專利名稱：用于節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及DC電動機的控制，尤其涉及特別用于高效控制風(fēng)力渦輪機中的DC節(jié)距電動機的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
近來，風(fēng)力渦輪機作為環(huán)境安全和相對低廉的替代性能源，受到了越來越多的注意。隨著注意的增多，已經(jīng)做了相當(dāng)多的努力來發(fā)展實用高效的風(fēng)力渦輪機。
一般地，風(fēng)力渦輪機包括具有多個葉片的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子被安裝在位于支架或管架頂部的外殼或機罩上。實用級別的風(fēng)力渦輪機(即設(shè)計成為實用網(wǎng)格提供電源的風(fēng)力渦輪機)可以具有大型轉(zhuǎn)子(例如30米或更大的直徑)。這些轉(zhuǎn)子的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)距或力，用于驅(qū)動通過齒輪箱可旋轉(zhuǎn)地耦合到該轉(zhuǎn)子或者直接耦合到該轉(zhuǎn)子的一個或更多發(fā)電機。當(dāng)存在該齒輪箱時，該齒輪箱逐漸增加渦輪轉(zhuǎn)子原有的較低轉(zhuǎn)速，以使得該發(fā)電機高效地將機械能轉(zhuǎn)化為電能，該電能被供給到實用網(wǎng)格。
在節(jié)距控制的風(fēng)力渦輪機中，使用電子控制器與葉片節(jié)距機構(gòu)一起對葉片在其各自的縱軸周圍進行調(diào)節(jié)(pitch)以控制風(fēng)力渦輪機的能量輸出。電動機被提供用于在該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的同時調(diào)節(jié)該葉片。
需要連續(xù)再生一些新的節(jié)距產(chǎn)生系統(tǒng)。例如，在具有一個或多個DC連接作為電源和負(fù)載之間的中間連接的風(fēng)力渦輪機中使用節(jié)距控制驅(qū)動系統(tǒng)，在一些條件下就需要該DC連接吸收再生能量。例如，當(dāng)節(jié)距驅(qū)動電動機減速時，會需要由二級管源供給的DC連接吸收再生能量。該連續(xù)吸收再生能量的需要是新的，并且沒有發(fā)現(xiàn)被先前已知的風(fēng)力渦輪機節(jié)距系統(tǒng)配置提出過。

發(fā)明內(nèi)容
因此，在一方面，本發(fā)明的一些配置提供了一種對用于風(fēng)力渦輪機的至少一個DC節(jié)距電動機的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)供電的方法。該方法包括，使用橋接電路校正電壓從而將DC連接電壓供給到包括主動切換設(shè)備的橋接器，并且使用至少一個連接電容器平滑該DC連接電壓和起該DC節(jié)距電動機或電動機的散能器或電源作用。
另一方面，本發(fā)明的一些配置提供了一種用于為風(fēng)力渦輪機的至少一個DC節(jié)距電動機供給能量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括耦合到能量源并且配置成產(chǎn)生校正DC連接電壓的橋接電路，配置成切換該DC連接電壓并且將該切換的DC連接電壓供給到DC節(jié)距電動機或電動機的主動切換橋接器，和電路中的至少一個連接電容器，配置成平滑該DC連接電壓并起該DC節(jié)距電動機或電動機的散能器或電源作用。
另一方面，本發(fā)明的一些配置提供了一種具有轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機，該轉(zhuǎn)子本身具有可操作地耦合到至少一個DC節(jié)距電動機的至少一個葉片。還提供了一種能量系統(tǒng)，包括可操作地耦合到能量源并且配置成產(chǎn)生校正DC連接電壓的橋接電路，配置成切換該DC連接電壓并且將該切換的DC連接電壓供給到DC節(jié)距電動機或電動機的主動切換橋接器，和電路中的至少一個連接電容器，配置成平滑該DC連接電壓并起散能器或電源作用。
從而可以明白，本發(fā)明的各種配置實現(xiàn)了系統(tǒng)成本、可靠性和/或?qū)嵱眯缘膬?yōu)點，特別是當(dāng)用于風(fēng)力渦輪機節(jié)距控制系統(tǒng)時。此外，用于風(fēng)力渦輪機節(jié)距控制系統(tǒng)的本發(fā)明的一些配置可以有利地配置成，提供單個DC總線上的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)之間的能量交換，和/或提供在單節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)中消散再生能量的其他方式，和/或有利地允許節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換器之間的能量交換。工作期間的能量交換通過允許減少或最小化動態(tài)制動器電阻器和DC連接電容器的數(shù)量和額定值來獲得優(yōu)于單轉(zhuǎn)換器工作的優(yōu)點。


