CN110067703B - 蜗杆式同步变桨风电机组及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜗杆式同步变桨风电机组及控制方法，其中风电机组包括发电系统和变桨系统；发电系统包括轮毂组件、主轴和发电机；变桨系统包括变桨电机、蜗轮蜗杆减速机、变距推杆、变距轴、滑动轴套、同步盘和多个连杆。使用时，叶片受风力推动带动轮毂旋转，轮毂带动主轴旋转，主轴带动发电机的转子旋转，实现发电过程；当变桨电机收到变桨信号开始转动，通过蜗轮蜗杆减速机使变距推杆作出相应的前推或者后拉动作，变距推杆带动变距轴、滑动轴套和同步盘做出同步的前推或者后拉动作，同步盘通过连杆牵引转盘法兰，使转盘法兰做出转动动作，转盘法兰带动与其相对固定的叶片旋转，实现叶片变桨功能。

Description

蜗杆式同步变桨风电机组及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种蜗杆式同步变桨风电机组及控制方法。

背景技术

变桨系统作为大型风电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨控制已成为当前大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。

变桨控制技术简单来说，就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。低风速风力发电机组功率较小，固定叶片的轮毂尺寸较小，无法将变桨驱动电机置于轮毂完成驱动叶片的旋转，按需要调节功率变化的工作。

因此，如何提供一种适用于中小型风电机组的功率调节的风电机组及控制方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种蜗杆式同步变桨风电机组及控制方法，适用于中小型风电机组的功率调节。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种蜗杆式同步变桨风电机组，包括发电系统和变桨系统；

所述发电系统包括轮毂组件、主轴和发电机；所述轮毂组件包括轮毂、叶片轴承、转盘法兰和叶片，多个所述叶片轴承沿环向均匀设置于所述轮毂上，所述叶片轴承的外环固定于所述轮毂上，所述叶片轴承的内环各与一所述转盘法兰固定连接，所述转盘法兰各与一所述叶片固定连接，所述轮毂内固定有导向轴；所述主轴具有轴向通孔，所述主轴的第一端与所述轮毂固定连接，所述主轴的第二端与所述发电机的转子固定连接；

所述变桨系统包括变桨电机、蜗轮蜗杆减速机、变距推杆、变距轴、滑动轴套、同步盘和多个连杆；所述变桨电机的输出端与所述蜗轮蜗杆减速机的输入端传动连接，所述变距推杆的第一端与所述蜗轮蜗杆减速机的输出端固定相连，所述变距推杆的第二端与所述变距轴的第一端转动连接且不能相对移动，所述变距轴的第二端与所述滑动轴套的第一端固定连接，所述滑动轴套的第二端与所述同步盘固定连接；所述同步盘、所述滑动轴套、所述变距轴和所述变距推杆同轴，所述轴向通孔供所述滑动轴套和所述变距轴从中穿过，所述导向轴、所述主轴和所述滑动轴套同轴；所述同步盘上设有多个沿圆周方向均匀分布的延伸部，所述延伸部与所述叶片轴承数量相同，每个所述延伸部均通过一轴承与一所述连杆的第一端转动连接，所述连杆的第二端通过一轴承与一所述转盘法兰转动连接，所述连杆的摆动平面与所述转盘法兰平行，所述延伸部和所述转盘法兰上设有用以安装轴承的连接轴，所述转盘法兰上的所述连接轴偏心设置。

