用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构.pdf

用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，本发明涉及风力发电设备的技术领域，它针对现有风力发电机液压变桨距控制机构液压回路复杂和可靠性不高的问题，以及没有冗余控制的缺陷，提出了包括闭式油罐、交流伺服电机、双向定量泵、补油阀、液压锁和变桨距液压缸的直驱式液压变桨距控制机构；交流伺服电机动力输出轴与双向定量泵动力输入轴连接，双向定量泵通过液压锁与变桨距液压缸连接，双向定量泵与变桨距液压缸之间的两条油路组成闭式回路，补油阀的两个进出油口分别连接在双向定量泵与变桨距液压缸之间的两条油路上，补油阀的第三进出油口连接闭式油罐的进出油口。本发明具有结构简单、控制可靠、重量轻、占地面积小等优点。

1、  用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于它包括闭式油罐(20)、交流伺服电机(21)、双向定量泵(23)、补油阀(24)、双向液压锁(25)和变桨距液压缸(26)；交流伺服电机(21)动力输出轴与双向定量泵(23)动力输入轴连接，双向定量泵(23)通过双向液压锁(25)与变桨距液压缸(26)连接，双向定量泵(23)与变桨距液压缸(26)之间的两条油路组成闭式回路，补油阀(24)的两个进出油口分别连接在双向定量泵(23)与变桨距液压缸(26)之间的两条油路上，补油阀(24)的第三进出油口连接闭式油罐(20)的进出油口。

2、  根据权利要求1所述的用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于闭式油罐(20)、交流伺服电机(21)、双向定量泵(23)、补油阀(24)和双向液压锁(25)组成一套电液伺服动力源，所述的变桨距液压缸(26)至少连接两套电液伺服动力源。

3、  根据权利要求1或2所述的用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于还包括常开两位两通电磁阀(28)、常闭两位两通电磁阀(29)和液压蓄能器(31)；变桨距液压缸(26)的有杆腔通过常开两位两通电磁阀(28)与闭式油罐(20)连通；变桨距液压缸(26)的无杆腔通过常闭两位两通电磁阀(29)与液压蓄能器(31)连通。

4、  根据权利要求3所述的用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于还包括联轴器(22)，交流伺服电机(21)动力输出轴通过联轴器(22)与双向定量泵(23)动力输入轴连接。

5、  根据权利要求1或4所述的用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于还包括手动截止阀27，手动截止阀27的三个油口分别与闭式油罐(20)的进出油口、变桨距液压缸(26)的有杆腔和无杆腔的进出油口连接。

6、  根据权利要求5所述的用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于补油阀(24)由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第一液控单向阀和第二液控单向阀；第一液控单向阀的一个油口和控制油口分别与双向定量泵(23)与变桨距液压缸(26)之间的两条油路连接，第二液控单向阀的一个油口与第一液控单向阀的的控制油口所连接的油路相连，第二液控单向阀的控制油口与第一液控单向阀的的一个油口所连接的油路相连，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐(20)的进出油口连接。

7、  根据权利要求6所述的用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构，其特征在于双向液压锁(25)由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第三液控单向阀和第四液控单向阀；第三液控单向阀的一个油口与变桨距液压缸(26)的有杆腔油口连接，第三液控单向阀的另一个油口与双向定量泵(23)的一个油口连接；第四液控单向阀的一个油口与变桨距液压缸(26)的无杆腔油口连接，第四液控单向阀的另一个油口与双向定量泵(23)的另一个油口连接；第三液控单向阀的控制油口与双向定量泵(23)与变桨距液压缸(26)之间的连接第四液控单向阀的油路连接；第四液控单向阀的控制油口与双向定量泵(23)与变桨距液压缸(26)之间的连接第三液控单向阀的油路连接。

