CN205401002U - 风力发电机叶轮方位角测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种风力发电机叶轮方位角测量装置，包括：与叶轮轮毂连接的转动轴表面固定设置的多个磁铁块，多个所述磁铁块在垂直所述转动轴的中轴线且以交点为圆心的一个平面圆上等间距排列；与所述磁铁块对应设置的舌簧触点元件和与所述舌簧触点元件连接的角度识别单元。采用本实用新型的实施例，可实现高精度、低成本的测量风力发电机叶轮方位角。

Description

风力发电机叶轮方位角测量装置

技术领域

本实用新型涉及风电技术领域，特别涉及一种风力发电机叶轮方位角测量装置。

背景技术

近年来，风力发电机的叶轮大都采用三桨叶式叶轮，三个桨叶通过可转动的推力轴承或专门为变桨距机构设计的回转支撑装置联结于轮毂上。这种叶轮可根据风速的变化，通过驱动变桨距机构调整风对桨叶的攻角，当风速超过额定风速后，输出功率可稳定地保持在额定功率附近；在大风或机组发生故障的情况下，可调节风力发电机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。

目前，国内外风电变桨距系统的控制方法主要有两种，即统一变桨距控制和独立变桨距控制。统一变桨距控制是基于多叶片协调变换的标量控制方法，采用三套独立变桨距闭环控制回路，由主控系统对三个叶片的角度进行统一控制，三个叶片角度始终一致。这种控制方法忽略了各信号之间的耦合作用。风力发电机组在自然风条件下运行时，由于作用在风电机组叶片上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷，会使弹性振动体叶片和塔架产生耦合振动，其振动形式主要有两种：风轮叶片摆振与塔架侧向弯曲耦合振动，风轮叶片挥舞与塔架前后弯曲耦合振动。当叶轮的旋转频率接近耦合的固有频率时就会出现共振现象，产生较大的动应力，导致机组结构的疲劳破坏，缩短整机的使用寿命，直接影响风力发电机组的性能和稳定性。

随着兆瓦级风力发电机组单机容量不断提升、叶片长度不断增大，风剪切效应、塔影效应和湍流等因素对机组造成的载荷不对称影响加剧，机组叶片载荷、轮毂载荷、塔筒载荷增加明显。因此，用于降低机组载荷的独立变桨控制技术不断受到重视。独立变桨距可以充分利用风能在各个桨叶上分布的不同，对各桨叶的桨距角进行有效的调节，在保证输出功率稳定的情况下降低了作用在桨叶上的载荷，减轻输出力矩的波动，减小桨叶拍打振动，提高了风力机的工作效率。

独立变桨距控制的实现方式主要是基于方位角权系数分配，即额定风速以下使用统一变桨；在额定风速以上时，分别计算出三个叶片的方位角，根据方位角，由权系数重新分配每个叶片的桨距角变化量，从而实现独立变桨控制。

综上所述，要进行独立变桨控制，需要测量风力发电机组叶轮的方位角，进而计算出三个叶片的方位角。

目前，对风力发电机组叶轮方位角的测量常采用以下方式：

方式一，设置接近开关，即在风力发电机组与轮毂直接连接的转动轴(对于双馈风力发电机则为发电机低速轴)上安装金属转盘，在金属转盘边缘处的圆周上，等间隔开孔，使用接近开关进行位置检测。当开孔转到接近开关的位置时，接近开关信号状态为0，当开孔处转过接近开关时，接近开关的信号状态为1，根据接近开关的状态变化进行计数，由此来计算叶轮的方位角。这种方法的缺点是精度不高；其次，要保证接近开关可以正常响应触发，金属转盘的直径需要做得很大，在低速轴上安装质量较大金属转盘，需要改变风力发电机组低速轴结构，增加低速轴结构的复杂度，增加低速轴载荷，且不方便对现有机组的改造。

