CN1213224C - 带有偏航调控装置的风力机 - Google Patents
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Abstract
一种带有偏航调控装置的风力机，主要涉及风力发动机领域。其风轮安装在风轮轴上，电机和回转体与尾翼连接，电机和回转体在支撑杆顶部可绕回转轴心回转，尾翼由尾杆和与尾杆连接的舵板组成，其特征在于：电机与回转体和尾翼刚性连接，舵板通过铰链轴连接在尾杆的后部，舵板与舵板轴铰接，在尾杆末端安装尾翼螺旋桨。本发明用可靠、简便的机构对风力机运行过程实现动态跟踪和随机控制，使风力机在风速10-30米/秒大的范围变化时，能平稳运行，输出稳定。
Description
技术领域
本发明涉及风力发动机领域，更具体的说是涉及一种能实现偏航自动控制的风力机。
背景技术
现有技术的风力发电机，由于风力机运行在自然风速频繁、甚至是急剧变化的工况下，因此发电机的转速忽快忽慢，使其输出功率、电压和频率变化范围较大，有时相差几十倍，造成不能直接方便的使用这种电源。长期以来，人们一直在不断探索和研究采用何种简便、可靠的机构或装置来经济有效地对风力机进行调控。在《中国风能论文集》1992年12月出版，第311-356页和第367-425页中，提及可以采用机械离心式变桨距，气动力变桨距，液压变桨距，强制式摩擦制动机构，阻尼档风板和侧偏(或上仰)风轮等对风力机进行调控。其中有的变桨距机构虽能达到较好的技术效果，却由于机构复杂，难以制造，生产成本高，使用维护烦琐等原因而未能推广应用；偏侧(或上仰)风轮的调控方式虽然比较经济简单，但由于控制滞后，调节离散性大，调控过程常伴有剧烈振动，因此难以在风轮直径大于5米的的高速型风力机上应用。作为独立供电的离网型风力发电机，以往所见各种机型均需配备蓄电池组和逆变电源，经过交流→直流→交流的变换过程，才能输出稳定的交流电源，供给负载使用。作为直接提供机械动力的风力机，也由于机械功率的大范围变化和运行的不稳定，使所带动的工作机械极难配套。
发明内容
本发明的目的是提供一种用可靠、简便的机构使其在风速10-30米/秒的大范围变化时，能平稳运行，输出稳定，直接向负载供给交流电源，并可对其运行过程实现动态跟踪控制的带有偏航调控装置的风力机。
本发明的带有偏航调控装置的风力机，其风轮安装在风轮轴上，电机和回转体与尾翼连接，电机和回转体在支撑杆顶部可绕回转轴心回转，尾翼由尾杆和与尾杆连接的舵板组成，其特征在于：电机与回转体和尾翼刚性连接，舵板通过铰链轴连接在尾杆的后部，舵板与舵板轴铰接，在尾杆末端安装尾翼螺旋桨。
本发明所述的尾翼螺旋桨上设置有变频调速驱动电机，通过电机轴紧固在尾杆末端，并通过控制电路与风力机的输出电路连接。尾翼螺旋桨的轴水平安装，其旋转面与风轮旋转面垂直。所述的舵板为折页式，其通过铰链轴固定在尾杆后部，舵板轴与尾杆后部呈30-90度可调角度的固定连接。风轮轴与电机和回转体的回转轴心有一个偏心距。所述的控制电路包括：频率检测电路、比较器、固定频率发生器、可编程序控制器、变频发生器，其中比较器的两端分别连接固定频率发生器和频率检测电路，频率检测电路的另一端连接到电机输出端，三相整流桥两端分别连接风力机输出电路和变频发生器，比较器通过可编程序控制器连接到变频发生器，再连接到尾翼螺旋桨的电机输入端。所述的控制电路也可以包括风力机测速仪、比较器、固定频率发生器、变频发生器；其中比较器的两端分别连接固定频率发生器和风力机测速仪，比较器连接变频发生器，再连接到尾翼螺旋桨的电机输入端，发电机的两端分别连接风力机输出电路和整流器，整流器的另一端连接变频发生器。所述的风力机控制电路设置有泄流电路，其直接连接于风力机的输出电路上，包括电压检测电路和电子负载泄流稳压电路。
本发明与现有技术相比，具有：
