风力发电机自动紧急偏航装置和设备
阅读：353发布：2020-05-08
专利汇可以提供风力发电机自动紧急偏航装置和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 涉及一种 风 力 发 电机 自动紧急 偏航 装置和设备，该装置包括转速监测器、风向感应器、偏航控制装置、扭缆 传感器 和偏航执行装置；转速监测器用于采集 风力 发电机 叶轮 的转速；扭缆传感器用于获取风力发电机中 电缆 的扭缆状态；风向感应器用于获取风力发电机 机舱 与风向的 角 度信息；偏航控制装置用于根据风力发电机中电缆的扭缆状态和机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线；偏航执行装置根据偏航路线，控制风力发电机机舱偏航。通过增加偏航控制装置判断风力发电机叶轮的转速是否超速，避免了风力发电机叶轮超速时，无法及时偏航所导致的安全隐患，提高了风力发电机的安全性。，下面是风力发电机自动紧急偏航装置和设备专利的具体信息内容。
1.一种风力发电机自动紧急偏航装置，其特征在于，所述的装置包括转速监测器、风向感应器、偏航控制装置、扭缆传感器和偏航执行装置；
所述转速监测器与所述偏航控制装置连接，所述转速监测器用于采集风力发电机组叶轮的转速，并发送至所述偏航控制装置；
所述风向感应器与所述偏航控制装置连接，所述风向感应器用于采集风力发电机机舱与风向的角度信息，并发送至所述偏航控制装置；
所述扭缆传感器与所述偏航控制装置连接，所述扭缆传感器用于采集风力发电机中电缆的扭缆状态，并发送至所述偏航控制装置；
所述偏航控制装置与所述偏航执行装置连接，所述偏航控制装置用于根据所述风力发电机中电缆的扭缆状态和所述风力发电机机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，并发送至所述偏航执行装置；
所述偏航执行装置用于根据所述偏航路线，控制风力发电机机舱完成偏航。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的紧急偏航装置还包括：主控器，所述主控器与所述偏航控制装置以通信的方式连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述偏航控制装置包括偏航电机驱动组件，所述偏航执行装置包括偏航电动机；所述偏航电机驱动组件与所述偏航电动机、所述扭缆传感器、所述转速监测器、所述风向感应器以及所述主控器连接。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述偏航控制装置包括偏航控制器以及接触器，所述偏航控制器与所述主控器、所述扭缆传感器、所述转速监测器、所述风向感应器以及所述接触器连接，所述偏航执行装置包括偏航电动机；所述偏航电动机通过所述接触器与所述偏航控制器连接。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述偏航执行装置还包括电机制动器，所述电机制动器与所述偏航控制装置以及所述偏航电动机连接。
6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述偏航执行装置还包括偏航液压刹车器和偏航轴承，所述偏航液压刹车器与所述偏航控制装置以及所述偏航轴承连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述偏航执行装置还包括偏航减速机、偏航小齿轮和偏航齿圈，所述偏航减速机与所述偏航电动机连接，所述偏航小齿轮分别与所述偏航减速机及所述偏航齿圈连接，所述偏航齿圈与所述偏航轴承连接。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述偏航电机驱动组件包括偏航控制器以及偏航变频器，所述控制器与所述偏航变频器、所述扭缆传感器、所述转速监测器、所述风向感应器以及所述主控器连接，所述偏航变频器与所述偏航电动机连接。
