前后移动的导杆，所述导杆穿过所述主轴，所述导杆的后端设置有推动导杆移动的驱动装置，所述导杆的前端穿过所述风轮盘的中心，所述导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪，当所述导杆前后移动时，所述导爪带动所述叶片轴转动。

进一步的，所述导杆上套装有复位弹簧。

进一步的，所述导杆的后部设置有挡块，所述复位弹簧的后端与所述挡块接触，所述复位弹簧的前端与所述风轮盘接触。

进一步的，所述叶片轴上固定有连杆，所述连杆上开设置有长圆孔，所述导爪的一端穿过所述长圆孔。

进一步的，所述驱动装置为伸缩电机，所述伸缩电机的输出轴推动所述导杆向前移动。

进一步的，所述导杆的后端面设置有凸起，所述伸缩电机的输出轴前端面上设置有与所述凸起相匹配的凹槽。

进一步的，所述主轴上设置有测速器，当所述主轴的速度大于额定转速时，所述变桨装置动作。

进一步的，所述风力发电机还包括支架和设置在支架上的可旋转主体，所述主轴、叶片、变桨装置都位于主体上，所述支架上还设置有驱动所述主体旋转的驱动器。

进一步的，所述主体上还设置有风向标。

基于上述的具有变桨装置的风力发电机，本发明还提供一种具有变桨装置的风力发电机的变桨方法，通过简单的控制就可实现多个叶片的同步变桨，使得各叶片受力相同，增加了风力发电机的运行稳定性。

一种具有变桨装置的风力发电机的控制方法，所述风力发电机包括主轴、叶片、变桨装置、以及控制器，所述主轴前端固定有风轮盘，所述风轮盘的圆周上固定设置有至少三个均匀分布的叶片座，所述叶片座上设置有可转动的叶片轴，所述叶片轴上固定有叶片；所述主轴为空心轴，所述变桨装置包括与所述主轴同轴设置的可前后移动的导杆，所述导杆穿过所述主轴，所述导杆的后端设置有推动导杆移动的驱动装置，所述导杆的前端穿过所述风轮盘的中心，所述导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪，当所述导杆前后移动时，所述导爪带动所述叶片轴转动；所述主轴上设置有测速器，所述测速器和驱动装置都与所述控制器电连接；具体包括如下步骤：

步骤A、所述测速器测定主轴的转速，并反馈给所述控制器；

步骤B、所述控制器将测速器反馈的主轴转速与额定转速对比，当主轴转速大于额定转速时，所述控制器启动驱动装置向前推动导杆，使得叶片变桨；当主轴转速等于或者小于额定转速时，所述控制器不发出指令。

进一步的，在步骤B中，当主轴转速大于额定转速时，所述控制器启动驱动装置向前推动导杆，使得叶片变桨；同时所述控制器接受测速器反馈的主轴转速，当主轴转速等于额定转速时，所述控制器控制驱动装置停止。

进一步的，所述风力发电机还包括支架和设置在支架上的可旋转主体，所述主轴、叶片、变桨装置都位于主体上，所述支架上还设置有驱动所述主体旋转的驱动器，所述主体上还设置有风向标；所述驱动器和风向标都与所述控制器电连接；

所述步骤A之前还包括步骤A0，所述主控器根据风向标反馈的风向，控制驱动器的动作，使得叶片的迎风面与风向垂直。

本发明提供的具有变桨装置的风力发电机，通过设置可前后移动的导杆、驱动装置、以及在导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪，实现叶片的变桨，因而该变桨装置结构简单、成本较低；通过导杆的前后移动，带动导爪前后移动，从而带动叶片轴转动，由于叶片固定在叶片轴上，所以叶片也跟随转动，完成变桨动作，改变风向与叶片迎风面之间的夹角，使得叶片的迎风面受到的风力改变，从而使得叶片的转速变化；由于导杆移动时，带动各叶片同步变桨，使得各叶片在变桨过程中受到的风力也是相同的，因而使得风轮盘的转动稳定性好，增加了风力发电机的运行稳定性。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明所提出的具有变桨装置的风力发电机的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中A区域的局部放大结构示意图；

