CN107228049B - 数字式液压风机传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字式液压风机传动系统。风机与第一定量液压泵相连，第一定量液压泵通过采用数字编码方式的多个定量液压马达和一个变量液压马达并联的液压马达组合与发电机连接，液压马达组合并联在第一定量液压泵两端；第一定量液压泵经单向阀和液压马达组合的液压输入端连接，蓄能器经截止阀连接到第一单向阀和液压马达组合之间，油箱经第二定量液压泵、过滤器和第二单向阀后连接到液压马达组合和第一定量液压泵。本发明通过液压马达组合实现从零到最大排量之间的任意排量，实现无极调速功能的同时将低排量的对变量液压马达效率影响降低到最低，提高较低风速时传动系统的效率，同时也大幅降低系统成本。

Description

数字式液压风机传动系统
技术领域
本发明涉及了一种液压风机传动系统，尤其是涉及了一种数字式液压风机传动系统。
背景技术
现有技术中，风力发电机通常采用的是齿轮传动方式。为了最大限度的捕获风能，风机叶片的转速需要随风速变化而变化。由于齿轮传动传动比固定，因此发电机转速也随风速变化而变化。为了将发电机并网，需要采用电力变换装置将发电机的频率和电压转换成电网所需的频率和电压。风速的不断变化会在风机叶片轴上产生冲击载荷，而刚性的齿轮传动无法吸收风速不断变化而产生的轴上冲击载荷，由此造成了风机齿轮传动的失效。这进一步降低了风机系统的可靠性，增加了风机的维护成本。
为了改善齿轮传动方式的缺点，静液压传动系统被应用于风力发电机。静液压传动系统通常使用定量液压泵来驱动变量液压马达。与齿轮传动方式相比，静液压传动系统具有以下优势：1)由于采用可压缩的液压油作为工作介质，因此能很好地吸收风速变换而产生的叶片轴冲击载荷，提高了系统的可靠性；2)采用定量液压泵和变量液压马达的风机系统具有无极调速功能，可以在风机叶片转速随风速变换的情况下使液压马达和发电机的转速恒定在同步转速上，因此省去了电力变换装置，简化了系统结构；3)采用技术成熟的液压元件代替复杂昂贵的多级齿轮传动，同时省去了电力变换装置，降低了风机的装机成本，同时可靠性的提高也降低了风机的维护成本。
一般来说，变量液压马达的效率随着排量的减小而大幅下降。对于采用定量液压泵和变量液压马达的静液压传动风机系统，变量液压马达的最大排量是按照风机的额定风速来设计的，在额定风速下风机输出额定功率。风机运行中有相当一部分时间风速是低于额定风速的，此时变量液压马达工作在部分排量状态，效率下降；风速越低，变量液压马达的排量越小，效率也越低。对于1MW以上的大型风机，目前还没有满足该功率要求的大排量变量液压马达。采用多个变量液压马达并联的方式虽然可以满足大功率风机的要求，但变量元件较多，系统控制和优化复杂，且成本较高。
因此，如何提高静液压传动系统在低风速时的效率和降低传动系统的成本，成为了本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明所提供一种数字式液压风机传动系统，该系统能提高风力发电机在低风速时的传动效率，降低系统成本，并且能使系统实现无极调速功能。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括风机、第一定量液压泵、液压马达组合和第二定量液压泵，风机与第一定量液压泵相连，第一定量液压泵通过液压马达组合与发电机连接，液压马达组合并联在第一定量液压泵两端；第一定量液压泵的液压输出端经单向阀和液压马达组合的液压输入端连接，蓄能器经截止阀连接到第一单向阀和液压马达组合的液压输入端之间，油箱依次经第二定量液压泵、过滤器和第二单向阀后连接到液压马达组合的液压输出端和第一定量液压泵的液压输入端。
所述的液压马达组合采用数字编码方式的多个定量液压马达和一个变量液压马达并联的组合，每个液压马达连接有高速换向阀控制。
