專利名稱：風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)、偏航控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)及采用該偏航機構(gòu)的偏航控制系統(tǒng)及該 偏航系統(tǒng)的控制方法。
背景技術(shù)：
目前，風力發(fā)電機組中常用的偏航機構(gòu)有電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種方式。對于電 機驅(qū)動的偏航機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠，可充分利用有限空間，實現(xiàn)分散布置，常采用三個電 機分別驅(qū)動三個主動齒輪，把四點接觸球軸承的內(nèi)圓或外圓制成齒輪，通過主動齒輪和四 點接觸球軸承上的齒輪嚙合傳動完成偏航動作。其缺點是由于四點接觸球軸承外形尺寸較 大，其齒廓加工困難，同時齒輪嚙合傳動時沖擊較大，若制造或安裝不良，輪齒局部受載過 大時，輪齒會產(chǎn)生局部折斷等現(xiàn)象。液壓驅(qū)動方式變距力大，但存在液壓傳動系統(tǒng)復(fù)雜，非 線性、泄漏等現(xiàn)象。同時目前偏航系統(tǒng)的控制方式常采用PID控制，由于風力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù) 雜性，系統(tǒng)模型的建立非常困難，不能準確的對偏航系統(tǒng)進行控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種運動時無沖擊、 運動平穩(wěn)，各元件加工方便的風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)。本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種能準確的對上 述偏機構(gòu)進行控制的偏航控制系統(tǒng)。本發(fā)明所要解決的第三個技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種偏航控制系統(tǒng) 的控制方法。本發(fā)明解決上述第一個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該風力發(fā)電機的偏航機 構(gòu)，其特征在于包括與發(fā)電機總成相連的底座，底座的外側(cè)壁上具有三個向外凸起設(shè)置的側(cè)板；每個 側(cè)板下方固定有預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置；所述預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置包括一對相互配合的具有燕尾形狀的凸凹塊，其中燕尾凸 塊和偏航電機一端連接固定，燕尾凹塊與擋板連接固定，燕尾凸塊與擋板之間具有間隔空 間；雙頭螺柱一頭和燕尾凸塊螺紋固定連接，另一頭穿過所述擋板，并且穿出擋板外的雙頭 螺柱上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺母；穿設(shè)在燕尾凸塊和擋板間的所述雙頭螺柱外套設(shè)有一彈簧；所述偏航電機的另一端與減速器固定，減速器的輸出軸與摩擦輪相連；四點接觸球軸承，所述底座底部端面與該四點接觸球軸承的內(nèi)圈固定，該四點接 觸球軸承的外圈與塔架頂部相連，并且所述摩擦輪與四點接觸球軸承的外圈相接觸。作為改進，所述底座為半球形，所述三個側(cè)板按照120度間隔均勻分布在底座的 外側(cè)壁上。上述摩擦輪的基體采用鋼材料，其外部覆蓋一層MC尼龍材料。由于摩擦輪傳動可以通過預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)節(jié)，通過該裝置施加一定的預(yù)
3緊壓力，并且在摩擦輪或軸承外圈產(chǎn)生磨損時，調(diào)節(jié)摩擦輪位置，改變預(yù)緊壓力，從而保證 摩擦輪傳動的正常工作。本發(fā)明解決上述第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該偏航控制系統(tǒng)，其特征 在于包括一采用上述結(jié)構(gòu)的偏航機構(gòu)；一用于測量風向信號的檢測元件；一用于計算風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的計算元件，所述檢測元件的信 號輸出端與該計算元件的一信號輸入端相連，所述風力機用于輸出風輪軸線方向的信號輸 出端與該計算元件的另一信號輸入端相連；一 PLC控制器；所述計算元件的輸出端與該PLC控制器的一輸入端相連，該PLC控 制器輸出端通過一軟啟動器與所述偏航機構(gòu)的偏航電機相連；一偏航計數(shù)器，用于計算所述偏航機構(gòu)的偏航次數(shù)，其信號輸入端與所述偏航機 構(gòu)相連；其信號輸出端與所述PLC控制器的另一輸入端相連。通過檢測元件檢測，當風向與風輪軸線偏離一個角度時，將偏差信號傳給PLC，PLC 根據(jù)偏航計數(shù)器檢測后反饋給控制器的數(shù)值，計算出風向信號與機艙位置的夾角，從而確 定是否需要調(diào)整機艙方向以及朝哪個方向調(diào)整能盡快對準風向。當需要調(diào)整方向時，PLC 輸出指令驅(qū)動偏航電機(帶失電制動)，將機頭朝正對風的方向調(diào)整，并記錄當前調(diào)整的角 度，調(diào)整完畢電機停轉(zhuǎn)并啟動偏航制動。同時用于計算所述偏航機構(gòu)的偏航次數(shù)，記錄偏航 系統(tǒng)所運轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當偏航系統(tǒng)的偏航圈數(shù)達到計數(shù)器的設(shè)定條件時，則觸發(fā)自動解纜動 作。