CN108700030B

CN108700030B - 用于风力涡轮机的偏航传感器、偏航驱动器以及风力涡轮机

Info

Publication number: CN108700030B
Application number: CN201780010805.6A
Authority: CN
Inventors: L·格拉韦德; I·S·奥勒森; M·特格森; K·基布; J·尼尔森
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: EP3414454B1; WO2017137051A1; US11248583B2; US20190048848A1; EP3414454A1; CN108700030A; ES2812808T3

Abstract

描述了一种用于风力涡轮机的偏航传感器。偏航传感器包括多个旋转开关，每个旋转开关构造成耦连到风力涡轮机机舱的偏航驱动器变速箱，旋转开关各自是可操作的以根据偏航旋转量来启动和停用相应的相关电触头。每个电触头在相对于开始位置的多个第一偏航旋转范围处是起作用的，并且在相对于开始位置的多个第二偏航旋转范围处是不起作用的，第一和第二偏航旋转范围是交错的。电触头的第一偏航旋转范围在开始位置与从开始位置在第一旋转方向上的第一旋转位置之间不彼此重叠，并且在开始位置与从开始位置在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上的第二旋转位置之间不彼此重叠。在第一旋转位置和第二旋转位置启动所有电触头。电触头在起作用时各自产生相应的电信号。一个或多个电触头在第一与第二旋转位置之间的启动确认旋转开关正确地操作，减少对常规安全检查的要求，并且允许通过将由电触头产生的脉冲与角度编码器的输出进行比较来执行偏航传感器监控。

Description

用于风力涡轮机的偏航传感器、偏航驱动器以及风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机的偏航传感器。

背景技术

风力涡轮机包括站立在地面或海床上的固定塔架，以及搁置在塔架顶部并且承载涡轮机轴、变速箱、制动器、发电机、控制涡轮机叶片的角度的叶片桨距控制器、和控制风力涡轮机相对于风的位置的偏航驱动器的机舱。涡轮机叶片安装到机舱外部的涡轮轴。涡轮机叶片使得轴在风的影响下旋转，这继而驱动发电机产生电力。叶片的桨距由叶片桨距控制器控制，以根据风速影响驱动轴的旋转速度。偏航驱动器使机舱在塔架的顶部缓慢旋转，使得涡轮机叶片面向盛行风的方向，以维持最佳的功率输出。偏航驱动器利用风向传感器来确定当前风向，并且偏航传感器包括角度编码器，所述角度编码器确定机舱的当前偏航位置。偏航驱动器包括控制器，所述控制器根据从这些传感器收集的信息确定偏航调节以使机舱对准风向。

可以理解的是，从机舱中的发电机产生的电力沿塔架向下传送并经由电缆传送到配电系统。还可以理解的是，如果机舱继续在相同方向上连续旋转，最终电缆中的任何松弛都将耗尽，并且如果机舱进一步旋转，则电缆将会咬合。偏航传感器由通常来自编码器的信号组成，所述信号向控制系统提供机舱方位的信息。为了防止线缆过度扭曲，控制系统在给定的有限数量的机舱转数下停止涡轮机的偏航。如果控制系统发生故障，则使用安全触头防止线缆过度扭曲，以避免损坏涡轮机(高压线缆断裂)。触头向偏航电机发出信号以停止。为了实现这一点，偏航传感器包括旋转凸轮开关，所述旋转凸轮开关通过小齿轮耦连到偏航驱动器的变速箱，并且当凸轮开关的驱动器已从中心位置在任一方向上旋转到预定(安全终止)位置时启动(或停用)电触头。可以理解的是，凸轮开关的预定位置将会对应于预定偏航位置(所述预定偏航位置通常可以预期为大于360°的值——即，机舱的多圈旋转)。例如，机舱可能能够在不损坏线缆的情况下在任一方向上围绕其塔架的轴线安全地旋转10圈，在这种情况下，凸轮开关将会在一凸轮位置处启动(或停用)电触头，所述凸轮位置对应于机舱在任一方向上的3600°的偏航旋转。在该实施例中，对于机舱旋转20圈，凸轮开关可以旋转一圈，即，凸轮开关从开始位置在每个方向上的半圈将启动(或停用)电触头。当启动(或停用)电触头时，这触发偏航驱动器将机舱在相反方向上向后旋转(在该实施例中为10圈)至其中心静止位置或者使涡轮机紧急停止等待维护以纠正问题。