优选地，所述导向轴和所述延伸部均为三个，三个所述导向轴分别穿过三个所述延伸部。

优选地，还包括锁紧盘，所述锁紧盘与所述发电机的转子固定连接，所述锁紧盘用以锁紧所述主轴。

优选地，所述变距轴与所述滑动轴套螺纹连接且通过销轴相互定位。

优选地，所述滑动轴套的第二端具有法兰端面，所述同步盘与所述法兰端面通过螺钉固定连接。

优选地，所述叶片轴承的内环与所述转盘法兰通过螺栓和螺母组件固定连接。

优选地，所述连杆的第一端通过关节轴承与所述延伸部转动连接，所述连杆的第二端通过关节轴承与所述转盘法兰转动连接。

优选地，还包括主轴承座，所述主轴承座套设于所述主轴上。

优选地，所述主轴承座为两个。

本发明还公开了上述蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，包括如下步骤：

通过传感器测得的桨距角位置信号计算得到当前蜗杆位置，将当前蜗杆位置与需求蜗杆位置进行比较，得出蜗杆需沿轴向移动的距离，通过该距离和蜗轮蜗杆减速机的传动比得出蜗轮需转动的圈数，通过变桨电机和蜗轮的传动比及蜗轮需转动的圈数计算得到变桨电机所需转动圈数，变距推杆位置计算公式为：

(AB²-(AO*(1-2sin²(α/2))-DE)²)^1/2-AO*sinα；

α等于桨距角减去45°，AB为连杆的长度，AO为连杆的第二端与转盘法兰的径向距离，DE为连杆的第一端与同步盘的中心的径向距离；

同时根据以下方式确定变桨速率：1)风速传感器将风速信息传递至控制器，当风速变化率超过控制器的预设值时，控制器根据预设的风速变化率与变桨速率的对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机，使叶片以对应的变桨速度运动至所需位置；2)开桨时，不同的桨距角变化区间采用不同的变桨速率，控制器根据预设的桨距角变化区间与变桨速率的对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机，使叶片以对应的变桨速度运动至所需位置；3)当风电机组进行一般停机、故障停机或紧急停机等时，停机模式标志位初始化，变频器进行故障判断，如果无故障则进行顺桨，控制器根据预设的故障等级与变桨速率对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机，使叶片以对应的变桨速度运动至所需位置。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开了一种主动式同步变桨机构和方法，解决了机舱空间不足，无法放置驱动电机的问题，适用于中小型风电机组的功率调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例蜗杆式同步变桨风电机组的整体结构示意图；

图2为变距推杆与变距轴的连接关系示意图；

图3为变距轴与滑动轴套的连接关系示意图；

图4为滑动轴套与同步盘的连接关系示意图；

图5为同步盘与转盘法兰的连接关系示意图；

图6为转盘法兰与叶片轴承的连接关系示意图；

图7为叶片位置与桨距角的关系示意图；

图8为变距推杆位置计算原理图；

附图标记说明：1.变距推杆；2.变距轴；3.发电机；4.锁紧盘；5.主轴承座；6.主轴；7.滑动轴套；8.轮毂；9.同步盘；10.转盘法兰；11.叶片轴承；12.变桨电机；13.叶片；14.连接轴；15.关节轴承；16.连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种蜗杆式同步变桨风电机组及控制方法，适用于中小型风电机组的功率调节。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-8所示，本实施例提供一种蜗杆式同步变桨风电机组，包括发电系统和变桨系统。

其中，发电系统包括轮毂组件、主轴6和发电机3。轮毂组件包括轮毂8、叶片轴承11、转盘法兰10和叶片13，多个叶片轴承11沿环向均匀设置于轮毂8上，叶片轴承11的外环固定于轮毂8上，叶片轴承11的内环各与一转盘法兰10通过螺栓和螺母组件固定连接，转盘法兰10各与一叶片13固定连接，轮毂8内固定有导向轴。主轴6具有轴向通孔，主轴6的第一端与轮毂8固定连接，主轴6的第二端与发电机3的转子固定连接。

