[发明专利]风轮机偏航控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及风轮发电机，并且特别涉及包括一个或多个叶片的组件的风轮发电机，所述一个或多个叶片被布置成围绕水平轴线旋转，并且其中叶片组件还被布置成围绕竖直轴线进行旋转运动，这也称为偏航或方位角旋转(yaw or azimuthal rotation)。

背景技术

允许围绕竖直轴线进行旋转，这使叶片组件能被取向成使得叶片一直面对风向，从而以最佳效率将风能转换为电能。

在图1中例示了典型的风轮发电机。风轮发电机1包括塔架2、安装在塔架2顶部上的机舱3以及可操作地联接到位于机舱3内的发电机5的转子4。风轮机1将风的动能转换为电能。除了发电机5，机舱3容纳了将风能转换为电能所需要的各种部件，并且还容纳了操作并优化风轮机1的性能所需要的各种部件。塔架2支撑由机舱3、转子4及位于机舱3内的其它风轮机部件所产生的载荷。

转子4包括中央轮毂6和近似平面配置的三个细长的转子叶片7，转子叶片7从中央轮毂6沿径向向外延伸。在操作中，叶片7被配置成与经过的空气流相互作用，以产生升力，该升力导致中央轮毂6围绕其纵向轴线旋转。超过最低水平的风将启动转子4，并允许转子4在大致垂直于风向的平面内旋转。该旋转被发电机5转换为电力，并且通常供给到公用电网。

机舱3借助一种联接被安装在塔架2上，这种联接允许机舱3并从而还允许叶片7围绕竖直轴线旋转。以下面的顺序进行偏航旋转：(a)启动机舱旋转；(b)维持机舱旋转；以及(c)停止机舱旋转。

偏航旋转通常借助一个或多个电马达(也称为偏航齿轮)提供动力。相对于机舱方位的风向被感测来产生供给至电马达的控制信号，以实现叶片组件的旋转使叶片7面对风向。

在操作期间，叶片组件典型地经受大的剪切力，这产生转动力矩，该转动力矩可在某种意义上起作用，导致叶片组件旋转背离期望的偏航角。为了抵消这样的转动力矩，这样的控制系统在常规意义上设置有被动式机械制动器，该制动器被布置成将叶片组件保持在期望的偏航角。另选地或另外地，电马达可布置成产生反转矩，该反转矩在与由剪切力产生的转动力矩相反的方向上作用于叶片组件上。

现在将参考图2描述用于控制风轮机叶片的偏航角的典型布置。

带齿的大齿轮8附接至风轮发电机1的塔架2。多个带齿的小齿轮9绕着大齿轮8的圆周与大齿轮8啮合。小齿轮9由安装在风轮发电机1的机舱3上的各自的电马达10驱动。如同涉及带齿的齿轮的所有传动装置，存在一定程度的反冲，也被称为“空动”、“游隙(play)”或“滞后”，这因小齿轮9的齿未与主齿轮8的齿完全啮合而产生。由此，在旋转方向上逆转期间，小齿轮9在完全啮合主齿轮8之前将旋转到一定程度。反冲的程度将取决于制造公差，使得针对每个小齿轮9的反冲程度总体上是不同的。为了防止机舱3的旋转，机械摩擦制动器11在箭头12的方向上施加到主齿轮8。

电马达10由控制模块13控制。风向由传感器模块14检测，传感器模块14产生输出信号，该输出信号供给到控制模块13。

在EP 2402597 A1、EP 2189656 A2和US 5990568中描述了其它偏航系统。

许多问题出现在操作这样的常规系统期间。

首先，需要由电马达10产生的转矩经受上面提到的剪切力，该剪切力可快速变化。这可以引起风轮发电机1的不期望振动，该振动可以缩短发马达1的部件的寿命。

其次，因为反冲的程度对每个小齿轮9均不同，随之，在使偏航旋转逆转期间，并非所有的小齿轮9都将同时与主齿轮8啮合，并且因此马达10中的一些马达将需要产生比其它马达高得多的水平的输出转矩。随着时间的推移，驱动具有最少量的反冲的这些小齿轮9的马达10将经受更大的载荷，因此呈现比其它马达10更大程度的磨损并将需要更频繁地维修或更换。

第三，在使用被动式机械制动器的制动操作期间，剪切力有时可以如此之大以导致制动器失效或打滑。这不仅将造成叶片组件的取向背离期望的偏航角，也造成风轮发电机1的其它部件可能失效或破损。

发明内容

因此将期望提供这样的控制系统，其克服或者至少缓解已知系统的一些或所有的上述缺点。