1、尾翼螺旋桨的设置使风轮在风速过大时，可以通过尾翼螺旋桨的控制电路启动尾翼螺旋桨上的变频调速电动机带动尾翼螺旋桨旋转，产生一回转力矩，驱使风轮偏航，并通过控制电路的调节，调整风轮维持在输出电压、频率、功率等参数相对稳定的角度。尾翼螺旋桨的设置不但能很好地调节风轮对风的角度，而且结构简单、安装简便、造价低，适用于独立供电的风力发电机和其他直接输出机械动力的风力机。
2、采用本发明风力机，在额定风速及超额定风速时，其输出电压波动可控制在±5％，频率可控制在±5HZ，输出功率不大于额定值的1.5倍；可以离开蓄电池组和逆变电源直接向负载提供稳定的交流电源。
3、舵板设计为折页式结构，其轴穿过舵板的上侧，并通过铰链轴与尾杆连接，其安装角度可以调节，在风力机调控过程中，风吹到舵板上，舵板会绕着舵板轴翻转，减小了调控过程中的阻力，有利于风力机的调控尽快达到稳定的输出。
4、尾杆与电机回转体的刚性连接有效避免了运行过程中的摇摆和振动，延长了风力机的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2和图3为本发明的调控过程的俯视图；
图4为本发明舵板的示意图；
图5为本发明实施例1的控制电路方框图；
图6为本发明实施例2的控制电路方框图；
具体实施方式
图1中，1风轮、2电机和回转体、3尾杆、4舵板、5尾翼螺旋桨。尾翼螺旋桨5的轴水平安装，其旋转面与风轮1的旋转面相互垂直，当风速超过额定值时，尾翼螺旋桨5上的变频调速驱动电机收到驱动信号带动尾翼螺旋桨5开始旋转，产生拉力，通过尾杆3、电机和回转体2，使风轮1在水平面上转动，并转动到合适的角度，使电机输出保持稳定。此时舵板4受侧风压力，处于翻转顺风状态。
图2中，当风力机在额定风速及额定风速以下运行时，由于风轮轴与回转轴心8有偏心距，风轮1受到正面压力，产生的偏转力矩，该力矩与尾翼所产生的复位力矩相平衡，此时，风轮1处于正对风状态。图中，↓指向为尾翼螺旋桨5的拉力方向；
图3中，当风速超过额定值时，风轮1正面压力加大，风轮1的偏转力矩大于尾翼的复位力矩，风轮1开始侧偏；这时电机的输出额高于设定频率，风力机的控制电路开始作用，驱动尾翼螺旋桨5开始旋转，产生一个拉力，加速了风轮1的侧偏，释放了多余的风能，使风力发电机输出保持稳定。在风力发电机输出超出额定或设定值的同时，风力机的泄流电路也作用，将高于额定或设定值的那部分电流释放掉。图中所示的是风力机调控的极限状态。
图4中，舵板4设置为折页式舵板，其通过铰链轴6与尾杆3相连，舵板轴7与尾杆3的连接成30-90度可调角度，当角度调整完成后将舵板轴7固定，舵板4的这种连接方式，不但很好地发挥了普通舵板的作用，还可以在偏航时，舵板4绕舵板轴7翻转，减小风阻。舵板轴7倾角的初始值以40-60度为宜。
尾翼螺旋桨5上设置一变频调速驱动电机，其通过控制电路与风力发电机的输出电路连接。如图5所示，所述的控制电路包括：频率检测电路、比较器、固定频率发生器、可编程序控制器、变频发生器等。其中，比较器的两端分别连接固定频率发生器和频率检测电路，频率检测电路的另一端连接在电机输出端；比较器通过可编程序控制器连接到变频发生器，再连接到尾翼螺旋桨5的变频调速驱动电机输入端。
如图5控制电路实施例1所示：这时风力机为风力发电机，当风速增大时，风力发电机的输出电压和频率将相应地增大，这时，控制电路的频率检测电路将检测到的频率输入到比较器与固定频率发生器的固定频率50HZ相比较，比较信号输入可编程序控制器，如果其输出频率高于50HZ，可编程序控制器就给变频发生器发出一驱动信号，变频发生器驱动尾翼螺旋桨5上的变频调速驱动电机，使尾翼螺旋桨5旋转，产生拉力，并拉动风力机在水平面转过一定的角度，在尾翼螺旋桨5、舵板4等的共同作用下，风力发电机的输出频率重新回到50HZ。反之，尾翼螺旋桨停转，风力机恢复到风轮正对风的状态。
