專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)及采用該偏航機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組中常用的偏航機(jī)構(gòu)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式。對(duì)于電 機(jī)驅(qū)動(dòng)的偏航機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，可充分利用有限空間，實(shí)現(xiàn)分散布置，常采用三個(gè)電 機(jī)分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)主動(dòng)齒輪，把四點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)圓或外圓制成齒輪，通過(guò)主動(dòng)齒輪和四 點(diǎn)接觸球軸承上的齒輪嚙合傳動(dòng)完成偏航動(dòng)作。其缺點(diǎn)是由于四點(diǎn)接觸球軸承外形尺寸較 大，其齒廓加工困難，同時(shí)齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)沖擊較大，若制造或安裝不良，輪齒局部受載過(guò) 大時(shí)，輪齒會(huì)產(chǎn)生局部折斷等現(xiàn)象。液壓驅(qū)動(dòng)方式變距力大，但存在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，非 線性、泄漏等現(xiàn)象。同時(shí)目前偏航系統(tǒng)的控制方式常采用PID控制，由于風(fēng)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(zhǔn)確的對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行控制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊、 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，各元件加工方便的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種能準(zhǔn)確的對(duì)上 述偏機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的偏航控制系統(tǒng)。本發(fā)明所要解決的第三個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)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(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī) 構(gòu)，其特征在于包括與發(fā)電機(jī)總成相連的底座，底座的外側(cè)壁上具有三個(gè)向外凸起設(shè)置的側(cè)板；每個(gè) 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(duì)相互配合的具有燕尾形狀的凸凹?jí)K，其中燕尾凸 塊和偏航電機(jī)一端連接固定，燕尾凹?jí)K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(guò)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(jī)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(diǎn)接觸球軸承，所述底座底部端面與該四點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)圈固定，該四點(diǎn)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(diǎn)接觸球軸承的外圈相接觸。作為改進(jìn)，所述底座為半球形，所述三個(gè)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(dòng)可以通過(guò)預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)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(shí)，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(dòng)的正常工作。本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)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(jī)構(gòu)；一用于測(cè)量風(fēng)向信號(hào)的檢測(cè)元件；一用于計(jì)算風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的計(jì)算元件，所述檢測(cè)元件的信 號(hào)輸出端與該計(jì)算元件的一信號(hào)輸入端相連，所述風(fēng)力機(jī)用于輸出風(fēng)輪軸線方向的信號(hào)輸 出端與該計(jì)算元件的另一信號(hào)輸入端相連；一 PLC控制器；所述計(jì)算元件的輸出端與該P(yáng)LC控制器的一輸入端相連，該P(yáng)LC控 制器輸出端通過(guò)一軟啟動(dòng)器與所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)相連；一偏航計(jì)數(shù)器，用于計(jì)算所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航次數(shù)，其信號(hào)輸入端與所述偏航機(jī) 構(gòu)相連；其信號(hào)輸出端與所述PLC控制器的另一輸入端相連。通過(guò)檢測(cè)元件檢測(cè)，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)輪軸線偏離一個(gè)角度時(shí)，將偏差信號(hào)傳給PLC，PLC 根據(jù)偏航計(jì)數(shù)器檢測(cè)后反饋給控制器的數(shù)值，計(jì)算出風(fēng)向信號(hào)與機(jī)艙位置的夾角，從而確 定是否需要調(diào)整機(jī)艙方向以及朝哪個(gè)方向調(diào)整能盡快對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，PLC 輸出指令驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)(帶失電制動(dòng))，將機(jī)頭朝正對(duì)風(fēng)的方向調(diào)整，并記錄當(dāng)前調(diào)整的角 度，調(diào)整完畢電機(jī)停轉(zhuǎn)并啟動(dòng)偏航制動(dòng)。同時(shí)用于計(jì)算所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航次數(shù)，記錄偏航 系統(tǒng)所運(yùn)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)偏航系統(tǒng)的偏航圈數(shù)達(dá)到計(jì)數(shù)器的設(shè)定條件時(shí)，則觸發(fā)自動(dòng)解纜動(dòng) 作。