專利名稱：兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于風力發(fā)電機組技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組。
背景技術(shù)：
低速永磁風力發(fā)電機組是變速恒頻風力發(fā)電機組的一種形式，它由風力機的驅(qū)動結(jié)構(gòu)型 式?jīng)Q定，由于電力電子技術(shù)的日益成熟，允許發(fā)電機在任何轉(zhuǎn)速下發(fā)出不同頻率的電，經(jīng)電 力電子器件整流后，再逆變上網(wǎng)。通常為了減少齒輪箱的故障率，降低維修成本，驅(qū)動鏈結(jié) 構(gòu)采用無齒輪箱或一級齒輪箱增速的低速永磁風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)，使機組的結(jié)構(gòu)特性更好，滿 足機組長期可靠運行的要求。從理論上說直驅(qū)無齒輪箱結(jié)構(gòu)可維護性最好，但所需發(fā)電機功 率大，規(guī)模生產(chǎn)實施有難度，尤其對于大容量的風力發(fā)電機組更加難于實現(xiàn)?，F(xiàn)有的兆瓦級 風力發(fā)電機組包括風輪、主軸、增速箱及發(fā)電機，其增速箱為三級行星齒輪箱，發(fā)電機采用 異步電機，變速箱安裝在機艙底盤上，與發(fā)電機臥式安裝，對中性差，且三級行星齒輪箱結(jié) 構(gòu)復雜，要求加工精度高，其輸出轉(zhuǎn)速高，速比為1: 50 1: 100，易漏油，故障率高；由 于其體積大，占有的空間大，振動性較大，成本高。
現(xiàn)有的風力發(fā)電機組的變槳距結(jié)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動傳動變距、伺服電機傳動變距兩種形 式。因液壓系統(tǒng)出力大，變距機構(gòu)緊湊，成本較低等優(yōu)點，兆瓦級以下的機組多采用液壓驅(qū) 動變距機構(gòu)；當機組功率超過1兆瓦以后，機組體積、扭矩相應(yīng)增大，變距行程加長，若采 用液壓驅(qū)動執(zhí)行變距動作易遇到推桿失穩(wěn)，推力受限，漏油等缺點。為此兆瓦級以上的風力 發(fā)電機多采用伺服電機傳動變距。目前應(yīng)用在大型風力發(fā)電機上的伺服電機變距傳動形式都 是以伺服電機作為源動機驅(qū)動三片槳葉獨立變槳。電機及減速器固定裝配在輪轂內(nèi)，變距軸 承內(nèi)、外環(huán)分別與輪轂及槳葉固定裝配。傳動經(jīng)由電機驅(qū)動減速器，減速器輸出軸安裝齒輪 與帶有內(nèi)齒圈的變距軸承內(nèi)環(huán)構(gòu)成內(nèi)齒圈傳動系統(tǒng)，齒輪帶動齒圈旋轉(zhuǎn)完成變距調(diào)節(jié)動作。 此傳動機構(gòu)因內(nèi)齒圈傳動不能自鎖，要求減速器需具備自鎖功能、加工變距軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)齒較 困難；且運動定位不準，造成系統(tǒng)控制精度不高。
另外大型風力發(fā)電機組的變速運行控制也有許多方法，通常由機械調(diào)速和電氣調(diào)速兩種 方式，電氣的調(diào)速方式是通過控制發(fā)電機的勵磁磁場來實現(xiàn)，如磁阻調(diào)速、變滑差調(diào)速和轉(zhuǎn) 子勵磁電流調(diào)速，實際應(yīng)用時勵磁電流調(diào)速最有效。但目前的風力發(fā)電機組都釆用定子磁場 定向矢量控制方法達到轉(zhuǎn)子調(diào)速，其具有復雜的矢量解耦計算，控制實施復雜，控制目標效 果不明顯。

實用新型內(nèi)容
為解決上述存在的問題，本實用新型提供一種兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組。它是采用 一級行星式增速齒輪箱配合低速永磁同步發(fā)電機，利用變速恒頻裝置調(diào)整轉(zhuǎn)速，通過主控制 器實現(xiàn)恒定功率輸出的控制。