方式二，使用磁通元件测量磁场强度大小来进行方位角测量，虽然实现了无接触测量，但容易受到地球磁场的干扰，且校准后的精度，会随着东西、南北朝向的变化而变化。

方式三，使用磁栅尺及磁编码器进行角度测量，磁栅尺和磁编码器需要离得很近，不适合检测转速较快的低速轴，且由于采用了磁编码器，所以成本较高。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供一种风力发电机叶轮方位角测量装置，可实现高精度、低成本的测量风力发电机叶轮方位角。

本实用新型的实施例提供一种风力发电机叶轮方位角测量装置，包括：与叶轮轮毂连接的转动轴表面固定设置的多个磁铁块，多个所述磁铁块在垂直所述转动轴的中轴线且以交点为圆心的一个平面圆上等间距排列；与所述磁铁块对应设置的舌簧触点元件和与所述舌簧触点元件连接的角度识别单元。

如上所述的测量装置中，还包括：围绕所述转动轴外表面且与所述转动轴固定设置的磁铁块支架，所述磁铁块设置在所述磁铁块支架上。

如上所述的测量装置中，所述磁铁块支架包括两个围绕在所述转动轴表面的半圆环形支架，设置在所述半圆环形支架端部的连接架以及将对应的两个所述连接架紧固连接的紧固螺栓。

如上所述的测量装置中，所述半圆环形支架的内圈设置有波纹结构，用于与所述转动轴的外表面实现摩擦紧固。

如上所述的测量装置中，所述磁铁块支架上依次间隔设置有多个第一安装槽及多个第二安装槽，所述磁铁块设置于所述第一安装槽内。

如上所述的测量装置中，还包括：安装槽盖板，所述安装槽盖板罩设在所述第一安装槽上。

如上所述的测量装置中，所述角度识别单元包括：开关电路和控制电路；所述开关电路的输入端与所述舌簧触点元件连接，输出端与所述控制电路连接；所述控制电路用于根据所述开关电路输出的脉冲电压信号进行计数，并根据计数值计算叶轮方位角。

如上所述的测量装置中，所述开关电路为包括依次连接的第一电阻、第二电阻、初级放大三极管和二级放大三极管的二级放大电路，所述舌簧触点元件与所述第一电阻串联后连接在外接电源之间，且所述舌簧触点元件靠近所述外接电源的高压侧；所述舌簧触点元件与所述第一电阻的连接节点通过所述第二电阻与所述初级放大三极管的基极连接；所述初级放大三极管的发射极连接所述外接电源的低压侧；所述二级放大电路的输出端与所述控制电路连接。

如上所述的测量装置中，所述初级放大三极管为NPN管，所述二级放大三极管为PNP管。

如上所述的测量装置中，所述开关电路还包括：连接在所述初级放大三极管的集电极与所述外接电源的高压端之间的第三电阻；以及连接在所述二级放大三极管的基极与所述初级放大三极管的集电极之间的第四电阻；所述二级放大三极管的发射极与所述外接电源的高压端连接，集电极作为所述二级放大电路的输出端与所述控制电路连接。

本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置，利用舌簧触点元件感知设置在与叶轮轮毂连接的转动轴表面的多个等间距设置的磁铁块，来间接识别叶轮轮毂的转动角度，计算叶轮的方位角度。本方案可以实现如下技术效果：

1.精确检测独立变桨系统的叶轮方位角；

2.电路结构简单，易于实现；

3.成本低，安装方便，不改变风力发电机组低速轴结构；

4.响应快，测量精度高；

5.采用了非接触式测量结构，可延长测量装置使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置沿转动轴径向的一结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置沿转动轴径向的另一结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置沿转动轴轴向的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置中开关电路的电路图；

图5为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量结果示意图。

附图标号说明：

101-转动轴、102-磁铁块、103-舌簧触点元件、104-角度识别单元、105-磁铁块支架、106-连接架、107-紧固螺栓、108-第一安装槽、108’-第二安装槽、109-安装槽盖板、110-开关电路、111-控制电路、112-电压输出端、VT1-初级放大三极管、VT2-二级放大三极管、R1-第一电阻、R2-第二电阻、R3-第三电阻、R4-第四电阻、S1-第一叶片、S2-第二叶片、S3-第三叶片。

