SE512798C2 - Sätt och anordning för varvtalsreglering vid transmissioner med hög varvtalsutväxling - Google Patents

Description

20 512798 2 lågt och dessutom kontinuerligt variabelt varvtal, för att kunna anpassa sig momen- tant till vindhastigheten och därigenom optimalt utnyttja vindens energiinnehåll, samtidigt som den drivna generatom får gå med så högt varvtal som möjligt, utan att transmissionen därför blir stor och tung. Genom att anpassa varvtalet momentant till vindhastigheten finns det en teoretisk möjlighet att öka vindkraftturbinens verk- ningsgrad med ca 7%. Dessutom ges möjlighet att via varvtalsvariationen kunna påverka vindturbinens ljudnivå.

Det finns också ett behov av, eftersom vindkraftverk alltid är placerade i toppen på ett högt tom, och ofta på otillgängliga platser, exempelvis till havs, att minimera vikten och utrymmesbehovet hos kraftverkets komponenter, samt att minska behovet av och förenkla arbetet vid service och underhåll.

Ovanstående ändamål uppnås med sättet och anordningen för att varvtalsreg- lera och åstadkomma hög varvtalsutväxling vid transmissioner, enligt bifogade patentkrav.

KORT FIGURBESKRIVNING Fig. 1 visar en mycket schematisk principbild över hur kända komponenter kan sanunarikopplas enligt det uppfinningsenliga sättet till en anordning enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV ETT FÖREDRAGET UTFÖRINGSEXEMPEL I det följande kommer en föredragen utformning av uppfmningen att beskri- vas, med hänvisning till figuren. Beskrivningen är på intet sätt begränsande vad avser uppfmningens omfång, vilket enbart bestäms av bifogade patentkrav.

I Fig. 1 visas en planetväxel med en ingående axel 1 som är fast förbunden med planetväxelns innerkuggring 2. Planetväxeln har på känt sätt ett antal planet- drev 3 som sitter på en planethållare 5 och roterar i kuggkontakt med inner- kuggringen 2 samt ett solhjul 4.

Solhjulet är via en axel 8 förbunden med en elektrisk primärgenerator 9.

Planethållaren 5 är via en ihålig axel 6 förbunden med en elektrisk sekimdärgene- rator 7.

Piimärgeneratom 9 är frekvensmässigt direktansluten till ett frekvensstabilt trefasigt elnät 12, och kan vara av den nya högspänningstyp som utvecklar 10000 volt, varvid den kan direktanslutas till nätet som Fig. 1 visar. Generatorn 9 kan också vara av en konventionell generatortyp med lägre spänning, vilken i så fall på känt sätt ansluts till nätet via en transformator (ej visad). Sekundärgeneratom 7 är ansluten till det frekvensstabila elnätet 12 via en frekvensomvandlare 10 och en transformator 11. Sekundärgeneratom kan dock också vara av högspänningstyp, varvid behovet av transformatorn ll bortfaller. 512798 3 Om den primära drivkällan i detta utföringsexempel är en vindkraftttirbiri, så är denna på känt sätt förbunden med planetväxellådans ingående axel 1, som i detta utforingsexempel är förbunden med planetväxellådans irmerkuggring 2. Mellan vindkraftturbinen och planetväxellådans ingående axel 1 finns också på känt sätt en bromsanordning for att kunna bromsa och låsa fast vindturbinen i stillastående läge.

Vindkraftturbinen och bromsanordningen visas ej.

För att underlätta förståelsen av anordningens funktion antar vi härmed vissa parametervärden hos de ingående komponenterna. Dessa värden kan, som fackman- nen lätt inser, ändras för att optimera anordnjngen, sålänge ändringarna är samord- nade så att nedanstående beskrivna likhet uppnås i förhållandet mellan generatorer- nas varvtalsfórhållande och planetväxelns utväxlingsforhållande.