本實用新型包括風輪、變距裝置、主軸、增速箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機、機艙底盤、偏航電 機和控制系統(tǒng)，在機艙底盤上固定有偏航電機、發(fā)電機，發(fā)電機通過聯(lián)軸器與增速箱連接， 在增速箱的輸出軸上安裝剎車器，增速箱輸入端通過主軸與風輪輪轂連接，風輪輪轂內(nèi)安裝 有變距裝置，機艙底盤兩側(cè)固定有側(cè)壁，增速箱與機艙底盤的側(cè)壁固定，增速箱為一級行星 式增速齒輪箱，發(fā)電機為低速永磁三相同步發(fā)電機，控制系統(tǒng)分別與發(fā)電機、增速箱、風輪 葉片、主軸相連。
本實用新型中的變距裝置包括幅盤蝸輪、變距電機及蝸桿，幅盤蝸輪安裝在風輪葉片上， 位于輪轂端的端面，變距電機、蝸桿分別固定在輪轂上，變距電機輸出軸與蝸桿伸出端位于 同側(cè)，之間通過鏈輪連接，蝸桿與幅盤蝸輪相嚙合，以變距電機一鏈輪一蝸桿蝸輪一風輪葉 片的傳動流程實現(xiàn)風力發(fā)電機變距的傳動。
本實用新型為加強機艙底盤側(cè)壁強度，較少機艙底盤側(cè)壁變形量，在機艙底盤側(cè)壁上設(shè) 有加強筋板。
本實用新型的控制系統(tǒng)包括變速恒頻裝置、參數(shù)及運行狀態(tài)檢測板、檢測傳感器、主控 制器、監(jiān)控顯示運行控制器、發(fā)電運行控制器、發(fā)電機功率控制器和控制輸出驅(qū)動模板，變 速恒頻裝置分別與發(fā)電機、主控制器及電源連接，檢測傳感器通過參數(shù)及運行狀態(tài)檢測板與 監(jiān)控顯示運行控制器連接，監(jiān)控顯示運行控制器通過發(fā)電運行控制器與發(fā)電機功率控制器連 接，監(jiān)控顯示運行控制器和發(fā)電機功率控制器分別與主控制器連接，監(jiān)控顯示運行控制器、 發(fā)電運行控制器及發(fā)電機功率控制器通過控制輸出驅(qū)動模板與偏航電機、液壓伺服電機及輸 出裝置連接。檢測傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器、角度傳感器和溫度傳感器。檢測傳感器的轉(zhuǎn)速傳 感器分別與發(fā)電機、增速箱相連；角度傳感器與葉片根部相連；溫度傳感器分別與主軸、發(fā) 電機、增速箱相連。
本實用新型中主控制器的控制過程，按以下步驟進行
1. 復位；
2. 系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自檢十分鐘；
3. 系統(tǒng)故障標志；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)辨別故障并進行處理；
4. 系統(tǒng)無故障，手動標志顯示，進行手動操作及保護；
5. 運行系統(tǒng)或停機；
6. 啟動系統(tǒng)；
7. 風輪轉(zhuǎn)速V〈2.5m/s時，小風待機；
8. 風輪轉(zhuǎn)速V》2.5m/s時，控制偏航電機；
9. 執(zhí)行整流逆變恒頻發(fā)電運行控制；
10. 變速功率優(yōu)化控制；
11. 變距恒功率控制；
12. 當V>25m/s時，大風待機；
13. 當有扭纜狀態(tài)信號時，解纜控制；
14. 運行溫度控制；
15. 返回。
本實用新型當風速在額定風速以下時，隨著風速增加，同步永磁發(fā)電機電壓升高，轉(zhuǎn)速 增大，功率也隨著加大，為了獲得最佳最優(yōu)的風能利用系數(shù)，由變速恒頻裝置調(diào)整轉(zhuǎn)速，匹 配合適的尖速比，發(fā)電機對直流母線進行充電，經(jīng)逆變后并網(wǎng)發(fā)電。當風速超過額定值時， 利用變距裝置限制風輪轉(zhuǎn)矩的增加，與變速恒頻裝置控制相結(jié)合，實現(xiàn)恒定功率輸出的控制。
本實用新型的有益效果增速箱采用一級齒輪箱結(jié)構(gòu)，速比為1: 6 1: 9，密封要求低， 不僅使傳動系統(tǒng)傳動平穩(wěn)、受沖擊載荷小，而且能有效降低齒輪箱故障率。發(fā)電機為低速永 磁三相同步發(fā)電機，與直驅(qū)式的相比級數(shù)高，電磁損耗低，體積小、重量輕，工藝可行性好。 增速箱與機艙底盤為臥式端面安裝，高度可調(diào)，對中性好。采用齒輪箱與機艙底盤側(cè)壁的安 裝形式，這種結(jié)構(gòu)形式具有受力面大，局部壓強較小，齒輪箱軸向竄動量小等優(yōu)點，機艙底 盤側(cè)壁抵消了來自輪穀部分的絕大部分的外載荷，從而使得外負載對傳動系統(tǒng)的影響減到最 低，使得機組運行更加穩(wěn)定、可靠；為加強機艙底盤側(cè)壁的強度又兼顧工藝性；因此本實用 新型中的主軸可以做的很短，其剛性可以很高，有利于提高傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性；主軸一端嵌 入齒輪箱，另一端嵌入輪轂即可，故此中間不需主軸承定位。