偏航传感器可以通过小齿轮从偏航驱动器连接到偏航轴承，并且角度编码器可以直接或经由齿轮连接到偏航传感器中的轴。在角度编码器之后，可以在凸轮开关之前设置齿轮。因此，存在可能部分或完全失效的若干变速器，所述若干变速器可能停止或至少阻止凸轮开关和/或角度编码器工作。安全法规规定，必须每年启动一次所有安全传感器和触头。但是，由于触头在正常操作下未启动，但仅在控制系统出现故障时使用，因此它们通常从来不会被启动。因此，触头功能则必须通过技术人员检查，但这需要手动拆卸传感器，这会带来错误装配的潜在风险。此外，该过程可能是耗时且昂贵的。

正是在这种背景下设计了本发明。

发明内容

在第一方面中，本发明提供一种用于风力涡轮机的偏航传感器，偏航传感器包括：

多个旋转开关，每个配置成耦连到风力涡轮机机舱的偏航驱动器变速箱，旋转开关各自是可操作的以根据机舱相对于开始位置的偏航旋转量来启动和停用相应的相关电触头；

其中每个电触头在相对于开始位置的多个第一偏航旋转范围内是起作用的，并且在相对于开始位置的多个第二偏航旋转范围内是不起作用的，第一和第二偏航旋转范围是交错的，其中电触头的第一偏航旋转范围在开始位置与从开始位置在第一旋转方向上的第一旋转位置之间不彼此重叠，并且在开始位置与从开始位置在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上的第二旋转位置之间不彼此重叠，并且其中在第一旋转位置和第二旋转位置处启动所有电触头；以及

其中电触头在起作用时各自产生相应的电信号。

偏航传感器可以包括控制器，所述控制器可操作以接收来自电触头的电信号并且当从两个或更多个电触头同时接收电脉冲时使偏航驱动器停止旋转。

虽然可以使用两个旋转开关，但是优选使用三个旋转开关，使得如果开关中的一个失效，则旋转开关中的两个仍然可以启动它们各自的触头以使偏航驱动器停止旋转。

每个电触头可以具有相同数量的第一偏航旋转范围，或者可选地，电触头中的两个或更多个可以具有不同数量的第一偏航旋转范围。

控制器可以是可操作的以接收来自电触头的电信号并且基于所接收的电信号的脉冲序列或所接收的电信号的脉冲之间的间隙来估算机舱相对于开始位置的当前偏航旋转。控制器可以是可操作的以根据从不同的电触头接收的脉冲的顺序来估算当前偏航旋转。控制器是可操作的以根据机舱的当前旋转方向来估算当前偏航旋转。

偏航传感器可以包括耦连到偏航驱动器变速箱的绝对编码器，绝对编码器是可操作的以确定机舱的当前偏航位置。控制器可以是可操作的以将通过绝对编码器确定的当前偏航位置与所估算的当前偏航位置进行比较。控制器可以是可操作的以根据通过绝对编码器确定的当前偏航位置是否基本上匹配基于旋转开关估算的当前偏航位置来产生验证信号。

对于旋转开关中的至少一个，在相对于开始位置的第一旋转方向上的第一和第二偏航旋转范围的分布可以与在相对于第一位置的第二相反旋转方向上的第一和第二偏航旋转范围的分布不同。在这种情况下，控制器可以是可操作的以基于来自一个或多个电触头的两个或更多个所接收的电信号脉冲的出现顺序来确定机舱正在旋转的方向。

第一旋转位置可以是机舱在相对于开始位置的第一旋转方向上的多个旋转，并且第二旋转位置可以是机舱在相对于开始位置的第二旋转方向上的多个旋转。第一和第二旋转位置可以接近机舱的安全终止位置。