Planetväxellådan antas ha ett utväxlingsförhållande 1:3 mellan planethålla- rens 5 varvtal och solhjulets 4 varvtal om innerkuggringen 2 står stilla. Primärgene- ratorn 9 antas ha endast ett polpar och roterar då i infasat tillstånd på ett 5OHz nät med 3000 rpm. Sekundärgeneratom 7 antas ha tre polpar och skulle då vid direkt infasning mot ett 5OHz nät rotera med 1000 rpm. Eftersom sekundärgeneratorn emellertid är ansluten till 5OHz-nätet via en variabel frekvensomvandlare, kan sektmdärgeneratorns varvtal i infasat tillstånd bringas att variera inom ett ornråde omkring dessa 1000 rpm.

Antag att solhjulet 1, som är förbundet med den elektriska primärgeneratom 9, av det stabila nätet 12 och den infasade primärgeneratom 9 bringas att rotera medurs med 3000 rpm. Antag samtidigt att frekvensomvandlaren 10 är inställd på en omvandlingsfaktor 1, d.v.s. ingen omvandling, och planethållaren 5, som är förbun- den med Sekundärgeneratom 7, av det stabila nätet 12 och den infasade sekundär- generatom 7, bringas att rotera medurs med 1000 rpm. Innerkuggringen 2 kommer då, eftersom utväxlingsforhållaridet mellan planethållaren 5 och solhjulet 4 är 1:3 och förhållandet mellan dessas varvtal också är 1:3, att stå helt stilla.

Om man nu ökar eller minskar frekvensomvandlarens 10 omvandlingsfaktor, så kommer följaktligensekundärgeneratoms infasade varvtal att öka eller minska från 1000 rpm. Detta betyder samtidigt att planetväxelns innerkuggring 2 kommer att börja rotera med ett varvtal som kommer att variera med skillnaden mellan primärgeneratoms 9 varvtal och sekundärgeneratoms 7 varvtal multiplicerat med planetväxelns utväxlingsforhållande mellan planethållaren och innerkuggringen. Vid en planetväxel med utväxlingsförhållandet 1:3 mellan planethållaren 5 och solhjulet 4 blir utväxlingsförhållandet mellan innerkuggringen 2 och planethållaren 5 lika med 2:3.

Om sekundärgeneratoms 9 infasade varvtal genom frekvensomvandlaren 10 höjs till 1030 varv medurs, kommer således innerkuggringen också att röra sig medurs, men med varvtalet endast (1030-l000)/ 1,5 = 20 rpm. Om sektmdärgenera- 512798 4 . torns 9 infasade varvtal genom frekvensomvandlaren 10 i stället sänks till 970 varv medurs, kommer innerkuggringen i stället att röra sig moturs, med varvtalet (1000- 970)/ 1,5 = 20 rpm.

Vid det visade utföringsexemplet av sättet och anordningen enligt uppfm- ningen utnyttjar man således det mycket frekvensstabila elnätet 12 for att hålla fast en av planetväxellådans tre rörliga huvuddelar (solhjulet 4/den primära utgående axeln 8) vid ett konstant, förhållandevis högt varvtal, i stället for att som vanligtvis är fallet, hålla fast en huvuddel vid stillastående, d.v.s. vid det konstanta varvtalet noll. En arman av växellådans huvuddelar (planethållaren 5/den sekundära utgående axeln 6) låter man rotera med ett varvtal som också är mycket stabilt (genom elnätet 12) men inställbart (genom frekvensomvandlaren 10) omkring det nominella varvtal där varvtalen hos de båda berörda huvuddelarna (4, 5) i växellådan, med hänsyn tagen till utväxlingama, tar ut varandra, så att den tredje huvudkomponenten (inner- kuggringen 2/den ingående axeln 1) står stilla. Den ingående axehis 1 varvtal kan därigenom regleras steglöst i båda riktningarna omkring noll, genom att variera frekvensomvandlarens 10 inställning. Frekvensomvandlarens 10 inställning kan enkelt och på känt sätt, via exempelvis ett rnjkroprocessorbaserat styrsystem, styras av en yttre pararneter, i det beskrivna utforingsexemplet exempelvis av vindhastig- heten, så att Vindturbinens varvtal härigenom kan anpassas steglöst till vindhastig- heten.