本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)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(dāng)所述計(jì)算單元計(jì)算出風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值大 于零時(shí)，該偏航控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值大于 等于一預(yù)先設(shè)定值時(shí)，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采用模糊控制方法對(duì)所述偏航機(jī)構(gòu) 的偏航電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值小于所述預(yù)先設(shè)定 值時(shí)，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采用PID控制方法對(duì)所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)進(jìn)行 控制，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值等于零時(shí)，PLC控制器輸出控制信號(hào)使偏航電 機(jī)停止工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、相對(duì)于偏航機(jī)構(gòu)常用的齒輪傳動(dòng)形式，由 于采用摩擦輪傳動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，加工方便，同時(shí)具有工作過(guò)程平穩(wěn)、沖擊小的特 點(diǎn)；2、由于具有預(yù)緊壓力調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)念A(yù)緊壓力，保證了偏航動(dòng)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(qiáng)度高、抗沖擊、抗振、耐磨、防腐和絕緣 多種獨(dú)特性能，其耐磨性保證了摩擦輪磨損量小，無(wú)須經(jīng)常調(diào)節(jié)預(yù)緊壓力。4、由于采用模糊 和PID對(duì)本偏航機(jī)構(gòu)進(jìn)行分段控制，結(jié)合了模糊和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，使得控制的輸出結(jié)果能 在合理的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，克服了 PID控制的超調(diào)和波動(dòng)。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例中偏航機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)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(shí)施例中偏航控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明首先提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)，請(qǐng)參見(jiàn)圖1和圖2所示，其包括與 發(fā)電機(jī)總成相連的半球形底座1，底座1通過(guò)左側(cè)端面的螺紋孔7與發(fā)電機(jī)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(gè)向外凸起設(shè)置的側(cè)板13 ；每個(gè)側(cè)板13下方 通過(guò)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(duì)相互配合的具有燕 尾形狀的凸凹?jí)K，其中燕尾凸塊8和偏航電機(jī)5 —端連接固定，燕尾凹?jí)K14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(guò)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(jī)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(diǎn)接觸球軸承2的內(nèi) 圈固定，該四點(diǎn)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(diǎn)接觸球軸承 2的外圈相接觸。在摩擦輪傳動(dòng)副產(chǎn)生微量磨損時(shí)，通過(guò)彈簧力自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)緊壓力，保證摩擦輪3 和四點(diǎn)接觸球軸承2的外圈相互壓緊。當(dāng)摩擦輪傳動(dòng)副磨損量較大時(shí)，旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺母12使 得燕尾凸塊沿預(yù)緊壓力方向移動(dòng)，改變預(yù)緊壓力，使得摩擦輪3能和四點(diǎn)接觸球軸承2的外 圈相互壓緊，保證偏航動(dòng)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(jī)構(gòu)，一用于測(cè)量風(fēng) 向信號(hào)的檢測(cè)元件；一用于計(jì)算風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的計(jì)算元件，所述檢 測(cè)元件的信號(hào)輸出端與該計(jì)算元件的一信號(hào)輸入端相連，所述風(fēng)力機(jī)用于輸出風(fēng)輪軸線方 向的信號(hào)輸出端與該計(jì)算元件的另一信號(hào)輸入端相連；一 PLC控制器；所述計(jì)算元件的輸 出端與該P(yáng)LC控制器的一輸入端相連，該P(yáng)LC控制器輸出端通過(guò)一軟啟動(dòng)器與所述偏航機(jī) 構(gòu)的偏航電機(jī)相連；一偏航計(jì)數(shù)器，用于計(jì)算所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航次數(shù)，其信號(hào)輸入端與所 述偏航機(jī)構(gòu)相連；其信號(hào)輸出端與所述PLC控制器的另一輸入端相連。計(jì)算元件將計(jì)算出的偏差信號(hào)傳給PLC控制器，PLC控制器同時(shí)根據(jù)偏航計(jì)數(shù)器 的測(cè)量的數(shù)值，計(jì)算出風(fēng)向信號(hào)與機(jī)艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機(jī)艙方向以及 朝哪個(gè)方向調(diào)整能盡快對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。當(dāng)需要調(diào)整方向時(shí)，PLC控制器輸出指令驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)， 將機(jī)頭朝正對(duì)風(fēng)的方向調(diào)整，并記錄當(dāng)前調(diào)整的角度，調(diào)整完畢電機(jī)停轉(zhuǎn)并啟動(dòng)偏航制動(dòng)。 