在第二方面中，本发明提供了一种用于风力涡轮机的偏航驱动器，所述偏航驱动器包括如上所述的偏航传感器。

在第三方面中，本发明提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括如上所述的偏航传感器。

附图说明

图1是风力涡轮机系统的示意图；

图2是偏航驱动器和传感器的示意功能图；

图3是现有技术凸轮开关的示意图；

图4是改良的凸轮开关的示意图；

图5是一组改良的凸轮开关的示意图；

图6是另一组改良的凸轮开关的示意图；以及

图7是另一组改良的凸轮开关的示意图。

具体实施方式

图1示出了风力涡轮机10，所述风力涡轮机包括支撑机舱14的塔架 12，转子16安装到所述机舱。转子16包括从中心轮毂20径向延伸的多个风力涡轮机叶片18。在该实施例中，转子16包括三个叶片18。如上所述，风力涡轮机叶片18的桨距可以通过叶片桨距控制器(未示出)调节，而机舱14的偏航可以通过偏航驱动器(未示出)调节，以大致面向风。

图2示出了偏航驱动器100的功能部件和相互关系。偏航驱动器100 包括偏航驱动器变速箱110，所述偏航驱动器变速箱一方面连接到其上设置有机舱14的旋转底座(未示出)，并且另一方面连接到电机112，所述电机使一轴旋转，用于经由变速箱110驱动旋转底座的旋转。设置偏航传感器 120，所述偏航传感器通过小齿轮114的方式耦连到偏航驱动器变速箱110 (例如偏航轴承)。偏航传感器包括角度(绝对)编码器124和机械凸轮开关128。在机舱14通过电机112和变速箱110的作用而旋转时，小齿轮114 也旋转，并且小齿轮114的旋转继而使偏转传感器120的传感器轴122旋转。角度编码器124直接或通过另一个齿轮(未示出)的方式耦连到传感器轴122，并且能够跟踪轴的旋转并且输出指示机舱14的当前旋转位置的信号。凸轮开关128也耦连到传感器轴122，在这种情况下通过凸轮齿轮 126的方式。可以理解的是，如果小齿轮114失效，则绝对编码器124和凸轮开关128都将不会起作用。此外，如果角度编码器124与传感器轴122 之间的耦连失效，则角度编码器124将不会起作用，但是凸轮开关128应当仍然起作用，而如果凸轮齿轮126失效，则凸轮开关128将不会起作用，但是角度编码器124应当仍然起作用。换句话说，存在可能失效的许多变速器组件。

提供控制器130，所述控制器通过将电机112接通和断开(并设定所述电机的旋转方向，以允许机舱14在任一方向上旋转)来控制偏航驱动器。控制器130接收来自风向传感器140的当前风向的指示，并且还接收来自角度编码器124的机舱14的当前偏航位置。控制器130能够确定机舱14 的偏航需要哪些调整(如果有的话)，以使涡轮机叶片18面向风。这可以基于所测量的相对风向确定。如果需要调节，则控制器130控制电机112 以使机舱114旋转预定量以实现调节。通常，可以预期旋转速度是固定的，并且通过将电机112接通一段时间来实现期望旋转量，这将导致旋转所述期望量。换句话说，对于固定的旋转速度和已知的电机启动持续时间，所获得的机舱的旋转量是基本上可预测的。如通过角度编码器124确定的偏航(机舱)位置可以用于给出绝对风向，所述绝对风向可以用于确定风是否来自应当使涡轮机降额或停机的方向。其还用于确定偏航速度。除了通过角度编码器124指示的偏航位置之外，凸轮开关128还向控制器130提供一个或多个信号。

凸轮开关128可以具有结构上的传统特性，其中电触头通过圆盘或“凸轮”打开和关闭。凸轮设置有允许在凸轮的期望旋转位置处启动(开关闭合以允许电流流动)和停用(开关打开以阻止电流)触头的凹口或指状物。弹簧偏压可以用于使跟随构件抵靠凸轮偏置，其中跟随构件在凸轮有凹口并且构件向下落入凹口中的各处保持触头闭合，并且在其没有凹口的各处保持触头打开。可以理解的是，相反的情况可以适用，其中触头每当凸轮有凹口时打开，并且每当其没有凹口时关闭。类似地，在使用指状物而不是凹口的情况下，则跟随构件每当其遇到指状物时将会被推离凸轮的轴线。更一般地，凸轮可以具有(相对)升高和降低的圆周部分，其中触头的切换随着跟随构件遇到并跟随升高和降低的圆周部分而受到控制。凸轮开关 128可以包括多个凸轮，所有凸轮共同安装到同一轴并且具有期望位置处的升高和降低的圆周部分，并且基于升高和降低的圆周部分的位置控制其自身的独立触头。