圖1是風(fēng)力渦輪機的一個示范性配置的示意圖。
圖2是圖1所示示范性風(fēng)力渦輪機配置的機罩的剖面透視圖。
圖3是用于圖1所示風(fēng)力渦輪機配置的控制系統(tǒng)的示范性配置的框圖。
圖4是表示本發(fā)明的一些節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意性框圖。
圖5是表示在具有多個節(jié)距電動機和節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機中，本發(fā)明的一些節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配置的示意性框圖。
圖6是表示在具有多個節(jié)距電動機和節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)并且具有共用動態(tài)制動器電阻器的風(fēng)力渦輪機中，本發(fā)明的一些節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配置的示意性框圖。
圖7是表示在具有多個節(jié)距電動機和節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)并且其中用一組輸入能量切換器替代非再生二級管電橋的風(fēng)力渦輪機中，本發(fā)明的一些節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)配置的示意性框圖。
圖8是表示與圖7相似的本發(fā)明的一些節(jié)距控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意性框圖，但是具有為每個節(jié)距驅(qū)動器提供的單獨再生MOSFET源。
具體實施例方式
在一些配置中，參照圖1，在一些配置中的風(fēng)力渦輪機100包括容納發(fā)電機(圖1中未示出)的機罩102。機罩102被安裝在高架104的頂部，在圖1中僅顯示其一部分。風(fēng)力渦輪機100還包括轉(zhuǎn)子106，該轉(zhuǎn)子106包括連接到旋轉(zhuǎn)軸轂110上的多個轉(zhuǎn)子葉片108。雖然圖1所示的風(fēng)力渦輪機100包括三個轉(zhuǎn)子葉片108，但是對于本發(fā)明所需的轉(zhuǎn)子葉片108的數(shù)量不作特定限制。
在一些配置中，參照圖2，各種組件被容納在風(fēng)力渦輪機100的支架104頂部的機罩102中。支架104的高度是基于本領(lǐng)域公知的因素和條件選擇的。在一些配置中，控制面板112中的一個或多個微控制器包括用于整體系統(tǒng)監(jiān)視的控制系統(tǒng)并且控制包括節(jié)距和速度調(diào)節(jié)，高速軸和偏轉(zhuǎn)制動應(yīng)用，偏轉(zhuǎn)和泵電動機應(yīng)用以及錯誤監(jiān)視。在一些配置中使用可選的分布式或集中式控制結(jié)構(gòu)。
在一些配置中，該控制系統(tǒng)為可變?nèi)~片節(jié)距驅(qū)動器114(包括DC節(jié)距驅(qū)動電動機，圖2中未示出)提供控制信號以控制葉片108(在圖2中也未示出)的節(jié)距，該葉片在風(fēng)的作用下驅(qū)動軸轂110。在一些配置中，軸轂110接收三個葉片108，而其他配置可以應(yīng)用任何數(shù)量的葉片。在一些配置中，葉片108的節(jié)距被葉片節(jié)距驅(qū)動器114單個地控制。軸轂110和葉片108一起包括風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子106。
風(fēng)力渦輪機的驅(qū)動系統(tǒng)包括連接到軸轂110的主轉(zhuǎn)子軸116(也稱為“低速軸”)和齒輪箱118，在一些配置中，使用雙通路結(jié)構(gòu)驅(qū)動封閉在齒輪箱118內(nèi)的高速軸。高速軸(圖2中未示出)用于驅(qū)動被主框架132支撐的第一發(fā)電機120。在一些配置中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)距通過連軸器122傳送。第一發(fā)電機120可以是任何適當(dāng)?shù)念愋?，例如不限制的，可以是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機。另一種非限制示例的適當(dāng)類型是可以以直接驅(qū)動配置中的低速軸的速度運行的多極發(fā)電機而不需要齒輪箱。