9.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的偏航执行装置还包括主控器，所述主控器以通信的方式与所述偏航电机驱动组件连接。
10.一种风力发电机设备，其特征在于，所述的设备包括叶轮、风力发电机机舱、塔筒以及上述风力发电机自动紧急偏航装置，所述叶轮与所述风力发电机机舱连接，所述风力发电机机舱与所述塔筒可转动连接，所述风力发电机自动紧急偏航装置与所述风力发电机机舱连接。
风力发电机自动紧急偏航装置和设备
技术领域
背景技术
[0002] 风力发电机在正常工作时，由于风向可能会一直发生变化，需要调节风力发电机的机舱使其能够快速平稳地对准风向，以便叶轮获得最大的风能，风力发电机的主控器通过控制变桨系统和偏航系统实现风力发电机组对风功率的捕获。但在风力较强时，吸收的风功率超过风力发电机组的额定功率时，风力发电机组又需要启动变桨系统或者偏航系统，改变桨叶角度或者机舱与风向的角度以保障风力发电机组的安全。
[0003] 传统的偏航系统的方案包括两种，一种是通过接触器直接控制电机的启动，通过电机运转来实现机舱偏航，另一种则是通过变频器与电机连接，通过变频器来控制电机的输出来实现机舱偏航。这两种方案中，接触器与变频器都是通过主控器控制的，当主控器处于非正常状态不能正常工作时，偏航系统则不能正常工作，加之变桨系统处于不正常状态，此时突如其来的大风可能会导致风力发电机的叶轮超速飞车，甚至风力发电机组倒塌，给风力发电机组的整体安全性带来隐患。实用新型内容
[0004] 基于此，有必要针对风力发电机安全可靠性低的问题，提供一种可提高风力发电机安全可靠性的风力发电机自动紧急偏航装置和设备。
[0005] 一种风力发电机自动紧急偏航装置，该装置包括：转速监测器、风向感应器、偏航控制装置、扭缆传感器和偏航执行装置；转速监测器与偏航控制装置连接，转速监测器用于采集风力发电机组叶轮的转速，并发送至偏航控制装置；风向感应器与偏航控制装置连接，风向感应器用于采集风力发电机机舱与风向的角度信息，并发送至偏航控制装置；扭缆传感器与偏航控制装置连接，扭缆传感器用于采集风力发电机中电缆的扭缆状态，并发送至偏航控制装置；偏航控制装置与偏航执行装置连接，偏航控制装置用于判断风力发电机叶轮的转速是否大于或等于预设转速阈值，若是，则根据风力发电机中电缆的扭缆状态和风力发电机机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，并发送至偏航执行装置；偏航执行装置用于根据偏航路线，控制风力发电机机舱完成偏航。
[0006] 上述的装置，通过增加偏航控制装置判断风力发电机叶轮的转速是否超速，再同时通过扭缆传感器来检测风力发电机电缆的扭缆状态和风向感应器获取机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，通过偏航路线来控制偏航执行装置执行偏航，提高了风力发电机的安全性，避免了风力发电机叶轮超速时，无法及时偏航所导致的安全隐患，提高了风力发电机的安全性。
[0007] 在其中一个实施例中，该紧急偏航装置还包括主控器，主控器与偏航控制装置以通信的方式连接，偏航控制装置还用于当风力发电机叶轮的转速小于预设转速阈值时，接收控制器发送的偏航信号，并传输至偏航执行装置以控制风力发电机机舱完成偏航。
[0008] 在其中一个实施例中，偏航控制装置包括偏航电机驱动组件，偏航执行装置包括偏航电动机；偏航电机驱动组件与偏航电动机、扭缆传感器、转速监测器、风向感应器以及主控器连接，偏航电机驱动组件用于将偏航路线发送至偏航电动机以控制偏航电动机正转或反转。