具体实施方式

本方案的基本构思是，由于舌簧触点在磁场中，其簧片上可感应出N或S极，并靠这种磁吸引力而动作，使外加回路导通；磁场被撤去，舌簧触点靠簧片的弹性而复原，使外加回路断开。依据上述原理，将能够产生磁场的磁铁块均匀等间距的设置在与叶轮轮毂连接的转动轴的中轴线的一个平面圆上，并保障该平面圆与转动轴同步旋转；通过检测外加回路因舌簧触点而导通或断开产生的开关信号来识别叶轮轮毂的方位角度。

下面结合附图对本实用新型实施例的风力发电机叶轮方位角测量装置进行详细描述。

实施例一

图1为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置沿转动轴径向的结构示意图。如图1所示，包括：

与叶轮轮毂连接的转动轴101表面固定设置的多个磁铁块102，多个磁铁块102在垂直转动轴101的中轴线且以交点为圆心的一个平面圆上等间距排列；与磁铁块102对应设置的舌簧触点元件103和与舌簧触点元件103连接的角度识别单元104。

其中，转动轴101可以为直驱风力发电机组中发电机的转动轴，或是双馈风力发电机组中与叶轮轮毂连接的低速轴。多个规格相同的磁铁块102固定设置在转动轴101的内表面或外表面，具体安装位置取决于安装环境的空间大小。这里说明，各磁铁块102的位置与转动轴101的位置相对固定，与转动轴101实现同步旋转即可，不限定于转动轴101的表面(可与转动轴101表面之间留有间隙)，但要保证多个磁铁块102的空间放置位置为在垂直转动轴101的中轴线且以交点为圆心的一个平面圆上且等间距排列，相邻两个磁铁块102之间留有间隙。

与磁铁块102对应设置的舌簧触点元件103位于垂直转动轴101的中轴线且以交点为圆心的一个平面圆上，两个平面圆的半径差以及两个平面圆的距离满足如下条件：舌簧触点元件103与磁铁块102正对时能够感知磁铁块102的磁场，使其簧片上感应出N或S极，并靠这种磁吸引力而动作，使外加回路导通；舌簧触点元件103与两个磁铁块102之间的间隙正对时能够失去磁铁块102的磁场，舌簧触点元件103靠簧片的弹性而复原，使外加回路断开。优选地，如图1所示，磁铁块102及舌簧触点元件103所在的平面圆位于同一平面内，且后者的平面圆半径大于前者的平面圆半径。

与舌簧触点元件103连接的角度识别单元104集成有连接舌簧触点元件103的外加回路，以及检测该外加回路的通断的检测电路。该角度识别单元104可通过检测外加回路的通断，得到连续变化的开关信号，并根据开关信号识别磁铁块102相对舌簧触点元件103的转动角度，进而根据风力发电机叶轮的初始方位角以及开关信号所反馈的叶轮转动角度得到各时刻下叶轮的方位角。

本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置，利用舌簧触点元件感知设置在与叶轮轮毂连接的转动轴表面的多个等间距设置的磁铁块，来间接识别叶轮轮毂的转动角度，且本方案电路结构简单，易于实现；成本低，安装方便，无需改变风力发电机组低速轴结构；测量响应快，测量精度高；采用了非接触式测量结构，物理损耗小，可延长测量装置使用寿命。

实施例二

图2和图3分别为本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置沿转动轴径向及轴向方向的结构示意图，该测量装置可视为图1所示测量装置的一种具体实现结构。如图2和图3所示，该风力发电机叶轮方位角测量装置在图1所示实施例的基础上，还包括：