偏轉(zhuǎn)驅(qū)動器124和偏轉(zhuǎn)平臺126為風(fēng)力渦輪機100提供偏轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)。在一些配置中，該偏轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)由控制系統(tǒng)根據(jù)從用于測量軸法蘭位移的傳感器接收的信息進行電操作和控制，如下所述。對于該法蘭位移測量傳感器替代的或者附加的，一些配置使用風(fēng)向標(biāo)128來為該偏轉(zhuǎn)定向系統(tǒng)提供信息。該偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)被安裝在在支架104頂部提供的法蘭上。
在一些配置中，參照圖3，用于風(fēng)力渦輪機100的控制系統(tǒng)300包括總線302或者其他通信設(shè)備以傳輸信息。處理器304耦合到總線302以處理信息，包括來自配置成測量位移或力距的傳感器的信息?？刂葡到y(tǒng)300進一步包括隨機存取存儲器(RAM)306和/或其他存儲設(shè)備308。RAM 306和存儲設(shè)備308耦合到總線302以存儲和傳送被處理器304執(zhí)行的信息和指令。RAM 306(以及存儲設(shè)備308，如果需要的話)還可以用于存儲處理器304在執(zhí)行指令期間的臨時變量或其他中間信息。控制系統(tǒng)300還可以包括只讀存儲器(ROM)和或其他靜態(tài)存儲設(shè)備310，其被耦合到總線302以便為處理器304存儲和提供靜態(tài)(即非變化)信息和指令。輸入/輸出設(shè)備312可以包括本領(lǐng)域公知的任何設(shè)備以便為控制系統(tǒng)300提供輸入數(shù)據(jù)以及提供偏轉(zhuǎn)控制和節(jié)距控制輸出。指令被從存儲設(shè)備例如磁盤、只讀存儲器(ROM)集成電路、CD-ROM、DVD提供到存儲器，通過用于提供對一個或多個電子存儲介質(zhì)等的存取的有線或無線遠(yuǎn)程連接。在一些實施例中，硬連線電路可以用于代替或者與軟件指令組合。從而，指令序列的執(zhí)行不限于硬件電路和軟件指令的任何特定組合。傳感器接口314是允許控制系統(tǒng)300與一個或多個傳感器通信的接口。傳感器接口314可以是或者可以包括，例如將模擬信號轉(zhuǎn)換為可以被處理器304使用的數(shù)字信號的一個或多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在本發(fā)明的一些配置中，參照圖4，單節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400由電源(未示出)使用可操作地耦合到非再生二極管電橋402的變壓器(也未示出)供電，該非再生二級管電橋校402正該變壓器第二級的電壓并且將DC連接電壓供給到H橋404，該H橋404包括四個主動切換設(shè)備406例如并行MOSFET或者單獨或并行IGBT。至少一個DC連接電容器408平滑DC連接電壓VDL并且起串聯(lián)DC電動機410的散能器或電源作用，該串聯(lián)DC電動機410控制可變?nèi)~片節(jié)距驅(qū)動器114(其本身在圖2中示出)。在一些配置中，還提供包括至少一個電池414和接觸器416的緊急節(jié)距系統(tǒng)412，用于當(dāng)DC功率不可用時將風(fēng)力渦輪機(圖1中未示出)的葉片調(diào)節(jié)到變距位置。
圖4的系統(tǒng)400具有吸收來自串聯(lián)DC電動機410的再生能量的能力。從而，單節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400足以用于需要將葉片108調(diào)節(jié)到預(yù)定角度并且當(dāng)風(fēng)力渦輪機100工作時對節(jié)距角度進行極小調(diào)節(jié)的應(yīng)用中。
在風(fēng)力渦輪機100的一些配置中，節(jié)距控制器會需要葉片位置在軸轂110的每次旋轉(zhuǎn)期間顯著改變，并且因而需要節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400連續(xù)散發(fā)再生能量。從而，節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400的一些(但不需要是全部)配置進一步提供有至少一個動態(tài)制動器(DB)電阻器418，用于散發(fā)來自電動機410的再生能量。當(dāng)DC連接電壓VDL增加到預(yù)定限制時，動態(tài)制動器電阻器418通過電源開關(guān)420(MOSFET或IGBT)電耦合到DC連接419。這種方法在過去已經(jīng)被General Electric用于一些LV和MV感應(yīng)電動機驅(qū)動器中。
用于風(fēng)力渦輪機的節(jié)距控制系統(tǒng)的一些配置具有獨特的環(huán)境需求，使得動態(tài)制動電阻器中再生能量的散發(fā)成為缺點。從而節(jié)距電動機控制系統(tǒng)400的一些(但不需要是全部)配置還提供有添加到DC連接419的附加電容器408，用于有利地允許該連接電壓V保持在預(yù)定限制內(nèi)而不需要節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400附近環(huán)境的額外的能量散發(fā)和附加加熱。