[0009] 在其中一个实施例中，偏航控制装置包括偏航控制器以及接触器，偏航控制器与主控器、扭缆传感器、转速监测器、风向感应器以及接触器连接，偏航执行装置包括偏航电动机；偏航电动机通过接触器与偏航控制器连接，偏航控制器以及接触器用于将偏航路线发送至偏航电动机以控制偏航电动机正转或反转。
[0010] 在其中一个实施例中，偏航执行装置还包括电机制动器，电机制动器与偏航控制装置以及偏航电动机连接，电机制动器用于接收偏航控制装置发送的电机制动信号，并根据电机制动信号对偏航电动机进行制动。
[0011] 在其中一个实施例中，偏航执行装置还包括偏航液压刹车器和偏航轴承，偏航液压刹车器与偏航控制装置以及偏航轴承连接，偏航液压刹车器用于接收偏航控制装置发送的轴承制动信号，并根据轴承制动信号对偏航轴承进行制动。
[0013] 在其中一个实施例中，偏航电机驱动组件包括偏航控制器以及偏航变频器，偏航控制器与偏航变频器、扭缆传感器、转速监测器、风向感应器以及主控器连接，偏航变频器与偏航电动机连接。
[0014] 在其中一个实施例中，该偏航执行装置还包括主控器，主控器以通信的方式与偏航电机驱动组件连接。
[0015] 在其中一个实施例中，一种风力发电机设备，该设备包括叶轮、风力发电机机舱、塔筒以及上述风力发电机自动紧急偏航装置，叶轮与风力发电机机舱连接，风力发电机机舱与塔筒可转动连接，风力发电机自动紧急偏航装置与风力发电机机舱连接，风力发电机自动紧急偏航装置用于控制风力发电机机舱偏航。
[0016] 上述的设备，通过增加偏航控制装置判断风力发电机叶轮的转速是否超速，再同时通过扭缆传感器来检测风力发电机电缆的扭缆状态和风向感应器获取机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，通过偏航路线来控制偏航执行装置执行偏航，避免了风力发电机叶轮超速时，无法及时偏航所导致的安全隐患，提高了风力发电机的安全性。附图说明
[0018] 图2为一实施例中风力发电机自动紧急偏航装置的系统框架示意图；
[0019] 图3为一实施例中风力发电机自动紧急偏航装置的系统框架示意图；
[0020] 图4为一实施例中风力发电机自动紧急偏航装置的系统框架示意图；
[0021] 图5为一实施例中风力发电机自动紧急偏航装置的系统框架示意图；
[0022] 图6为一实施例中风力发电机自动紧急偏航装置的系统框架示意图；
[0023] 图7为一实施例中风力发电机设备结构框图。
具体实施方式
[0024] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0025] 在一个实施例中，如图1所示，提供了一种风力发电机自动紧急偏航装置，该装置包括扭缆传感器100、转速监测器200、偏航控制装置300、偏航执行装置400和风向感应器500；转速监测器200与偏航控制装置300连接，转速监测器200用于采集风力发电机叶轮的转速，并发送至偏航控制装置300；扭缆传感器100与偏航控制装置300连接，扭缆传感器100用于采集风力发电机中电缆的扭缆状态，并发送至偏航控制装置300；风向感应器500与偏航控制装置300 连接，风向感应器500用于采集风力发电机机舱与风向的角度信息；偏航控制装置300与偏航执行装置400连接，偏航控制装置300用于判断风力发电机叶轮的转速是否大于或等于预设转速阈值，若是，则根据风力发电机中电缆的扭缆状态和机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，并发送至偏航执行装置400；偏航执行装置400用于根据偏航路线，控制风力发电机的机舱偏航。