其變距裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn) 定性好，加工容易，結(jié)構(gòu)強度高，抗沖擊力大，蝸桿/輪傳動機構(gòu)具有自鎖功能；可實現(xiàn)變距 角度O. l度精確控制，滿足兆瓦級風電機組變距控制的要求。采用鏈輪、蝸桿/輪二級傳動形 式，維護維修方便，系統(tǒng)控制精度高等特點；此外幅盤蝸輪較變距軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)齒圈加工容易， 不需多級減速器等環(huán)節(jié)，故成本較低。本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)恒定功率輸出的控制。

圖l是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是本實用新型的局部結(jié)構(gòu)示意圖，
圖3是圖1俯視圖， 圖4是圖l左視圖， 圖5是本實用新型的軸測圖， 圖6是本實用新型中變距裝置結(jié)構(gòu)示意圖， 圖7是圖6的的B向視圖， 圖8是圖6的A—A視圖， 圖9是變距裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖， .圖10是本實用新型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 圖11是圖10中的變速恒頻裝置電路原理圖，
圖12 (a)是圖11中DSP整流逆變恒頻控制器電路原理圖，圖12 (b)為圖12 (a)中 的緩沖電路，
圖13 (a)是圖11的驅(qū)動接口電路原理圖，圖13 (b)為圖13 (a)中的緩沖電路，
圖14是本實用新型主控制器的控制流程圖； 圖中l(wèi).變速箱，2.剎車器，3.聯(lián)軸器，4.發(fā)電機，5.控制系統(tǒng)，6.偏航電機，7.機艙底盤， 8.塔架，9.輪穀，IO.風輪葉片，ll.變距電機，12.輻盤蝸輪，13.蝸桿，14.鏈輪，15.變距 軸承，16.電機固定扶手,17.蝸桿固定扶手，18.風輪，19.電源。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步描述
實施例如圖1所示，本例的增速箱l采用一級行星式增速齒輪箱結(jié)構(gòu)，速比為l: 8， 電機選用功率為1兆瓦的低速永磁三相同步發(fā)電機。本實用新型包括風輪19、變距裝置、主
軸、機艙底盤7、偏航電機6、增速箱l、聯(lián)軸器3、發(fā)電機4和控制系統(tǒng)5，風輪19包括風 輪葉片10和輪轂9，風輪葉片10通過變距軸承15與輪轂9連接，輪轂9連接在變距軸承15 的外環(huán)，風輪葉片10連接在變距軸承15的內(nèi)環(huán)，在機艙底盤7上固定有偏航電機6、發(fā)電 機4，發(fā)電機4通過聯(lián)軸器3與增速箱1連接，在增速箱l的輸出軸上安裝剎車器2，，增速 箱1輸入端通過主軸與風輪輪轂9連接，輪轂9內(nèi)安裝有變距裝置，機艙底盤7兩側(cè)固定有 側(cè)壁，在側(cè)壁上設(shè)有加強筋板，目的是加強其強度，較少側(cè)壁變形量，增速箱l通過其上的 法蘭與機艙底盤7的側(cè)壁固定，可調(diào)整安裝高度，對中性好，如圖2 5所示；控制系統(tǒng)分別 與發(fā)電機4、增速箱l、風輪葉片IO、主軸相連。
本實用新型中的主軸可以做的很短，其剛性可以很高，有利于提高傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性；
主軸一端嵌入變速箱l，另一端嵌入輪轂9即可，故此中間不需主軸承定位。
