CN1289813C - 风力设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是改进风力设备的方位驱动器从而提供一种机构上简单的方位驱动器，以确保载荷均匀地分配给每个方位驱动器，并防止在各个驱动器中产生不希望的扭矩波动。根据本发明的一种风力设备，有一个机壳，该风力设备包括：(a)具有至少一个转子叶片的转子；和(b)用以移动机壳从而将转子沿风向定位在所需位置的移动装置，其中，移动装置包括一个三相异步电动机，用来接收：(i)可变频的三相电流，用以移动机壳，(ii)直流，用来对机壳的移动进行制动。

Description

风力设备
技术领域
本发明涉及一种用于风力设备的方位驱动器。
背景技术
风力设备(wind power installation)通常具有用于风向跟踪的动态驱动器。该动态驱动器使风力设备的机壳旋转，而将转子的转子叶片沿风向定位。这种要求用来进行风向跟踪的驱动器一般来说是一种方位驱动器(azimuthaldrive)，它通常和相关联的方位轴承(azimuthal bearing)一起设置于塔(pylon)或塔顶部和机壳之间。当涉及到小型风力设备时，一个移动驱动器就足够了，但更大型风力设备通常装备有多个方位驱动器。
在机壳的风向跟踪过程中，测风操作系统对风向在例如10秒的一定时间段内提供一个平均值。该平均值反复地与机壳的瞬时方位位置比较。一旦偏差超过一个给定值，该机壳被适当地再次调节，使转子的风向偏差即偏离角(yaw angle)尽可能的小，以避免能耗。在Erich Hau的1995年的第二版的“Windkraftanlagen”(“风力设备”)的268页和316页分别描述了这种在已知风力设备中进行风向跟踪的方式。
在原先已知的风力设备中，机壳的电机致动的风向跟踪、方位移动系统根据风向执行自动定位转子和机壳的功能。当从功能方面考虑时，该风向跟踪系统是独立的单元。当从结构的观点考虑时，它形成了机壳到塔顶部的过渡，其零部件一部分整合在机壳整体，一部分整合在塔顶部。用于风向跟踪的整个系统包括的零部件有：调整驱动器(setting drive)、多个保持制动器(holding brake)、锁定装置、多个方位轴承和调节系统。这些零部件的工作情况如下。
对于调整驱动器，有以与转子叶片移动驱动器类似的方式工作的液压驱动器或电力驱动器。这两种设计结构对于风力设备来说都很常见。大多数的小设备具有非调整型的电力驱动电机。在大设备的情况下，液压调整驱动器是主要的。
为了防止开始跟踪操作后驱动电机不得不保持绕旋转轴的偏离力矩，需要防转动装置或偏离制动器。否则，驱动组件或上游连接的传动组件的使用寿命很难保证。对于小的设备来说，在方位轴承内布置防转动装置已经够用了，而对于大的设备来说，已知的是多个可释放的保持制动器。这些保持制动器与塔内的止动环啮合或相反地与机壳上的环啮合。在跟踪操作过程中，一个或两个方位制动器参与啮合以确保移动动态特性所需的阻尼作用。在这种情况下，调整驱动器必须设计成能够克服该摩擦阻尼作用来执行跟踪运动。该方位轴承或塔顶部的轴承通常采用的是滚动轴承组件的形式。
图7是取自Westinghaus WTG-0600的、已知的带有电调整驱动器的风向跟踪系统的部分剖视图。
在有剧烈的风时操作风力设备的过程中，有赖于转子的旋转角度，会产生非常大的力，并且与此相关，在方位驱动器中出现了高且频繁的载荷峰值。
如果有不止一个方位驱动器，该状况还涉及到在各个驱动器中的高度不对称。这些驱动器利用一个传动比大约是15000的传动组件得到增速传动比。如果将不只一个，例如四个，方位驱动器安装在带有整体齿结构的塔轴承的周边，则塔周边处的齿形的微小变化会导致极严重的不对称。由于很高的增速传动比，那些驱动器输入侧的小偏差对应于输出侧高达15到20转。