围绕转动轴101外表面且与转动轴101固定设置的磁铁块支架105，磁铁块102设置在磁铁块支架105上。具体地，该磁铁块支架105可采用耐低温塑料材料，一方面可以减轻转动时的惯量，另一方面可以防止磁铁块102附近的材料被磁化而对测量过程造成干扰。

为了便于实体安装，磁铁块支架105可为包括两个围绕在转动轴101表面的半圆环形支架，两个半圆环形支架组合拼接后可在磁铁块支架105的外圈形成一个完整的圆环曲面。在两个半圆环形支架的端部设置有连接架106以及将对应的两个连接架106紧固连接的紧固螺栓107。

具体地，如图2中，磁铁块支架105为左右两个半圆环形结构，置于转动轴101外表面的左右两侧，合并安装于转动轴101外表面上；磁铁块支架105的半圆环形支架的内圈设置有波纹结构，如波纹形的小齿，用于与转动轴101的外表面实现摩擦紧固，防止转动轴101转动过程中出现相对移位，从而保证磁铁块支架105与转动轴101之间同步旋转。此外，如果转动轴101的形状为锥形，则磁铁块支架105内圈也可以根据转动轴101的形状，制作为圆台形结构。

结合图2和图3所示，连接架106为磁铁块支架105的两个半圆环形支架在端部上的凸出结构，上面设有沿垂直转动轴101轴线方向的方向开孔，用于安装紧固螺栓107。磁铁块支架105通过连接架106与紧固螺栓107的紧固配合实现与转动轴101的位置固定。

结合图2和图3所示，在磁铁块支架105上，且在垂直转动轴101的中轴线的一个平面圆上等角度间隔设置有多个第一安装槽108及第二安装槽108’。

具体地，如图3中所示，磁铁块支架105在沿图中轴线方向的侧面设置有间隔相同的小槽孔，即第一安装槽108及第二安装槽108’，第二安装槽108’不放置磁铁块102，磁铁块102置于第一安装槽108内，即磁铁块102放置时每隔一个第二安装槽108’放一个，以保证两个磁铁块102之间留有足够间隙，例如图3中依次间隔设置有磁铁块102的第一安装槽108与没装有磁铁块102的第二安装槽108’。

上述测量装置中还包括：安装槽盖板109，该安装槽盖板109罩设在第一安装槽108上，以保证第一安装槽108内的磁铁块102不掉出。

具体地，磁铁块102从磁铁块支架105一侧放入第一安装槽108内，并使用安装槽盖板109封好固定。第一安装槽108的大小，可根据需要以及磁铁块支架105外圈圆的大小来设定。安装槽盖板109可以使用单个盖板，也可以使用连接到一起的圆环形盖板，可以覆盖单个第一安装槽108或多个第一安装槽108。

进一步地，上述角度识别单元104包括：开关电路110和控制电路111，其中开关电路110的输入端与舌簧触点元件103连接，用于感知舌簧触点元件113的开关动作；开关电路110输出端与控制电路111连接，用于将感知的舌簧触点元件113的开关动作转化为开关信号如高、低电压交替变化的脉冲电压信号传送至控制电路111；控制电路111根据开关电路110输出的脉冲电压信号进行计数，并根据计数值计算叶轮方位角。

其中，如图4所示，开关电路110为包括依次连接的第一电阻R1、第二电阻R2、初级放大三极管VT1和二级放大三极管VT2等构成的二级放大电路，舌簧触点元件103与第一电阻R1串联后连接在外接电源之间，且舌簧触点元件103靠近外接电源的高压侧；舌簧触点元件103与第一电阻R1的连接节点与第二电阻R2连接后与初级放大三极管VT1的基极连接；初级放大三极管VT1的发射极连接外接电源的低压侧；二级放大电路的输出端与所述控制电路111连接。