用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构
技术领域
本发明涉及风力发电设备的技术领域，具体涉及风力发电机液压变桨距控制机构。
背景技术
大型风力发电机有定桨距和变桨距两种。定桨距风机就是桨叶的迎风角固定，风力大于一定值时，会造成转速过高，机组无法正常工作；变桨距风机的桨叶迎风角可调节，在额定风速附近，依据风速的变化随时调节桨距角，控制吸收的机械能，一方面保证获取最大的能量(与额定功率对应)，同时减少风力对风力机的冲击。在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态，需要在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度，以满足发电机所处的工作状态在最优状态。通过变桨距的调节，能够有效的改善风力发电机组的气动性能。特别地，当风力发电机遇到像台风等强风力时，机组能立即停止运行，以使电源中断，而此时的桨叶需要控制在和风向相平行的位置上，确保桨叶不再转动，此时桨叶变距起到气动刹车的作用。
图1为风力发电机变桨距控制系统的示意图，控制系统传递桨距角给定信号和功率给定信号至变桨距控制器，变桨距控制器通过将给定值与桨叶现桨距角和功率值进行比较并计算出所需的驱动信号给变距控制机构，变距控制机构改变桨叶桨距角，以满足发电机所处的工作状态在最优状态。
图2为现风力发电机上使用的典型的液压变距控制机构结构示意图。该液压变桨距控制机构属于电液伺服系统。从现风力发电机上使用的典型的液压变距控制机构的结构分析我们可以看出，现有的变桨距控制机构液压回路复杂，回路中安装有三个电磁换向阀和一个电液比例换向阀进行控制。由于变距机构需要连续调整节距角，三个电磁换向阀的电磁铁是一直带电的，电液比例换向阀的电磁铁则是频繁动作的，如果其中任意一个电磁铁发生故障，则该变桨距控制机构就无法正常工作，另外，比例换向阀和电磁换向阀的滑阀阀芯的卡滞也是液压变桨距控制机构故障的主要原因之一。所以说现有液压变距控制机构可靠性不高。另一方面，液压变距控制机构没有冗余控制，一旦该液压变距控制机构发生故障，必将造成停机事故。
发明内容
本发明针对现有风力发电机液压变桨距控制机构液压回路复杂和可靠性不高不足，以及没有冗余控制的缺陷，而提出了一种用于风力发电机的直驱式液压变桨距控制机构。
本发明的直驱式液压变桨距控制机构包括闭式油罐、交流伺服电机、双向定量泵、补油阀、双向液压锁和变桨距液压缸；交流伺服电机动力输出轴与双向定量泵动力输入轴连接，双向定量泵通过双向液压锁与变桨距液压缸连接，双向定量泵与变桨距液压缸之间的两条油路组成闭式回路，补油阀的两个进出油口分别连接在双向定量泵与变桨距液压缸之间的两条油路上，补油阀的第三进出油口连接闭式油罐的进出油口。
本发明的直驱式液压变桨距控制机构采用闭式回路，本发明的有益效果是：相对于传统的风力发电机变桨距控制机构，本发明具有结构简单、控制可靠、重量轻、占地面积小等优点。本发明的具体优点主要表现在以下几个方面：直驱式液压变浆机构通过控制交流伺服电机的转向、转速和运转时间来控制变桨距液压缸的方向、速度和位移，去除了对油液颗粒度敏感的电液比例阀和容易发生故障的电磁换向阀，简化了液压回路，减少了发生故障的几率。直驱式液压变浆机构液压驱动回路可以采用冗余配置，控制系统能自动检测直驱式液压变浆机构的工况，当一套直驱式液压变桨机构的液压回路发生故障失压时，控制系统自动切换到第二套变桨液压回路，使得液压变浆机构的可靠性大大提高。在突发情况需要快速停机时，可以控制两套液压回路同时工作，加快变桨距液压缸的速度，在最短时间内使桨叶运动到和风向相平行的位置上，确保桨叶不再转动。
附图说明
图1为风力发电机变桨距控制系统的示意图；图2为现风力发电机上使用的典型的液压变距控制机构结构示意图；图3为本发明的直驱式液压变桨距控制机构的结构示意图；图4为具体实施方式二中的考虑失电安全时的直驱式液压变桨距控制机构的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3说明本实施方式，本实施方式中的直驱式液压变桨距控制机构由闭式油罐20、交流伺服电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀24、双向液压锁25和变桨距液压缸26组成；交流伺服电机21动力输出轴通过联轴器22与双向定量泵23动力输入轴连接，交流伺服电机21接收变桨距控制器的电压信号后后顺时针或逆时针旋转，带动双向定量泵23转动，向变距液压缸26输出压力油，推动液压缸活塞杆运动，进而调节桨叶桨距角，以满足发电机所处的工作状态在最优状态；当反馈信号与给定的变桨距信号相等时，变桨距控制器输出给交流伺服电机21的的电压为零，交流伺服电机21停止运转，使变桨距液压缸26活塞杆稳定在预设位置上；双向定量泵23通过双向液压锁25与变桨距液压缸26连接，双向定量泵23与变桨距液压缸26之间的两条油路组成闭式回路，双向液压锁25的功用是当变桨距液压缸26达到指定位移时，交流伺服电机21停止运转，双向液压锁25能使变距液压缸26的活塞杆稳定在预设位置上。