CN110145444B

CN110145444B - 一种叶轮前测风装置

Info

Publication number: CN110145444B
Application number: CN201910382864.7A
Authority: CN
Inventors: 邓艾东; 王小彤; 崔舒欣
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2039-05-09
Also published as: CN110145444A

Abstract

本发明公开了一种叶轮前测风装置，包括全初次侧云台与轴间能量传输系统，全初次侧云台包括基座、贯穿式空心杆、空心杆驱动结构、传感器及辅助电路；基座上设有两轴承座，所述轴承座经轴承、轴套固定有一贯穿式空心杆；贯穿式空心杆上设有一固定齿轮，固定齿轮与空心杆驱动结构的输出齿轮啮合；传感器及辅助电路包括基座角度传感器、微处理器及电机驱动电路；在空心杆位于基座外侧近第一轴承处，还有一组无线供电装置；轴间能量传输系统包括基座与贯穿式空心杆靠近基座侧的一对无线供电线圈。本发明的叶轮前测风装置旨在保障可靠性的前提下，在风力机叶轮前若干米构造一稳定水平平面，用于安装风速传感装置，同时为传感器和通讯电路进行供电。

Description

一种叶轮前测风装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种叶轮前测风装置。

背景技术

现阶段，风力发电的主流控制技术仍属于滞后控制，根据风速风向的变化滞后调节风机桨距角、偏航角等参数，发电效率距离理论最大值仍有一定距离。超前控制需要精准的风速预测，而风速预测需要高质量的风速数据来源和合理的预测算法。

传统风力机的测风机构在机舱后部，受风力机叶片的阻挡及尾流效应影响，无法持续提供气流经风力机前的真实风速，这给风速预测带来了困难。另一方面，风力机叶轮为一连续转动平面，且叶轮轴线不一定与地面水平，无法获得水平、稳定的测量平面，这给风速传感器的安装带来了困难。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种叶轮前测风装置，本发明的叶轮前测风装置旨在保障可靠性的前提下，在风力机叶轮前若干米构造一稳定水平平面，用于安装风速传感装置，同时为传感器和通讯电路进行供电。

为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：

一种叶轮前测风装置，

包括全初次侧云台与轴间能量传输系统，全初次侧云台包括基座、贯穿式空心杆、空心杆驱动结构、传感器及辅助电路；所述基座上设有两个轴承座，所述轴承座经轴承、轴套固定有一贯穿式空心杆；所述贯穿式空心杆上设有一固定齿轮，所述齿轮与空心杆驱动结构的输出齿轮啮合；所述传感器及辅助电路包括基座角度传感器、微处理器及电机驱动电路；在贯穿式空心杆位于基座外侧处设有一组无线供电装置；轴间能量传输系统包括基座与贯穿式空心杆靠近基座侧的一对无线供电线圈。

进一步的，所述基座设有两个配有轴套的轴承座，轴套匹配轴承与空心杆内外径的公差，限制空心杆的前后移动，并可进行更换以适应不同外径的空心杆。

进一步的，所述贯穿式空心杆与轴承座紧固一齿轮，转动此齿轮使得空心杆相对于轴承座作无限制的轴向旋转。

进一步的，所述贯穿式空心杆的远端（远离基座一侧，下同）有一传感器平台，传感器平台始终与地面保持水平；传感器平台的尾部有一角度指示标记，用于确定前方测量平台的相对角度。

进一步的，所述空心杆驱动结构包括一带编码器的电机。

进一步的，所述电机进行前后反装，较正装重心靠后，且节约空间。

进一步的，所述基座角度传感器与基座固定，能够根据重力与陀螺仪复合计算基座的旋转角度。

进一步的，所述微处理器及电机驱动电路，能够根据一定算法驱动空心杆驱动电机，进而带动空心杆作反方向旋转以抵消基座自转。该算法具体为：读取基座角度传感器的角度和角速度数据，使用串级PID，角度输入作为位置环输入，位置环的输出与角速度作为速度环输入，最终由速度环输出误差信号，单片机根据误差信号驱动电机。

其中，算法的信息来源不包括空心杆一侧的传感器数据，即基座与空心杆远端一侧无数据链路。

进一步的，所述基座与贯穿式空心杆间设有无线供电装置，所述无线供电装置为无实体电气线路。

本发明具有如下优点：

本发明能够在叶轮前若干米构建一稳定的水平平台，并能对其上的传感器与通信电路进行供电；同时，系统前后级间仅有一机械轴，无任何实体电气连接，确保了较高的可靠性和较长的平均故障时间，大大减小了后期运维成本。

