一种叶片桨距控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种叶片桨距控制装置及控制方法。

背景技术

风力发电机组的叶片是吸收风能的重要部件，叶片性能的好坏直接影响到风力发电机组对风能的吸收，进而影响风力发电机组的整体出力情况。现代大型风力发电机组一般使用变桨控制的风力发电机，在风力发电机组满发之前将叶片桨距角保持不变，即固定在设计的最优桨距角(即最小桨距角)，风力发电机通过扭矩控制来控制叶轮转速，使叶片工作在最优的叶尖速比上，从而实现叶片的风能吸收系数最大。

变桨距机组可以根据风速的大小和方向，调节气流对叶片的冲击攻角。变桨距调节是沿叶片的纵轴旋转叶片，改变叶片位置，控制三片风叶对风速的机械能量吸收，能保持一定的输出功率。

如何开发一种叶片桨距控制装置及控制方法，能够在改变叶片桨距时，同步改变叶片的半径为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶片桨距控制装置及控制方法，解决背景技术中所列的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种叶片桨距控制装置，包括低速风轮轴、机舱、风速风向仪和机舱控制柜，所述风速风向仪安装在所述机舱的外表面，所述机舱控制柜安装在所述机舱内，所述低速风轮轴从端部沿轴向方向依次安装有两组连接方杆、齿轮盘和传动组件，所述连接方杆的外表面上活动安装有滑动组件，所述滑动组件的外表面上活动安装有旋转组件，所述齿轮盘的一侧与所述传动组件传动连接，所述齿轮盘的另一侧与旋转组件传动连接，且所述齿轮盘的中部与所述滑动组件活动连接，所述风速风向仪、传动组件均与所述机舱控制柜电连接。

优选的，两组所述连接方杆对称固定安装在所述低速风轮轴上，每组所述连接方杆有三个且呈圆周均布在所述低速风轮轴的外周面上，且远离所述低速风轮轴端部的一组所述连接方杆上开设有滑槽，所述滑动组件贯穿所述滑槽与所述齿轮盘活动连接。

优选的，所述滑动组件包括滑块和连动杆，所述滑块滑动安装在所述连接方杆上，所述连动杆的一端贯穿所述滑槽与所述滑块的侧面固定连接，所述连动杆的另一端与所述齿轮盘活动连接，所述齿轮盘旋转时通过所述连动杆带动所述滑块沿所述连接方杆移动。

优选的，所述旋转组件包括安装轴、齿圈、支撑轴承和限位轴承，所述安装轴固定安装有所述支撑轴承与限位轴承，所述齿圈套接在所述安装轴的外周面上，所述齿圈的一端与所述支撑轴承抵接，所述齿圈的另一端与所述限位轴承抵接，所述支撑轴承和限位轴承采用推力调心滚子轴承或圆锥滚子轴承。

优选的，所述齿圈包括外齿圈、螺栓、连接板和套管，所述外齿圈的顶端固定安装有与叶片连接用的所述螺栓，所述连接板的一端固定连接所述外齿圈的内壁上，所述连接板的另一端固定连接有所述套管，所述套管的上侧面与所述限位轴承抵接，所述套管的下侧面与所述支撑轴承抵接。

优选的，所述齿轮盘包括齿轮盘本体，所述齿轮盘本体的边缘设置有前轮齿，所述齿轮盘本体的中部开设有三道弧形槽和轴承安装孔，所述弧形槽环绕设置在所述轴承安装孔的外侧，所述轴承安装孔通过轴承连接在所述低速风轮轴上，所述连动杆的一端贯穿连接在所述弧形槽内，所述前轮齿与所述外齿圈啮合，所述齿轮盘本体的后面安装有后轮齿，所述后轮齿与所述传动组件啮合。

优选的，所述传动组件包括齿轮箱和驱动电机，所述齿轮箱固定安装在所述低速风轮轴，所述齿轮箱的外周面上等间隔固定安装有所述驱动电机，所述驱动电机的工作端驱动所述齿轮箱内的齿轮组旋转，所述齿轮组与所述后轮齿啮合并带动所述齿轮盘本体同步旋转，所述驱动电机与所述机舱控制柜电连接。

一种叶片桨距控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采集信号，通过风速风向仪测量风速和风向信号，并反馈给机舱控制柜；