[0026] 风力发电机通过偏航机舱使得风力发电机的叶轮正对自然风的来向，从而使得自然风能够带动叶轮旋转发电，这个过程中，叶轮的转速会随着自然风的风力强度而变化，在正常情况下，风机叶轮一般是正对自然风的来向，以保证充分利用风能进行发电，而自然风的风力有时候可能会非常强，这时候为了防止风机叶轮转速过快，风机叶轮不能够再正对自然风的方向，需对风力发电机组的机舱进行偏航，改变机舱与自然风之间的角度，例如使得机舱与自然风风向呈垂直状态，防止自然风风力过大而导致桨叶旋转速度超过安全值，损坏风力发电机组。同时，在风力发电机的机舱转动过程中，风力发电机中的电缆也会相应的发生扭转，例如，当风力发电机的机舱一直朝着顺时钟旋转时，电缆也会不断的跟随机舱扭转，在不断的转动过程中，电缆将会达到扭缆极限，若机舱继续朝顺时钟旋转，风力发电机的电缆可能会扭断，容易发生安全风险。扭缆传感器100就用于对风力发电机的扭缆状态进行实时的采集，偏航控制装置300可以采用PLC作为控制器，偏航控制装置300会实时的接收到扭缆传感器100采集的电缆扭缆状态。
[0027] 风向感应器500可以采用风向标，通过风向标来实时的获取自然风的风向，风向标一般是以北方作为基准。当叶轮转速过快而主控为非正常工作状态时，需要进行自动紧急偏航，此时偏航控制装置300在生成偏航路线时，除了考虑风力发电机电缆的扭缆状态之外，还需要结合机舱与风向的角度信息来生成偏航路线，例如，当机舱无论是进行顺时钟偏航或逆时钟偏航时都不会使得电缆达到扭缆极限时，此时偏航控制装置300就需要结合自然风的风向，选择能够最快偏离自然风风向的偏航路线，例如，当机舱与自然风存在5度的夹角，吸收风力进行发电时，突然自然风的风力变大，叶轮的转速突然达到了预设转速阈值，此时机舱就需要进行紧急偏航了，而偏航控制装置300通过扭缆传感器 100检测到顺时针偏航以及逆时钟偏航都可以，则偏航控制装置300会进一步根据风向感应器500的风向信息，来确定偏航路线，以使得机舱能够快速的与自然风的风向呈现出90度。通过结合风向感应器500采集的风向数据，使得偏航控制装置300能够生成最优的偏航路线，提供给偏航执行机构进行偏航，减少了偏航时机舱的旋转角度，缩短了偏航所需要的时间，使得机舱能够快速的偏航到预定位置，提高了风力发电机的安全可靠性。
[0028] 转速监测器200会实时地采集风力发电机组桨叶的旋转速度，当风力发电机组桨叶的旋转速度达到预设转速阈值时，偏航控制装置300就会发送偏航路线给偏航执行装置400来控制机舱偏航。其中预设转速阈值是可以进行根据实际情况进行设置的，偏航路线包括有两种，一种是顺时钟旋转，另一种是逆时钟旋转，偏航控制装置300采用何种偏航路线是由电缆的扭缆状态和机舱与风向的角度信息决定的，倘若机舱进行顺时针偏航，例如顺时针偏航90度，这个过程中电缆会达到扭缆极限的话，则偏航控制装置300会采用逆时钟旋转的偏航路线，反之，倘若机舱进行逆时针偏航，例如逆时针偏航90度时，这个过程中倘若电缆会达到扭缆极限的话，则偏航控制装置300会采用顺时钟旋转的偏航路线。
[0029] 需要了解的是，机舱在自动紧急偏航过程中，为了保证安全性，一般机舱偏航转动90度或270度，使得机舱与自然风的风向垂直，以有效的避免自然风带动叶轮旋转，相应的，机舱也可以转动其它的角度，在此不做详细说明。在偏航过程中，偏航执行装置400包括有偏航电动机404，偏航电动机404可以通过齿轮以及齿圈等与机舱相连，偏航电动机404通过正转或反转来实现机舱的顺时钟旋转或逆时钟旋转。
[0030] 通过上述紧急偏航装置，通过增加偏航控制装置300判断风力发电机叶轮的转速是否超速，再同时通过扭缆传感器100来检测风力发电机电缆的扭缆状态和风向感应器500来获取机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，来控制偏航执行装置400执行偏航，避免了风力发电机叶轮超速时，无法及时偏航所导致的安全隐患，提高了风力发电机的安全性。
[0031] 在一个实施例中，如图2所示，该紧急偏航装置还包括：主控器600，主控器600与偏航控制装置300以通信的方式连接，偏航控制装置300在监测到风力发电机叶轮的转速小于预设转速阈值时，也可以接收控制器600发送的偏航信号(该偏航信号可以是操作人员通过界面输入至主控器600中的)，并传输至偏航执行装置400以使风力发电机机舱完成偏航。