本發(fā)明解決上述第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該偏航控制系統(tǒng)的控制方 法，其特征在于當所述計算單元計算出風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值大 于零時，該偏航控制系統(tǒng)開始工作，當風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值大于 等于一預(yù)先設(shè)定值時，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采用模糊控制方法對所述偏航機構(gòu) 的偏航電機進行控制，當風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值小于所述預(yù)先設(shè)定 值時，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采用PID控制方法對所述偏航機構(gòu)的偏航電機進行 控制，當風向與風力機的風輪軸線方向偏差值等于零時，PLC控制器輸出控制信號使偏航電 機停止工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、相對于偏航機構(gòu)常用的齒輪傳動形式，由 于采用摩擦輪傳動形式，其結(jié)構(gòu)形狀簡單，加工方便，同時具有工作過程平穩(wěn)、沖擊小的特 點；2、由于具有預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置，通過設(shè)定適當?shù)念A(yù)緊壓力，保證了偏航動作的順利完 成；3、由于摩擦輪采用MC尼龍材料，具有重量輕、強度高、抗沖擊、抗振、耐磨、防腐和絕緣 多種獨特性能，其耐磨性保證了摩擦輪磨損量小，無須經(jīng)常調(diào)節(jié)預(yù)緊壓力。4、由于采用模糊 和PID對本偏航機構(gòu)進行分段控制，結(jié)合了模糊和PID控制的優(yōu)點，使得控制的輸出結(jié)果能 在合理的時間內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)，克服了 PID控制的超調(diào)和波動。


圖1為本發(fā)明實施例中偏航機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意4
圖3為本發(fā)明實施例中偏航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。本發(fā)明首先提供了一種風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)，請參見圖1和圖2所示，其包括與 發(fā)電機總成相連的半球形底座1，底座1通過左側(cè)端面的螺紋孔7與發(fā)電機總成相連，底座 1的外側(cè)壁上按照120度間隔均勻分布有三個向外凸起設(shè)置的側(cè)板13 ；每個側(cè)板13下方 通過螺栓6固定有預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置；所述預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置包括一對相互配合的具有燕 尾形狀的凸凹塊，其中燕尾凸塊8和偏航電機5 —端連接固定，燕尾凹塊14與擋板9連接 固定，燕尾凸塊8與擋板9之間具有間隔空間；雙頭螺柱11 一頭和燕尾凸塊8螺紋固定連 接，另一頭穿過所述擋板9，并且穿出擋板外的雙頭螺柱上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺母12 ；穿設(shè)在燕尾 凸塊8和擋板9間的所述雙頭螺柱外套設(shè)有一彈簧10 ；所述偏航電機5的另一端與減速器 4固定，減速器4的輸出軸與摩擦輪3相連；所述底座1底部端面與四點接觸球軸承2的內(nèi) 圈固定，該四點接觸球軸2承的外圈與塔架頂部相連，并且所述摩擦輪3與四點接觸球軸承 2的外圈相接觸。在摩擦輪傳動副產(chǎn)生微量磨損時，通過彈簧力自動調(diào)節(jié)預(yù)緊壓力，保證摩擦輪3 和四點接觸球軸承2的外圈相互壓緊。當摩擦輪傳動副磨損量較大時，旋動調(diào)節(jié)螺母12使 得燕尾凸塊沿預(yù)緊壓力方向移動，改變預(yù)緊壓力，使得摩擦輪3能和四點接觸球軸承2的外 圈相互壓緊，保證偏航動作的順利完成。本發(fā)明還提供了一種偏航控制系統(tǒng)，其包括上述結(jié)構(gòu)的偏航機構(gòu)，一用于測量風 向信號的檢測元件；一用于計算風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的計算元件，所述檢 測元件的信號輸出端與該計算元件的一信號輸入端相連，所述風力機用于輸出風輪軸線方 向的信號輸出端與該計算元件的另一信號輸入端相連；一 PLC控制器；所述計算元件的輸 出端與該PLC控制器的一輸入端相連，該PLC控制器輸出端通過一軟啟動器與所述偏航機 構(gòu)的偏航電機相連；一偏航計數(shù)器，用于計算所述偏航機構(gòu)的偏航次數(shù)，其信號輸入端與所 述偏航機構(gòu)相連；其信號輸出端與所述PLC控制器的另一輸入端相連。計算元件將計算出的偏差信號傳給PLC控制器，PLC控制器同時根據(jù)偏航計數(shù)器 的測量的數(shù)值，計算出風向信號與機艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機艙方向以及 朝哪個方向調(diào)整能盡快對準風向。當需要調(diào)整方向時，PLC控制器輸出指令驅(qū)動偏航電機， 將機頭朝正對風的方向調(diào)整，并記錄當前調(diào)整的角度，調(diào)整完畢電機停轉(zhuǎn)并啟動偏航制動。 