变桨系统包括变桨电机12、蜗轮蜗杆减速机、变距推杆1、变距轴2、滑动轴套7、同步盘9和多个连杆16。变桨电机12的输出端与蜗轮蜗杆减速机的输入端传动连接，变距推杆1的第一端与蜗轮蜗杆减速机的输出端固定相连，变距推杆1的第二端与变距轴2的第一端转动连接且不能相对移动，变距轴2的第二端与滑动轴套7的第一端固定连接，滑动轴套7的第二端与同步盘9固定连接。同步盘9、滑动轴套7、变距轴2和变距推杆1同轴，轴向通孔供滑动轴套7和变距轴2从中穿过，导向轴、主轴6和滑动轴套7同轴。同步盘9上设有多个沿圆周方向均匀分布的延伸部，延伸部与叶片轴承11数量相同，每个延伸部均通过一轴承与一连杆16的第一端转动连接，连杆16的第二端通过一轴承与一转盘法兰10转动连接，此处的两个轴承优选为关节轴承15，连杆16的摆动平面与转盘法兰10平行，延伸部和转盘法兰10上设有用以安装关节轴承15的连接轴14，转盘法兰10上的连接轴14偏心设置。

使用时，叶片13受风力推动带动轮毂8旋转，轮毂8带动主轴6旋转，主轴6带动发电机3的转子旋转，实现发电过程。当变桨电机12收到变桨信号开始转动，通过蜗轮蜗杆减速机使变距推杆1作出相应的前推或者后拉动作，变距推杆1带动变距轴2、滑动轴套7和同步盘9做出同步的前推或者后拉动作。同步盘9通过连杆16牵引转盘法兰10，使转盘法兰10做出转动动作，连杆16在同步盘9和转盘法兰10的共同作用下做出移动和转动的复合动作，转盘法兰10带动与其相对固定的叶片13旋转，实现叶片13变桨功能。由于蜗轮蜗杆减速机能够传递大扭矩，并具有自锁能力，能够有效驱动叶片13变桨，并有利于变桨后的角度保持。

本实施例中，导向轴、延伸部和叶片13均为三个，夹角为120度，三个导向轴分别穿过三个延伸部，用以提高转动过程的平稳性。

主轴6与发电机3的转子的固定方式有多种，本实施例中发电机3的转子上固定连接锁紧盘4，锁紧盘4用以锁紧主轴6。

为了便于将变距轴2和滑动轴套7相互固定，本实施例的变距轴2与滑动轴套7螺纹连接且通过销轴相互定位，其中滑动轴套7具有中间通孔，中间通孔靠近变距轴2的一端具有内螺纹，变距轴2的第二端具有与其匹配的外螺纹。

由于同步盘9为板式结构，为了实现滑动轴套7与同步盘9的相互固定，本实施例的滑动轴套7的第二端具有法兰端面，同步盘9与法兰端面通过螺钉固定连接。

为了对主轴6以及与主轴6相对固定的轮毂组件进行支撑，本实施例还包括主轴承座5，主轴承座5套设于主轴6上。本实施例的主轴承座5为两个，本领域技术人员可根据实际需要选择相应的主轴承座5的数量。

本实施例还提供一种蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，使用上述蜗杆式同步变桨风电机组结构，主要包括两个过程：一是根据桨距角的变化幅度计算得到变桨电机12的转动圈数；二是控制器对工况进行判断是否进行变桨，控制器针对不同变桨工况预设有对应的变桨电机12转动速率，控制器使变桨电机12以对应的转动频率工作。

对于第一个过程，通过传感器测得的桨距角位置信号计算得到当前蜗杆位置，将当前蜗杆位置与需求蜗杆位置进行比较，得出蜗杆需沿轴向移动的距离，通过该距离和蜗轮蜗杆减速机的传动比得出蜗轮需转动的圈数，通过变桨电机12和蜗轮的传动比及蜗轮需转动的圈数计算得到变桨电机12所需转动圈数，变距推杆1位置计算公式为：

(AB²-(AO*(1-2sin²(α/2))-DE)²)^1/2-AO*sinα；

α等于桨距角减去45°，AB为连杆16的长度，AO为连杆16的第二端与转盘法兰10的径向距离，DE为连杆16的第一端与同步盘9的中心的径向距离；

下面对该公式的推导过程作简要说明，用以使本实施例的技术方案更加清楚完整。

如图7所示，图中的圆O为连杆16的第二端的旋转轨迹所在圆，45°角位置对应的叶片桨距角为0°，为开桨状态，135°角位置对应的叶片桨距角为90°，为收浆状态，α＝桨距角-45°。