图3为图2中B区域的局部放大结构示意图；

图4为图2中C区域的局部放大结构示意图；

图5为图1左视的部分结构示意图；

图6为图5中风轮盘区域的放大结构示意图；

图7为风轮盘的部分放大立体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图1-图7，本发明所提出的具有变桨装置的风力发电机的一个实施例，其中图1-图3中表示的时导杆向前运动后的状态，图7为导杆没有移动时的初始状态。

一种具有变桨装置的风力发电机，包括主轴1、叶片2、变桨装置3，在主轴1的前端固定有风轮盘4，在风轮盘4的圆周上固定设置有三个均匀分布的叶片座5，叶片座5上设置有可转动的叶片轴6，叶片轴6上固定有叶片2；其中主轴1为空心轴，变桨装置3包括与主轴1同轴设置的可前后移动的导杆31，导杆31穿过主轴1，在导杆31的后端设置有推动导杆移动的驱动装置32，导杆31的前端穿过风轮盘4的中心，并且导杆31的前端固定有与叶片轴6铰接的导爪33，当导杆31前后移动时，导爪33带动叶片轴6转动。

通过设置可前后移动的导杆31、驱动装置32、以及在导杆31的前端固定有与叶片轴6铰接的导爪33，实现叶片的变桨，因而该变桨装置结构简单、成本较低；通过导杆31的前后移动，带动导爪33前后移动，从而带动叶片轴6转动，由于叶片2固定在叶片轴6上，所以叶片2也跟随转动，完成变桨动作，改变风向与叶片2的迎风面之间的夹角，使得叶片2的迎风面受到的风力改变，从而使得叶片2的转速变化；由于导杆31移动时，带动各叶片2同步变桨，使得各叶片2在变桨过程中受到的风力也是相同的，因而使得风轮盘4的转动稳定性好，增加了风力发电机的运行稳定性。此外，导杆31设置在空心的主轴1内，增加了导杆前后移动的稳定性，并且导杆31的前端穿过风轮盘4的中心，保证了三个叶片2的同步变桨。

参见图5和图6所示，本实施例中，三个叶片座5均匀分布在风轮盘4的圆周上，叶片座5通过焊接固定在风轮盘4上；为了增加叶片座5的牢固性，还设置有加强板51，加强板51同时焊接在风轮盘4和叶片座5上。在叶片座5与叶片轴6之间通过固定在叶片座5上的两个轴承52连接。

其他实施例中，根据需要也可以设置四个叶片座5。

参见图1-图3所示，其中图1-图3中表示的时导杆向前运动后的状态。为了导杆31在驱动装置32推动下向前运动后的复位，在导杆31上套装有复位弹簧34；这样当驱动装置32向后运动时，导杆31在复位弹簧34的推动下向后运动。

参见图3所示，在导杆31的后部设置有挡块311，复位弹簧34的后端与挡块311接触，复位弹簧34的前端与风轮盘6接触；这样当驱动装置32推动导杆31向前运动时，复位弹簧34被压缩；当驱动装置32向后运动时，导杆31在复位弹簧34的推动下向后运动。

参见图2、图6和图所示，本实施例中，在叶片轴6上固定有连杆61，在连杆61上开设置有长圆孔611，导爪33的一端穿过长圆孔611。在导爪33前后方向的移动的过程中，导爪33带动连杆61和叶片轴6转动，并且导爪33在长圆孔611内的相对位置发生移动。

驱动装置32为伸缩电机，伸缩电机的输出轴321推动导杆31向前移动。通过伸缩电机32的正向动作，推动导杆31向前运动；伸缩电机32反向动作，并在复位弹簧34的作用下，推动导杆31向后运动。

参见图4所示，为了伸缩电机在推动导杆31的过程中，使得导杆31运行稳定，在导杆31的后端面设置有凸起312，并在伸缩电机的输出轴321前端面上设置有与凸起312相匹配的凹槽3211；这样伸缩电机的输出轴321推动导杆31时，凸起312位于凹槽3211内，并且增大了伸缩电机的输出轴321与导杆31后端面的接触面积，使得伸缩电机在推动导杆31的过程中，导杆31的运行稳定。

