專利名稱：比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及變槳距風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種用于控制風(fēng)力機槳葉槳距角的變槳距控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)代各大公司新設(shè)計的大功率風(fēng)力機都在采用變槳距控制方式進(jìn)行風(fēng)輪控制。在不同的風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的情況下，風(fēng)力機對風(fēng)能的吸收都是不同的，當(dāng)風(fēng)速變化時，理論上槳葉槳距角必須做出相應(yīng)的變化，使得氣流對葉片的攻角能夠保持最佳，才能使得風(fēng)力機對風(fēng)能的利用達(dá)到最佳，并在超過額定風(fēng)速的時候達(dá)到減小風(fēng)能捕獲的效果。當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，風(fēng)力機不產(chǎn)生電能，槳距角保持在90° ;當(dāng)風(fēng)速高于切入風(fēng)速時，槳距角轉(zhuǎn)到0°，風(fēng)力機開始并網(wǎng)發(fā)電，并通過不斷改變槳距角來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，從而捕獲最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過額定值后，變槳距機構(gòu)開始動作，增大槳距角，減小風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲，使發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在額定值；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，風(fēng)力機剎車停機，槳距角變到90°以保護(hù)風(fēng)力機不被大風(fēng)損壞。大型的風(fēng)力機的變槳距機構(gòu)主要有兩種實施方案，分別是電氣伺服變槳距控制和液壓伺服變槳距控制。電氣伺服變槳距控制系統(tǒng)由伺服電機、減速器和齒輪副組成。該系統(tǒng)由驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過傳動軸和減速器，最后傳動到槳葉輪轂的內(nèi)齒圈上從而實現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。這種變槳距系統(tǒng)的動態(tài)特性較差，并且該結(jié)構(gòu)需要的變槳扭矩大，控制策略復(fù)雜，電氣布線困難，成本高。由于電動機、減速器、齒輪等部件均在輪轂內(nèi)，增加了風(fēng)輪重量和輪轂制造的難度，而且維護(hù)也不方便。液壓伺服變槳距系統(tǒng)有兩種方式，一種是由直線型液壓缸驅(qū)動，另一種由回轉(zhuǎn)型液壓缸驅(qū)動。直線型液壓缸驅(qū)動的變槳距系統(tǒng)由直線液壓缸和曲柄滑塊機構(gòu)組成，該系統(tǒng)通過曲柄滑塊機構(gòu)將液壓缸的直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)變槳距控制；另一種是采用回轉(zhuǎn)型液壓缸的變槳距系統(tǒng)，該系統(tǒng)取消了曲柄滑塊機構(gòu)，具有傳動力矩大、剛度大、定位精確、動態(tài)響應(yīng)快的特點，但是其最大回轉(zhuǎn)角度小。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機組所采用的液壓伺服變槳距系統(tǒng)由于其頻響快、輸出力大，變距機構(gòu)可以做得很緊湊，但傳動結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，存在非線性，泄漏、卡澀現(xiàn)象。目前大型的風(fēng)力機的變槳距控制方式可以分為兩種統(tǒng)一變槳距方式和獨立變槳距方式。統(tǒng)一變槳距方式下，變槳距系統(tǒng)采用同一套變槳距機構(gòu)來同步推動每個槳葉進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)電氣布線方便，維護(hù)比較方便，但該結(jié)構(gòu)要求傳動機構(gòu)的強度和剛度比較高，在剎車制動和準(zhǔn)確調(diào)槳上不易控制，對槳葉和并網(wǎng)沖擊較大，并且需要較大扭矩，而且處在不同高度上的槳葉由于受到的外部載荷不同會對風(fēng)機主軸產(chǎn)生偏載，降低了主軸的壽命。獨立變槳距方式是通過各個輪轂內(nèi)獨立的變槳距機構(gòu)來分別驅(qū)動各個槳葉，這種方案變槳距力矩大，能夠比較靈敏的實現(xiàn)變槳操作，在準(zhǔn)確變槳和減少槳葉震動方面都優(yōu)于統(tǒng)一變槳距機構(gòu)，并且對風(fēng)電機組并網(wǎng)沖擊小。但是由于采用了獨立變槳距，所以存在各個變槳距機構(gòu)同步控制難、電氣布線復(fù)雜、輪轂制造難度加大、維護(hù)不便等問題。
