專利名稱：風(fēng)輪發(fā)電機(jī)和潮流發(fā)電機(jī)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)輪發(fā)電機(jī)和潮流發(fā)電機(jī)以及該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的操作方法，風(fēng)輪發(fā) 電機(jī)和潮流發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能經(jīng)由具有液壓泵和液壓馬達(dá)的組合的流體傳動(dòng)裝置傳 輸?shù)桨l(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
近年來，從保護(hù)環(huán)境的視角看，使用可再生能源式渦輪發(fā)電機(jī)諸如利用風(fēng)能的風(fēng) 輪發(fā)電機(jī)和利用潮流的潮流發(fā)電機(jī)正變得流行。
在渦輪發(fā)電機(jī)中，風(fēng)輪發(fā)電機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能并進(jìn)一步通過發(fā)電 機(jī)將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電功率。在普通的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大約為每分鐘幾轉(zhuǎn) 到每分鐘幾十轉(zhuǎn)。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的額定速度通常為1500rpm或1800rpm,因而將機(jī)械變速箱 設(shè)置在轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)之間。具體地，通過變速箱將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速增加到發(fā)電機(jī)的額定速度，然 后輸入到發(fā)電機(jī)。
近年來，因?yàn)轱L(fēng)輪發(fā)電機(jī)正變得更大以提高發(fā)電效率，所以變速箱趨于變得更沉 重和更昂貴。因而，配備采用可變?nèi)萘渴降囊簤罕煤鸵簤厚R達(dá)的組合的液壓傳動(dòng)裝置的風(fēng) 輪發(fā)電機(jī)正在得到更多關(guān)注。
例如，專利文獻(xiàn)I公開了一種使用液壓傳動(dòng)裝置的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)，該液壓傳動(dòng)裝置 包括由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的液壓泵和連接到發(fā)電機(jī)的液壓馬達(dá)。在該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的液壓傳動(dòng)裝置 中，液壓泵和液壓馬達(dá)經(jīng)由高壓容器和低壓容器相連。由此，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能經(jīng)由液壓傳動(dòng)裝 置傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)。另外，液壓泵由多組活塞和缸以及凸輪構(gòu)成，該凸輪使多個(gè)活塞在缸中周 期性地往復(fù)。
另外，專利文獻(xiàn)2描述了一種采用液壓傳動(dòng)裝置的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)，該液壓傳動(dòng)裝置 由通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的液壓泵、連接到發(fā)電機(jī)的液壓馬達(dá)以及布置在液壓泵與液壓馬達(dá)之間的 工作油路徑構(gòu)成。在該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的液壓傳動(dòng)裝置中，液壓泵由多組活塞和缸、使活塞在缸 中周期性往復(fù)的凸輪以及利用活塞的往復(fù)打開和關(guān)閉的高壓閥和低壓閥構(gòu)成。通過將活塞 鎖閉在上死點(diǎn)附近，由缸和活塞包圍的工作室無效，然后液壓泵的排量改變。
盡管液壓泵和液壓馬達(dá)不是可變排量式的，但是專利文獻(xiàn)3公開了一種具有液壓 泵和液壓馬達(dá)的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)。專利文獻(xiàn)3的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)通過調(diào)節(jié)將從液壓泵供應(yīng)到液壓馬 達(dá)的工作油的壓力來維持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定。在該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中，液壓泵的排出側(cè)經(jīng)由塔 架的用作高壓儲(chǔ)罐的內(nèi)部空間連接到液壓馬達(dá)的進(jìn)口側(cè)，而液壓泵的進(jìn)口側(cè)經(jīng)由布置在塔 架下方的低壓儲(chǔ)罐連接到液壓馬達(dá)的排出側(cè)。
引用列表
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:US 2010/0032959
專利文獻(xiàn)2 :US 2010/0040470
專利文獻(xiàn)3 :US 7436086 B發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
此處，將風(fēng)輪發(fā)電機(jī)和潮流發(fā)電機(jī)稱為可再生能源式發(fā)電機(jī)。在可再生能源發(fā)電 機(jī)之中，在風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中，取決于風(fēng)速或潮流的流速，轉(zhuǎn)子的產(chǎn)生最大輸出的轉(zhuǎn)速不同。要 實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)電效率，必須根據(jù)風(fēng)速來改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。從該視角看，在配備機(jī)械式(齒輪 式)的變速箱的傳統(tǒng)風(fēng)輪機(jī)中，換流器布置在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間并且通過控制該換流器來 改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。該變速操作方法普遍使用。
同時(shí)，專利文獻(xiàn)I到3公開了配備液壓傳動(dòng)裝置的風(fēng)輪機(jī)。然而，專利文獻(xiàn)I到3 都沒有提出用以提高發(fā)電效率的具體控制。目前沒有為提高發(fā)電效率而設(shè)立的操作方法。
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種配備液壓傳動(dòng)裝置并且實(shí)現(xiàn)優(yōu)良發(fā)電效 率的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)和潮流發(fā)電機(jī)及其操作方法。
問題的解決方案
本發(fā)明提出一種風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)包括轂； 主軸，其聯(lián)接到該轂；發(fā)電機(jī)，其將從主軸傳輸?shù)男D(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電功率；可變排量式的液壓 泵，其通過主軸驅(qū)動(dòng)；可變排量式的液壓馬達(dá)，其連接到該發(fā)電機(jī)；高壓油管，其布置在液 壓泵的排出側(cè)與液壓馬達(dá)的進(jìn)口側(cè)之間；低壓油管，其布置在液壓泵的進(jìn)口側(cè)與液壓馬達(dá) 的排出側(cè)之間；以及控制單元，其與泵控制器和馬達(dá)控制器通信，該泵控制器調(diào)節(jié)液壓泵的 排量Dp，該馬達(dá)控制器調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量Dm，其中泵控制器設(shè)定液壓泵的目標(biāo)扭矩，然后 基于該目標(biāo)扭矩和高壓油管中的工作油的壓力來設(shè)定液壓泵的排量Dp，并且其中馬達(dá)控制 器基于液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得恒定，液壓泵 的排出量Qp由排量Dp獲得。
在該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)中，泵控制器設(shè)定液壓泵的目標(biāo)扭矩，然后基于該 目標(biāo)扭矩和高壓油管中的工作油的壓力來設(shè)定液壓泵的排量Dp，以便控制該液壓泵，其中 在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。由此，發(fā)電效率得以提高。
另外，馬達(dá)控制器基于液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)的排量Dm，使得發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速變得恒定，并且液壓泵的排出量Qp由排量Dp獲得。因此，即使當(dāng)液壓泵的目標(biāo)扭矩 改變時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能夠保持恒定。由此，發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生具有恒定頻率的電功率。
此外，由泵控制器使用的用以設(shè)定液壓泵的排量Dp的“高壓油管中的工作油的壓 力”可以是工作油的壓力的實(shí)際測(cè)量值或者可以是設(shè)定值(目標(biāo)壓力)。
上述風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可進(jìn)一步包括測(cè)量主軸的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計(jì)，其中泵控 制器根據(jù)由該轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量的主軸的轉(zhuǎn)速來設(shè)定目標(biāo)扭矩，在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得 最大。