通过液压马达组合将风机传动系统中所需排量数字化，具体是由排量依次递减的多个定量液压马达作为所需排量的整数部分，由变量液压马达作为所需排量的小数部分，以液压马达不同组合实现所需的任意排量。
所述的数字编码方式为8421编码方式或者1111编码方式。
所述的定排量液压马达和变排量液压马达的排量大小通过数字编码的方式确定，将液压马达所需排量V平均分为x等份，x的大小由数字编码方式决定。则每一份的排量大小D：
所述定量液压马达根据编码方式选取对应份数的排量大小，所述变量液压马达的最大排量为D。定排量液压马达定排量液压马达的个数可以根据具体的实际情况选取。
通过风机轴上的传感器获得所述定量液压泵的转速，通过转速获得所需的流量，然后以液压马达排量组合方式控制所述高速换向阀的切换来控制所述的定排量液压马达和变排量液压马达的开启与闭合。
所述的单向阀和液压马达组合的输入端之间连接有压力传感器，所述的风机的输出轴上装有速度传感器。
所述第二定量液压泵与电动机连接，由油箱、第二定量液压泵和电动机形成了补油装置，由电动机驱动第二定量液压泵工作进行补油。
所述变量液压马达的排量通过油路压力控制。系统主油路中串联有的压力传感器获取油路压力大小。
本发明的有益效果是：
数字编码方式将所需的变量马达的排量数字化，通过几个依次大小的定量液压马达和一个小排量变量液压马达组合实现从零到最大排量之间的任意排量，实现无极调速功能的同时将低排量的对变量液压马达效率影响降低到最低，提高较低风速时传动系统的效率，同时也大幅降低系统成本。
附图说明
图1为数字式液压传动型风力发电机原理图。
图2为变量液压马达的排量数字化结构示意图。
图中：1、风机，2、第一定量液压泵，3、速度传感器，4-1、第一单向阀，4-2、第二单向阀，5、压力传感器，6、截止阀，7、蓄能器，8-1、第一换向阀，8-2、第二换向阀，8-3、第三换向阀，8-4、第四换向阀，9-1、第一定量液压马达，9-2、第二定量液压马达，9-3、第三定量液压马达，9-4、变量液压马达，10、发电机，11、过滤器，12、电动机，13、第二定量液压泵，14、油箱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明具体实施的数字式液压风机传动系统主要包括风机1、第一定量液压泵2、速度传感器3、压力传感器5、第一换向阀8-1、第二换向阀8-2、第三换向阀8-3、第四换向阀8-4、第一定量液压马达9-1、第二定量液压马达9-2、第三定量液压马达9-3、变量液压马达9-4、发电机10。风机1获得的机械能传递给第一定量液压泵2转化为液压能，第一定量液压马达9-1、第二定量液压马达9-2、第三定量液压马达9-3、变量液压马达9-4将液压能转化为机械能传递给发电机产生电能。速度传感器可以获得风机的转速(第一定量泵的转速)得到所需的马达排量控制第一换向阀8-1、第二换向阀8-2、第三换向阀8-3、第四换向阀8-4切换。第一定量液压马达9-1、第二定量液压马达9-2、第三定量液压马达9-3、变量液压马达9-4通过第一换向阀8-1、第二换向阀8-2、第三换向阀8-3、第四换向阀8-4、第五换向阀8-5的切换来控制开关。压力传感器5可以获得油路中的压力。为了防止油液倒流，系统中设有单向阀4-1、第二单向阀4-2。
考虑到泄露对液压系统的影响，在系统中设有补油装置补油装置包括：油箱14、第二定量液压泵13、电动机12、过滤器11、第二单向阀4-2。当需要向系统油路补充液压油时，电动机12启动控制第二定量液压泵13运转，油箱14中的液压油通过第二定量液压泵13，过滤器11，第二单向阀4-2进入油路中。
同时，该液压传动系统还包括了蓄能器7为了方便的控制蓄能器7蓄能和释放能量，蓄能器7与第一定量液压泵2出油口油路间应设有第二截止阀6.当风速较高时，多余的液压能可存储到蓄能器7中；当风速较低时，储存在蓄能器7中的液压能释放到系统内，使得系统的压力稳定。