[0032] 通过增加主控器600，使得在风力发电机正常状态下，也可以通过主控器 600发送偏航信号至偏航控制装置300，从而使得偏航执行装置400执行偏航动作，使得风力发电机机舱完成偏航。
[0033] 在一个实施例中，如图3所示，偏航控制装置300包括偏航电机驱动组件 310，偏航执行装置400包括偏航电动机404；偏航电机驱动组件310与偏航电动机404、扭缆传感器100、转速监测器200、风向感应器500以及主控器600 连接，偏航电机驱动组件310用于将偏航路线发送至偏航电动机404以控制偏航电动机404正转或反转。
[0034] 正常情况下，主控器600可以发送偏航信号至偏航电机驱动组件310，偏航电机驱动组件310可接收到该偏航信号，驱动偏航电动机404以使得风力发电机机舱进行偏航，相应的图3中，偏航执行装置400还包括有偏航减速机403、偏航小齿轮405、偏航齿圈406、电机制动器402、偏航液压刹车器407以及偏航轴承408。600可以采用PLC作为控制器，在风力发电机正常状态下(即叶轮的旋转速度小于预设旋转阈值)，主控器600可以发送偏航信号给偏航电机驱动组件310，偏航电机驱动装置310根据接收到的偏航信号生成偏航路线，并通过偏航执行装置400执行偏航。例如，当主控器600处于正常工作状态时，维护人员可以通过相应的操作来使得主控器600生成偏航信号。只有在主控器600 处于非正常状态时，例如在设备安装和系统调试及检修期间，此时若有风力较强的自然风，风机叶轮可能会在风力的作用下转速过快，而此时主控器600由于可能处于非正常状态，无法及时生成偏航信号发送给偏航电机驱动组件310，此时偏航电机驱动组件310就可以直接根据叶轮的转速来判断是否进行偏航，而不需要等待主控器600发送偏航信号。
[0035] 通过主控器600与偏航控制装置300连接进行数据通信，使得在正常情况下能够方便维护人员来通过主控器600控制机舱偏航，增加了风力发电机偏航的控制输入方式，提高了风力发电机的安全可靠性。
[0036] 需要说明的是，在风力发电机叶轮转速没有达到预设转速阈值时或者主控器600处于正常状态时，此时偏航电机驱动组件310则只作为中继装置，实现主控器600与偏航执行装置400之间的信号以及数据的传输，其中信号以及数据包括偏航速度、偏航角度等等。例如当主控器600正常工作时，为了保证叶轮一直正对自然风风向，此时主控器600就会发送偏航信号给偏航电机驱动组件310，偏航电机驱动组件310此时只作为中继装置，将偏航路线直接下发到偏航执行装置400，然后偏航执行装置400再根据该偏航路线进行偏航。
[0037] 当偏航电机驱动组件310检测到转速监测器200实时采集到的叶轮旋转速度达到预设转速阈值时，会自动根据电缆的扭缆状态和机舱与风向的角度信息生成相应的偏航路线，来控制偏航电动机404的正转或者是反转。
[0038] 在一个实施例中，如图4所示，偏航电机驱动组件310包括偏航控制器311 以及偏航变频器312，偏航控制器311与偏航变频器312、扭缆传感器100、转速监测器200、风向感应器500以及主控器600连接，偏航变频器312与偏航电动机404连接。
[0039] 偏航变频器312能够起到变频的作用，通过输出不同频率的信号，能够对偏航电动机404进行控制，而偏航控制器311则可以对叶轮的风速大小进行判断，同时结合扭缆传感器100以及风向感应器500发送的数据信息来生成偏航路线。
[0040] 通过将偏航电机驱动组件310分为偏航控制器311以及偏航变频器312，可以方便后续的维护管理，减少维护成本。