目標(biāo)扭矩根據(jù)由轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量的主軸的轉(zhuǎn)速來設(shè)定，并且利用該目標(biāo)扭矩來控制液 壓傳動(dòng)裝置，其中在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。由此，風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的 發(fā)電效率得以提高。另外，能夠高精度地測(cè)量主軸的轉(zhuǎn)速，因而基于所測(cè)量的主軸的轉(zhuǎn)速， 能夠適當(dāng)?shù)乜刂埔簤罕谩?br> 可替代地，風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可進(jìn)一步包括測(cè)量風(fēng)速的風(fēng)速計(jì)或速度計(jì)， 并且泵控制器可從所測(cè)量的風(fēng)速或潮流的速度來獲得目標(biāo)扭矩，在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。
以這種方式，能夠從由風(fēng)速計(jì)測(cè)量的風(fēng)速或由速度計(jì)測(cè)量的潮流的速度來獲得目 標(biāo)扭矩，在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。所獲得的目標(biāo)扭矩用于控制液壓傳動(dòng)裝置以 便改進(jìn)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的發(fā)電。
在風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)中，還優(yōu)選液壓泵和液壓馬達(dá)中的每一個(gè)包括多個(gè)油 室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個(gè)油室中的每一個(gè)油室由缸和在該缸中以滑動(dòng)方式移 動(dòng)的活塞包圍，該凸輪具有與活塞形成接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個(gè)高壓閥打 開和關(guān)閉油室中的每一個(gè)油室與高壓油管之間的連通路徑，所述低壓閥中的每一個(gè)低壓閥 打開和關(guān)閉油室中的每一個(gè)油室與低壓油管之間的連通路徑，并且泵控制器控制液壓泵的 無效油室與所有的油室的比率以便調(diào)節(jié)液壓泵的排量Dp，無效油室保持為使得在液壓泵的 活塞從下死點(diǎn)開始、到達(dá)上死點(diǎn)并且返回到下死點(diǎn)的循環(huán)期間，液壓泵的高壓閥保持關(guān)閉， 且液壓泵的低壓閥保持打開，并且馬達(dá)控制器控制液壓馬達(dá)的無效油室與所有的油室的比 率以便調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量Dm，無效油室保持為使得在液壓馬達(dá)的活塞從下死點(diǎn)開始、到 達(dá)上死點(diǎn)并且返回到下死點(diǎn)的循環(huán)期間，液壓馬達(dá)的高壓閥關(guān)閉，且液壓馬達(dá)的低壓閥保 持打開。
每個(gè)油室(工作室或無效室)的狀態(tài)能夠在活塞完成一組向上和向下運(yùn)動(dòng)的每個(gè) 循環(huán)中進(jìn)行切換。因此，通過改變無效油室與所有油室的比率能夠迅速改變液壓泵和液壓 馬達(dá)的排量。此外使用部分無效的油室是可能的，在所述部分無效的油室中，高壓閥打開以 用于向上或向下運(yùn)動(dòng)的一部分(不是全部)，而低壓閥打開以用于向上或向下運(yùn)動(dòng)的其余 的大部分。
風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可優(yōu)選構(gòu)造為使得液壓泵的凸輪是環(huán)凸輪，其環(huán)形地布 置在主軸的外周上并且具有凸輪輪廓，該凸輪輪廓限定多個(gè)具有繞主軸交替布置的多個(gè)凹 部和凸部的波形部，并且液壓馬達(dá)的凸輪是偏心凸輪，其相對(duì)于與發(fā)電機(jī)聯(lián)接的液壓馬達(dá) 的輸出軸的軸心偏心地布置。
在典型的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大約為每分鐘幾轉(zhuǎn)到每分鐘幾十轉(zhuǎn)，而發(fā)電 機(jī)的額定速度通常為1500rpm或1800rpm。因而，在具有液壓泵和液壓馬達(dá)的液壓傳動(dòng)裝置 中，需要將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)增大大約100倍以傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)。此處，液壓傳動(dòng)裝置的增速比由液 壓泵的排量Dp與液壓馬達(dá)的排量Dm的比率決定。也就是說，液壓泵的排量Dp必須設(shè)定為 比液壓馬達(dá)的排量Dm大約大100倍。通過使每個(gè)缸的容積較大或提供更多的缸能夠增加 液壓泵的排量。然而，這導(dǎo)致液壓泵的尺寸大約變大100倍。
鑒于此，選擇具有凸輪輪廓的環(huán)凸輪作為液壓泵的凸輪，該凸輪輪廓限定多個(gè)具 有交替布置的多個(gè)凹部和凸部的波形部。由此，當(dāng)主軸完成一圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，液壓泵的活塞中的 每一個(gè)活塞完成多組的向上和向下運(yùn)動(dòng)。由此，能夠獲得具有高增速比的液壓傳動(dòng)裝置。
在上述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)中，優(yōu)選液壓泵的高壓閥是僅允許流體從油室 流向高壓油管的止回閥，而液壓泵的低壓閥是常開式電磁操作的面密封閥，并且對(duì)于液壓 泵的除無效油室之外的油室，泵控制器在液壓泵的活塞到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)或之后關(guān)閉低壓閥并 且通過油室與低壓油管之間的壓力差來保持低壓閥關(guān)閉，以便減小緊接在通過泵控制器關(guān) 閉低壓閥之后保持低壓閥關(guān)閉所需的電功率。
如上所述，液壓泵的高壓閥是止回閥，因而在液壓泵的活塞從下死點(diǎn)開始并且到達(dá)上死點(diǎn)的循環(huán)期間，油室中的工作油被壓縮。由此，油室中的壓力變得高于高壓油管中的 壓力，從而致使高壓閥自動(dòng)打開。因而，無需主動(dòng)地控制高壓閥。另外，液壓泵的高壓閥是 具有比電磁閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)的止回閥，因而能夠使液壓泵的尺寸更小。
此外，當(dāng)控制液壓泵的除無效油室之外的油室中的高壓閥和低壓閥的打開和關(guān)閉 時(shí)，超過緊接在活塞到達(dá)下死點(diǎn)之后的點(diǎn)，低壓閥便通過油室與低壓油管之間的壓力差關(guān) 閉。由此，能夠節(jié)省用于保持低壓閥關(guān)閉的電功率。
在風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)中，優(yōu)選液壓馬達(dá)的高壓閥是面密封電磁閥并且液壓 馬達(dá)的低壓閥是面密封電磁閥，并且對(duì)于液壓馬達(dá)的除無效油室之外的油室，馬達(dá)控制器 在液壓馬達(dá)的活塞即將到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)關(guān)閉低壓閥，然后以此順序打開高壓閥，然后維持低 壓閥關(guān)閉，直至液壓馬達(dá)的活塞即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，并且馬達(dá)控制器將高壓閥鎖閉在打開 狀態(tài)中，直至低壓閥即將重新打開時(shí)。
如上所述，在液壓馬達(dá)的活塞到達(dá)上死點(diǎn)之后，高壓閥鎖閉在打開狀態(tài)中，直至活 塞即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)。由此，能夠?qū)⒏邏洪y鎖閉在打開狀態(tài)中，同時(shí)節(jié)省用于激勵(lì)高壓閥的 電功率。
風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可進(jìn)一步包括槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)安裝 在轂上的葉片的槳距角，并且控制單元可控制該槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā) 電機(jī)的輸出不超過額定輸出。
由此，在其中以等于或高于額定風(fēng)速并且低于切出風(fēng)速的風(fēng)速下執(zhí)行發(fā)電的額定 操作中，發(fā)電機(jī)20能夠產(chǎn)生指定量的電功率輸出(額定輸出)。
另外，額定風(fēng)速意是通過發(fā)電機(jī)獲得額定輸出所需的風(fēng)速，而切出風(fēng)速是停止發(fā) 電機(jī)以確保風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的安全所需的風(fēng)速。例如，額定風(fēng)速可設(shè)定為大約lOm/s，而切出風(fēng) 速可設(shè)定為25m/s。
風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可進(jìn)一步包括勵(lì)磁器，該勵(lì)磁器通過改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 中的勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)在發(fā)電機(jī)的定子中產(chǎn)生的功率的功率因數(shù)，該發(fā)電機(jī)是電磁同步發(fā)電 機(jī)。
如上所述，發(fā)電機(jī)是電磁同步發(fā)電機(jī)并且勵(lì)磁器還設(shè)置為通過改變勵(lì)磁電流來調(diào) 節(jié)功率勵(lì)磁電流(power field current)的功率因數(shù)。由此，能夠?qū)⒄{(diào)節(jié)到預(yù)期功率因數(shù) 的優(yōu)質(zhì)電功率供應(yīng)到電網(wǎng)。
此外風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可進(jìn)一步包括旁通油管，其布置在高壓油管與低 壓油管之間以繞過該液壓馬達(dá)；以及安全閥，其布置在該旁通油管中以維持高壓油管的液 壓壓力不超過標(biāo)定壓力，其中泵控制器消除無效油室以使液壓泵的排量Dp最大，以便將高 壓油管中的壓力升高到安全閥的標(biāo)定壓力并且降低主軸的轉(zhuǎn)速。
如上所述，將液壓泵的排量調(diào)節(jié)為增加液壓泵的排量Dp以及增加高壓油管中的工 作油的壓力。由此，能夠提高用于旋轉(zhuǎn)液壓泵所需的扭矩(=液壓泵的排量DpX高壓油管 中的工作油的壓力)。由此，能夠迅速地降低主軸的轉(zhuǎn)速。