Man har således enligt detta uppfinningsenliga sätt fått fram dels ett mycket högt utväxlingsförhållande mellan den ingående axeln 1 och den utgående primär- generatoraxeln 8, i det visade utföringsexemplet hela 3000:20 eller 150: 1, och mellan den ingående axeln 1 och den utgående sekundärgeneratoraxeln 6 cirka 1030:20 eller 51,5: l, dels en elegant möjlighet till steglös varvtalsreglering av den ingående drivaxeln 1, såväl i medurs som moturs riktningar. Regleringen blir på grund av elnätets 12 stabilitet oberoende av ändringar i den inmatade effekten på den ingående axeln 1, om denna ökar kommer båda generatorerna 7 och 9 helt enkelt att generera högre eleffekter till elnätet 12. Vi förutsätter naturligtvis att alla delar i anordningen är anpassade till sina erforderliga effekter, varvtal, vridmoment, etc.

I det visade utföringsexemplet med en vindgenerator, startas anordningen på följande sätt: a. Vindturbinens axel 1 är i utgångsläget fastbromsad och stillastående. b. Sekimdärgeneratom 7 startas omagnetiserad (i tomgång) medelst reglering av frekvensomvandlaren 10 från frekvensen noll och uppåt och fasas in på nätet med sitt nominella varvtal, d.v.s. 1000 rpm. c. Eftersom vindturbinen står stilla, står planetväxelns innerkuggring 2 stilla.

Detta innebär att då sekundärgeneratorn 7 börjar rotera, kommer planethålla- rens 5 rotation att även rotera solhjulet 4 och därmed primärgeneratom 9, som 512798 också startas och infasas omagrietiserad (i tomgång) på nätet med sina 3000 rpm. d. När båda generatorerna infasats, magnetiseras de, samtidigt som bromsen till vindturbinen lossas och frekvensomvandlaren 10 regleras till en sådan frekvensomvandlingsfaktor att ett varvtal uppstår hos sekundärgeneratorn 7 som avviker från det nominella (1000 rpm) åt ett sådant håll och så mycket att vindturbinen roterar i sin normala driftsriktiiing med ett till vindhastigheten anpassat varvtal. e. Vindturbinens varvtal kan nu enkelt anpassas till vindstyrkan på ett optimalt sätt genom att på känt sätt mäta vindhastigheten och styra frekvensomvandla- rens 10 omvandlingsfaktor därefter, exempelvis via en rnikrodator, så att vindturbinen kontinuerligt anpassar sin rotationshastighet optimalt efter vindstyrkan.

Sättet och anordningen enligt uppfinningen kan också tillämpas i det fall man inte kan hålla någon axels varvtal vid ett stabilt och konstant varvtal. Man kan i detta fall låta en av växellådans huvuddelars (t.ex.planetliållarens5/den sekundära utgå- ende axelns 6) varvtal styras av såväl en yttre parameter (t.ex. en vindhastighet) som av en annan huvuddels (t. ex. sollijulets 4/den primära utgående axelns 8) varvtal, så att den sekundära utgående axelns 6 varvtal varierar omkring ett nominellt varvtal som är en konstant faktor gånger den primära utgående axelns 8 varvtal, varvid den konstanta faktom är lika med växellådans utväxlingsíörhållande mellan de båda axlarna 6, och 8. Om den yttre parametem förblir konstant så kommer ett konstant varvtal på den tredje av växellådans huvuddelar (t.ex. innerkuggringen 2/den ingå- ende axeln 1) fortfarande att bibehållas, även om varvtalet på den primära utgående axeln 8 varieras, eftersom varvtalet på den sekundära utgående axeln 6 av den yttre parametern, via styrsystemet, samtidigt varieras med ett, med hänsyn till växellådans utväxlingsförhållande, motsvarande belopp.