如图6控制电路实施例2所示：属于直接提供机械动力的风力机，在风力机的风轮1设置一风机测速仪，风机测速仪检测风轮1的转速，然后输入到比较器与设定的固定频率发生器的频率相比较，如果其频率高于固定频率发生器的频率，比较器将发信号到变频发生器，变频发生器将发信号给尾翼螺旋桨变频调速驱动电机，驱动尾翼螺旋桨5旋转，产生拉力，拉动风力机转过一个角度，使输出稳定；反之，尾翼螺旋桨5停转，风力机恢复到风轮1正对风的状态。
在图5、图6中，所述的风力机控制电路设置有一路泄流电路，其直接连接于风力机的输出电路上，它包括电压检测电路和电子负载泄流稳压电路。泄流电路可以把风力机所输出的高于额定或设定输出的那部分电流，通过电子负载泄流电路释放掉。当风力机的输出功率过高时，电压检测电路直接将电压传输到电子负载泄流电路，电子负载泄流电路将高于额定或设定的电流通过其电路释放掉，从而使风力机有稳定的输出。
其中的电压检测电路、频率检测电路、比较器、固定频率发生器、可编程序控制器、变频发生器、三箱整流桥、整流器、电子负载泄流稳压电路等均为常规电路。
Claims (8)
1、一种带有偏航调控装置的风力机，其风轮安装在风轮轴上，电机和回转体与尾翼连接，电机和回转体在支撑杆顶部可绕回转轴心回转，尾翼由尾杆和与尾杆连接的舵板组成，其特征在于：电机与回转体和尾翼刚性连接，舵板通过铰链轴连接在尾杆的后部，舵板与舵板轴铰接，在尾杆末端安装尾翼螺旋桨。
2、根据权利要求1所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：所述的尾翼螺旋桨上设置有变频调速驱动电机，通过电机轴紧固在尾杆末端，并通过控制电路与风力机的输出电路连接。
3、根据权利要求1或2所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：所述的尾翼螺旋桨的轴水平安装，其旋转面与风轮旋转面垂直。
4、根据权利要求1所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：所述的舵板为折页式，其通过铰链轴固定在尾杆后部，舵板铰链轴与尾杆后部呈30-90度可调角度的固定连接。
5、根据权利要求1所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：风轮轴与电机和回转体的回转轴心有一个偏心距。
6、根据权利要求2所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：所述的控制电路包括：频率检测电路、比较器、固定频率发生器、三相整流桥、可编程序控制器、变频发生器，其中比较器的两端分别连接固定频率发生器和频率检测电路，频率检测电路的另一端连接到电机输出端，三相整流桥两端分别连接风力机输出电路和变频发生器，比较器通过可编程序控制器连接到变频发生器，再连接到尾翼螺旋桨的电机输入端。
7、根据权利要求2所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：所述的控制电路包括风力机测速仪、发电机、整流器、比较器、固定频率发生器、变频发生器；其中比较器的两端分别连接固定频率发生器和风力机测速仪，比较器连接变频发生器，再连接到尾翼螺旋桨的电机输入端，发电机的两端分别连接风力机输出电路和整流器，整流器的另一端连接变频发生器。
8、根据权利要求6所述的带有偏航调控装置的风力机，其特征在于：所述的风力机控制电路设置有泄流电路，其直接连接于风力机的输出电路上，其包括电压检测电路和电子负载泄流稳压电路。
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