在上述風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)中，還優(yōu)選液壓泵和液壓馬達(dá)中的每一個(gè)包括多 個(gè)油室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個(gè)油室中的每一個(gè)油室由缸和在該缸中以滑動(dòng)方 式移動(dòng)的活塞包圍，該凸輪具有與活塞形成接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個(gè)高壓 閥打開和關(guān)閉油室中的每一個(gè)油室與高壓油管之間的連通路徑，所述低壓閥中的每一個(gè)低壓閥打開和關(guān)閉油室中的每一個(gè)油室與低壓油管之間的連通路徑，并且泵控制器通過控制 如下時(shí)段來調(diào)節(jié)液壓泵的排量Dp，即在該時(shí)段期間，液壓泵的低壓閥保持關(guān)閉，而液壓泵 的活塞從下死點(diǎn)移動(dòng)到上死點(diǎn)，并且馬達(dá)控制器通過控制如下時(shí)段來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量 Dffl,即在該時(shí)段期間，液壓馬達(dá)的高壓閥保持打開，而液壓馬達(dá)的活塞從上死點(diǎn)移動(dòng)到下死
由此，與改變無效油室與所有的油室的數(shù)量的情形不同，液壓泵和液壓馬達(dá)的排 量能夠在可變范圍內(nèi)連續(xù)地(不離散地)改變。
此外，在液壓泵和液壓馬達(dá)的操作期間，當(dāng)用于改變排量的信號(hào)通過泵控制器或 馬達(dá)控制器被傳輸時(shí)，無論活塞在油室中的每一個(gè)油室內(nèi)定位在何處，液壓泵和液壓馬達(dá) 的排量都能夠立即改變。
在此情形中，風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)可優(yōu)選包括電網(wǎng)狀態(tài)判定單元，該電網(wǎng)狀 態(tài)判定單元判定與發(fā)電機(jī)同步的電網(wǎng)的狀態(tài)，其中當(dāng)電網(wǎng)狀態(tài)判定單元判定電網(wǎng)的電壓已 下降時(shí)，馬達(dá)控制器將液壓馬達(dá)的排量Dm降至用于在幾毫秒內(nèi)使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)保持同步所需的量。
由此，液壓馬達(dá)的扭矩能夠響應(yīng)于發(fā)電機(jī)的減小負(fù)載而瞬時(shí)地改變，以便解決電 網(wǎng)的壓降。
優(yōu)選風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的馬達(dá)控制器基于高壓油管中的液壓壓力的測(cè)量 來設(shè)定液壓馬達(dá)的排量Dm，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量Dm以將高壓油管中的液壓壓力維持在可接 受的壓力范圍內(nèi)。
作為關(guān)于本發(fā)明的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的操作方法，提供一種風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或 潮流發(fā)電機(jī)的操作方法，該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)包括轂、連接到該轂的主軸、用于將從 主軸傳輸?shù)男D(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電功率的發(fā)電機(jī)、由主軸旋轉(zhuǎn)的液壓泵、連接到發(fā)電機(jī)的可變排 量式的液壓馬達(dá)、布置在液壓泵的排出側(cè)與液壓馬達(dá)的進(jìn)口側(cè)之間的高壓油管以及布置在 液壓泵的進(jìn)口側(cè)與液壓馬達(dá)的排出側(cè)之間的低壓油管，該方法包括計(jì)算液壓泵的目標(biāo)扭 矩的目標(biāo)扭矩計(jì)算步驟，在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大；基于在目標(biāo)扭矩計(jì)算步驟中 計(jì)算的目標(biāo)扭矩以及高壓油管中的液壓壓力來設(shè)定液壓泵的排量％的泵排量設(shè)定步驟；以 及基于由在泵排量設(shè)定步驟中設(shè)定的排量Dp獲得的液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)的 排量Dm而使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得恒定的馬達(dá)排量設(shè)定步驟，其中基于在泵排量設(shè)定步驟中 設(shè)定的排量Dp和在馬達(dá)排量設(shè)定步驟中設(shè)定的排量Dm來控制液壓泵和液壓馬達(dá)。
根據(jù)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的操作方法，液壓泵的控制通過如下執(zhí)行設(shè)定液 壓泵的目標(biāo)扭矩，然后基于該目標(biāo)扭矩以及高壓油管中的工作油的壓力來設(shè)定液壓泵的排 量Dp，其中在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。由此，發(fā)電效率得以提高。
另外，基于液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得 恒定，并且液壓泵的排出量Qp由排量Dp獲得。因此，即使當(dāng)液壓泵的目標(biāo)扭矩改變時(shí)，發(fā)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速也能夠保持恒定。由此，發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生具有恒定頻率的電功率。
本發(fā)明的有利效果
根據(jù)本發(fā)明，液壓泵的控制通過如下執(zhí)行設(shè)定液壓泵的目標(biāo)扭矩，然后基于該目 標(biāo)扭矩以及高壓油管中的工作油的壓力來設(shè)定液壓泵的排量Dp，其中在該目標(biāo)扭矩下，功 率系數(shù)變得最大。由此，發(fā)電效率得以提高。
另外，基于液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得 恒定，并且液壓泵的排出量Qp由排量Dp獲得。因此，即使當(dāng)液壓泵的目標(biāo)扭矩改變時(shí)，發(fā)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速也能夠保持恒定。由此，發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生具有恒定頻率的電功率。


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圖1是風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的示例結(jié)構(gòu)的示意圖。2是用于風(fēng)輪發(fā)電機(jī)單元的液壓傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)的示意圖。3是槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的圖示。4是顯示存儲(chǔ)在控制單元的存儲(chǔ)單元中的Cp最大值曲線的曲線圖。5是顯示存儲(chǔ)在控制單元的存儲(chǔ)單元中的Cp最大值曲線的曲線圖。6是顯示存儲(chǔ)在控制單元的存儲(chǔ)單元中的目標(biāo)壓力設(shè)定曲線的曲線圖。 7是顯示通過控制單元控制液壓傳動(dòng)裝置的過程的流程圖。8是液壓泵的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖示。9是顯示液壓泵的高壓閥和低壓閥的打開和關(guān)閉定時(shí)的曲線圖。10是液壓馬達(dá)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖示。11是顯示液壓馬達(dá)的高壓閥和低壓閥的打開和關(guān)閉定時(shí)的曲線圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，預(yù)期的是如果沒有 特別指定，則尺寸、材料、形狀、其相對(duì)位置等將被理解為僅僅是說明性的而不限制本發(fā)明 的范圍。
下文對(duì)關(guān)于優(yōu)選實(shí)施例的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。使用三葉片風(fēng)輪 機(jī)作為該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的示例。然而，該優(yōu)選實(shí)施例不限于該示例而是能夠應(yīng)用于各種類型 的風(fēng)輪機(jī)。
圖1是風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的示例結(jié)構(gòu)的圖示。圖3是槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的圖示。
如圖1中所示，風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I包括通過風(fēng)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子2、用于增加轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速的 液壓傳動(dòng)裝置10、用于生成電功率的發(fā)電機(jī)20、短艙22、用于支撐短艙22的塔架24、泵控 制器32、馬達(dá)控制器34、槳距控制器36以及用于控制該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的每個(gè)單元的控制單元 30。控制單元30和控制器32、34、36可位于短艙22的內(nèi)部或外部的不同位置中，使得控制 單元30可形成分布式控制系統(tǒng)。此外可能的是控制單元30和控制器32、34、36中的一個(gè) 以上的功能可合并到一個(gè)計(jì)算機(jī)處理單元中。
轉(zhuǎn)子2構(gòu)造為使得主軸8連接到具有葉片4的轂6。具體地，三個(gè)葉片4從轂6徑 向延伸，并且葉片4中的每一個(gè)葉片安裝在與主軸8相連的轂6上。由此，作用在葉片4上 的風(fēng)力使整個(gè)轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由主軸8輸入到液壓傳動(dòng)裝置10。由此，作用在 葉片上的風(fēng)力使整個(gè)轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由主軸8輸入到液壓傳動(dòng)裝置10。
如圖2中所示，液壓傳動(dòng)裝置10包括由主軸8旋轉(zhuǎn)的可變排量式的液壓泵12、連 接到發(fā)電機(jī)20的可變排量式的液壓馬達(dá)14以及布置在液壓泵12與液壓馬達(dá)14之間的高 壓油管16和低壓油管18。