如图8所示，图中AB为连杆16，连杆16的第一端位置为B点，连杆16的第二端位置为A点，直线L为连杆16的第一端的运动轨迹，当前变距推杆1的位置以CB的长度表示。

∠OAE＝∠α

AD＝AO*cos(∠OAE)-DE＝AO*(1-2sin²(α/2))-DE

DB＝(AB²-AD²)^1/2

DC＝EO＝AO*sin(∠OAE)＝AO*sinα

CB＝DB-DC＝(AB²-(AO*(1-2sin²(α/2))-DE)²)^1/2-AO*sinα

当需要旋转一定角度时，将当前位置与目标位置相减就得出变距推杆1的移动距离，收桨为正，开桨为负。

对于第二个过程，主要是在开桨、顺桨和风速变化率过大时涉及变桨，并根据以下方式确定变桨速率：1)风速传感器将风速信息传递至控制器，当风速变化率超过控制器的预设值时，控制器根据预设的风速变化率与变桨速率的对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机12，使叶片13以对应的变桨速度运动至所需位置；2)开桨时，不同的桨距角变化区间采用不同的变桨速率，控制器根据预设的桨距角变化区间与变桨速率的对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机12，使叶片13以对应的变桨速度运动至所需位置；3)当风电机组进行一般停机、故障停机或紧急停机等时，停机模式标志位初始化，变频器进行故障判断，如果无故障则进行顺桨，控制器根据预设的故障等级与变桨速率对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机12，使叶片13以对应的变桨速度运动至所需位置。

以变桨电机12转动一圈推杆移动1.243mm为例，假若AB＝225mm，AO＝250mm，DE＝174.63mm，当前叶片角度为α₁＝50°，目标角度为α₂＝53°，不难得到当前推杆位置CB₁＝190.5477mm，目标推杆位置CB₂＝178.0569mm，推杆移动距离为CB₁-CB₂＝12.4908mm，变桨电机12需要转动圈数为：12.4908/1.243＝10.05转。

下面分别对开桨、顺桨和根据风速变化的同步变桨控制等概念进行简要说明，以使其更清楚。

开桨过程：当风机启动时，为了充分利用风能，风电机组叶片13执行开桨操作，以捕捉更多风功率。开桨时，桨距角从85°开始向0°变化，为了提高效率，不同的桨距角变化区间采用不同的变桨速率。

顺桨过程：当风电机组进行一般停机、故障停机、紧急停机等时，需要执行顺桨操作来减少风载荷对叶片13的冲击。停机模式下，停机模式标志位初始化，变频器进行故障判断：如果无故障则进行顺桨；如果有故障多次复位，复位成功进行顺桨，复位失败切旁路开关，抱闸。顺桨时，需求桨距角设定为85°，对于不同故障等级采用不同的变桨速率。随后由控制器进行判断：如果顺桨失败，执行90°偏航；顺桨成功则由主控根据故障等级执行相应的发电机3投电磁闸刹车操作：紧急停机投机械闸，一般停机等待机组转速降到刹车转速一下再投机械闸。

根据风速变化的同步变桨控制：在风电机组运行过程中，实际风速低于额定风速，但当风电机组传感器检测到风速变化率过大时，为了防止风电机组功率短时间内忽然超过额定功率，控制器也会执行变桨操作。这种情况下的变桨动作指令是根据检测到的风速变化率大小由控制器发出的，因此对于不同的实际风速和风速变化率，变桨的速率也是不同的。

上述不同工况与变桨速率的具体对应关系在本领域已属于公知常识，此处不再赘述。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于：所述蜗杆式同步变桨风电机组包括发电系统和变桨系统；

所述发电系统包括轮毂组件、主轴和发电机；所述轮毂组件包括轮毂、叶片轴承、转盘法兰和叶片，多个所述叶片轴承沿环向均匀设置于所述轮毂上，所述叶片轴承的外环固定于所述轮毂上，所述叶片轴承的内环各与一所述转盘法兰固定连接，所述转盘法兰各与一所述叶片固定连接，所述轮毂内固定有导向轴；所述主轴具有轴向通孔，所述主轴的第一端与所述轮毂固定连接，所述主轴的第二端与所述发电机的转子固定连接；