附图说明

图1为叶轮前测风装置机械结构图；

图2为叶轮前测风装置电气剖面图。

其中：

1、基座；

2、贯穿式空心杆；

3、空心杆驱动机构；

4、空心杆驱动固定齿轮；

5、轴套；

6、轴承；

7、轴承座；

8、角度传感器仓；

21、固定于空心杆上的无线供电接收线圈；

22、固定于轴承座前端的无线供电发射线圈；

23、角度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

如图1、图2所示的一种叶轮前测风装置，包括全初次侧云台与轴间能量传输系统，全初次侧云台包括基座1、贯穿式空心杆2、空心杆驱动结构3、传感器及辅助电路；基座上设有两个轴承座7，两个轴承座前后平行设置，两个轴承座分别通过两组轴承、轴套固定贯穿式空心杆，其中靠近传感器的为第二轴承，远离传感器的为第一轴承。轴承座经轴承6、轴套5固定贯穿式空心杆2；贯穿式空心杆2上设有一固定齿轮4，固定齿轮位于两个轴承座之间，固定齿轮4与空心杆驱动结构的输出齿轮啮合；在轴承的另一侧设有角度传感器仓8，角度传感器仓内设有角度传感器及辅助电路；角度传感器及辅助电路包括基座角度传感器23、微处理器和电机驱动电路；在贯穿式空心杆位于基座外侧靠近第一轴承处设有一组无线供电装置。轴间能量传输系统由基座与贯穿式空心杆靠近基座侧的一对无线供电线圈组成，无线供电线圈组包括固定于空心杆上的无线供电接收线圈21和固定于轴承座前端的无线供电发射线圈22。

在本实施例中，基座设有两配有轴套的轴承座，轴套匹配轴承与空心杆内外径的公差，限制空心杆的前后移动，并可进行更换以适应不同外径的空心杆。

在本实施例中，贯穿式空心杆与轴承座紧固一齿轮，转动此齿轮可使得空心杆相对于轴承座作无限制的轴向旋转。

在本实施例中，贯穿式空心杆的远端（远离基座一侧，下同）有一传感器平台，传感器平台始终与地面保持水平；传感器平台的尾部有一角度指示标记，用于确定前方测量平台的相对角度。

在本实施例中，空心杆驱动结构包括一带编码器的电机。空心杆驱动结构包括电机座、电机、减速箱、输出齿轮、电机编码器。

在本实施例中，电机进行前后反装，较正装重心靠后，且节约空间。

在本实施例中，基座角度传感器与基座固定，能够根据重力与陀螺仪复合计算基座的旋转角度。

在本实施例中，微处理器及电机驱动电路，能够根据一定算法驱动空心杆驱动电机，进而带动空心杆作反方向旋转以抵消基座自转。该算法具体为：读取基座角度传感器的角度和角速度数据，使用串级PID，角度输入作为位置环输入，位置环的输出与角速度作为速度环输入，最终由速度环输出误差信号，单片机根据误差信号驱动电机。

在本实施例中，算法的信息来源不包括空心杆一侧的传感器数据，即基座与空心杆远端一侧无数据链路。

在本实施例中，基座与空心杆间设有无线供电装置，无线供电装置为无实体的电气线路。

实施例2：

本实施例结合图1、图2说明系统机械结构的工作流程。

基座通过一定方式固定在风力机叶轮的整流罩上，其中心轴与风力机中心轴平行。图中未画出储能电池组等部件，通过调整电池组的相对位置，使结构其沿轴的重量对称分布。

空心杆为一体成型、未经切割的高模量3K碳纤维管，密度为1.6g/cm3，功能验证模型采用10mm外径，8mm内径，长度为1000mm的卷管，其重量为43.2g（内外径均为负公差）。首先穿过12mm内径的轴承，与轴套紧固后固定至一侧，随后安装空心杆齿轮，齿轮安装对位后锁紧另一侧轴套及轴承。至此，空心杆的安装完毕，其轴向可以自由转动，径向受轴套约束，不再前后移动。

带合理齿比减速机的电机被固定到安装座上，在合适的位置固定使齿轮良好啮合。于是，通过调节电机电流的方向与大小，对该电机作位置闭环，即可使得空心杆与基座发生可控的相对旋转。

在本实施例中，无线供电线圈组包括固定于空心杆上的无线供电接收线圈21和固定于轴承座前端的无线供电发射线圈22；系统前部的无线供电线圈组使得空心杆作无限制旋转时，仍能自基座侧获得电能，且由于线圈之间无触点连接，理论寿命不受摩擦等因素影响。需要提出的是，这样的设计方案使得基座与空心杆间无任何实体电气、信号连接，其可靠性仅受轴承、材料本身影响，定性计算可得，由于系统中具备更少的故障源，其平均无故障时间较导电滑环方案高。