高壓油管16將液壓泵12的排出側(cè)連接到液壓馬達(dá)14的進(jìn)口側(cè)。低壓油管18將液壓泵12的進(jìn)口側(cè)連接到液壓馬達(dá)14的排出側(cè)。從液壓泵排出的工作油(低壓油)經(jīng)由 高壓油管流入液壓馬達(dá)中。已在液壓馬達(dá)14中工作的工作油經(jīng)由低壓油管18流入液壓泵 12中，然后其壓力通過液壓泵12升高，最后工作油流入液壓馬達(dá)14中以便驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá) 14。
圖2示出了液壓傳動(dòng)裝置10僅包括一個(gè)液壓馬達(dá)14的示例性實(shí)施例。然而，也 可能的是提供多個(gè)液壓馬達(dá)14并且將液壓馬達(dá)14中的每一個(gè)液壓馬達(dá)連接到液壓泵12。 一端連接到液壓泵12的排出側(cè)的高壓油管16沿路線分開以連接到液壓馬達(dá)14中的每一 個(gè)液壓馬達(dá)的進(jìn)口側(cè)。同時(shí)，其一端連接到液壓馬達(dá)14中的每一個(gè)液壓馬達(dá)的排出側(cè)的低 壓油管18在該路線上匯合并且連接到液壓泵的進(jìn)口側(cè)。
另外，設(shè)置了用于測(cè)量主軸8的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計(jì)38和用于測(cè)量高壓油管16中的壓 力的壓力計(jì)39。轉(zhuǎn)速計(jì)38和壓力計(jì)39的測(cè)量結(jié)果發(fā)送到控制單元30以控制液壓泵12和 液壓馬達(dá)14。
此外，防脈沖蓄能器64設(shè)置用于高壓油管16和低壓油管18。由此，高壓油管16 和低壓油管18的壓力波動(dòng)(脈沖)得以抑制。而且，用于從工作油中去除雜質(zhì)的濾油器66 和用于冷卻工作油的冷油器68布置在低壓油管中。
旁通油管60布置在高壓油管16與低壓油管18之間以繞過液壓馬達(dá)14，并且安全 閥62布置在旁通油管60中以維持高壓油管16中的液壓壓力不超過標(biāo)定壓力。由此，當(dāng)高 壓油管16中的壓力達(dá)到安全閥62的標(biāo)定壓力時(shí)，安全閥62自動(dòng)打開，并且允許高壓油經(jīng) 由旁通管路60逃離到低壓油管18。
另外，液壓傳動(dòng)裝置10具有油箱70、補(bǔ)充管路72、增壓泵74、濾油器76、回流管路 78和低壓安全閥79。在一些實(shí)施例中，來自液壓馬達(dá)14的所有或部分的回流通過這些單 元中的一個(gè)或多個(gè)。
油箱70存儲(chǔ)補(bǔ)充工作油。補(bǔ)充管路72將油箱70和低壓油管18相連。增壓泵74 布置在補(bǔ)充管路72中以便利用來自油箱70的補(bǔ)充工作油來補(bǔ)充低壓油管18。在此情形 中，布置在補(bǔ)充管路72中的濾油器76去除將供應(yīng)到低壓油管18的工作油中的雜質(zhì)。
即使當(dāng)工作油在液壓傳動(dòng)裝置10中泄漏時(shí)，增壓泵74也利用來自油箱70的工作 油來補(bǔ)充低壓油管，因而能夠維持在液壓傳動(dòng)裝置10中循環(huán)的工作油的量。
回流管路78安裝在油箱70與低壓油管18之間。低壓安全閥79布置在回流管路 78中并且低壓油管18中的壓力維持在指定壓力附近。
由此，即使增壓泵74將工作油供應(yīng)到低壓油管18，但是一旦低壓油管18中的壓力 達(dá)到低壓安全閥79的指定壓力，低壓安全閥79就自動(dòng)地打開以便將工作油經(jīng)由回流管路 88釋放到油箱70。因而，能夠充分地維持在液壓傳動(dòng)裝置10中循環(huán)的工作油的量。
發(fā)電機(jī)20與電網(wǎng)50同步，使得由發(fā)電機(jī)20生成的電功率供應(yīng)到電網(wǎng)50。如圖2 所示，發(fā)電機(jī)20包括由連接到液壓馬達(dá)14的輸出軸15的轉(zhuǎn)子20A和連接到電網(wǎng)50的另 一轉(zhuǎn)子20B構(gòu)成的電磁同步發(fā)電機(jī)。勵(lì)磁器52連接到發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)子20A，使得在發(fā)電 機(jī)20的轉(zhuǎn)子20B中生成的電功率的功率因數(shù)能夠通過改變?cè)谵D(zhuǎn)子20A中流動(dòng)的勵(lì)磁電流 來調(diào)節(jié)。由此，能夠?qū)⒄{(diào)節(jié)到預(yù)期功率因數(shù)的優(yōu)質(zhì)電功率供應(yīng)到電網(wǎng)50。
另外，電網(wǎng)狀態(tài)判定單元54監(jiān)控電網(wǎng)50的狀態(tài)。由電網(wǎng)狀態(tài)判定單元54判定的 電網(wǎng)50的狀態(tài)發(fā)送到控制單元30以用于控制風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的每個(gè)單元。例如，當(dāng)電網(wǎng)狀態(tài)判定單元54判定電網(wǎng)50的電壓已下降時(shí)，在下文描述的槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40的控制下，通過槳距控制器36 (參見圖1)將葉片4的槳距角控制到順槳位置，并且通過泵控制器32和馬達(dá)控制器34將液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量減小到用于保持發(fā)電機(jī)20與電網(wǎng)40同步所需的量。
另外，電網(wǎng)狀態(tài)判定單元54優(yōu)選由用于測(cè)量電網(wǎng)50的電壓的電壓傳感器構(gòu)成。但是代替電壓傳感器，利用功率因數(shù)計(jì)或無功伏安計(jì)來間接地判定電網(wǎng)50的狀態(tài)也是可能的。
圖1中所示的短艙22可旋轉(zhuǎn)地支撐轉(zhuǎn)子2的轂6并且容納諸如液壓傳動(dòng)裝置10 和發(fā)電機(jī)20的各種裝置。另外，短艙22可旋轉(zhuǎn)地支撐在塔架24上并且可根據(jù)風(fēng)向通過偏航馬達(dá)(未示出)轉(zhuǎn)動(dòng)。
塔架24形成從基座26向上延伸的柱形形狀。例如，塔架24能夠由一個(gè)柱狀構(gòu)件構(gòu)成或由多個(gè)單元構(gòu)成，所述多個(gè)單元在豎直方向上相連以形成柱形形狀。如果塔架24由多個(gè)單元構(gòu)成，則短艙22安裝在最頂部單元上。
轂6容納用于調(diào)節(jié)葉片4的槳距角的槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40，如圖3中所示。槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40由液壓缸42、伺服閥44、油壓源46和蓄能器48構(gòu)成。在槳距控制器36的控制下， 伺服閥44調(diào)節(jié)由油壓源46產(chǎn)生的高壓油和存儲(chǔ)在蓄能器48中的高壓油向液壓缸42的供應(yīng)量，使得葉片4的槳距角變?yōu)轭A(yù)期的角度。
圖1的控制單元30包括用于控制液壓泵12的泵控制器32、用于控制液壓馬達(dá)14 的馬達(dá)控制器34、用于控制槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40的伺服閥44的槳距控制器36以及存儲(chǔ)用于控制風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元37。
泵控制器32獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩，功率系數(shù)在該目標(biāo)扭矩下變得最大，然后泵控制器32基于該目標(biāo)扭矩和高壓油管16中的壓力來設(shè)定液壓泵12的排量Dp。同時(shí)，馬達(dá)控制器34基于從液壓泵12的排量Dp獲得的液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)14的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速變得恒定。
一旦發(fā)電機(jī)20的輸出達(dá)到額定輸出，則槳距控制器36控制槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40的伺服閥44來維持發(fā)電機(jī)20的額定輸出，并且將葉片4的槳距角改變到順槳位置。由此，在其中以等于或高于額定風(fēng)速并且低于切出風(fēng)速的風(fēng)速下執(zhí)行發(fā)電的額定操作中，發(fā)電機(jī)20 能夠產(chǎn)生指 定量的電功率輸出(額定輸出)。
另外，在電網(wǎng)狀態(tài)判定單元54判定電網(wǎng)50的電壓下降的情形中，槳距控制器36 控制槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40的伺服閥44以將葉片4的槳距角改變到順槳位置。
存儲(chǔ)單元37存儲(chǔ)將用于控制風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I的Cp最大值曲線和目標(biāo)壓力設(shè)定曲線。
圖4和圖5是顯示存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元37中的Cp最大值曲線的曲線圖。Cp最大值曲線通過連接功率系數(shù)Cp變得最大所在的點(diǎn)而形成。圖4顯示了 Cp最大值曲線100，其中風(fēng)速V在X軸上而主軸8的轉(zhuǎn)速η在y軸上。圖5顯示了 Cp最大值曲線102，其中主軸8的轉(zhuǎn)速η在X軸上而液壓泵12的目標(biāo)扭矩在y軸上。
圖6是顯示存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元37中的目標(biāo)壓力設(shè)定曲線104的曲線圖。將高壓油管16中的壓力的目標(biāo)值針對(duì)主軸8的轉(zhuǎn)速η進(jìn)行繪制，從而形成目標(biāo)壓力設(shè)定曲線104。
在圖6中所示的目標(biāo)壓力設(shè)定曲線104中，高壓油管16中的目標(biāo)壓力隨轉(zhuǎn)速η增加而單調(diào)地增加。因而，與其中主軸8的轉(zhuǎn)速η高，即液壓泵的排出量Qp大的情形相比，在主軸8的轉(zhuǎn)速η低的情形中，高壓油管16的目標(biāo)壓力設(shè)定得較低。由此，在轉(zhuǎn)速η低的情形中，工作油的泄漏相對(duì)于液壓泵的排出量Qp小，從而防止工作油的泄漏影響液壓傳動(dòng)裝置10的控制。
接下來，對(duì)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中的液壓傳動(dòng)裝置的控制進(jìn)行說明，圖7是顯示在控制單元30的控制下控制液壓傳動(dòng)裝置10的過程的流程圖。
如圖7中所示，在步驟S2中，轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量主軸8的轉(zhuǎn)速η。