所述变桨系统包括变桨电机、蜗轮蜗杆减速机、变距推杆、变距轴、滑动轴套、同步盘和多个连杆；所述变桨电机的输出端与所述蜗轮蜗杆减速机的输入端传动连接，所述变距推杆的第一端与所述蜗轮蜗杆减速机的输出端固定相连，所述变距推杆的第二端与所述变距轴的第一端转动连接且不能相对移动，所述变距轴的第二端与所述滑动轴套的第一端固定连接，所述滑动轴套的第二端与所述同步盘固定连接；所述同步盘、所述滑动轴套、所述变距轴和所述变距推杆同轴，所述轴向通孔供所述滑动轴套和所述变距轴从中穿过，所述导向轴、所述主轴和所述滑动轴套同轴；所述同步盘上设有多个沿圆周方向均匀分布的延伸部，所述延伸部与所述叶片轴承数量相同，每个所述延伸部均通过一轴承与一所述连杆的第一端转动连接，所述连杆的第二端通过一轴承与一所述转盘法兰转动连接，所述连杆的摆动平面与所述转盘法兰平行，所述延伸部和所述转盘法兰上设有用以安装轴承的连接轴，所述转盘法兰上的所述连接轴偏心设置；

所述蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法包括如下步骤：

通过传感器测得的桨距角位置信号计算得到当前变距推杆位置，将当前变距推杆位置与需求变距推杆位置进行比较，得出变距推杆需沿轴向移动的距离，通过该距离和蜗轮蜗杆减速机的传动比得出蜗轮需转动的圈数，通过变桨电机和蜗轮的传动比及蜗轮需转动的圈数计算得到变桨电机所需转动圈数，变距推杆位置计算公式为：

(AB²-(AO*(1-2sin²(α/2))-DE)²)^1/2-AO*sinα；

α等于桨距角减去45°，AB为连杆的长度，AO为连杆的第二端与转盘法兰的径向距离，DE为连杆的第一端与同步盘的中心的径向距离；

同时根据以下方式确定变桨速率：1）风速传感器将风速信息传递至控制器，当风速变化率超过控制器的预设值时，控制器根据预设的风速变化率与变桨速率的对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机，使叶片以对应的变桨速度运动至所需位置；2）开桨时，不同的桨距角变化区间采用不同的变桨速率，控制器根据预设的桨距角变化区间与变桨速率的对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机，使叶片以对应的变桨速度运动至所需位置；3）当风电机组进行一般停机、故障停机或紧急停机时，停机模式标志位初始化，变频器进行故障判断，如果无故障则进行顺桨；如果有故障，控制器根据预设的故障等级与变桨速率对应关系将变桨速率生成相应的控制字发送到变频器，变频器根据控制字发出信号来驱动变桨电机，使叶片以对应的变桨速度运动至所需位置。

2.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，所述导向轴和所述延伸部均为三个，三个所述导向轴分别穿过三个所述延伸部。

3.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，还包括锁紧盘，所述锁紧盘与所述发电机的转子固定连接，所述锁紧盘用以锁紧所述主轴。

4.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，所述变距轴与所述滑动轴套螺纹连接且通过销轴相互定位。

5.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，所述滑动轴套的第二端具有法兰端面，所述同步盘与所述法兰端面通过螺钉固定连接。

6.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，所述叶片轴承的内环与所述转盘法兰通过螺栓和螺母组件固定连接。

7.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，所述连杆的第一端通过关节轴承与所述延伸部转动连接，所述连杆的第二端通过关节轴承与所述转盘法兰转动连接。

8.根据权利要求1所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，还包括主轴承座，所述主轴承座套设于所述主轴上。

9.根据权利要求8所述的蜗杆式同步变桨风电机组的控制方法，其特征在于，所述主轴承座为两个。