如图2所示，本发明具体实施采用数字和模拟相结合的编码方式可将风机系统中变量液压马达的排量数字化。变量液压马达可以采用几个(图2以3个为例)依次大小的定量液压马达和1个小排量变量液压马达。从中可以看出，D3，D2和D1采用数字编码方式，构成了所需排量的整数部分(nD，其中n为整数)，而D0采用模拟方式，可在0和D之间任意调节，构成了所需排量的小数部分(0～D)。通过液压马达的不同组合，可以实现所需的任意排量。编码方式总类很多，下面以8421编码方式和1111编码方式为例说明。
如表1所示，采用的8421编码方式数字化变量液压马达的排量。3个定量液压马达的排量分别为4D，2D和D，变量马达的排量为0～D。例如所需的最大排量为4000cc/rev，则x＝8,D＝500cc/rev。则通过液压马达的不同组合，可以实现从0到8D(0～4000cc/rev)之间的任意排量，例如要实现6.4D的排量，只需选择D3和D2，并设置D0＝0.4D；要实现3.2D的排量，只需选择D2和D1，并设置D0＝0.2D。
表1
所需排量 D3＝4D D2＝2D D1＝D D0＝0～D
0～D 0 0 0 1
D～2D 0 0 1 1
2D～3D 0 1 0 1
3D～4D 0 1 1 1
4D～5D 1 0 0 1
5D～6D 1 0 1 1
6D～7D 1 1 0 1
7D～8D 1 1 1 1
如表2所示，采用的1111编码方式数字化变量液压马达的排量。3个定量液压马达的排量均为D，变量马达的排量为0～D。例如所需的最大排量为4000cc/rev，则x＝4,D＝1000cc/rev。通过液压马达的不同组合，可以实现从0到4D(0～4000cc/rev)之间的任意排量，例如要实现2.4D的排量，只需选择D2和D1，并设置D0＝0.4D；要实现1.2D的排量，只需选择D1，并设置D0＝0.2D。
表2
所需排量 D3＝D D2＝D D1＝D D0＝0～D
0～D 0 0 0 1
D～2D 0 0 1 1
2D～3D 0 1 1 1
3D～4D 1 1 1 1
表2中，1代表开启，0代表关闭。
由上述实施可见，本发明通过液压马达组合实现从零到最大排量之间的任意排量，实现无极调速功能的同时将低排量的对变量液压马达效率影响降低到最低，提高较低风速时传动系统的效率，同时也大幅降低系统成本，具有其突出显著的技术效果。

Claims (3)

1.一种数字式液压风机传动系统，其特征在于：包括风机（1）、第一定量液压泵（2）、液压马达组合和第二定量液压泵（13），风机（1）与第一定量液压泵（2）相连，第一定量液压泵（2）通过液压马达组合与发电机（10）连接，液压马达组合中的液压马达并联在第一定量液压泵（2）两端；第一定量液压泵（2）的液压输出端经第一单向阀（4-1）和液压马达组合的液压输入端连接，蓄能器（7）经截止阀（6）连接到第一单向阀（4-1）和液压马达组合的液压输入端之间，油箱（14）依次经第二定量液压泵（13）、过滤器（11）和第二单向阀（4-2）后连接到液压马达组合的液压输出端和第一定量液压泵（2）的液压输入端；
所述的液压马达组合采用数字编码方式的多个定量液压马达和一个变量液压马达并联的组合，每个液压马达连接有用于控制的高速换向阀；
通过液压马达组合将风机传动系统中所需排量数字化，具体是由排量依次递减的多个定量液压马达实现所需排量的整数部分，由变量液压马达实现所需排量的小数部分，以液压马达不同组合实现所需的任意排量。
2.根据权利要求1所述的一种数字式液压风机传动系统，其特征在于：所述的第一单向阀（4-1）和液压马达组合的输入端之间连接有压力传感器（5），所述的风机（1）的输出轴上装有速度传感器（3）。
3.根据权利要求1所述的一种数字式液压风机传动系统，其特征在于：所述第二定量液压泵（13）与电动机（12）连接，由电动机（12）驱动第二定量液压泵（13）工作进行补油。
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