在步驟S4中，泵控制器32基于在步驟S2中由轉(zhuǎn)速計(jì)38測(cè)量的轉(zhuǎn)速η來估算風(fēng)速 V。具體地，在維持功率系數(shù)Cp最大的此操作狀態(tài)的狀況中，泵控制器32從存儲(chǔ)單元37讀出Cp最大值曲線100 (參見圖4)并且基于該Cp最大值曲線100來獲得與該測(cè)量轉(zhuǎn)速η相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速V。然后，在步驟S6中，泵控制器32從存儲(chǔ)單元37讀出Cp最大值曲線102 (參見圖5)并且獲得與在步驟S4中估算的風(fēng)速V相對(duì)應(yīng)的液壓泵12的目標(biāo)扭矩Tp tawt。圖 5示出了如下示例在步驟S2中估算的風(fēng)速V* V2的情形中獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩。
另外，在步驟S8中，泵控制器32從存儲(chǔ)單元讀出目標(biāo)壓力設(shè)定曲線104(圖6)并且獲得與在步驟S2中由轉(zhuǎn)速計(jì)38測(cè)量的轉(zhuǎn)速η相對(duì)應(yīng)的高壓油管的目標(biāo)壓力Th toget。
然后，過程前進(jìn)到步驟S10。在步驟SlO中，泵控制器根據(jù)數(shù)學(xué)公式I由液壓泵12 的目標(biāo)扭矩Tp tawt和高壓油管16的目標(biāo)扭矩Tll tawt獲得液壓泵的排量Dp。
(數(shù)學(xué)公式I)
排量Dp=目標(biāo)扭矩Tp target/目標(biāo)壓力Ph target
在步驟S12中，泵控制器32根據(jù)下面的數(shù)學(xué)公式2由液壓泵12的排量Dp獲得液壓泵的排出量Qp。
(數(shù)學(xué)公式2)
排出量Qp =排量DpX轉(zhuǎn)速η
在步驟S12中獲得液壓泵12的排出量％之后，在步驟S14中，根據(jù)下面的數(shù)學(xué)公式3來設(shè)定液壓馬達(dá)14的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速變?yōu)橹付ㄖ?例如1500rpm或 1800rpm)。
(數(shù)學(xué)公式3)
排量Dm =排出量Qp/發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速ng
接下來，在步驟S16中調(diào)節(jié)液壓泵12的排量Dp。在步驟S18中，馬達(dá)控制器34調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)14的排量Dm。稍后對(duì)調(diào)節(jié)液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量的過程進(jìn)行更具體地說明。
在步驟S20中，壓力計(jì)39測(cè)量高壓油管16中的壓力PH。在步驟S22中，判定由壓力計(jì)39測(cè)量的高壓油管16的壓力Ph與高壓油管的目標(biāo)壓力Ph tawt之間的差是否在容許范圍內(nèi)。
如果判定由壓力計(jì)39測(cè)量的高壓油管16的壓力Ph與高壓油管的目標(biāo)壓力Ph targrt 之間的差超過該容許范圍，則在步驟S24中，馬達(dá)控制器34校正液壓馬達(dá)14的排量Dm。具體地，在壓力Ph小于目標(biāo)壓力Pll targrt的情形中，將液壓馬達(dá)14的排量Dm減少與壓力Ph和目標(biāo)壓力PH—targrt之間的差成比例的量。相反，在壓力Ph大于目標(biāo)壓力Ph targrt的情形中，將液壓馬達(dá)14的排量Dm增加與壓力Ph和目標(biāo)壓力Ph 之間的差成比例的量。響應(yīng)于高壓油管16的壓力的改變的實(shí)際測(cè)量值，液壓泵12的排量也可改變，如下文所述。
圖7顯示了如下示例其中由在步驟S4中基于主軸8的轉(zhuǎn)速η估算的風(fēng)速V來獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩Tp toget。但是根據(jù)Cp最大值曲線從由轉(zhuǎn)速計(jì)38測(cè)量的轉(zhuǎn)速η直接獲得目標(biāo)扭矩Tp tawt也是可能的。
另外，在圖7的示例中，由液壓泵的目標(biāo)扭矩Tp toget和高壓油管16的目標(biāo)壓力Ph target來獲得液壓泵12的排量Dp。但是代替高壓油管16的目標(biāo)壓力Ph tawt，使用高壓油管 16的壓力的實(shí)際測(cè)量值來獲得液壓泵12的排量Dp也是可能的。
接下來，對(duì)調(diào)節(jié)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中的液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量的過程進(jìn)行說明。 圖8是液壓泵12的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖示。圖9是顯示在油室的一個(gè)有效循環(huán)期間液壓泵12的一個(gè)高壓閥和一個(gè)低壓閥的打開和關(guān)閉定時(shí)的曲線圖。圖10是液壓馬達(dá)14的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖示。圖11是顯示在油室的一個(gè)有效循環(huán)期間液壓馬達(dá)14的一個(gè)高壓閥和一個(gè)低壓閥的打開和關(guān)閉定時(shí)的曲線圖。
如圖8中所示，液壓泵12包括每一個(gè)均由缸80和活塞82形成的多個(gè)油室83、具有與活塞82形成接合的凸輪輪廓的凸輪84以及設(shè)置用于油室83中的每一個(gè)油室的高壓閥86和低壓閥88。
從使活塞82沿凸輪84的凸輪輪廓平滑運(yùn)行的視角看，活塞82中的每一個(gè)活塞優(yōu)選包括活塞體82A和活塞輥或活塞滑靴，該活塞體82A在缸80中以滑動(dòng)方式移動(dòng)，而該活塞輥或活塞滑靴安裝在該活塞體82A上并且與凸輪84的凸輪輪廓接合。圖3示出了活塞 82由活塞體82A和活塞輥82B構(gòu)成的示例。油室83中的壓力保持活塞輥82B與凸輪84形成接觸。
凸輪84經(jīng)由凸輪架85安裝在主軸8的外周上。對(duì)于主軸8的一圈旋轉(zhuǎn)，凸輪84 使活塞82中的每一個(gè)活塞向上和向下移動(dòng)多次，從而增大液壓泵12的扭矩。從這種觀點(diǎn)看，凸輪84優(yōu)選是具有凸輪輪廓的環(huán)凸輪，該凸輪輪廓限定多個(gè)具有繞主軸8交替布置的凹部84A和凸部 84B的波形部。
高壓閥86是止回閥，其布置在高壓油管16與油室83中的每一個(gè)油室之間的高壓連通路徑87中并且僅允許油從油室83流向高壓油管16。同時(shí)，低壓閥88是常開式提升電磁閥，其布置在低壓油管18與油室83中的每一個(gè)油室之間的低壓連通路徑89中。
在液壓泵12中，凸輪84隨主軸8旋轉(zhuǎn)并且如在圖9的活塞循環(huán)曲線110中所示， 活塞82周期性地向上和向下移動(dòng)以重復(fù)活塞82從下死點(diǎn)開始并且到達(dá)上死點(diǎn)的泵循環(huán)以及活塞從上死點(diǎn)開始并且到達(dá)下死點(diǎn)的吸入循環(huán)。
圖9的活塞循環(huán)曲線110在X軸上具有時(shí)間且在y軸上具有活塞82的位置。在圖中，HPV電壓信號(hào)112是要供應(yīng)到高壓閥86的電壓信號(hào)，高壓閥位置114是高壓閥86的打開/關(guān)閉狀態(tài)，LPV電壓信號(hào)116是將要供應(yīng)到低壓閥88的電壓信號(hào)，低壓閥位置118是低壓閥88的打開/關(guān)閉狀態(tài)并且壓力曲線120是油室83中的壓力。
泵控制器32改變無效油室的數(shù)量以便實(shí)現(xiàn)液壓泵12的預(yù)期排量Dp，無效油室保持為使得在液壓泵12的活塞82從下死點(diǎn)開始、到達(dá)上死點(diǎn)并返回到下死點(diǎn)的循環(huán)期間，液壓泵12的高壓閥86關(guān)閉，且液壓泵12的低壓閥88保持打開。具體地，泵控制器32按照下面的數(shù)學(xué)公式4根據(jù)液壓泵12的排量Dp來設(shè)定無效室的數(shù)量，據(jù)此來對(duì)液壓泵進(jìn)行控制。
(數(shù)學(xué)公式4)
排量Dp = m X Vp X Fdp
在數(shù)學(xué)公式4中，m是凸輪84的凹部(或凸部)的數(shù)量。Vp是所有的缸80的總 容量。Fdp是工作室與所有的油室83的比率。Fdp可在一段時(shí)間上進(jìn)行判定，使得Fdp是工 作室與所有的油室的比率的短期平均。此處，液壓泵12的“無效室”指在活塞82從下死點(diǎn) 開始并且到達(dá)上死點(diǎn)的泵沖程期間不向高壓油管16排出工作油的油室83，而液壓泵12的 “工作室”指在活塞82從下死點(diǎn)開始并且到達(dá)上死點(diǎn)的泵沖程期間向高壓油管排出工作油 的油室83。
每個(gè)油室83 (工作室或無效室)的狀態(tài)能夠在活塞82完成一組向上和向下運(yùn)動(dòng) 的每個(gè)循環(huán)進(jìn)行切換。因此，通過改變無效油室與所有油室的比率能夠迅速改變液壓泵和 液壓馬達(dá)的排量。
對(duì)于液壓泵12的無效室和工作室，泵控制器32以下文所述的方式控制高壓閥86 和低壓閥88的打開/關(guān)閉。
對(duì)于液壓泵的無效室83，將常開式的低壓閥88去激勵(lì)以在活塞完成一組向上和 向下運(yùn)動(dòng)時(shí)保持低壓閥88打開。由此，即使當(dāng)活塞82向上和向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作油也僅僅在 油室83與低壓油管之間移動(dòng)，而不升高油室83中的壓力，因而高壓止回閥86保持關(guān)閉。
另一方面，對(duì)于油室83的工作室，針對(duì)活塞82的向上和向下運(yùn)動(dòng)來控制高壓閥86 和低壓閥88的打開和關(guān)閉，如圖9中所示。
由于高壓閥86由止回閥構(gòu)成，所以電壓信號(hào)不能供應(yīng)，因而HPV電壓信號(hào)112總 是零。但是油室83與高壓油管16之間的壓力差致使壓力閥86自動(dòng)地打開或關(guān)閉。具體 地，由于高壓閥位置114顯示油室83中的壓力在泵循環(huán)期間升高(參見壓力曲線120)并 且一旦油室83中的壓力超過高壓油管16的壓力，高壓閥86就自動(dòng)打開并且然后在泵沖程 之后自動(dòng)關(guān)閉。
對(duì)于常開式的低壓閥88，應(yīng)用此LPV電壓信號(hào)，以便在活塞82即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí) 激勵(lì)低壓閥88并且緊接在活塞82到達(dá)下死點(diǎn)之后使低壓閥88去激勵(lì)。如從低壓閥位置 118理解的，通過在活塞82即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)激勵(lì)低壓閥88來關(guān)閉低壓閥88。在其它實(shí) 施例中，可使用常閉的電磁閥。