Sättet och anordningen enligt uppfinningen tillhandahåller således bland annat en av den avgivna effekten på den ingående axeln l helt oberoende steglös reglering av denna axels varvtal som funktion av en yttre parameter, samtidigt med en mycket hög utväxling mellan den ingående axeln l och de två utgående axlarna 6 och 8, utan att däitör kräva en större och tyngre växellåda, varvid en stor generator- diaineter och hög generatorvikt kan undvikas, och kostnaderna kan hållas nere.

Fackmannen inom området kan säkert inse ett fleital möjligheter till modifie- ringar och forändringar av sättet och anordningen enligt uppfinningen, utan att därför gå utanför uppfinningens oinfattning, som endast begränsas av bifogade patentkrav.

Claims (18)

20 25 30 35 512798 6 PATENTKRAV

1. Sätt att varvtalsreglera en transmission med hög varvtalsutväxling, som har tre inbördes roterbara axlar (1, 6, 8) vilka medelst transmissionens olika kugghjul är förbundna med, och inbördes påverkar, varandras varvtal, varvid en axel (1) är den drivande ingående axeln vilken är förbunden med en lämplig drivkälla, och de båda andra är den primära (8) resp. den sektmdära (6) utgående axeln, kännetecknat av att samtliga tre axlar anordnas att kunna rotera samtidigt, samt av att den sekundära utgående axelns (6),varvtal av en yttre pararneter styrs att variera omkring ett nomi- nellt varvtal som är en konstant faktor gånger den primära utgående axelns (8) varvtal, varvid den konstanta faktorn är lika med växellådans utväxlingsforhållande mellan de båda axlarna (6, 8), så att den ingående axelns (1) varvtal genom trans- missionens differentialverkan blir en funktion av skillnaden mellan nämnda första och andra axlars (6, 8) varvtal.

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att den primära utgående axeln (8) ges ett fast varvtal, samt av att varvtalen hos de båda utgående axlarna (6, 8) anordnas så stabila att de inte påverkas av ändringar i den effekt som inmatas på den ingående axeln (1).

3. Sätt enligt krav 2, kännetecknat av följande steg: a) den utgående primäraxeln (8) förbinds med en elektrisk primärgenerator (9) som infasas på ett frekvensstabilt elnät, (12) och kommer då att rotera med ett konstant varvtal, skapat av frekvensstabiliteten i det elnät (12) den är infasad på, b) den utgående sektmdäraxeln (6) förbinds med en elektrisk sekundärgene- rator (7), varvid de båda generatoremas (7, 9) geometriska uppbyggnad och polantal utförs anpassade till varandra och till växellådans utväxlingsförhållanden så, att om den ingående axeln (1) skulle hindras att rotera, och den sekundära generatorn (7) skulle bringas att rotera, driven av den primära generatorn (9), med ett norninellt varvtal som bestäms avväxellådans utväxlingsförhållande, så skulle den frekvens som genereras av sekundärgeneratorn (7) vid nämnda nominella varvtal i huvudsak överensstämma med nätfrekvensen i förutnämnda frekvensstabila elnät (12), c) den elektriska sekundärgeneratom (7) ansluts via en reglerbar frekvensom- vandlare (10) till samma frekvensstabila elnät (12) som primärgeneratorn (9) och infasas på detta, med fiekvensomvandlarens (10) omvandlingsfaktor lika med 1, så att sekundärgeneratoms (7) varvtal blir lika med det nämnda nominella varvtalet. d) den ingående axeln (1) släpps fii så att den kan rotera, driven av en lämplig drivkälla, samtidigt som de båda generatorema (7, 9) magnetiseras. e) frekvensomvandlarens (10) inställning ändras av en yttre styrparameter till att ge en sådan frekvens på generatorsidan att den elektriska sekundärgeneratorns (7) 20 25 30 35 512798 7 varvtal kommer att avvika från nänmda nominella varvtal; vilket, med hänsyn tagen till nämnda generators poltal och växellådans utväxlingsförhållande skulle ha över- ensstämt med den elektriska primärgeneratorns (9) varvtal och den ingående axeln (1) skulle ha stått stilla; så att växellådans ingående axel (1) bringas att rotera med ett varvtal som är en fimktion av skillnaden mellan varvtalen hos de primära resp. sekimdära utgående axlar (8; 6) i växellådan, vilkas varvtal bestäms av den primära elgeneratom (9) respektive den sekundära elgeneratom (7) och frekvensomvand- laren ( 10), samt av det frekvensstabila elnätet (12).