在主轴1上设置有测速器，用于测定主轴1的转速，当测定的主轴1的速度大于主轴1的额定转速时，变桨装置3动作，使得也叶片2的迎风面与风向之间的夹角减小，也就是减小叶片2的迎风面受到的力，使得叶片2的旋转速度减慢，也就是主轴1的转速减慢。其中，主轴1的额定转速，是由风力发电机本身配置的发电机等设备确定的。

参见图1和图2所示，本实施例中，风力发电机还包括支架20和设置在支架20上的可旋转主体10，其中主轴1、叶片2、变桨装置3都位于主体10上，在支架20上还设置有驱动主体10旋转的驱动器201。通过驱动器201可以驱动主体10在支架20上转动。在支架20的上端固定有齿轮，在主体10上固定有相捏合的至少两个齿轮。

在主体10上还设置有风向标101，根据风向标101测定的风向，调整主体10的角度，使得风向与叶片2的迎风面垂直，这样保证叶片2的受力最大，使得叶片2的转速最大，保证了风能的最大有效利用。

此外，本实施例中，在主体10上还设置有风速仪和报警器。

参阅图1-图7，是本发明提供一种具有变桨装置的风力发电机的变桨方法，通过简单的控制就可实现多个叶片的同步变桨，使得各叶片受力相同，增加了风力发电机的运行稳定性。

一种具有变桨装置的风力发电机的控制方法，风力发电机包括主轴1、叶片2、变桨装置3、以及控制器，在主轴1的前端固定有风轮盘4，在风轮盘4的圆周上固定设置有三个均匀分布的叶片座5，叶片座5上设置有可转动的叶片轴6，叶片轴6上固定有叶片2；其中主轴1为空心轴，变桨装置3包括与主轴1同轴设置的可前后移动的导杆31，导杆31穿过主轴1，在导杆31的后端设置有推动导杆移动的驱动装置32，导杆31的前端穿过风轮盘4的中心，并且导杆31的前端固定有与叶片轴6铰接的导爪33，当导杆31前后移动时，导爪33带动叶片轴6转动；在主轴1上设置有测速器，其中测速器和驱动装置32都与控制器电连接；具体包括如下步骤： 

步骤A、测速器测定主轴1的转速，并反馈给控制器；

步骤B、控制器将测速器反馈的主轴1的转速与额定转速对比，当主轴1的转速大于额定转速时，控制器启动驱动装置32向前推动导杆，使得叶片变桨；当主轴1的转速等于或者小于额定转速时，控制器不发出指令。

其中，额定转速是提前输入控制器中的。当主轴1的转速大于额定转速时，控制器启动驱动装置32向前推动导杆，使得叶片变桨，使得也叶片2的迎风面与风向之间的夹角减小，也就是减小叶片2的迎风面受到的力，使得叶片2的旋转速度减慢，也就是主轴1的转速减慢；同时控制器接受测速器反馈的主轴1的转速，当主轴1的转速等于额定转速时，控制器控制驱动装置32停止，此时，叶片2带动主轴1在额定转速下转动，也就是风力发电机在额定功率下发电，此时的发电量最大。

如在风叶2已经变浆的情况下，通过测速器时时反馈的主轴1的转速，与额定转速对比。如小于额定转速，则控制器控制驱动装置32反向动作，并在复位弹簧33的作用下，推动导杆31向后移动，使得叶片2的迎风面与风向之间的夹角增大，也就是增大叶片2的迎风面受到的力，使得叶片2的旋转速度增加，也就是主轴1的转速增加，并通过控制器时时比较主轴1的转速与额定转速；如相等，则控制器控制驱动装置32停止；如主轴1的转速小于额定转速，则控制器控制驱动装置32复位后停止。如大于额定转速，控制器控制驱动装置32正向动作，向前推动导杆31，使得也叶片2的迎风面与风向之间的夹角减小，也就是减小叶片2的迎风面受到的力，使得叶片2的旋转速度减慢，也就是主轴1的转速减慢；同时控制器接受测速器反馈的主轴1的转速，当主轴1的转速等于额定转速时，控制器控制驱动装置32停止。