步骤二、分析处理，机舱控制柜对信号进行分析处理；

步骤三、发送指令，机舱控制柜向驱动电机发送指令；

步骤四、变桨矩作业，驱动电机工作，通过齿轮箱内的齿轮组驱动齿轮盘旋转，带动滑动组件进行上下移动完成叶片半径的调节；同时，通过旋转组件进行旋转作业，遂完成叶片角度的调节。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明一种叶片桨距控制装置及控制方法，通过齿轮盘的旋转，驱动滑块沿着连接方杆进行移动，同步带动齿圈旋转，实现了对叶片伸出半径以及叶片桨距的调节，在并网时实现快速无冲击并网，提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种叶片桨距控制装置前视图；

图2为本发明整体结构侧视图；

图3为本发明整体结构后视图；

图4为本发明连接方杆与滑动组件装配示意图；

图5为本发明安装轴与齿圈装配示意图；

图6为本发明齿轮盘前视图；

图7为本发明齿轮盘等轴侧示意图；

图8为本发明齿圈剖视图；

图9为本发明齿圈俯视图。

附图标记说明：1、低速风轮轴；2、连接方杆；201、滑槽；3、滑块；4、安装轴；5、齿圈；501、外齿圈；502、螺栓；503、连接板；504、套管；6、齿轮盘；601、前轮齿；602、弧形槽；603、轴承安装孔；604、后轮齿；605、齿轮盘本体；7、齿轮箱；8、驱动电机；9、支撑轴承；10、限位轴承；11、连动杆。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-9所示，一种叶片桨距控制装置，包括低速风轮轴1、机舱、风速风向仪和机舱控制柜，所述风速风向仪安装在所述机舱的外表面，所述机舱控制柜安装在所述机舱内，所述低速风轮轴1从端部沿轴向方向依次安装有两组连接方杆2、齿轮盘6和传动组件，所述连接方杆2的外表面上活动安装有滑动组件，所述滑动组件的外表面上活动安装有旋转组件，所述齿轮盘6的一侧与所述传动组件传动连接，所述齿轮盘6的另一侧与旋转组件传动连接，且所述齿轮盘6的中部与所述滑动组件活动连接，所述风速风向仪、传动组件均与所述机舱控制柜电连接。

如图4所示，两组所述连接方杆2对称固定安装在所述低速风轮轴1上，每组所述连接方杆2有三个且呈圆周均布，且每组所述连接方杆2均等间隔安装在所述低速风轮轴1的外周面上，且远离所述低速风轮轴1端部的一组所述连接方杆2上开设有滑槽201，所述滑动组件贯穿所述滑槽201与所述齿轮盘6活动连接，滑动组件在连接方杆上的移动，实现了带动叶片半径的变化。

具体的，所述滑动组件包括滑块3和连动杆11，所述滑块3滑动安装在所述连接方杆2上，所述连动杆11的一端贯穿所述滑槽201与所述滑块3的侧面固定连接，所述连动杆11的另一端与所述齿轮盘6活动连接，所述齿轮盘6旋转时通过所述连动杆11带动所述滑块3沿所述连接方杆2移动，连动杆即能够对滑块在连接方杆上的移动进行限位，又能够将齿轮盘的转动转化为滑块在连接方杆上的移动。

如图5所示，所述旋转组件包括安装轴4、齿圈5、支撑轴承9和限位轴承10，所述安装轴4固定安装有所述支撑轴承9与限位轴承10，所述齿圈5套接在所述安装轴4的外周面上，所述齿圈5的一端与所述支撑轴承9抵接，所述齿圈5的另一端与所述限位轴承10抵接，所述支撑轴承9和限位轴承10采用推力调心滚子轴承或圆锥滚子轴承，所述支撑轴承9和限位轴承10优先选用圆锥棍子轴承，将齿圈安装在支撑轴承和限位轴承间，在旋转过程中，支撑轴承能够实现对齿圈的支撑，限位轴承能够对齿圈实现限位，使得齿圈在安装轴上只能进行旋转作业，而不能沿着轴向方向上发生位移，保证了风力发电机组的安全稳定性。

如图8-9所示，所述齿圈5包括外齿圈501、螺栓502、连接板503和套管504，所述外齿圈501的顶端固定安装有所述螺栓502，所述连接板503的一端固定连接所述外齿圈501的内壁上，所述连接板503的另一端固定连接有所述套管504，所述套管504的上侧面与所述限位轴承10抵接，所述套管504的下侧面与所述支撑轴承9抵接，在外齿圈固定的螺栓上安装叶片，通过套管与支撑轴承、限位轴承抵接，且通过齿轮盘与外齿圈啮合，通过齿轮盘的旋转带动齿圈转动，进一步的，实现叶片变桨距作业。