軟啟動器可實現(xiàn)偏航電機的平滑啟動，降低啟動電流，軟啟動器同時還提供軟停車功能，避 免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。另外本發(fā)明還提供了一種上述偏航控制系統(tǒng)的控制方法，當所述計算單元計算出 風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值大于零時，該偏航控制系統(tǒng)開始工作，當風 向與風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值大于等于一預(yù)先設(shè)定值時，所述偏航控制系統(tǒng) 的PLC控制器采用模糊控制方法對所述偏航機構(gòu)的偏航電機進行控制，當風向與風力機的 風輪軸線方向偏差值的絕對值小于所述預(yù)先設(shè)定值時，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采 用PID控制方法對所述偏航機構(gòu)的偏航電機進行控制，當風向與風力機的風輪軸線方向偏 差值等于零時，PLC控制器輸出控制信號使偏航電機停止工作。
上述模糊控制方法、PID控制方法均為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的控制方法，預(yù)先設(shè)定值即 為模糊控制方法與PID控制方法的切換點，該切換點的數(shù)值可以通過具體的風力發(fā)電機組 的環(huán)境參數(shù)綜合考慮后設(shè)定。
權(quán)利要求
一種風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)，其特征在于包括與發(fā)電機總成相連的底座，底座的外側(cè)壁上具有三個向外凸起設(shè)置的側(cè)板；每個側(cè)板下方固定有預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置；所述預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置包括一對相互配合的具有燕尾形狀的凸凹塊，其中燕尾凸塊和偏航電機一端連接固定，燕尾凹塊與擋板連接固定，燕尾凸塊與擋板之間具有間隔空間；雙頭螺柱一頭和燕尾凸塊螺紋固定連接，另一頭穿過所述擋板，并且穿出擋板外的雙頭螺柱上設(shè)置有調(diào)節(jié)螺母；穿設(shè)在燕尾凸塊和擋板間的所述雙頭螺柱外套設(shè)有一彈簧；所述偏航電機的另一端與減速器固定，減速器的輸出軸與摩擦輪相連；四點接觸球軸承，所述底座底部端面與該四點接觸球軸承的內(nèi)圈固定，該四點接觸球軸承的外圈與塔架頂部相連，并且所述摩擦輪與四點接觸球軸承的外圈相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)，其特征在于所述底座為半球形，所 述三個側(cè)板按照120度間隔均勻分布在底座的外側(cè)壁上。
3.一種采用如權(quán)利要求1所述偏航機構(gòu)的偏航控制系統(tǒng)，其特征在于包括 一采用如權(quán)利要求1所述偏航機構(gòu)；一用于測量風向信號的檢測元件；一用于計算風向與風力機的風輪軸線方向偏差值的計算元件，所述檢測元件的信號輸 出端與該計算元件的一信號輸入端相連，所述風力機用于輸出風輪軸線方向的信號輸出端 與該計算元件的另一信號輸入端相連；一 PLC控制器；所述計算元件的輸出端與該PLC控制器的一輸入端相連，該PLC控制器 輸出端通過一軟啟動器與所述偏航機構(gòu)的偏航電機相連；一偏航計數(shù)器，用于計算所述偏航機構(gòu)的偏航次數(shù)，其信號輸入端與所述偏航機構(gòu)相 連；其信號輸出端與所述PLC控制器的另一輸入端相連。
4.一種如3所述偏航控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于當所述計算單元計算出風向 與風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值大于零時，該偏航控制系統(tǒng)開始工作，當風向與 風力機的風輪軸線方向偏差值的絕對值大于等于一預(yù)先設(shè)定值時，所述偏航控制系統(tǒng)的 PLC控制器采用模糊控制方法對所述偏航機構(gòu)的偏航電機進行控制，當風向與風力機的風 輪軸線方向偏差值的絕對值小于所述預(yù)先設(shè)定值時，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采用 PID控制方法對所述偏航機構(gòu)的偏航電機進行控制，當風向與風力機的風輪軸線方向偏差 值等于零時，PLC控制器輸出控制信號使偏航電機停止工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)及采用該偏航機構(gòu)的偏航控制系統(tǒng)及該偏航系統(tǒng)的控制方法，該風力發(fā)電機的偏航機構(gòu)；該偏航機構(gòu)包括與發(fā)電機總成相連的底座，底座的外側(cè)壁上具有三個向外凸起設(shè)置的側(cè)板；每個側(cè)板下方固定有預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置；所述偏航電機的另一端與減速器固定，減速器的輸出軸與摩擦輪相連；四點接觸球軸承，所述底座底部端面與該四點接觸球軸承的內(nèi)圈固定，該四點接觸球軸承的外圈與塔架頂部相連，并且所述摩擦輪與四點接觸球軸承的外圈相接觸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于相對于偏航機構(gòu)常用的齒輪傳動形式，由于采用摩擦輪傳動形式，其結(jié)構(gòu)形狀簡單，加工方便，同時具有工作過程平穩(wěn)、沖擊小的特點。
文檔編號H02K7/10GK101963131SQ20101029609
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者孫濤, 張舜德, 高文元 申請人:張舜德