在本技术的上下文中，可以设定升高(或降低)的圆周部分在特定凸轮上的位置以启动或停用凸轮(以及因此机舱14，其经由小齿轮114、传感器轴122和凸轮齿轮126耦连到凸轮开关128的轴)的期望旋转位置处的触头。可以理解的是，鉴于凸轮的单圈旋转可以对应于机舱14的多圈旋转的事实，凸轮开关启动或停用所在的机舱14的旋转位置可以大于360°。类似地，凸轮上的升高或降低部分的长度可以设定为对应于凸轮(以及因此机舱14)的特定角度范围。凸轮中的一个可以包括定位成对应于机舱14 的安全停止位置(例如，机舱14在每个方向上的10圈旋转)的单个凹口或指状物。在这种情况下，对应于机舱14的开始位置的凸轮的开始位置可以在凸轮的与凹口或指状物相反的一侧，并且凸轮的半圈旋转(从开始位置到达凹口或指状物)将对应于机舱14可以在任一方向上安全转动的转数 (全部或部分)。如果例如机舱14可以围绕塔架12的轴线安全地旋转最多 10圈，则机舱14在特定方向上的每圈旋转将使凸轮从凸轮开始位置朝向凹口或指状物旋转10％。无论机舱14转向哪个方向，凸轮都将会从其开始位置转动10圈后到达凹口或指状物，这将会导致电信号通过凸轮开关128的触头产生并作为安全终止信号提供给控制器130。控制器130响应于该安全终止信号以阻止机舱14在所述方向上的进一步旋转，和/或使机舱14(以及因此凸轮)旋转回其开始位置。

凸轮还可以包括围绕其圆周分布的使得触头在机舱14(并且因此凸轮) 旋转时启动和停用的一个或多个升高和降低部分。该触头的启动和停用产生信号，可以将所述信号提供给控制器130以指示凸轮开关128仍在起作用。特别地，控制器130基于其正在触发电机112以驱动机舱14的旋转并且还基于从角度编码器124接收的信号中的任一个或两者来知道机舱14正在旋转。如果在机舱14旋转时，从凸轮开关128接收的信号不会改变，则控制器能够推断出凸轮开关或变速箱110与凸轮开关128之间的传动链的问题。在这种情况下，控制器130不能安全地依赖来自凸轮开关128的安全终止信号，并且可以阻止偏航驱动器使机舱14旋转，直到问题已经通过工程师纠正。传统上，凸轮盘布置成使得其在凸轮盘上的一点处使触头闭合，接下来存在适合于偏航环的齿轮装置并且将选择所述齿轮装置成使得其在对应于多圈机舱转数的给定极限处提供终止，如上所述。然而，采用这种设计，仅在控制系统发生故障时才启动触头。因此需要手动功能检查。图3中示出了这种传统凸轮开关的实施例。这里，凸轮上的单个销从开始位置在任一方向上触发终止位置，从而限定所允许的最大机舱转数。