本实施例中，风力发电机还包括支架20和设置在支架20上的可旋转主体10，其中主轴1、叶片2、变桨装置3都位于主体10上，在支架20上还设置有驱动主体10旋转的驱动器201，在主体10上还设置有风向标101；驱动器201和风向标101都与控制器电连接；

在步骤A之前还包括步骤A0，控器根据风向标101反馈的风向，控制驱动器201的动作，使得主体10旋转，使得叶片2的迎风面与风向垂直；这样保证了叶片2受到的风力最大，保证了风能的有效利用，提高了风力发电机的发电效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有变桨装置的风力发电机，包括主轴、叶片、变桨装置，所述主轴前端固定有风轮盘，所述风轮盘的圆周上固定设置有至少三个均匀分布的叶片座，所述叶片座上设置有可转动的叶片轴，所述叶片轴上固定有叶片；其特征在于，所述主轴为空心轴，所述变桨装置包括与所述主轴同轴设置的可前后移动的导杆，所述导杆穿过所述主轴，所述导杆的后端设置有推动导杆移动的驱动装置，所述导杆的前端穿过所述风轮盘的中心，所述导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪，当所述导杆前后移动时，所述导爪带动所述叶片轴转动。

2.根据权利要求1所示的风力发电机，其特征在于，所述导杆上套装有复位弹簧。

3.根据权利要求2所示的风力发电机，其特征在于，所述导杆的后部设置有挡块，所述复位弹簧的后端与所述挡块接触，所述复位弹簧的前端与所述风轮盘接触。

4.根据权利要求1所示的风力发电机，其特征在于，所述叶片轴上固定有连杆，所述连杆上开设置有长圆孔，所述导爪的一端穿过所述长圆孔。

5.根据权利要求1至4任一项所示的风力发电机，其特征在于，所述驱动装置为伸缩电机，所述伸缩电机的输出轴推动所述导杆向前移动。

6.根据权利要求5所示的风力发电机，其特征在于，所述导杆的后端面设置有凸起，所述伸缩电机的输出轴前端面上设置有与所述凸起相匹配的凹槽。

7.根据权利要求1至4任一项所示的风力发电机，其特征在于，所述主轴上设置有测速器，当所述主轴的速度大于额定转速时，所述变桨装置动作。

8.根据权利要求1至4任一项所示的风力发电机，其特征在于，所述风力发电机还包括支架和设置在支架上的可旋转主体，所述主轴、叶片、变桨装置都位于主体上，所述支架上还设置有驱动所述主体旋转的驱动器。

9.一种具有变桨装置的风力发电机的控制方法，其特征在于，所述风力发电机包括主轴、叶片、变桨装置、以及控制器，所述主轴前端固定有风轮盘，所述风轮盘的圆周上固定设置有至少三个均匀分布的叶片座，所述叶片座上设置有可转动的叶片轴，所述叶片轴上固定有叶片；所述主轴为空心轴，所述变桨装置包括与所述主轴同轴设置的可前后移动的导杆，所述导杆穿过所述主轴，所述导杆的后端设置有推动导杆移动的驱动装置，所述导杆的前端穿过所述风轮盘的中心，所述导杆的前端固定有与所述叶片轴铰接的导爪，当所述导杆前后移动时，所述导爪带动所述叶片轴转动；所述主轴上设置有测速器，所述测速器和驱动装置都与所述控制器电连接；具体包括如下步骤：

步骤A、所述测速器测定主轴的转速，并反馈给所述控制器；

步骤B、所述控制器将测速器反馈的主轴转速与额定转速对比，当主轴转速大于额定转速时，所述控制器启动驱动装置向前推动导杆，使得叶片变桨；当主轴转速等于或者小于额定转速时，所述控制器不发出指令。

10.根据权利要求9所示的控制方法，其特征在于，所述风力发电机还包括支架和设置在支架上的可旋转主体，所述主轴、叶片、变桨装置都位于主体上，所述支架上还设置有驱动所述主体旋转的驱动器，所述主体上还设置有风向标；所述驱动器和风向标都与所述控制器电连接；

所述步骤A之前还包括步骤A0，所述主控器根据风向标反馈的风向，控制驱动器的动作，使得叶片的迎风面与风向垂直。