發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種新的風(fēng)力機液壓變槳距控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備液壓變槳距系統(tǒng)和獨立變槳距的全部優(yōu)點，同時避免了現(xiàn)有的獨立變槳距系統(tǒng)的控制機構(gòu)復(fù)雜和可維護(hù)性差等缺點。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，包括檢測單元，用以檢測槳葉槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；獨立變槳距控制單元，用以根據(jù)檢測單元檢測到的槳葉槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號，判斷風(fēng)速與切入風(fēng)速關(guān)系，并根據(jù)各槳葉的葉根載荷，獲得各個槳葉所需的槳距角，并輸出相應(yīng)的控制信號；以及變槳距執(zhí)行單元，根據(jù)獨立變槳距控制單元輸出的控制信號，分別獨立調(diào)節(jié)各槳葉的槳距角。進(jìn)一步，所述變槳距執(zhí)行單元包括比例閥控液壓系統(tǒng)，每一風(fēng)輪對應(yīng)的一套比例 閥控液壓系統(tǒng)，通過控制比例閥控液壓系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角來驅(qū)動槳葉輪轂內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動，帶動槳葉旋轉(zhuǎn)達(dá)到所需的槳距角。 進(jìn)一步，所述檢測單元，包括風(fēng)速儀，用于檢測風(fēng)速信號；角速度傳感器，用于檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測比例閥控液壓系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的主軸轉(zhuǎn)角；以及扭矩傳感器，用于檢測發(fā)電機主軸的扭矩。進(jìn)一步，當(dāng)獨立變槳距控制單元判知風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，向變槳距執(zhí)行單元發(fā)出不開啟指令，使槳距角保持在90度位置。進(jìn)一步，當(dāng)獨立變槳距控制單元判知風(fēng)速大于切入風(fēng)速但小于額定風(fēng)速時，向變槳距執(zhí)行單元發(fā)出啟動指令，控制槳距角到0度位置。進(jìn)一步，當(dāng)獨立變槳距控制單元判知風(fēng)速大于額定風(fēng)速但小于切出風(fēng)速時，向變槳距執(zhí)行單元發(fā)出啟動指令，控制槳距角根據(jù)風(fēng)況在0-90度間變化，使發(fā)電機輸出功率在額定值。進(jìn)一步，當(dāng)獨立變槳距控制單元判知風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，向獨立變槳距執(zhí)行單元發(fā)出關(guān)閉指令控制槳距角回到90度位置。本實用新型提供的比例閥控馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)勢(I)變槳距風(fēng)力機具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)的特點；(2)對于變槳距風(fēng)力機，風(fēng)速超過額定點后，由于葉片槳距角可以控制，仍可以使得額定功率點仍然具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)；(3)對于變槳距風(fēng)力機，它不受氣流密度變化的影響，系統(tǒng)都能通過調(diào)整葉片槳距角，使之獲得額定功率輸出；(4)變槳距風(fēng)力機在低風(fēng)速時，槳葉槳距可以轉(zhuǎn)到合適的角度，使風(fēng)輪具有較大的起動力矩；當(dāng)風(fēng)力機需要脫離電網(wǎng)時，變槳距系統(tǒng)可以先轉(zhuǎn)動葉片減小輸出功率，功率減小至零，避免風(fēng)力機每次脫網(wǎng)時所要經(jīng)歷的突甩負(fù)載的過程。5)通過獨立的液壓系統(tǒng)來控制各個槳葉的槳距角，其結(jié)構(gòu)簡單，便于同步控制，可避免現(xiàn)有的獨立變槳距系統(tǒng)的控制機構(gòu)復(fù)雜和可維護(hù)性差等缺點，采用獨立變槳距的方式，具有槳距角控制精度高、響應(yīng)快、扭矩大的優(yōu)點。

圖I示出了本實用新型比例閥控馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了本實用新型比例閥控馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)的控制原理示意圖；圖3示出了本實用新型中比例閥控液壓系統(tǒng)的液壓原理示意圖。
具體實施方式