如图6-7所示，所述齿轮盘6包括齿轮盘本体605，所述齿轮盘本体605的边缘设置有前轮齿601，所述齿轮盘本体605的中部开设有三道弧形槽602和轴承安装孔603，所述弧形槽602环绕设置在所述轴承安装孔603的外侧，所述轴承安装孔603通过轴承连接在所述低速风轮轴1上，所述连动杆11的一端贯穿连接在所述弧形槽602内，所述前轮齿601与所述外齿圈501啮合，所述齿轮盘本体605的后面安装有后轮齿604，所述后轮齿604与所述传动组件啮合。

如图3所示，所述传动组件包括齿轮箱7和驱动电机8，所述齿轮箱7固定安装在所述低速风轮轴1，所述齿轮箱7的外周面上等间隔固定安装有所述驱动电机8，所述驱动电机8的工作端驱动所述齿轮箱7内的齿轮组旋转，所述齿轮组与所述后轮齿604啮合并带动所述齿轮盘本体605同步旋转，所述驱动电机8与所述机舱控制柜电连接。

具体的，驱动电机8采用三个且型号相同，且驱动电机等间隔固定安装在齿轮箱上，驱动电机的工作端驱动齿轮箱，进一步的，通过齿轮箱与后齿轮啮合驱动齿轮盘的旋转，实现滑块在连接方杆上的移动和齿圈的旋转，进一步的，实现叶片半径的变化和桨距的变化，叶片静止时节距角为90°，叶片相当为一块阻尼板，当测量风速在10min内平均达到启动风速时，叶片向0°方向转动，直到气流对叶片产生一定的攻角风轮开始启动。并网前叶片桨距控制装置的节距给定值由发电机转速信号控制，转速控制器按一定的速度上升斜率给定速度值，调节节距角，调节叶片的半径，调整发电机转速在同步转速附近以寻找最佳的时机并网。

一种叶片桨距控制装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、采集信号，通过风速风向仪测量风速和风向信号，并反馈给机舱控制柜；

步骤二、分析处理，机舱控制柜对信号进行分析处理；

步骤三、发送指令，机舱控制柜向驱动电机发送指令；

步骤四、变桨矩作业，驱动电机工作，通过齿轮箱内的齿轮组驱动齿轮盘旋转，带动滑动组件进行上下移动完成叶片半径的调节；同时，通过旋转组件进行旋转作业，遂完成叶片角度的调节。

具体的，根据步骤一中风速风向仪测量到的不同风速和风向的信号，通过机舱控制柜处理可以将控制分为4个阶段和两种控制方式，即并网前的速度控制和并网后的功率控制；

低风速(低于风机切入风速)时，机舱控制柜将发电机和电网断开：风速低于但是接近于切入风速，控制系统将叶片的角度调整到45°，此时的叶片角度将给予风轮很高的力矩。当风速提高时，风轮的转速以及发电机的转速也相应提高，叶片的角度相应地被机舱控制柜调小，叶片的半径相应地被机舱控制柜升高，直到发电机的并网后，达到最佳的条件。

中等风速(高于切入风速，小于额定风速)，发电机连接到电网，功率没有达到额定值。风轮高于启动转速而低于额定转速，机舱控制柜确定最佳的风轮转速、叶片角度(叶片攻角在0°附近)以及叶片半径，使机械能的吸收率在此一个风速下达到最大值。

高风速(高于额定风速，低于切出风速)机组发出额定功率的电能。当风速超过额定风速时，机舱控制柜调大叶片的角度(0到45°之间)，缩小叶片半径，使功率始终处于额定值。

极高的危险风速(高于切出风速)，如果风速超过停止风速时，机舱控制柜将发电机和电网断开，叶片调节到全顺桨位置(约90°)、叶片半径降到最低，叶片停转。

此外，还包括轴系间的制动装置和锁紧装置，其中制动装置能够使得发电机组安全停机，锁紧装置能够通过锁紧齿轮盘实现叶片按照机舱控制柜传输的信号工作，减少驱动电机的工作负荷。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。