结果，这意味着在机壳的每次转动过程中及转动后，全部载荷和全部扭矩必须被同时尽可能均匀地分配给各个驱动器。此外，当涉及到很大的方位载荷时，如果产生过高的载荷大小，则该驱动器应该在停机时间(stoppagetime)内屈服(shield)，使机壳易于转动，以产生合适的载荷缓解效应。
此外，在风力设备机壳的风跟踪过程中，在风极为剧烈的情况下，也会相应地产生相应高扭矩。这种高扭矩激励这些方位驱动器产生，使电机彼此相对振动。在这种情况下，增速传动比非常高的传动装置像弹簧一样做出反应，并且结果就是在各个驱动器内产生的主扭矩波动。
发明内容
本发明的目的是改进用于风力设备的方位驱动器，以解决上述的问题，并提供一种结构上简单的方位驱动器，以确保载荷对于各个方位驱动器的均匀分配，并防止在各个驱动器中产生不希望的扭矩波动。
根据本发明的一种风力设备，有一个机壳，该风力设备包括：(a)具有至少一个转子叶片的转子；和(b)用以移动机壳从而将转子沿风向定位在所需位置的移动装置，其中，移动装置包括一个三相异步电动机，用来接收：(i)可变频的三相电流，用以移动机壳，(ii)直流，用来对机壳的移动进行制动。
在用三相电流进行移动操作后，电机被切断电源并因而不再产生任何扭矩。为了此时也能在驱动电机部件上提供制动作用，还为了在停机时间内出现载荷峰值时仍能保持足够的制动扭矩，在三相异步电动机从三相电网中分离后，将直流电立即作用在该三相异步电动机上。该直流电在异步电动机内产生恒定磁场，该电动机因而被立即减速。在整个停机时间内，尽可能的保持直流电供应。
根据本发明，提供了用以抑制不希望的扭矩波动的扭矩控制器。可将三相异步电动机的减速设置成与直流电的大小为线性的。在实际的停机阶段中，这为风力设备的方位驱动器提供了简单的扭矩控制。
此外，如果移动装置有多个三相异步电动机，通过变流器可将这些三相异步电动机以负反馈关系联接在一起，这样，就能够稳定各个驱动器，并抑制不希望的弹簧效应。
附图说明
以下将参照附图通过实施例详细描述本发明，附图中：
图1是机壳上的移动装置的四个方位驱动器的示意性布局；
图2示出了三相异步电动机的扭矩/转速特征曲线；
图3示出了三相异步电动机在直流电操作模式下的特征曲线；
图4示出了与图3相关的另一种视图；
图5示出了有两个异步方位驱动器的变流器联接的电路模块图；
图6示出了方位电机的电路图；
图7示出了带有电力调整驱动器的、已知的风跟踪装置的局部剖视图；
图8示出了由变频器致动的异步机的电路模块图。
附图符号说明
51  三相电流扼流圈
71  驱动电机
72  传动装置
73  小齿轮
74  齿环
75  方位轴承
76  制动环
77  制动器
具体实施方式
风力设备通常具有用于风向跟踪的动态驱动器。该动态驱动器转动风力设备的机头，使转子的转子叶片在风的方向上以最佳方式定位。用于风向跟踪的动态驱动器是带有相关联的方位轴承2的方位驱动器1，并且该动态驱动器通常布置在塔顶部和机壳之间。在小型风力设备的情况下，一个方位驱动器就足够了，而大型风力设备通常有多个驱动器，例如图1中所示的四个驱动器。这四个驱动器沿塔顶部3的周边均匀地分布(不均匀分布也是可以的)。
在有剧烈的风时操作风力设备的过程中，有赖于转子的旋转角度，会产生非常大的力，并且与此相关地，在方位驱动器中出现了高且频繁的载荷峰值。
如果用来移动机头的移动装置具有不止一个方位驱动器1，还会在各个驱动器1中出现很高程度的不对称。这些驱动器具有增速传动装置4(传动装置没有示出)，其增速传动比大约是15000。如果有不止一个驱动器安装在带有整体齿结构的塔轴承的周边，塔轴承周边的传动装置中齿形的很小的偏差会立即导致很严重的不对称程度。由于高的传动比，那些在驱动器输入侧上的小的偏差对应于输出侧的高达15至20转。