軟啟動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)偏航電機(jī)的平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，軟啟動(dòng)器同時(shí)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(dāng)所述計(jì)算單元計(jì)算出 風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值大于零時(shí)，該偏航控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)風(fēng) 向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值大于等于一預(yù)先設(shè)定值時(shí)，所述偏航控制系統(tǒng) 的PLC控制器采用模糊控制方法對(duì)所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的 風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值小于所述預(yù)先設(shè)定值時(shí)，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采 用PID控制方法對(duì)所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏 差值等于零時(shí)，PLC控制器輸出控制信號(hào)使偏航電機(jī)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(diǎn)，該切換點(diǎn)的數(shù)值可以通過(guò)具體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 的環(huán)境參數(shù)綜合考慮后設(shè)定。
權(quán)利要求
一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)，其特征在于包括與發(fā)電機(jī)總成相連的底座，底座的外側(cè)壁上具有三個(gè)向外凸起設(shè)置的側(cè)板；每個(gè)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(duì)相互配合的具有燕尾形狀的凸凹?jí)K，其中燕尾凸塊和偏航電機(jī)一端連接固定，燕尾凹?jí)K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(guò)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(jī)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(diǎn)接觸球軸承，所述底座底部端面與該四點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)圈固定，該四點(diǎn)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(diǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)，其特征在于所述底座為半球形，所 述三個(gè)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(jī)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(jī)構(gòu)；一用于測(cè)量風(fēng)向信號(hào)的檢測(cè)元件；一用于計(jì)算風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的計(jì)算元件，所述檢測(cè)元件的信號(hào)輸 出端與該計(jì)算元件的一信號(hào)輸入端相連，所述風(fēng)力機(jī)用于輸出風(fēng)輪軸線方向的信號(hào)輸出端 與該計(jì)算元件的另一信號(hào)輸入端相連；一 PLC控制器；所述計(jì)算元件的輸出端與該P(yáng)LC控制器的一輸入端相連，該P(yáng)LC控制器 輸出端通過(guò)一軟啟動(dòng)器與所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)相連；一偏航計(jì)數(shù)器，用于計(jì)算所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航次數(shù)，其信號(hào)輸入端與所述偏航機(jī)構(gòu)相 連；其信號(hào)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(dāng)所述計(jì)算單元計(jì)算出風(fēng)向 與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值大于零時(shí)，該偏航控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，當(dāng)風(fēng)向與 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值大于等于一預(yù)先設(shè)定值時(shí)，所述偏航控制系統(tǒng)的 PLC控制器采用模糊控制方法對(duì)所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng) 輪軸線方向偏差值的絕對(duì)值小于所述預(yù)先設(shè)定值時(shí)，所述偏航控制系統(tǒng)的PLC控制器采用 PID控制方法對(duì)所述偏航機(jī)構(gòu)的偏航電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸線方向偏差 值等于零時(shí)，PLC控制器輸出控制信號(hào)使偏航電機(jī)停止工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)及采用該偏航機(jī)構(gòu)的偏航控制系統(tǒng)及該偏航系統(tǒng)的控制方法，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航機(jī)構(gòu)；該偏航機(jī)構(gòu)包括與發(fā)電機(jī)總成相連的底座，底座的外側(cè)壁上具有三個(gè)向外凸起設(shè)置的側(cè)板；每個(gè)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(jī)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(diǎn)接觸球軸承，所述底座底部端面與該四點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)圈固定，該四點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)在于相對(duì)于偏航機(jī)構(gòu)常用的齒輪傳動(dòng)形式，由于采用摩擦輪傳動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單，加工方便，同時(shí)具有工作過(guò)程平穩(wěn)、沖擊小的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02K7/10GK101963131SQ20101029609
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:張舜德