空心杆中心有直径为8mm的空间，同时杆壁也是较好的防护外壳，传感器平台的模拟前端可藉由QFN封装、多层FPC柔性电路板工艺等做到微型化，尽可能利用空心杆中的空间。在空心杆的末梢，可按需加装平面或带一定倾角的斜坡面，完成传感器的安装。

实施例3：

本实施例结合附图2详细阐述全初次侧云台的工作原理。

传统的云台藉由可动部位的陀螺仪回报其当前角度，驱动前级电机运转从而保证自身水平。由于风力机叶轮为一单维度旋转运动，其相对旋转关系总可逆，故可通过初次侧的旋转角度对后级的相对旋转角作闭环，从而抵消基座（即风力机叶轮）的旋转影响。

图2中角度传感器23，其位于系统旋转轴上，故不会发生相对于轴的进动，即其仅进行X轴方向的旋转运动。角度传感器为一MEMS传感器件，通过转换器件所受的力来感值加速度、角速度。典型的器件选型为MPU6050，其为一三轴加速度计+三轴角速度计。需要注意的是，陀螺仪均不可避免地有零点误差，对外表现为无旋转时的角度漂移，由于旋转时X轴方向的重力分量发生变化，则可以利用重力对角度进行校准；必要时还可采取卡尔曼滤波方法，将误差纳入计算，确保高精度的角度数据。

处理得到基座当前的旋转角后，需要对电机作位置闭环，使其反方向旋转对应角度使得空心杆前端测量平台仍保持水平。其中，电机的位置闭环通过电机原始轴上的霍尔编码器实现，验证系统中采用的GM37-520减速电机，原始分辨率为11CPR，经1：90减速箱与15：40齿轮传动后，精度高达2640脉冲/圈，单脉冲精度达0.14°，结合陀螺仪200Hz的角度输出，能够完成1°精度的稳定度。

电机的位置闭环使用增量式PID。由于风力机叶轮惯量较大，其转速变化较为平缓；与此同时，传感器要求抖动尽可能小，则需要采取较小的比例系数和较大的微分系数，使系统的传函近似欠阻尼系统。

与此同时，为进一步减少测量平台抖动，应对电机的作缓启动处理，对于其死区作启动检测，避免电机内部阻力造成的非线性过冲。

本装置包括全初次侧云台与轴间能量传输系统，全初次侧云台包括基座，贯穿式空心杆，空心杆驱动结构，传感器及辅助电路。轴间能量传输系统则由基座与空心杆近基座侧的一对无线供电线圈组成。叶轮前测风装置通过动态控制空心杆相对于基座的转动速度，使空心杆末端的测量平台始终与地面平行；轴间能量传输系统为谐振式无线供电，无需任何端子接触。基座与空心杆之间无任何实体电气连接。相较于传统的导电滑环方案，无摩擦导致的性能衰减，大大提高了系统整体的可靠性。

本装置用于大型风力机组风轮前的测风，其前端的测量平台能够在连续转动的风力机叶轮前不间断取得未受干扰的原始风速风向。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种叶轮前测风装置，其特征在于：包括全初次侧云台与轴间能量传输系统，全初次侧云台包括基座、贯穿式空心杆、空心杆驱动结构、传感器及辅助电路；所述基座上设有两个轴承座，所述轴承座经轴承、轴套固定有一贯穿式空心杆；所述贯穿式空心杆上设有一固定齿轮，所述齿轮与空心杆驱动结构的输出齿轮啮合；所述传感器及辅助电路包括基座角度传感器、微处理器及电机驱动电路；在贯穿式空心杆位于基座外侧处设有一组无线供电装置；轴间能量传输系统包括基座与贯穿式空心杆靠近基座侧的一对无线供电线圈；所述贯穿式空心杆的远端设有一传感器平台，传感器平台始终与地面保持水平；传感器平台的尾部有一角度指示标记。

2.如权利要求1所述的一种叶轮前测风装置，其特征在于：所述基座设有两个配有轴套的轴承座，轴套匹配轴承与贯穿式空心杆内外径的公差以限制空心杆的前后移动。

3.如权利要求1所述的一种叶轮前测风装置，其特征在于：所述贯穿式空心杆与轴承座紧固一齿轮，转动此齿轮使得贯穿式空心杆相对于轴承座作无限制的轴向旋转。

4.如权利要求1所述的一种叶轮前测风装置，其特征在于：所述空心杆驱动结构包括一带编码器的电机。

5.如权利要求4所述的一种叶轮前测风装置，其特征在于：所述电机进行前后反装。

6.如权利要求1所述的一种叶轮前测风装置，其特征在于：所述基座角度传感器与基座固定。

7.如权利要求1所述的一种叶轮前测风装置，其特征在于：所述基座与贯穿式空心杆间设有无线供电装置，所述无线供电装置为电气线路。