这意味着，在塔顶部的每次旋转过程中及转动后，全部载荷/扭矩必须均匀分布到各个驱动器上。此外，在有很高的方位负载的情况下，这些驱动应该在过高载荷时，在塔顶部的停机时间中屈服，允许机头有少量转动。
每个方位驱动器1都有其自己的电机5，这些电机互相联接且可被共同控制。如果在风力设备的机头跟踪风向的运动过程中，由于剧烈的涡流导致了主扭矩的产生，则这些扭矩激励方位驱动器，使这些电机彼此相对振动或有发生振动的趋势。具有很高的传动比的传动装置4在这种情况下作出类似弹簧的反应，而在各个驱动器中导致主扭矩波动。
为了确保机壳不旋转时，载荷均匀分布，根据本发明提出了：作为方位驱动器的驱动电机，三相异步电机被用作异步驱动机。在图2中示出了三相异步电机的扭矩/旋转速度特征曲线。MA表示初始扭矩而MK表示失步扭矩。
在机壳移动操作之后，四个三相异步电机(ASM)被切断电源并因而不再产生任何扭矩。为了均匀地使电机减速并此后仍然可获得制动扭矩，在电机从三相电网中分离后，迅速给电机供应直流电，并尽可能地立即供应(见图6a)。
该直流电在电机内(异步机)产生了恒定磁场，该电机因而被立即降速。在整个停机时间内尽量保持该直流电供应并针对振幅对供应电流进行调节。
在移动操作之后，通过调节装置给该ASM驱动供应调节后的直流电，如图6b所示。由不对称的阵风所导致的塔顶部的缓慢旋转运动仅被低直流(大约为额定电流的10％)抑制或削弱，但是这是允许的。通过适当调整后的更高的直流电以及由此产生的更大的制动力矩可防止更快的旋转运动。在非常快的旋转运动的情况下，直流电被升高到电机的额定电流。
图3示出了在直流电操作模式下该异步电机的扭矩/旋转速度特征曲线。在停止的情况下，该驱动电机利用直流电磁化作用不产生任何扭矩。但是随着增加旋转速度一高达额定旋转速度的6％，所产生的扭矩线性地升高并且在旋转的两个方向上是对称的。根据特征曲线，所发生的载荷也是均匀地分配给所有的方位驱动器的，并且总是被动地出现平衡情况。
为了给方位驱动器提供扭矩控制器，制动曲线的梯度可设置得与直流电的大小成线性关系。这在图4中示出。这为风力设备的方位驱动器在实际的停止阶段提供了简单的扭矩控制。
还应该明白，可以通过变流器将方位驱动器的各个电机联起来。这在图5中示出。在这种情况下，ASM指代异步机。所示的简单负反馈可稳定驱动器。
图7示出了带有电调整驱动器的风向跟踪配置的局部剖视图，这是从Erich Hau“Windkrafanlagen”(“风力设备”)，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，第268-271页得知的。
图8是电路模块图，示出了连接到变频器上的异步电机是如何被供应电流的。
在三相异步电动机的移动过程中，当风力设备的机壳被设置(旋转)在所需的位置时，将可变频的三相电流供应给该异步电机。
在异步机的停机时间内，将频率为0Hz的三相电流，即直流电供应给异步机。

Claims (4)

1.一种风力设备，有一个机壳，该风力设备包括：
(a)具有至少一个转子叶片的转子；和
(b)用以移动机壳从而将转子沿风向定位在所需位置的移动装置，其中，移动装置包括一个三相异步电动机，用来接收：
(i)可变频的三相电流，用以移动机壳，
(ii)直流，用来对机壳的移动进行制动。
2.根据权利要求1所述的风力设备，其特征在于，还包括一个变频器，该变频器与三相异步电动机电连接，用来给该三相异步电动机供应电流。
3.如权利要求1或2所述的风力设备，其特征在于，移动装置具有多个电联接在一起的三相异步电动机。
4.如权利要求3所述的风力设备，其特征在于，还包括一个变流器，变流器与每一个三相异步电动机都电联接。
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