另外，即使當(dāng)緊接在活塞82到達(dá)下死點(diǎn)之后使低壓閥88去激勵(lì)時(shí)，因?yàn)橛褪?3 中的壓力在活塞到達(dá)上死點(diǎn)之前保持高，所以低壓閥88也通過油室83與低壓油管18之間 的壓力差來保持關(guān)閉。隨后，活塞82到達(dá)上死點(diǎn)并且過程移動(dòng)到吸入循環(huán)。在吸入循環(huán)期 間，由于高壓閥86的關(guān)閉，所以油室83中的壓力降低，因而油室83與低壓油管18之間的 壓力差變小，從而致使低壓閥88自動(dòng)打開。
由于液壓泵12的高壓閥86是止回閥，所以在液壓泵12的活塞82從下死點(diǎn)開始 并且到達(dá)上死點(diǎn)的循環(huán)期間，油室83中的工作油被壓縮。由此，油室83中的壓力變得高于 高壓油管16中的壓力，從而致使高壓閥86自動(dòng)打開。因而，無需主動(dòng)地控制高壓閥86。另 外，液壓泵12的高壓閥86是具有比電磁閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)的止回閥，因而能夠使液壓泵 12的尺寸更小。
此外，當(dāng)控制油室83的工作室中的高壓閥86和低壓閥88的打開和關(guān)閉時(shí)，緊接 在活塞82到達(dá)下死點(diǎn)之后使低壓閥88去激勵(lì)，并且在此之后，通過油室83與低壓油管18之間的壓力差來關(guān)閉低壓閥88。由此，能夠節(jié)省用于激勵(lì)低壓閥88的電功率。
如圖10中所示，液壓馬達(dá)14包括多個(gè)形成在缸90與活塞92之間的液壓室93、具 有與活塞92接合的凸輪輪廓的凸輪94以及設(shè)置用于液壓室93中的每一個(gè)液壓室的高壓 閥96和低壓閥98。
從將活塞92的向上和向下運(yùn)動(dòng)平滑地轉(zhuǎn)換成凸輪94的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的視角看，活塞 92中的每一個(gè)活塞優(yōu)選包括活塞體92A和活塞輥或活塞滑靴，該活塞體92A在缸90中以 滑動(dòng)方式移動(dòng)，而該活塞輥或活塞滑靴安裝在該活塞體92A上并且與凸輪94的凸輪輪廓接 合。圖10示出了活塞92中的每一個(gè)活塞由活塞體92A和活塞棍92B構(gòu)成的示例。
凸輪94是偏心凸輪，其相對(duì)于與發(fā)電機(jī)20相連的液壓馬達(dá)14的輸出軸(曲軸)15 的軸心O偏心布置。當(dāng)活塞92完成一組向上和向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸輪94和凸輪94安裝在其上 的輸出軸15完成一圈旋轉(zhuǎn)。
如上所述，液壓泵12的凸輪84是環(huán)凸輪，而液壓馬達(dá)14的凸輪94是偏心凸輪， 使得液壓馬達(dá)14的排量小于液壓泵12的排量，以實(shí)現(xiàn)液壓傳動(dòng)裝置10的高增速比。
高壓閥96是常閉式的提升電磁閥，其布置在高壓油管16與油室93中的每一個(gè)油 室之間的高壓連通路徑97中。高壓閥96可以是常開式的。同時(shí)，低壓閥98是常開式的提 升電磁閥，其布置在低壓油管18與油室93中的每一個(gè)油室之間的低壓連通路徑99中。低 壓閥98可以是常閉式的。
在如用活塞循環(huán)曲線130所示的液壓馬達(dá)14中，活塞92周期性地向上和向下移 動(dòng)以重復(fù)活塞92從上死點(diǎn)開始并且到達(dá)下死點(diǎn)的馬達(dá)循環(huán)以及活塞從下死點(diǎn)開始并且到 達(dá)上死點(diǎn)的排出循環(huán)。
圖11的活塞循環(huán)曲線130在X軸上具有時(shí)間且在y軸上具有活塞92的位置。在 圖中，HPV電壓信號(hào)132是要供應(yīng)到高壓閥96的電壓信號(hào)，高壓閥位置134是高壓閥96的 打開/關(guān)閉狀態(tài)，LPV電壓信號(hào)136是要供應(yīng)到低壓閥98的電壓信號(hào)，低壓閥位置138是 低壓閥98的打開/關(guān)閉狀態(tài)并且壓力曲線140是油室93中的壓力。
馬達(dá)控制器34改變無效油室的數(shù)量以便實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)14的預(yù)期排量Dm，無效油 室保持為使得在液壓馬達(dá)14的活塞92從下死點(diǎn)開始、到達(dá)上死點(diǎn)并返回到下死點(diǎn)的循環(huán) 期間，液壓馬達(dá)14的高壓閥96關(guān)閉，且液壓馬達(dá)14的低壓閥98保持打開。具體地，馬達(dá) 控制器34按照下面的數(shù)學(xué)公式5根據(jù)液壓馬達(dá)14的排量Dm來設(shè)定無效室的數(shù)量，據(jù)此來 對(duì)液壓馬達(dá)14進(jìn)行控制。
(數(shù)學(xué)公式5)
排量D111 = V111XFdm
在數(shù)學(xué)公式5中，Vm是所有的缸90的總?cè)萘?，而Fdm是工作室與所有的油室93的 比率。Fdffl可在一段時(shí)間上進(jìn)行確定，使得Fdm是工作室與所有的油室的比率的短期平均。
此處，液壓馬達(dá)14的“無效室”指在活塞92從上死點(diǎn)開始并且到達(dá)下死點(diǎn)的馬達(dá) 沖程期間工作油不從高壓油管16供應(yīng)到的油室93，而液壓馬達(dá)14的“工作室”指在活塞92 從上死點(diǎn)開始并且到達(dá)下死點(diǎn)的馬達(dá)沖程期間工作油從高壓油管16供應(yīng)到的油室93。
每個(gè)油室93 (工作室或無效室)的狀態(tài)能夠在活塞92完成一組向上和向下運(yùn)動(dòng) 的每個(gè)循環(huán)中進(jìn)行切換。因此，通過改變無效油室與所有油室的比率能夠迅速改變液壓馬 達(dá)14的排量。
對(duì)于液壓馬達(dá)14的無效室和工作室，馬達(dá)控制器34以下文所述的方式控制高壓 閥96和低壓閥98的打開/關(guān)閉。
對(duì)于油室93的無效室，將常閉式的高壓閥96去激勵(lì)以在活塞92完成一組向上和 向下運(yùn)動(dòng)時(shí)保持高壓閥96關(guān)閉，并且使常開式的低壓閥98去激勵(lì)以保持低壓閥98打開。
另一方面，對(duì)于油室93的工作室，針對(duì)活塞92的向上和向下運(yùn)動(dòng)來控制高壓閥96 和低壓閥98的打開和關(guān)閉，如圖11中所示。
對(duì)于常閉式的高壓閥96，應(yīng)用此HPV電壓信號(hào)132，如從高壓閥位置134理解的， 高壓閥96通過在活塞92即將到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)被激勵(lì)而被打開。
一旦高壓閥96打開，高壓油就流入油室93中以驅(qū)動(dòng)凸輪94旋轉(zhuǎn)。僅需要小力來 克服容納在高壓閥96中的彈簧的偏置力(在關(guān)閉高壓閥96的方向上作用的力)以將高壓 閥96鎖閉在打開狀態(tài)中。以這種方式，在活塞92到達(dá)上死點(diǎn)之后，高壓閥96能夠通過減 小的電流而鎖閉在打開狀態(tài)中，該減小的電流通過以非常高的頻率對(duì)高壓閥96進(jìn)行反復(fù) 地激勵(lì)和去激勵(lì)來實(shí)現(xiàn)。例如，在IOkHz下使用20%的占空比。在此情形中，從確保高壓 閥96保持在打開狀態(tài)中的視角看，施加到高壓閥96的電壓信號(hào)優(yōu)選是具有較高頻率的脈 沖電壓信號(hào)，該頻率是高壓閥96的線圈的時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)。
通過停止用于激勵(lì)/去激勵(lì)高壓閥96的脈沖電壓信號(hào)的供應(yīng)，高壓閥96通過高 壓閥96的彈簧的偏置力關(guān)閉。
對(duì)于常開式的低壓閥98，施加該LPV電壓信號(hào)136，以便在活塞92即將到達(dá)上死 點(diǎn)時(shí)激勵(lì)低壓閥98，然后緊接在高壓閥96被激勵(lì)之后使低壓閥98去激勵(lì)。如從低壓閥位 置138理解的，低壓閥98通過在活塞92即將到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)被激勵(lì)而被關(guān)閉。
一旦低壓閥98通過激勵(lì)而關(guān)閉，即使低壓閥98在活塞92到達(dá)上死點(diǎn)之前去激 勵(lì)，低壓閥98也保持關(guān)閉。這是因?yàn)樵诨钊?2移動(dòng)到上死點(diǎn)的期間(在關(guān)閉低壓閥98之 后的排出循環(huán)期間)，油室93中的壓力(參見壓力曲線140)高并因而低壓閥98通過油室 93與低壓油管18之間的壓力差保持關(guān)閉。并且當(dāng)活塞92到達(dá)上死點(diǎn)并且過程移動(dòng)到馬達(dá) 循環(huán)時(shí)，高壓油經(jīng)由高壓閥96流入油室93中。油室93中的壓力仍保持高，因而低壓閥98 通過油室93與低壓油管18之間的壓力差而保持關(guān)閉。
隨后，如果在活塞92即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)停止向高壓閥96的脈沖電壓信號(hào)，則高壓 閥96關(guān)閉并且油室93中的壓力降低。由于油室的繼續(xù)膨脹，油室93與低壓油管18之間 的壓力差變小并且低壓閥98自動(dòng)打開。
如上所述，在液壓馬達(dá)14的活塞92到達(dá)上死點(diǎn)之后，對(duì)高壓閥96進(jìn)行反復(fù)地激 勵(lì)和去激勵(lì)，直至活塞92即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)。由此，能夠?qū)⒏邏洪y鎖閉在打開狀態(tài)中，同時(shí) 節(jié)省用于激勵(lì)高壓閥96的電功率。
此外，低壓閥98在活塞92即將到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)被激勵(lì)，然后被去激勵(lì)。在此之后， 低壓閥98通過油室93與低壓油管18之間的壓力差而關(guān)閉。由此，能夠節(jié)省用于激勵(lì)低壓 閥98的電功率。
如上所述，在該優(yōu)選實(shí)施例中，泵控制器32獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩Tp toget，基 于該目標(biāo)扭矩Tp 和高壓油管16中的壓力Ph來設(shè)定液壓泵12的排量Dp，并且控制液壓 泵12，其中，功率系數(shù)在該目標(biāo)扭矩下變得最大。由此，發(fā)電效率得以提高。
此外，馬達(dá)控制器34基于液壓泵12的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)14的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速變得恒定，并且馬達(dá)控制器34控制液壓馬達(dá)14。由此，即使當(dāng)液壓泵 12的目標(biāo)扭矩Tp tmgrt改變時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能夠保持恒定。因而，在發(fā)電機(jī)20中能夠產(chǎn)生具有恒定頻率的電功率。