在实际应用场景中，舌簧触点元件103的触点容量一般比较小，如：单个舌簧片开关的电流约为0.3A～1A，不适合大电流的开关工作，1A以上电流的开关工作需要在电路中增加放大器，以提高电路的驱动能力。本实施例中开关电路110中采用初级放大三极管VT1和二级放大三极管VT2两个晶体管构成两级放大器，其中初级放大三极管VT1为小信号放大器，二级放大三极管VT2为功率放大器，以保证电路有效地工作，延长舌簧触点元件103的触点寿命。

进一步地，上述初级放大三极管VT1为NPN管，二级放大三极管VT2为PNP管。此外，本实施例中开关电路110中还包括：连接在初级放大三极管VT1的集电极与外接电源的高压端之间的第三电阻R3，第三电阻R3作为集电极电阻控制提供初级放大三极管VT1的输出电压；二级放大三极管VT2的基极与初级放大三极管VT1的集电极之间连接有第四电阻R4，第四电阻R4作为基极电阻提供二级放大三极管VT2的输入电流；二级放大三极管VT2的发射极与外接电源的高压端连接，集电极作为二级放大电路的输出端与控制电路111连接。

本方案中涉及的风力发电机叶轮方位角测量装置的测量原理为：通过舌簧触点元件103感应磁铁块，并利用开关电路110将舌簧触点元件103导通及断开的信号进行功率放大，转换为控制电路111可以识别的电压信号；控制电路111将采集的高低电压交替变化的信号进行计数，由此计数值来计算叶轮方位角。

举例说明，采用本方案中的测量装置测量风力发电机叶轮方位角的过程为：

将预先制造好的磁铁块支架105，固定于与叶轮轮毂连接的转动轴101的外表面上。在磁铁块支架105外圈侧面上安装有等间隔排列的磁铁块第一安装槽108及第二安装槽108’，向第一安装槽108放一磁铁块102。舌簧触点元件103与磁铁块支架105外圈靠近，用于感应磁铁块102的磁场信号。当转动轴101转动时，带动磁铁块支架105同步转动，第一安装槽108逐个经过舌簧触点元件103。当第一安装槽108经过舌簧触点元件103时，磁铁块102触发舌簧触点元件103的触点动作，开关电路110接通，VT1截止，VT2导通，电压输出端112输出24V；当第二安装槽108’经过舌簧触点元件103时，没有磁铁块102的作用导致舌簧触点元件103的触点断开，开关电路110断开，VT1导通，VT2截止，电压输出端112输出0V；于是产生连续的高、低电平交替的脉冲信号。控制电路111对电压输出端112输出的电压脉冲信号，进行计数，每次跳变计数一次。假设磁铁块支架105侧面共有180个安装槽，其中有90个槽孔中放置了磁铁块，则每次电压跳变，叶轮转过的方位角为360/180＝2度。当计数值达到180时，说明已经转过了360度，需要对计数值进行清零并重新计数。

在此基础上，假设在风力发电机组转动轴101处且面向叶轮时，例如图5所示，第一叶片S1叶尖竖直向上，第二叶片S2与第一叶片的角度差值为120度且叶尖方向斜向右下方，第三叶片S3与第一叶片S1的角度差值为120度且叶尖方向斜向左下方。假设竖直向上为0度角，则控制电路111计算的角度值即为第一叶片S1的方位角为α，第二叶片的方位角为(α+120)并对360度取余数，第三叶片的方位角为(α+240)并对360度取余数。

特别地，具体叶轮方位角的计算方向(角度增大方向是面向叶轮，或背向叶轮)及0度角位置的选取，可在控制电路111内进行自由设置。每次选取并设置0度角时，需要对控制电路111内的计数值清零。因为在不同的独立变桨控制系统中，0度角的设定位置改变后，相应的硬件清零触发开关的位置也要随着移动，所以本实用新型中未设置硬件自动清零触发开关，以便于对0度角位置进行自由设置，同时简化测量装置结构。