此时，交流伺服电机21停止运转，等待下一个变桨距命令，因此可收到显著的节能效果。补油阀24的两个进出油口分别连接在双向定量泵23与变桨距液压缸26之间的两条油路上，补油阀24的第三进出油口连接闭式油罐20的进出油口。补油阀24的作用是闭式回路中油液不足时从闭式油罐20中向闭式回路中补充油液和将闭式回路中多余的油液排回闭式油罐20。闭式油罐20、交流伺服电机21、联轴器22、双向定量泵23、补油阀24和双向液压锁25组成一套电液伺服动力源。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于增加了常开两位两通电磁阀28、常闭两位两通电磁阀29和液压蓄能器31；变桨距液压缸26的有杆腔通过常开两位两通电磁阀28与闭式油罐20连通；变桨距液压缸26的无杆腔通过常闭两位两通电磁阀29与液压蓄能器31连通；常开两位两通电磁阀28和常闭两位两通电磁阀29在变桨距调节时均通电，保持闭合状态，此时直驱式液压变桨距控制机构的其他部分工作方式同具体实施方案一。当直驱式液压变桨距控制机构失电时，即遇台风紧急关闭或者两路变桨距控制机构均出现故障时，常开两位两通电磁阀28和常闭两位两通电磁阀29均失电，液压油从液压蓄能器31通过常闭两位两通电磁阀29进入变桨距液压缸26的无杆腔，变桨距液压缸26的有杆腔的液压油通过常开两位两通电磁阀28排放到闭式油罐20，叶片变距到+88°机械端点。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于增加了手动截止阀27，手动截止阀27的三个油口分别与闭式油罐20的进出油口、变桨距液压缸26的有杆腔和无杆腔的进出油口连接。手动截止阀27平时是关闭的，变桨距液压缸26的两腔、闭式油罐20之间是闭锁的。当需要对直驱式液压变桨距机构维护时，可以通过打开手动截止阀27，使变桨距液压缸26两腔与闭式油罐20相通，卸掉变桨距液压缸26内的压力，才可以对变桨距液压缸26进行维护。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3或图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于补油阀24由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第一液控单向阀和第二液控单向阀；第一液控单向阀的一个油口和控制油口分别与双向定量泵23与变桨距液压缸26之间的两条油路连接，第二液控单向阀的一个油口与第一液控单向阀的的控制油口所连接的油路相连，第二液控单向阀的控制油口与第一液控单向阀的的一个油口所连接的油路相连，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐20的进出油口连接，第二液控单向阀的一个油口和控制油口与第一液控单向阀的的一个油口和控制油口连接方式相同、连接油路相反，第一液控单向阀的另一个油口和第二液控单向阀的另一个油口同时与闭式油罐20的进出油口连接。由两个液控单向阀构成的补油阀24连接在闭式回路中，能可靠地保证双向定量泵23的油口与闭式油罐20内液压油相通，补偿双向定量泵23和变桨距液压缸26的泄漏，保证油管内的压力大于空气分离压，防止气穴现象和空气渗入。双向液压锁25由两个液控单向阀组成，两个液控单向阀分别为第三液控单向阀和第四液控单向阀；第三液控单向阀的一个油口与变桨距液压缸26的有杆腔油口连接，第三液控单向阀的另一个油口与双向定量泵23的一个油口连接；第四液控单向阀的一个油口与变桨距液压缸26的无杆腔油口连接，第四液控单向阀的另一个油口与双向定量泵23的另一个油口连接；第三液控单向阀的控制油口与双向定量泵23与变桨距液压缸26之间的连接第四液控单向阀的油路连接；第四液控单向阀的控制油口与双向定量泵23与变桨距液压缸26之间的连接第三液控单向阀的油路连接；其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3或4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述的变桨距液压缸26的进出口处连接至少采用两套电液伺服动力源，实现冗余配置。控制系统能自动检测直驱式液压变桨距控制机构的工况，当一套直驱式液压变桨距控制机构的液压回路发生故障失压时，控制系统自动切换到第二套直驱式液压变桨距控制机构的回路，使得直驱式液压变桨距控制机构的可靠性大大提高。在突发情况需要快速停机时，可以控制冗余液压回路同时工作，加快变桨距液压缸的速度，在最短时间内使桨叶运动到和风向相平行的位置上，确保桨叶不再转动。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。