4. Sätt enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknat av att transmissionen är en planetväxellåda och de inbördes roterbara andarna (I, 6, 8) forbinds med inner- kuggringen (2), solhjulet (4) respektive planethållaren (5).

5. Sätt enligt krav 4, kännetecknat av att den ingående axel (1) som fórbinds med drivkällan ansluts till planetväxellådans innerkuggring (2).

6. Sätt enligt krav 5, kännetecknat av att drivkällan som ansluts till den ingå- ende axeln (1) utgörs av en vindkraftdriven turbin.

7. Sätt enligt krav 6, kännetecknat av att den yttre styrparameter som styr den reglerbara frekvensomvandlaren (10) är en signal som motsvarar vindhastigheten, och frekvensomvandlaren styrs så att den ingående axelns (1) varvtal ökar som en förutbestämd funktion av vindhastigheten.

8. Sätt enligt krav 5, kännetecknat av att den utgående axel (8) som ansluts till planetväxelns solhjul (4) väljs till primäraxel med konstant varvtal, och den utgå- ende axel (6) som ansluts till planethållaren (5) väljs till sekundäraxel med varierbart varvtal.

9. Sätt enligt krav 5, kännetecknat av att den utgående axel (8) som ansluts till planetväxelns solhjul (4) väljs till sekundäraxel med varierbart varvtal, och den ut- gående axel (6) som ansluts till planethållaren (5) väljs till primäraxel med konstant varvtal.

10. Anordning för varvtalsreglering vid en transmission med hög varvtalsutväx- ling, som har tre inbördes roterbara axlar (1, 6, 8) vilka medelst transmissionens olika kugghjul är förbundna med, och inbördes påverkar, varandras varvtal, varvid en axel (1) är den drivande ingående axeln vilken är förbunden med en lämplig driv- källa, och de båda andra är den primära (8) resp. den selnmdära (6) utgående axeln, 20 25 30 35 512798 8 kännetecknad av att samtliga tre axlar är anordnade att kunna rotera samtidigt, samt av att en anordning (7, 10) firms for att med en yttre parameter styra den sekundära utgående axelns (6) varvtal att variera omkring ett nominellt varvtal som är en konstant faktor gånger den primära utgående axelns (8) varvtal, varvid den konstanta faktorn är lika med växellådans utväxlingsförhållande mellan de båda axlarna (6, 8), så att den ingående axelns (1) varvtal genom transmissionens diñe- rentialverkan blir en funktion av skillnaden mellan nämnda första och andra axlars (6, 8) varvtal.

ll. Anordning enligt krav 10, kännetecknad av att den primära utgående axeln (8) är förbunden med en primär anordning (9) som håller ett fast varvtal, samt av att varvtalen hos de båda utgående axlarna (6, 8) genom frmktionen hos de båda anord- ningarna (7, 10, 9) är så stabila att de inte påverkas av ändringar i den effekt som inmatas på den ingående axeln (1).