特别地，由于常用舌簧触点元件的最大响应频率为500Hz，即每秒500个脉冲；按叶轮最大转速20rpm计算，其每秒转过的角度为(20/60)*360＝144度。也就是说，在这144度的范围内，最多可以包含500个脉冲，即500个磁铁块，则每圈可以有(360/144)*500＝1250个磁铁块。如果高、低电平都计数的话，则理论上能达到的最大测量精度为360/1250/2＝0.144度。实际应用时，可以将精度设置为1度，即每圈有180个磁铁块。

为了安装方便，磁铁块102也可以采用等间隔、封装好的磁铁条，第一安装槽108可采用连通无间隔的圆环型结构，中间使用螺钉对等间隔磁铁条进行固定。磁铁块支架105可以通过在转动轴101开一个浅些的小孔，然后使用螺丝将磁铁块支架105进行更牢固的固定。

本实用新型实施例提供的风力发电机叶轮方位角测量装置，在图1所示实施例的基础上对各功能单元进行了细化，特别是磁铁块支架采用耐低温塑料材料，一方面可以减轻转动时的惯量，另一方面可以防止磁铁块附近的材料被磁化而对测量过程造成干扰，提高了测量精度。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件拆分为更多部件，也可将两个或多个部件或者部件的部分操作组合成新的部件，以实现本实用新型的目的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机叶轮方位角测量装置，其特征在于，包括：与叶轮轮毂连接的转动轴(101)表面固定设置的多个磁铁块(102)，多个所述磁铁块(102)在垂直所述转动轴(101)的中轴线且以交点为圆心的一个平面圆上等间距排列；与所述磁铁块(102)对应设置的舌簧触点元件(103)和与所述舌簧触点元件(103)连接的角度识别单元(104)。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：围绕所述转动轴(101)外表面且与所述转动轴(101)固定设置的磁铁块支架(105)，所述磁铁块(102)设置在所述磁铁块支架(105)上。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述磁铁块支架(105)包括两个围绕在所述转动轴(101)表面的半圆环形支架，设置在所述半圆环形支架端部的连接架(106)以及将对应的两个所述连接架(106)紧固连接的紧固螺栓(107)。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述半圆环形支架的内圈设置有波纹结构，用于与所述转动轴(101)的外表面实现摩擦紧固。

5.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述磁铁块支架(105)上依次间隔设置有多个第一安装槽(108)及多个第二安装槽(108’)，所述磁铁块(102)设置于所述第一安装槽(108)内。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：安装槽盖板(109)，所述安装槽盖板(109)罩设在所述第一安装槽(108)上。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述角度识别单元(104)包括：开关电路(110)和控制电路(111)；所述开关电路(110)的输入端与所述舌簧触点元件(103)连接，输出端与所述控制电路(111)连接；所述控制电路(111)用于根据所述开关电路(110)输出的脉冲电压信号进行计数，并根据计数值计算叶轮方位角。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述开关电路(110)为包括依次连接的第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、初级放大三极管(VT1)和二级放大三极管(VT2)的二级放大电路，所述舌簧触点元件(103)与所述第一电阻(R1)串联后连接在外接电源之间，且所述舌簧触点元件(103)靠近所述外接电源的高压侧；所述舌簧触点元件(103)与所述第一电阻(R1)的连接节点通过所述第二电阻(R2)与所述初级放大三极管(VT1)的基极连接；所述初级放大三极管(VT1)的发射极连接所述外接电源的低压侧；所述二级放大电路的输出端与所述控制电路(111)连接。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述初级放大三极管(VT1)为NPN管，所述二级放大三极管(VT2)为PNP管。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述开关电路(110)还包括：连接在所述初级放大三极管(VT1)的集电极与所述外接电源的高压端之间的第三电阻(R3)；以及连接在所述二级放大三极管(VT2)的基极与所述初级放大三极管(VT1)的集电极之间的第四电阻(R4)；所述二级放大三极管(VT2)的发射极与所述外接电源的高压端连接，集电极作为所述二级放大电路的输出端与所述控制电路(111)连接。