如圖6 9所示，本例的變距裝置包括幅盤蝸輪12、變距電機11及蝸桿13，幅盤蝸輪 12安裝在風輪葉片10上，位于風輪輪轂9端的端面，變距電機ll、蝸桿13分別固定在輪轂 9上，變距電機11輸出軸與蝸桿13伸出端位于同側(cè)，之間通過鏈輪14連接，蝸桿13與幅 盤蝸輪12相嚙合，以變距電機ll一鏈輪14—蝸桿13 —幅盤蝸輪12—風輪葉片10的傳動流 程實現(xiàn)風力發(fā)電機變距的傳動。制造輪轂9時，在與變距電機11及蝸桿13安裝的地方鑄造 出約30腿凸臺，以便后續(xù)加工鉆孔，用于定位變距電機11及蝸桿13;變距電機ll通過電 機固定扶手16安裝在輪轂9相應(yīng)的凸臺上(見圖6);蝸桿13通過蝸桿固定扶手17安裝在 輪轂9相應(yīng)的凸臺上，蝸桿13與蝸桿固定扶手17之間采用滾動軸承連接。
當風力發(fā)電機組系統(tǒng)不執(zhí)行風輪葉片IO調(diào)節(jié)時，變距電機ll不通電，整套變距機械系 統(tǒng)處于自鎖的平穩(wěn)狀態(tài)；當環(huán)境發(fā)生變化，風機系統(tǒng)執(zhí)行變槳調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)給變距電機ll通 電，變距電機11帶動鏈輪14回轉(zhuǎn)，鏈輪14依次帶動蝸桿13、幅盤蝸輪12旋轉(zhuǎn)，風輪葉片 10隨輻盤蝸輪12及變距軸承15內(nèi)環(huán)一起旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行變距動作。該變距裝置可以實現(xiàn)變距角 度O. l度精確控制。
如圖IO所示，本實用新型的控制系統(tǒng)包括變速恒頻裝置、參數(shù)及運行狀態(tài)檢測板、檢測 傳感器、主控制器、監(jiān)控顯示運行控制器、發(fā)電運行控制器、發(fā)電機功率控制器和控制輸出 驅(qū)動模板，參數(shù)及運行狀態(tài)檢測板型號為6ES7-331和6ES7-324，主控制器釆用型號 6ES7314-6CF00-AB0的CPU模塊實現(xiàn)；監(jiān)控顯示選用西門子可編程系列觸摸屏，發(fā)電運行控 制器型號為6ES7-315，發(fā)電機功率控制器型號選用6ES7-314C,控制輸出驅(qū)動模板型號為 S7-324;變速恒頻裝置分別與發(fā)電機、主控制器及電源連接，檢測傳感器通過參數(shù)及運行狀 態(tài)檢測板與監(jiān)控顯示運行控制器連接，監(jiān)控顯示運行控制器通過發(fā)電運行控制器與發(fā)電機功 率控制器連接，監(jiān)控顯示運行控制器和發(fā)電機功率控制器分別與主控制器連接，監(jiān)控顯示運 行控制器、發(fā)電運行控制器及發(fā)電機功率控制器通過控制輸出驅(qū)動模板與偏航冷卻伺服電機、 液壓伺服電機及輸出裝置連接，輸出裝置為繼電器。檢測傳感器中的風速風向傳感器LE6安 裝在風輪輪轂9上，轉(zhuǎn)速傳感器XS2D12PA140C分別安裝在發(fā)電機尾部、增速箱l的出口處， 溫度傳感器Pt100分別安裝在主軸、發(fā)電機4和增速箱1上，角度傳感器P0600805A安裝在 風輪葉片10根部，加速度傳感器TGS-2安裝在機艙底盤上，增量式編碼器10-1V631R048安裝 在發(fā)電機4的輸出軸上，用于檢測轉(zhuǎn)速。參數(shù)和運行狀態(tài)檢測板與監(jiān)控顯示器進行光纖通信， 主控制器分別與監(jiān)控顯示器、發(fā)電機功率控制器、變速恒頻裝置進行光纖通信，監(jiān)控顯示器、 發(fā)電運行控制、發(fā)電機功率控制器通過控制輸出驅(qū)動模板與偏航電機、液壓伺服電機、輸出
裝置進行光纖通信，液壓伺服電機用于控制剎車器等的工作過程。
變速恒頻裝置電路如圖ll所示，包括驅(qū)動接口電路、DSP整流逆變恒頻控制器、通訊模 板、網(wǎng)側(cè)變壓器及IGBT模塊，IGBT模塊由12個IGBT開關(guān)組成，通訊模板型號為TCF—142 一M，圖中的IGBT模塊與圖13所示的驅(qū)動接口電路中的Jp對應(yīng)管腳連接，驅(qū)動接口電路的 管腳SizeD、 SizeC、 12、 II、 TMEP、 Vbus、 Vbc、 Vab、 Ul十、Ul皿、Vl + 、 VI-、 Wl+、 Wl-、 U-、 U+、 V-、 V+、 W-、 W+、 BRK、 TRIPRST、 CHGRELAY、 FAN、 0C、 0V與圖12中的DSP整流逆變恒 頻控制器中的對應(yīng)管腳連接，DSP整流逆變恒頻控制器中的I/O 口與通訊模板的口連接。
本實用新型中主控制器的控制過程，按以下步驟進行，如圖14所示
1. 復位；
2. 系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自檢十分鐘；