在風(fēng)力渦輪機100的一些配置中，使用多個節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400來調(diào)節(jié)不同的葉片108。由輸入變壓器(圖中未示出)將每個節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400彼此分離，其將每個基于二極管的源電橋422從三相網(wǎng)格AC電源424隔離。
在一些配置中，參照圖5，可以避免由動態(tài)制動器電阻器418產(chǎn)生的風(fēng)力渦輪機軸轂110中的多余熱量和由多個DC連接電容器408和/或動態(tài)制動器電阻器導(dǎo)致的增加的零件計數(shù)(。更特別地，在多個節(jié)距電動機410和驅(qū)動系統(tǒng)400之間共用公共DC連接419和DC連接電壓VDL。例如，在圖5所示的配置中，三個這種系統(tǒng)400共用一個公共DC連接419。公共DC連接419允許系統(tǒng)400之間的能量交換。
在圖5所示本發(fā)明的一些配置中，多個節(jié)距驅(qū)動系統(tǒng)400與公共DC連接419連接，并且對該多個節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400中的每個提供單獨的DB電阻器418。DC連接419提供的連接使得DB電阻器418具有比所需要的更低的能量散發(fā)額定值。一些配置提供了多個DC連接電容器408。在這種配置中，多個節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400之間的能量交換使得可以減少公共DC連接419的總電容和減少DB電阻器418所需額定值。
在本發(fā)明的一些配置中，參照圖6，提供公共DB電阻器418。一些配置還提供用于通過DB電阻器418控制電流幅度的公共電源開關(guān)420。
在本發(fā)明的一些配置中，參照圖7，可以通過添加DC連接電壓VDL的再生源來避免添加DB電阻器418或多個DC連接電容器408的需要。例如，圖7所示的示例配置被配置成，使用一組700輸入電源開關(guān)420代替非再生二級管電橋402，用于吸收不在該節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400之間循環(huán)的所有再生能量。從而，調(diào)節(jié)施加在所有節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)400的DC連接電壓VDL。
在一些配置中，參照圖8，為每個節(jié)距驅(qū)動器提供電路800和使用MOSFET 420的分離再生MOSFET源電橋700。如果希望有更多的額定值，可以使用IGBT設(shè)備代替MOSFET 420。圖7所示的電路與圖8的區(qū)別在于，一般地，圖7的電路更節(jié)約成本并且使用配置成吸收不在節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)之間循環(huán)的所有或大部分再生能量的單個再生源。在圖8的電路800中，為軸1節(jié)距控制、軸2節(jié)距控制和軸3節(jié)距控制分別提供分離的分支802、804、806。
從而，在本發(fā)明的一些配置中，用于一個或更多(例如3個)節(jié)距電動機的電動機驅(qū)動器可以包括MOSFET或IGBT。在一些配置中為一個或更多節(jié)距電動機提供非再生源，而在其他配置中提供包括MOSFET或IGBT的再生源。在一些配置中，為多個節(jié)距電動機(例如三個節(jié)距電動機)提供單個源(例如再生源)，而在一些配置中，為每個單獨的節(jié)距電動機提供單獨的源(例如再生源)。
在一些配置中，使用具有DC連接作為源和負(fù)載之間的中間連接的節(jié)距控制驅(qū)動系統(tǒng)需要該DC連接在一些條件下吸收再生能量，例如當(dāng)通過二極管源供給該DC連接時和當(dāng)該電動機減速時?，F(xiàn)在根據(jù)這里所討論的示例性配置可以得出，本發(fā)明的配置有利地使用DC連接上的電容器和/或切換電阻器吸收該能量，和/或通過使用DC電壓的完全再生主動源。
雖然本發(fā)明是通過各種特定實施例的形式進行描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解，可以通過屬于權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改來實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于為風(fēng)力渦輪機(100)的至少一個DC節(jié)距電動機(410)的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)(400)供電的方法，所述方法包括使用橋接電路(402)整流電壓從而為包括主動切換設(shè)備(406)的電橋(404)供給DC連接電壓，和使