盡管已參照示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員明顯的是在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可作出各種變化。
例如，上述優(yōu)選實(shí)施例使用將本發(fā)明應(yīng)用于風(fēng)輪發(fā)電機(jī)的示例性情形。但是本發(fā)明也可應(yīng)用于潮流發(fā)電機(jī)。此處“潮流發(fā)電機(jī)”指安裝在適當(dāng)位置諸如海洋、河流和湖泊中并且使用潮汐能的發(fā)電機(jī)。除了轉(zhuǎn)子2通過潮流而不是風(fēng)旋轉(zhuǎn)之外，潮流發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I具有相同的基本結(jié)構(gòu)。潮流發(fā)電機(jī)包括通過潮流旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子2、用于增加轉(zhuǎn)子2的轉(zhuǎn)速的液壓傳動(dòng)裝置10、用于產(chǎn)生電功率的發(fā)電機(jī)20以及控制單元30，該控制單元30包括泵控制器32、馬達(dá)控制器34和存儲(chǔ)單元37并且控制潮流發(fā)電機(jī)的每個(gè)單元。此處使用相同的附圖標(biāo)記來說明與風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I共同的部件。
此處，潮流發(fā)電機(jī)的控制單元10設(shè)定液壓泵的目標(biāo)扭矩，然后基于該目標(biāo)扭矩和高壓油管中的工作油的壓力來設(shè)定液壓泵的排量Dp，以便控制液壓泵12，其中在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。由此，發(fā)電效率得以提高。另外，基于液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)14的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得恒定，并且液壓泵的排出量Qp由該排量Dp獲得。因此，即使當(dāng)液壓泵12的目標(biāo)扭矩改變時(shí)，發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速也能夠保持恒定。由此， 發(fā)電機(jī)20能夠產(chǎn)生具有恒定頻率的電功率。
此外，在使用潮流發(fā)電機(jī)的情形中，代替由風(fēng)速計(jì)測(cè)量的風(fēng)速，可基于由速度計(jì) 測(cè)量的潮流的速度利用Cp最大值曲線102 (參見圖5)來獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩。
在上述實(shí)施例中，轉(zhuǎn)速計(jì)38測(cè)量主軸8的轉(zhuǎn)速η，并且基于主軸8的轉(zhuǎn)速η來獲得液壓泵的目標(biāo)扭矩。然而，基于由風(fēng)速計(jì)測(cè)量的風(fēng)速V利用Cp最大值曲線102 (參見圖5) 來獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩也是可能的。在此情形中，一個(gè)風(fēng)速計(jì)可設(shè)置用于風(fēng)輪發(fā)電機(jī)中的每一個(gè)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或者一個(gè)風(fēng)速計(jì)能夠用于多個(gè)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I。并且風(fēng)速計(jì)可安裝在短艙22上。
另外，在上述優(yōu)選實(shí)施例中，液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量調(diào)節(jié)為使得功率系數(shù) Cp最大并且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定。但是調(diào)節(jié)液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量以在緊急停止風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I時(shí)降低主軸8的轉(zhuǎn)速也是可能的。
具體地，當(dāng)風(fēng)輪發(fā)電機(jī)I由于緊急停止而需要關(guān)閉時(shí)，泵控制器32將液壓泵12的所有油室83變?yōu)楣ぷ魇?，即，使無效油室的數(shù)量變?yōu)榱?，以便使液壓?2的排量Dp最大。 另外，馬達(dá)控制器可增加液壓馬達(dá)14的無效油室的數(shù)量以便減小液壓馬達(dá)14的排量Dm。由此，液壓泵12的排量Dp超過液壓馬達(dá)14的排量Dm并且高壓油管16中的壓力升高到安全閥62的標(biāo)定壓力值。由此，用于旋轉(zhuǎn)液壓泵12所需的扭矩增加并且主軸8的轉(zhuǎn)速能夠迅速地降低。
另外，在上述的優(yōu)選實(shí)施例中，改變無效油室與所有的油室(83、93)的比率以調(diào)節(jié)液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量。但是通過改變?cè)诨钊h(huán)期間打開高壓閥(86、96)的定時(shí)來調(diào)節(jié)液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量也是可能的。例如，在圖11中，改變?cè)隈R達(dá)循環(huán)期間停止用于激勵(lì)和去激勵(lì)高壓閥96的脈沖電壓信號(hào)(HPV電壓信號(hào)132)的定時(shí)以便調(diào)節(jié)打開高壓閥96的定時(shí)也是可能的。
以類似的方式，在液壓泵12中，低壓閥88可稍后在從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)的沖程中關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)高壓閥86打開的時(shí)間，因而液壓泵12的排量Dp能夠改變。
以這種方式，通過改變?cè)诨钊h(huán)期間打開高壓閥(86、96)的定時(shí)，能夠在可變范圍內(nèi)連續(xù)地(不離散地)改變液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量。此外，在液壓泵12和液壓馬達(dá)14的操作中，當(dāng)用于改變排量的信號(hào)通過泵控制器32或馬達(dá)控制器被傳輸時(shí)，無論活塞(82、92)在油室(83、93)中的每一個(gè)油室內(nèi)定位在何處，液壓泵12和液壓馬達(dá)14的排量都能夠立即改變。
特別地，利用這樣的構(gòu)造，即通過改變打開液壓馬達(dá)的高壓閥96的定時(shí)能夠調(diào)節(jié)排量Dm，當(dāng)判定單元54判定電網(wǎng)50的電壓已下降時(shí)，液壓馬達(dá)的排量Dm能夠迅速地降至用于保持發(fā)電機(jī)20與電網(wǎng)50同步所需的量。由此，液壓馬達(dá)14的扭矩能夠響應(yīng)于發(fā)電機(jī) 20的減小負(fù)載而瞬時(shí)地改變，以便解決電網(wǎng)50的壓降。0171]附圖標(biāo)記列表0172]I風(fēng)輪發(fā)電機(jī)0173]2轉(zhuǎn)子0174]4葉片0175]6轂0176]8主軸·0177]10液壓傳動(dòng)裝置0178]12液壓泵0179]14液壓馬達(dá)0180]16高壓油管0181]18低壓油管0182]20發(fā)電機(jī)0183]22短艙0184]24塔架0185]26基座0186]30控制單元0187]32泵控制器0188]34馬達(dá)控制器0189]36槳距控制器0190]37存儲(chǔ)單元0191]40槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)0192]42液壓缸0193]44伺服閥0194]46油壓源0195]48蓄能器0196]50電網(wǎng)系統(tǒng)0197]52勵(lì)磁器0198]54電網(wǎng)狀態(tài)判定單元
60旁通管路
62安全閥
64防脈沖蓄能器
66濾油器
68冷油器
70油箱
72補(bǔ)充管路
74增壓泵
76濾油器
78回流管路
79低壓安全閥
80缸
82活塞
82A活塞體
82B活塞輥
83油室
84凸輪
86聞壓閥
87高壓連通路徑
88低壓閥
89低壓連通路徑
90缸
92活塞
92A活塞體
92B活塞輥
93油室
94凸輪
96聞壓閥
97高壓連通路徑
98低壓閥
99低壓連通路徑
100Cp最大值曲線
102Cp最大值曲線
104目標(biāo)壓力曲線
110活塞循環(huán)曲線
112HPV電壓信號(hào)
114高壓閥位置
116LPV電壓信號(hào)
118低壓閥位置
120壓力曲線
130活塞循環(huán)曲線
132HPV電壓信號(hào)
134高壓閥位置
136LPV電壓信號(hào)
138低壓閥位置
140壓力曲線
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī),包括轂；主軸，所述主軸聯(lián)接到所述轂；發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)將從所述主軸傳輸?shù)男D(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電功率；可變排量式的液壓泵，所述液壓泵由所述主軸驅(qū)動(dòng)；可變排量式的液壓馬達(dá)，所述液壓馬達(dá)連接到所述發(fā)電機(jī)；高壓油管，所述高壓油管布置在所述液壓泵的排出側(cè)與所述液壓馬達(dá)的進(jìn)口側(cè)之間； 低壓油管，所述低壓油管布置在所述液壓泵的進(jìn)口側(cè)與所述液壓馬達(dá)的排出側(cè)之間；以及控制單元，所述控制單元與泵控制器和馬達(dá)控制器通信，所述泵控制器調(diào)節(jié)所述液壓泵的排量Dp，所述馬達(dá)控制器調(diào)節(jié)所述液壓馬達(dá)的排量Dm，其中，所述泵控制器設(shè)定所述液壓泵的目標(biāo)扭矩，然后基于所述目標(biāo)扭矩以及所述高壓油管中的工作油的壓力來設(shè)定所述液壓泵的排量Dp，并且其中，所述馬達(dá)控制器基于所述液壓泵的排出量Qp來設(shè)定所述液壓馬達(dá)的排量Dm，使得所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，所述液壓泵的所述排出量Qp由所述排量Dp獲得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)速計(jì)，所述轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量所述主軸的轉(zhuǎn)速，其中，所述泵控制器根據(jù)由所述轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量的所述主軸的轉(zhuǎn)速來設(shè)定所述目標(biāo)扭矩， 