3. 系統(tǒng)故障標志；判斷系統(tǒng)是否存在故障，若存在進行故障辨別與處理；
4. 系統(tǒng)無故障，進行手動標志顯示判斷，若有手動標志則進行手操作及保護；
5. 若無手動標志，判斷系統(tǒng)是否運行(或停機)，若需要運行(或停機)則進行系統(tǒng)狀 態(tài)判別；
6. 若不需要運行(或停機)則啟動系統(tǒng)；
7. 判斷風速當風速V〈2.5m/s時，小風待機；
8. 風速V》2.5m/s時，控制偏航電機；
9. 執(zhí)行整流逆變恒頻發(fā)電運行控制；
10. 變速功率優(yōu)化控制；
11. 變距恒功率控制；
12. 當V〉25m/s時，大風待機；
13. 當有扭纜狀態(tài)信號時，解纜控制；
14. 運行溫度控制；
15. 返回。
權(quán)利要求1、一種兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組，包括風輪、變距裝置、主軸、增速箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機、機艙底盤、偏航電機和控制系統(tǒng)，在機艙底盤上固定有偏航電機、發(fā)電機，其特征在于增速箱與機艙底盤的側(cè)壁固定，增速箱為一級行星式增速齒輪箱，電機為低速永磁三相同步發(fā)電機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組，其特征在于所述的變距裝置包 括幅盤蝸輪、變距電機及蝸桿，幅盤蝸輪安裝在風輪葉片上，位于風輪輪轂端的端面，變距 電機、蝸桿分別固定在風輪輪轂上，變距電機輸出軸與蝸桿伸出端位于同側(cè)，之間通過鏈輪 連接，蝸桿與幅盤蝸輪相嚙合，形成變距電機一鏈輪一蝸桿蝸輪一風輪葉片的傳動流程。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組，其特征在于所述的控制系統(tǒng)包 括變速恒頻裝置、參數(shù)及運行狀態(tài)檢測板、檢測傳感器、主控制器、監(jiān)控顯示運行控制器、 發(fā)電運行控制器、發(fā)電機功率控制器和控制輸出驅(qū)動模板，變速恒頻裝置分別與發(fā)電機、主 控制器及電源連接，檢測傳感器通過參數(shù)及運行狀態(tài)檢測板與監(jiān)控顯示運行控制器連接，監(jiān) 控顯示運行控制器通過發(fā)電運行控制器與發(fā)電機功率控制器連接，監(jiān)控顯示運行控制器和發(fā) 電機功率控制器分別與主控制器連接，監(jiān)控顯示運行控制器、發(fā)電運行控制器及發(fā)電機功率控制器通過控制輸出驅(qū)動模板與偏航電機、液壓伺服電機及輸出裝置連接。
專利摘要一種兆瓦級低速永磁風力發(fā)電機組，屬于風力發(fā)電機組技術(shù)領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)包括風輪、變距裝置、主軸、增速箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機、機艙底盤、偏航電機和控制系統(tǒng)，在機艙底盤上固定有偏航電機、發(fā)電機，增速箱與機艙底盤的側(cè)壁固定，增速箱為一級行星式增速齒輪箱，電機為低速永磁三相同步發(fā)電機。本實用新型不僅使傳動系統(tǒng)傳動平穩(wěn)、受沖擊載荷小，密封要求低，而且能有效降低齒輪箱故障率，機組運行穩(wěn)定、可靠。安裝時高度可調(diào)，對中性好。其變距裝置結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定性好，加工容易，結(jié)構(gòu)強度高，抗沖擊力大，蝸桿/輪傳動機構(gòu)具有自鎖功能；可實現(xiàn)變距角度0.1度精確控制，滿足兆瓦級風電機組變距控制的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)恒定功率輸出的控制。
文檔編號F03D9/00GK201062569SQ20072001062
公開日2008年5月21日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月15日
發(fā)明者劉光德, 姚興佳, 英 鄧, 邢作霞, 鐘明方 申請人:沈陽工業(yè)大學