[0041] 在其中一个实施例中，如图5所示，偏航控制装置300包括接触器320以及偏航控制器311；偏航控制器311与主控器600、扭缆传感器100、转速监测器200、风向感应器500以及接触器320连接，偏航执行装置400包括偏航电动机404；偏航电动机404通过接触器320与偏航控制器311连接，偏航控制器 311以及接触器320用于将偏航路线发送至偏航电动机404以控制偏航电动机 404正转或反转。
[0042] 偏航电动机404也可以通过偏航控制器311和接触器320来进行控制，例如当需要进行偏航时，接触器320导通，偏航控制器311能够控制偏航电动机 404正反转，从而带动机舱进行偏航，当不需要进行偏航时，偏航控制器311控制相应的接触器320断开,从而使得偏航电动机404失去电源供应，停止转动。
[0043] 在其中一个实施例中，如图6所示，偏航执行装置400还包括电机制动器 405，电机制动器405分别与偏航控制装置300及偏航电动机404连接，当偏航控制器300驱动偏航电动机404动作时会打开电机制动器405，当偏航完成之后，电机制动器405接收偏航控制装置发送的电机制动信号，根据电机制动信号直接对偏航电动机404进行制动，以使得机舱能够准确的完成偏航，到达预定位置。
[0044] 在其中一个实施例中，如图6所示，偏航执行装置400还包括偏航液压刹车器407和偏航轴承408，偏航液压刹车器407分别与偏航控制装置300及偏航轴承408连接，当偏航控制装置300驱动偏航电动机404动作时会打开偏航液压刹车器407。在机舱开始偏航时，偏航液压刹车器407首先会打开抱闸，使得偏航电动机404能够转动，当偏航完成之后，风力发电机机舱偏航到了预定的位置，偏航液压刹车器407接收偏航控制装置300发出的轴承制动信号，此时偏航液压刹车器407就会抱闸，进行液压刹车。
[0045] 通过采用偏航液压刹车器407，使得偏航液压刹车器407能够进行液压抱闸刹车，防止在偏航完成之后，偏航电动机404继续运转，使风力发电机的机舱继续偏航，偏离预定的偏航位置，保证偏航的准确性。
[0046] 在其中一个实施例中，如图6所示，偏航执行装置400还包括减速机403、偏航小齿轮405和偏航齿圈406，减速机403与偏航电动机404连接，偏航小齿轮405分别与减速机403及偏航齿圈406连接，偏航齿圈406与偏航轴承408 连接。偏航减速机403用于调节风力发电机组的机舱偏航速度，偏航小齿轮405 与偏航齿圈406则用于在偏航过程中进行传动。
[0047] 可以理解的是，上述实施例只是作为部分举例进行解释说明，在其它的实施例中，风力发电机自动紧急偏航装置可以包括扭缆传感器100、转速监测器 200、风向感应器500、主控器600、偏航控制装置302、偏航电动机404、偏航减速机403、偏航轴承405以及偏航齿圈406，其中，偏航电动机404与偏航控制装置300的连接可以采用与偏航电机驱动器310连接或是与接触器320连接之后再与偏航控制器311连接。
[0048] 在一个实施例中，参考图7，提供了一种风力发电机设备，该设备包括叶轮 700、风力发电机机舱800、塔筒900以及上述风力发电机自动紧急偏航装置，叶轮700与风力发电机机舱800连接，风力发电机机舱800与塔筒900可转动连接，风力发电机自动紧急偏航装置与风力发电机机舱800连接，风力发电机自动紧急偏航装置用于控制风力发电机机舱800偏航。
[0049] 上述的设备，通过增加偏航控制装置判断风力发电机叶轮的转速是否超速，再同时通过扭缆传感器来检测风力发电机电缆的扭缆状态和风向感应器获取机舱与风向的角度信息，生成相应的偏航路线，通过偏航路线来控制偏航执行装置执行偏航，避免了风力发电机叶轮超速时，无法及时偏航所导致的安全隐患，提高了风力发电机的安全性。
[0050] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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