12. Anordning enligt krav ll, kännetecknad av att: a) den utgående primäraxeln (8) är förbunden med en elektrisk primärgene- rator (9) som är infasad på ett frekvensstabilt elnät (12), och roterar då med ett konstant varvtal skapat av frekvensstabiliteten i det elnät (12) den är infasad på, b) den utgående sekundäraxeh1(6) är förbunden med en elektrisk sekundär- generator (7), varvid de båda generatoremas (7, 9) geometriska uppbyggnad och polantal är anpassade till varandra och till planetväxellådans utväxlingsförhållanden så, att om den ingående axeln (1) skulle hindras att rotera, och den sekundära gene- ratorn (7) skulle bringas att rotera, driven av den primära generatom (9), med ett nominellt varvtal som bestäms av växellådans utväxlingsförhållande, så skulle den frekvens som genererades av sekundärgeneratorn (7) vid nämnda nominella varvtal i huvudsak överensstämma med nätfrekvensen i förutnämnda frekvensstabila elnät (12), c) den elektriska sekundärgeneratom (7) är ansluten via en reglerbar fie- kvensomvandlare (10) till samma frekvensstabila elnät (12) som primärgeneratom (9) och är infasad på detta, med frekvensomvandlarens (10) omvandlingsfaktor lika med l, så att sekrmdärgeneratorns (7) varvtal är lika med det nämnda nominella varvtalet. d) en styranordning firms for att släppa den ingående axeln (1) fri så att den kan rotera, driven av en lämplig drivkälla, och samtidigt magnetisera de båda gene- ratorema (7, 9), varvid e) nämnda styranordning som funktion av en yttre pararneter ändrar frekvensomvandlarens (10) inställning till att ge en sådan frekvens på generatorsidan att den elektriska sektmdärgeneratorns (7) varvtal kommer att avvika från nämnda 20 25 30 512798 9 nominella varvtal; vilket, med hänsyn tagen till nämnda generators poltal och växellådans utväxlingsfórhållande skulle ha överensstämt med den elektriska primärgeneratoms (9) varvtal och den ingående axeln (1) skulle ha stått stilla; så att växellådans ingående axel (1) bringas att rotera med ett varvtal som är en fimktion av skillnaden mellan varvtalen hos de primära resp. sekundära utgående axlar (8; 6) i växellådan, vilkas varvtal bestäms av den primära elgeneratom (9) respektive den sekundära elgeneratorn (7) och frekvensomvandlaren (10), samt av det frekvens- stabila elnätet (12).

13. Anordning enligt krav 10, ll eller 12, kännetecknadav att transmissionen är en planetväxellåda och att de inbördes roterbara axlarna (1, 6, 8) är förbundna med innerkuggringen (2), solhjulet (4) respektive planethållaren (5).

14. Anordning enligt krav 13, kännetecknad av att den ingående axel (1) som är förbunden med drivkällan är ansluten till planetväxellådans innerkuggring (2).

15. Anordning enligt krav 14, kännetecknad av att drivkällan som är ansluten till den ingående axeln (1) utgörs av en vindkraftdriven turbin.

16. Anordning enligt krav 15, kännetecknad av att nämnda styranordning som firms för att med en yttre pararneter styra den reglerbara frekvensomvandlaren (10) avkärmer vindhastigheten och styr frekvensomvandlaren så att den ingående axelns (1) varvtal ökar som en förutbestämd funktion av vindhastigheten.

17. Anordning enligt krav 14, kännetecknad av att den utgående axel (8) som är ansluten till planetväxelns solhjul (4) är primäraxel med konstant varvtal, och den utgående axel (6) som är ansluten till planethållaren (5) är sekundäraxel med varier- bart varvtal.

18. Anordning enligt krav 14, kännetecknad av att den utgående axel (8) som är ansluten till planetväxelns solhjul (4) är sekrmdäraxel med varierbart varvtal, och den utgående axel (6) som är ansluten till planethållaren (5) är primäraxel med kon- stant varvtal.