现在参照图4，提供了在凸轮上的附加“销”(或如上所述的等效构造)，其可以在正常操作期间被启动(而不是仅在紧急停止情况下被启动，如图3 的情况)。该附加销接下来将会启动触头，并在正常操作下满足安全系统要求。可以理解的是，销将会在开始位置与终止位置中的一个之间的某点处与触头重合。可以理解的是，有必要区分触头在正常操作期间的启动与触头触发终止的启动。这是通过提供具有相同功能和结构的一个或多个附加凸轮来实现的，但是它们的附加销相对于彼此处于不同的旋转位置，如图5 所示。此外，需要终止条件(以停止偏航电机)仅在同时启动两个或多个触头时触发。然而，为了提供与一个触头相同的安全级别，至少需要3个凸轮(和触头)，如图5所示。这是因为，如果只提供2个凸轮(和触头)，则单个触头的失效将会使得终止条件的触发成为不可能，但两个凸轮(和触头)中的一个失效的可能性高于单个凸轮或触头失效的可能性。参考图5，可以看出，在图表的任一侧的终止位置处，所有三个信号将转变为“高”状态，指示相应的触头是起作用的。由于在这种情况下，满足至少两个触头是起作用的要求，因此满足终止条件。然而，在机舱在其正常范围内(即，在终止位置之间)在任一方向上旋转时，可以预期触发至少一个附加销。在机舱的旋转范围的中心区域内，将会启动图5中所示的顶部凸轮触头。在一个方向上的正常操作区域中，将会启动在图5中所示的中间凸轮触头。在相反方向上的正常操作区域中，将会启动图5中所示的底部凸轮触头。然而，在正常操作区域内，一次将会启动三个触头中的仅一个，使得将不会满足终止条件。

参考图6，可以将另外的销添加到每个凸轮以实现偏航传感器监控。可以看出，三个凸轮A，B，C中的每一个在机舱的正常旋转范围内的不同位置处具有多个销。在机舱旋转时，将会触发特定的接触序列。从左手侧开始并且向右移动，可以看出将会触发C，B，A，A，B，B，C，C，A触头的序列。由于每个凸轮的销中的每一个对应于机舱的预定旋转位置，因此通过观察来自相同或不同触头的脉冲的转变，可以估算所述旋转位置。例如，从A到B的过渡指示靠近中心开始位置的旋转位置，而从C到A的过渡表示靠近图5的右手侧的旋转位置。可以相对于通过角度编码器测量的旋转位置检查所估算的旋转位置，并且在不匹配的情况下，可以产生错误信号。应当注意的是，图5中的附加销/脉冲中没有一个同时出现在多个凸轮上(因为这将触发终止条件)。

参考图7，展示了如何实现偏航传感器监控的另一实施例。在图7中，通过低信号值指示脉冲。在图7中，再次提供3个凸轮和触头，产生三个信号——信号#1，信号#2和信号#3。可以看出，除了终止脉冲之外，信号#1(顶部)还包括两个脉冲。所述两个脉冲相对于机舱的开始(中心) 位置对称设置。除了终止脉冲之外，信号#2还包括四个脉冲。所述四个脉冲相对于机舱的开始位置不对称地设置。除了终止脉冲之外，信号#3还包括三个脉冲。所述三个脉冲相对于机舱的开始位置不对称地设置。与图6 一样，没有脉冲(除了终止脉冲)将同时产生，以免错误地产生终止条件。利用这种布置，在信号#1，#2和#3上产生脉冲的顺序将会通知机舱的旋转方向和当前旋转位置的估算。

从图5，6和7可以理解的是，可以通过确定脉冲(或脉冲之间的间隙) 从相同或不同的触头到达的顺序来估算机舱14的偏航。应当注意的是，这些信号是数字的，指示触头当前是起作用的还是不起作用的。它们本身并不表示凸轮(或机舱14)的当前旋转位置。控制器130知道脉冲序列与从机舱14的开始位置(在每个旋转方向上)的角距离之间的对应关系，因此能够从所观察到的脉冲转变推断出偏航位置的估算。

可以理解的是，机舱14可以在两个旋转方向上振荡以跟踪风向。与给定脉冲相关联的旋转位置可以取决于接近所述脉冲的方向。这是因为每个脉冲具有有限长度，并且当从第一方向接近时脉冲的前沿将会是从相反方向接近时脉冲的后沿。

控制器130能够将以这种方式从凸轮开关脉冲估算的偏航位置与通过旋转编码器124测量的偏航位置进行比较，以监控编码器偏航位置信号是否是有效的并且验证机舱14的绝对位置。在出现差异的情况下，可以禁止偏航驱动器进一步旋转机舱14，直到工程师纠正了问题(这可能是旋转编码器124和凸轮开关128中的任一个或两个的问题，或者是传动部件的问题)。可以生成验证信号(或错误信号)以确认编码器偏航位置是有效的，或者替代地指示编码器偏航位置与凸轮开关偏航位置之间存在差异。