參見圖1，本實施例的比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，包括檢測單元、獨立變槳距控制單元和變槳距執(zhí)行單元 所述檢測單元，用以檢測槳葉槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，具體包括風(fēng)速儀、角速度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和扭矩傳感器。所述風(fēng)速儀，用于檢測風(fēng)速信號；所述角速度傳感器，用于檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；所述旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測比例閥控液壓系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的主軸轉(zhuǎn)角；所述扭矩傳感器，用于檢測發(fā)電機主軸的扭矩，角速度傳感器與扭矩傳感器可實現(xiàn)發(fā)電機輸出功率的檢測。參見圖2，所述獨立變槳距控制單元，包括一主控制器，所述主控制器用以根據(jù)檢測單元檢測到的槳葉槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號，判斷風(fēng)速與切入風(fēng)速關(guān)系，并根據(jù)各槳葉在同一時刻的不同葉根載荷，來獲得各個槳葉所需的槳距角，并輸出相應(yīng)的控制信號；再經(jīng)放大器將信號放大，通過電流傳遞到比例閥的比例電磁鐵推動閥芯產(chǎn)生位移，控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，并通過位移傳感器反饋；液壓馬達(dá)通過槳葉的輪轂與槳葉相連，并通過液壓馬達(dá)軸上的齒輪與輪轂上的內(nèi)齒圈嚙合，控制槳葉的槳距角，進(jìn)而控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速通過主傳動系統(tǒng)將能量傳遞到發(fā)電機。所述變槳距執(zhí)行單元，根據(jù)獨立變槳距控制單元輸出的控制信號，通過分別獨立調(diào)節(jié)各槳葉的槳距角。所述變槳距執(zhí)行單元包括每一風(fēng)輪對應(yīng)的一套比例閥控液壓系統(tǒng)，參見圖3，所述比例閥控液壓系統(tǒng)包括電機I、液壓泵2、溢流閥3、單向閥4、三位四通電磁比例閥5、單向閥6、溢流閥7、壓力繼電器8、二位二通電磁換向閥9、液控?fù)Q向閥10、單向閥
11、溢流閥12、二位二通電磁換向閥13、蓄能器14、機動換向閥15、二位三通電磁換向閥16、液壓缸17、液壓馬達(dá)18、梭閥19和油箱20 ;比例閥控液壓系統(tǒng)的剎車功能由剎車系統(tǒng)包括蓄能器14、二位二通電磁換向閥9、二位二通電磁換向閥13、液控?fù)Q向閥10、機動換向閥15、液壓缸17和梭閥19實現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)停機剎車時，各電磁鐵都失電，蓄能器與主系統(tǒng)連通，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動自動順槳到90度槳距角附近，觸動行程開關(guān)，蓄能器與主系統(tǒng)斷開，液壓缸在蓄能器壓力油作用下抱死馬達(dá)主軸。通過調(diào)節(jié)比例閥的閥芯，來控制液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角，驅(qū)動槳葉輪轂內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動，帶動槳葉旋轉(zhuǎn)達(dá)到所需的槳距角。以下說明檢測到風(fēng)速與切入風(fēng)速的各種狀態(tài)時的處理方式( I)風(fēng)速小于切入風(fēng)速檢測單元的風(fēng)速檢測裝置測出風(fēng)速小于切入風(fēng)速，檢測出的信號傳遞到主控制器，主控制器發(fā)出獨立變槳距執(zhí)行單元不開啟的指令，風(fēng)力機不產(chǎn)生電能停機，各電磁鐵失電，液壓泵2油液通過泵口溢流閥3排回油箱20，槳距角保持在90度，葉片內(nèi)齒輪觸動機動換向閥15的行程開關(guān)，使機動換向閥15工作在上位，蓄能器14里面的油液經(jīng)二位二通電磁換向閥9一機動換向閥15—二位三通電磁換向閥16—液壓缸17，使液壓缸17左腔通壓力油，此時，液控?fù)Q向閥10由于蓄能器14壓力油作用工作在上位，使液壓馬達(dá)變槳距主系統(tǒng)與蓄能器14分開，溢流閥12控制油口也與蓄能器14壓力油相通，使溢流閥12導(dǎo)通，主系統(tǒng)通過溢流閥12和二位二通電磁換向閥13與回油口連接，所以液壓缸17右腔也泄壓，活塞桿右移加緊液壓馬達(dá)主軸，防止葉片在風(fēng)力作用下晃動。當(dāng)蓄能器14壓力不足時，壓力繼電器8產(chǎn)生信號，使液壓泵2工作為蓄能器14充油。(2)風(fēng)速大于切入風(fēng)速但小于額定風(fēng)速檢測單元的風(fēng)速檢測裝置測出風(fēng)速大于切入風(fēng)速但小于額定風(fēng)速，檢測出的信號傳遞到主控制器，主控制器發(fā)出獨立變槳距執(zhí)行單元啟動的指令，風(fēng)力機開始啟動工作。YA3得電，二位二通電磁換向閥9工作在上位，將蓄能器14與主系統(tǒng)隔開，YA5得電，二位三通電磁換向閥16工作在右位，使液壓缸17左腔回油口相連泄壓，液控?fù)Q向閥10也恢復(fù)到下位，YA4得電，二位二通電磁換向閥13工作在上位，使主系統(tǒng)不能經(jīng)過溢流閥12與回油 口連接。當(dāng)YAl得電，液壓馬達(dá)18右邊通高壓油，左邊通回油箱，壓力油通過梭閥19推動液壓缸17左移松開液壓馬達(dá)18主軸，液壓馬達(dá)18轉(zhuǎn)動，帶動葉片轉(zhuǎn)到0度槳距角處，YAl失電，液壓馬達(dá)18停止轉(zhuǎn)動，風(fēng)機以定槳距的方式運行。