用至少一個連接電容器(408)平滑該DC連接電壓并且起該至少一個DC節(jié)距電動機的散能器和電源作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括使用至少一個動態(tài)制動電阻器(418)來散發(fā)來自該至少一個DC節(jié)距電動機(410)的再生能量，和使用多個連接電容器(408)平滑該DC連接電壓并且起該至少一個DC節(jié)距電動機的散能器和電源作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該風(fēng)力渦輪機(100)包括多個DC節(jié)距電動機(410)，每個被分離的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)(400)驅(qū)動，并且所述方法進一步包括在多個節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)之間共用該DC連接電壓。
4.一種為風(fēng)力渦輪機(100)的至少一個DC節(jié)距電動機(410)供電的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括耦合到電源并且配置成產(chǎn)生校正DC連接電壓的橋接電路(402)，配置成切換該DC連接電壓并且將該切換的DC連接電壓供給到至少一個DC節(jié)距電動機(410)的主動切換設(shè)備(406)的電橋(404)，和電路中的至少一個連接電容器，并且該連接電容器配置成平滑該DC連接電壓并且起該至少一個DC節(jié)距電動機的散能器和電源作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，進一步包括電路中的至少一個動態(tài)制動電阻器(418)，其配置成散發(fā)來自該節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)的再生能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，具有由分離的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)(400)驅(qū)動的多個DC節(jié)距電動機(410)，并且所述系統(tǒng)配置成在所述多個節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)之間共用該DC連接電壓。
7.一種風(fēng)力渦輪機(100)，包括具有可操作地耦合到至少一個DC節(jié)距電動機(410)的至少一個葉片(108)和電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)包括可操作地耦合到電源并且配置成產(chǎn)生校正DC連接電壓的橋接電路(402)，配置成切換該DC連接電壓并且將該切換的DC連接電壓供給到至少一個DC節(jié)距電動機(410)的主動切換設(shè)備(406)的電橋(404)，和電路中的至少一個連接電容器，并且該連接電容器配置成平滑該DC連接電壓并且起散能器和電源作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機(100)，其中所述電源系統(tǒng)進一步包括配置成散發(fā)再生能量的至少一個動態(tài)制動電阻器(418)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機(100)，其中所述電源系統(tǒng)進一步包括配置成平滑該DC連接電壓并且起散能器和電源作用的多個所述連接電容器(408)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力渦輪機(100)，具有多個所述葉片(108)，每個可操作地耦合到由分離的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)(400)驅(qū)動的多個DC節(jié)距電動機(410)中的一個，并且該節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)(400)配置成在所述多個節(jié)距電動機之間共用該DC連接電壓。
全文摘要
一種用于為風(fēng)力渦輪機(100)的至少一個DC節(jié)距電動機(410)的節(jié)距電動機驅(qū)動系統(tǒng)(400)供電的方法，包括使用橋接電路(402)校正電壓從而為包括主動切換設(shè)備(406)的電橋(404)供給DC連接電壓，和使用至少一個連接電容器(408)平滑該DC連接電壓并且起該DC節(jié)距電動機或電動機的散能器和電源作用。
文檔編號F03D7/02GK1835382SQ20061005915
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月15日
發(fā)明者C·D·哈布爾特, J·A·梅利烏斯, A·M·里德諾爾, D·G·小萬納, H·R·埃蒙茲, A·S·威爾金森 申請人:通用電氣公司