如果需要，通过凸轮开关128产生的偏航脉冲也可以用于限定复位点。更具体地，可以使用偏航脉冲来限定和控制在复位时(当其已到达安全停止点中的一个或另一个时)机舱14返回的位置。特别地，控制器130可以使机舱14从安全停止点向后旋转，直到凸轮开关128产生对应于期望的机舱14位置的脉冲转变。

虽然已经示出和描述了本发明的实施方式，但是应当理解的是，这种实施方式仅作为实施例描述，并且可以理解的是，不同实施方式的特征可以彼此组合。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替换。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同方案。

Claims

1.一种用于风力涡轮机的偏航传感器，偏航传感器包括：

其中每个电触头在相对于开始位置的多个第一偏航旋转范围处是起作用的，并且在相对于开始位置的多个第二偏航旋转范围处是不起作用的，第一和第二偏航旋转范围是交错的，其中电触头的第一偏航旋转范围在开始位置与从开始位置在第一旋转方向上的第一旋转位置之间不彼此重叠，并且在开始位置与从开始位置在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上的第二旋转位置之间不彼此重叠，并且其中在第一旋转位置和第二旋转位置启动所有电触头；以及

其中电触头在起作用时各自产生相应的电信号。

2.根据权利要求1所述的偏航传感器，包括控制器，所述控制器能够操作以接收来自电触头的电信号并且当从两个或更多个电触头同时接收电脉冲时使偏航驱动器停止旋转。

3.根据权利要求1或2所述的偏航传感器，其中所述多个旋转开关由三个开关组成。

4.根据权利要求1或2所述的偏航传感器，其中每个电触头具有相同数量的第一偏航旋转范围。

5.根据权利要求1或2所述的偏航传感器，其中电触头中的两个或更多个具有不同数量的第一偏航旋转范围。

6.根据权利要求1所述的偏航传感器，包括控制器，所述控制器能够操作以接收来自电触头的电信号并且基于所接收的电信号的脉冲序列或所接收的电信号的脉冲之间的间隙来估算机舱相对于开始位置的当前偏航旋转。

7.根据权利要求6所述的偏航传感器，其中控制器是可操作的以根据从不同的电触头接收的脉冲的顺序来估算当前偏航旋转。

8.根据权利要求7所述的偏航传感器，其中控制器是可操作的以根据机舱的当前旋转方向来估算当前偏航旋转。

9.根据权利要求6，7或8中任一项所述的偏航传感器，包括耦连到偏航驱动器变速箱的绝对编码器，绝对编码器是可操作的以确定机舱的当前偏航位置，

其中控制器是可操作的以将通过绝对编码器确定的当前偏航位置与所估算的当前偏航位置进行比较。

10.根据权利要求9所述的偏航传感器，其中控制器是可操作的以根据通过绝对编码器确定的当前偏航位置是否基本上匹配基于旋转开关估算的当前偏航位置来产生验证信号。

11.根据权利要求1所述的偏航传感器，其中对于旋转开关中的至少一个，在相对于开始位置的第一旋转方向上的第一和第二偏航旋转范围的分布与在相对于第一位置的第二相反旋转方向上的第一和第二偏航旋转范围的分布不同。

12.根据权利要求6或11所述的偏航传感器，其中控制器是可操作的以基于来自一个或多个电触头的两个或更多个所接收的电信号脉冲的出现顺序来确定机舱正在旋转的方向。

13.根据权利要求1或2所述的偏航传感器，其中第一旋转位置是作为机舱在相对于开始位置的第一旋转方向上的多次旋转的结果的位置，并且第二旋转位置是作为机舱在相对于开始位置的第二旋转方向上的多次旋转的结果的位置。

14.根据权利要求1或2所述的偏航传感器，其中第一和第二旋转位置接近机舱的安全终止位置。

15.一种用于风力涡轮机的偏航驱动器，包括根据前述权利要求中任一项所述的偏航传感器。

16.一种风力涡轮机，包括根据前述权利要求中任一项所述的偏航传感器。