(3)風(fēng)速大于額定風(fēng)速但小于切出風(fēng)速檢測單元的風(fēng)速檢測裝置測出風(fēng)速大于額定風(fēng)速但小于切出風(fēng)速，檢測出的信號傳遞到主控制器，主控制器發(fā)出獨立變槳距執(zhí)行單元、檢測單元變槳距動作啟動的指令，YAl, YA2根據(jù)風(fēng)況得失電，控制液壓馬達(dá)18啟停和旋轉(zhuǎn)方向，使葉片槳距角根據(jù)風(fēng)況在0-90度間變化，即變槳距機構(gòu)開始動作，使發(fā)電機輸出功率在額定值。(4)風(fēng)速大于切出風(fēng)速檢測單元的風(fēng)速檢測裝置測出風(fēng)速大于切出風(fēng)速，檢測出的信號傳遞到主控制器，主控制器發(fā)出獨立變槳距執(zhí)行單元關(guān)閉的指令，YA2得電，液壓馬達(dá)18轉(zhuǎn)動帶動葉片重新回到90度槳距角位置，觸動機動換向閥15行程開關(guān)，停機，液壓缸17抱死液壓馬達(dá)18主軸。系統(tǒng)停機，各電磁鐵都失電，蓄能器14的壓力油經(jīng)二位二通電磁換向閥9一液控?fù)Q向閥10—單向閥11進(jìn)入主系統(tǒng)，液壓馬達(dá)18左邊通壓力油，液壓馬達(dá)18右邊經(jīng)溢流閥12和二位二通電磁換向閥13通油箱20，這時液壓馬達(dá)18轉(zhuǎn)動自動順槳到90度槳距角附近，觸動機動換向閥15行程開關(guān)，機動換向閥15工作在上位，使液控?fù)Q向閥10控制油口接蓄能器14壓力油，工作在上位，蓄能器14與主系統(tǒng)斷開，液壓馬達(dá)18繼續(xù)轉(zhuǎn)動微小角度，卸去主系統(tǒng)左邊壓力，液壓缸17右腔也泄壓，在蓄能器14壓力油作用下，液壓缸17右移抱死液壓馬達(dá)18主軸。以上實施例僅為本實用新型的示例性實施例，不用于限制本實用新型，本實用新型的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本實用新型的實質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對本實用新型做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本實用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，包括檢測單元，用以檢測槳葉槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；獨立變槳距控制單元，用以根據(jù)檢測單元檢測到的槳葉槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號，判斷風(fēng)速與切入風(fēng)速關(guān)系，并根據(jù)各槳葉的葉根載荷，獲得各個槳葉所需的槳距角，并輸出相應(yīng)的控制信號；以及變槳距執(zhí)行單元，根據(jù)獨立變槳距控制單元輸出的控制信號，分別獨立調(diào)節(jié)各槳葉的槳距角。
2.如權(quán)利要求I所述的比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，其特征在于所述變槳距執(zhí)行單元包括比例閥控液壓系統(tǒng)，每一風(fēng)輪對應(yīng)的一套比例閥控液壓系統(tǒng)，通過控制比例閥控液壓系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角來驅(qū)動槳葉輪轂內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動，帶動槳葉旋轉(zhuǎn)達(dá)到所需的槳距角。
3.如權(quán)利要求I或2所述的比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，其特征在于所述檢測單元，包括風(fēng)速儀，用于檢測風(fēng)速信號；角速度傳感器，用于檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測比例閥控液壓系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的主軸轉(zhuǎn)角；以及扭矩傳感器，用于檢測發(fā)電機主軸的扭矩。
專利摘要本實用新型涉及變槳距風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種比例閥控液壓馬達(dá)獨立變槳距系統(tǒng)，包括檢測單元，用以檢測槳葉槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；獨立變槳距控制單元，用以根據(jù)檢測單元檢測到的槳葉槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號，判斷風(fēng)速與切入風(fēng)速關(guān)系，并根據(jù)各槳葉的葉根載荷，獲得各個槳葉所需的槳距角，并輸出相應(yīng)的控制信號；以及變槳距執(zhí)行單元，根據(jù)獨立變槳距控制單元輸出的控制信號，通過分別獨立調(diào)節(jié)各槳葉的槳距角。本實用新型通過獨立的液壓系統(tǒng)來控制各個槳葉的槳距角，結(jié)構(gòu)簡單便于同步控制，可避免現(xiàn)有的獨立變槳距系統(tǒng)的控制機構(gòu)復(fù)雜和可維護(hù)性差等缺點，具有槳距角控制精度高、響應(yīng)快、扭矩大的優(yōu)點。
文檔編號F03D7/00GK202500719SQ20112055871
公開日2012年10月24日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者俞濱, 孔祥東, 宋豫, 李 昊, 艾超 申請人:燕山大學(xué)