在所述目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括風(fēng)速計(jì)，所述風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速，其中，所述泵控制器由測(cè)量的風(fēng)速獲得所述目標(biāo)扭矩，在所述目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，其中，所述液壓泵和所述液壓馬達(dá)中的每一個(gè)均包括多個(gè)油室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個(gè)油室中的每一個(gè)油室由缸和在所述缸中以滑動(dòng)方式移動(dòng)的活塞包圍，所述凸輪具有與所述活塞接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個(gè)高壓閥打開和關(guān)閉所述油室中的每一個(gè)油室與所述高壓油管之間的連通路徑，所述低壓閥中的每一個(gè)低壓閥打開和關(guān)閉所述油室中的每一個(gè)油室與所述低壓油管之間的連通路徑，其中，所述泵控制器控制所述液壓泵的無效油室與所有油室的比率以便調(diào)節(jié)所述液壓泵的排量Dp，所述無效油室保持為使得在所述液壓泵的活塞從下死點(diǎn)開始、到達(dá)上死點(diǎn)并且返回到所述下死點(diǎn)的循環(huán)期間，所述液壓泵的所述高壓閥關(guān)閉且所述液壓泵的所述低壓閥保持打開，并且其中，所述馬達(dá)控制器控制所述液壓馬達(dá)的無效油室與所有油室的比率以便調(diào)節(jié)所述液壓馬達(dá)的排量Dm，所述無效油室保持為使得在所述液壓馬達(dá)的活塞從下死點(diǎn)開始、到達(dá)上死點(diǎn)并且返回到所述下死點(diǎn)的循環(huán)期間，所述液壓馬達(dá)的所述高壓閥關(guān)閉且所述液壓馬達(dá)的所述低壓閥保持打開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，其中，所述液壓泵的所述凸輪是環(huán)凸輪，所述環(huán)凸輪環(huán)形地設(shè)置在所述主軸的外周上并且具有凸輪輪廓，所述凸輪輪廓限定多個(gè)具有繞所述主軸交替地設(shè)置的多個(gè)凹部和凸部的波形部，并且其中，所述液壓馬達(dá)的所述凸輪是偏心凸輪，所述偏心凸輪相對(duì)于與所述發(fā)電機(jī)聯(lián)接的所述液壓馬達(dá)的輸出軸的軸心偏心地設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，其中，所述液壓泵的所述高壓閥是僅允許流體從油室流向高壓油管的止回閥，而所述液壓泵的所述低壓閥是常開式電磁操作的面密封閥，其中，對(duì)于所述液壓泵的除了所述無效油室之外的油室，所述泵控制器在所述液壓泵的活塞到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)或之后關(guān)閉所述低壓閥，并且通過所述油室與所述低壓油管之間的壓力差來保持所述低壓閥關(guān)閉，以便減小緊接在通過所述泵控制器關(guān)閉所述低壓閥之后保持所述低壓閥關(guān)閉所需的電功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，其中，所述液壓馬達(dá)的所述高壓閥是面密封電磁閥，并且所述液壓馬達(dá)的所述低壓閥是面密封電磁閥，并且其中，對(duì)于所述液壓馬達(dá)的除了所述無效油室之外的油室，所述馬達(dá)控制器在所述液壓馬達(dá)的活塞即將到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)關(guān)閉所述低壓閥，然后以此順序打開所述高壓閥，然后維持所述低壓閥關(guān)閉，直至所述液壓馬達(dá)的活塞即將到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)，其中，所述馬達(dá)控制器將所述高壓閥鎖閉在打開狀態(tài)中，直至所述低壓閥即將重新打開時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被安裝在所述轂上的葉片的槳距角，并且其中，所述控制單元控制所述槳距驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得所述風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或所述潮流發(fā)電機(jī)的輸出不超過額定輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括勵(lì)磁器，所述勵(lì)磁器通過改變所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)在所述發(fā)電機(jī)的定子中產(chǎn)生的功率的功率因數(shù)，所述發(fā)電機(jī)是電磁同步發(fā)電機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括旁通油管，所述旁通油管布置在所述高壓油管與所述低壓油管之間，以繞過所述液壓馬達(dá)；以及安全閥，所述安全閥布置在所述旁通油管中，以維持所述高壓油管的液壓壓力不大于標(biāo)定壓力，其中，所述泵控制器消除所述無效油室，以使所述液壓泵的排量Dp最大，以便將所述高壓油管中的壓力升高到所述安全閥的標(biāo)定壓力并且降低所述主軸的轉(zhuǎn)速。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，其中，所述液壓泵和所述液壓馬達(dá)中的每一個(gè)均包括多個(gè)油室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個(gè)油室中的每一個(gè)油室由缸和在所述缸中以滑動(dòng)方式移動(dòng)的活塞包圍，所述凸輪具有與所述活塞接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個(gè)高壓閥打開和關(guān)閉所述油室中的每一個(gè)油室與所述高壓油管之間的連通路徑，并且所述低壓閥中的每一個(gè)低壓閥打開和關(guān)閉所述油室中的每一個(gè)油室與所述低壓油管之間的連通路徑，其中，所述泵控制器通過控制如下時(shí)段來調(diào)節(jié)所述液壓泵的排量Dp，即在該時(shí)段期間， 所述液壓泵的所述低壓閥保持關(guān)閉，同時(shí)所述液壓泵的活塞從下死點(diǎn)移動(dòng)到上死點(diǎn)，并且其中，所述馬達(dá)控制器通過控制如下時(shí)段來調(diào)節(jié)所述液壓馬達(dá)的排量Dm，即在該時(shí)段期間，所述液壓馬達(dá)的所述高壓閥保持打開，同時(shí)所述液壓馬達(dá)的活塞從上死點(diǎn)移動(dòng)到下死點(diǎn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步包括電網(wǎng)狀態(tài)判定單元，所述電網(wǎng)狀態(tài)判定單元判定與所述發(fā)電機(jī)同步的電網(wǎng)的狀態(tài)，其中，當(dāng)所述電網(wǎng)狀態(tài)判定單元判定所述電網(wǎng)的電壓已下降時(shí)，所述馬達(dá)控制器將所述液壓馬達(dá)的排量Dm降低至用于在幾毫秒內(nèi)使所述發(fā)電機(jī)與所述電網(wǎng)保持同步所需的量。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)，其中，所述馬達(dá)控制器基于所述高壓油管中的液壓壓力的測(cè)量來設(shè)定所述液壓馬達(dá)的排量Dm，調(diào)節(jié)所述液壓馬達(dá)的排量Dm以將所述高壓油管中的液壓壓力維持在可接受的壓力范圍內(nèi)。
14.一種風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)的操作方法，所述風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)包括轂、 連接到所述轂的主軸、用于將從所述主軸傳輸?shù)男D(zhuǎn)能轉(zhuǎn)化成電功率的發(fā)電機(jī)、由所述主軸旋轉(zhuǎn)的液壓泵、連接到所述發(fā)電機(jī)的可變排量式的液壓馬達(dá)、布置在所述液壓泵的排出側(cè)與所述液壓馬達(dá)的進(jìn)口側(cè)之間的高壓油管、以及布置在所述液壓泵的進(jìn)口側(cè)與所述液壓馬達(dá)的排出側(cè)之間的低壓油管，所述方法包括計(jì)算所述液壓泵的目標(biāo)扭矩的目標(biāo)扭矩計(jì)算步驟，在所述目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大；基于在所述目標(biāo)扭矩計(jì)算步驟中計(jì)算的所述目標(biāo)扭矩以及所述高壓油管中的液壓壓力來設(shè)定所述液壓泵的排量Dp的泵排量設(shè)定步驟；以及基于由在所述泵排量設(shè)定步驟中設(shè)定的所述排量Dp獲得的所述液壓泵的排出量Qp來設(shè)定所述液壓馬達(dá)的排量Dm而使得所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得恒定的馬達(dá)排量設(shè)定步驟，其中，基于在所述泵排量設(shè)定步驟中設(shè)定的所述排量Dp和在所述馬達(dá)排量設(shè)定步驟中設(shè)定的所述排量Dm來控制所述液壓泵和所述液壓馬達(dá)。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種配備液壓傳動(dòng)裝置并且實(shí)現(xiàn)優(yōu)良發(fā)電效率的風(fēng)輪發(fā)電機(jī)或潮流發(fā)電機(jī)及其操作方法。該風(fēng)輪發(fā)電機(jī)1包括由主軸8旋轉(zhuǎn)的可變排量式的液壓泵12、連接到發(fā)電機(jī)20的可變排量式的液壓馬達(dá)14、以及布置在液壓泵12與液壓馬達(dá)14之間的高壓油管16和低壓油管18。泵控制器32獲得液壓泵12的目標(biāo)扭矩，然后基于該目標(biāo)扭矩以及高壓油管16中的壓力來設(shè)定液壓泵12的排量Dp，其中在該目標(biāo)扭矩下，功率系數(shù)變得最大。馬達(dá)控制器34基于由液壓泵12的排量Dp獲得的液壓泵的排出量Qp來設(shè)定液壓馬達(dá)14的排量Dm，使得發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速變得恒定。
文檔編號(hào)F03D11/00GK103003567SQ201080003099
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者堤和久, 清水將之, 尼爾·考德威爾, 丹尼爾·杜姆挪夫, 斯蒂芬·萊爾德, 文卡塔·帕帕拉 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社