專利名稱：用于風輪機、潮汐渦輪機或水輪機的高度一體化的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
用于風輪機、潮汐渦輪機或水輪機的高度一體化的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本發(fā)明涉及一種用于將來自相對慢運動的旋轉(zhuǎn)輸入軸的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成待供給至輸電網(wǎng)(grid)的電能的系統(tǒng)，包括支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐用于輸入軸的主軸承；發(fā)電機，率禹接至輸入軸并且布置在支撐結(jié)構(gòu)上；以及功率轉(zhuǎn)換器(power converter),電稱接在發(fā)電機與輸電網(wǎng)之間。這種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(也被稱作“動力傳動系統(tǒng)”)是公知的，并且例如用于風輪機、潮汐渦輪機或者水輪機中。傳統(tǒng)風輪機包括安裝在塔的頂部上的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子通常具有安裝在轂上的三個葉片，該轂由主軸承載。該主轉(zhuǎn)子軸安裝在軸承中，該軸承安裝在位于塔的頂部處的支撐結(jié)構(gòu)上。將主轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機也安裝在支撐結(jié)構(gòu)上。根據(jù)風輪機的類型，可以在主轉(zhuǎn)子軸與發(fā)電機之間布置齒輪傳動裝置。來自發(fā)電機的電能通過適當?shù)碾娏﹄娎|向下經(jīng)過塔，并且或者供給到通常位于塔的底座處的功率轉(zhuǎn)換器，或者直接供給到輸電網(wǎng)。當使用功率轉(zhuǎn)換器時，將來自發(fā)電機的輸出轉(zhuǎn)換成高壓直流電(例如1，000V DC)，其最終被轉(zhuǎn)換成供給到輸電網(wǎng)的交流電(AC)。所謂的“背對背(back-to-back)”轉(zhuǎn)換器用于將能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與輸電網(wǎng)隔尚開。功率轉(zhuǎn)換器通常所處的位于塔的底座處的室通常還容納制動變阻器和輔助電源。當輸電網(wǎng)發(fā)生故障而轉(zhuǎn)子仍在轉(zhuǎn)動并且其葉片處于它們產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的這樣的俯仰角時，制動變阻器用于臨時地消耗來自發(fā)電機的電能。輔助電源包括不間斷電源(UPS)，并且用于為風輪機的多種內(nèi)部功能(像例如偏航和俯仰控制、渦輪機控制、儀表化等)供以電力。目前具有三種主要類型的水平軸風輪機(HAWT)。傳統(tǒng)風輪機包括現(xiàn)貨供應(yīng)發(fā)電機，該發(fā)電機以約1，500rpm的相對高的速度運轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子軸通常以小于30rpm旋轉(zhuǎn)，因此這種類型的風輪機要求復(fù)雜的多級傳動裝置。這種傳動裝置重且昂貴，并且包括多個移動部件，增加了故障的風險以及后來的停機時間。另一種類型的風輪機是直接驅(qū)動渦輪機，其不包括任何傳動裝置。改為，發(fā)電機設(shè)置有大量電極，以直接從輸入軸的慢運動產(chǎn)生交流電。此時，發(fā)電機重且昂貴。第三種類型的風輪機是所謂的“混合”設(shè)計，其結(jié)合了其它兩種類型的優(yōu)點。其包括比傳統(tǒng)高度齒輪傳動設(shè)計小且沒那么復(fù)雜的傳動裝置、以及比直接驅(qū)動設(shè)計的發(fā)電機小且輕的發(fā)電機。期望將風輪機定位在更遠的區(qū)域(諸如近海區(qū)域)中、定位在沙漠中或者定位在北極環(huán)境中。這些位置中的工作條件可能極端惡劣，并且到達風輪機可能需要經(jīng)歷長且昂貴的行程。因此，最重要的是，使得用于這些情形中的風輪機具有高水平的可靠性以及低的維修要求，以盡可能地減少停機時間。相同的考慮適用于多種潮汐渦輪機和水輪機，如例如在近海潮汐發(fā)電站中使用的。本發(fā)明的目的是提供一種用于在風輪機、潮汐渦輪機或水輪機中使用的改進的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，該目的在前序中描述的這種類型的系統(tǒng)中實現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)換器布置在支撐結(jié)構(gòu)上。通過將轉(zhuǎn)換器布置在發(fā)電機附近，簡化了系統(tǒng)的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)，并且避免了當使用轉(zhuǎn)換器來控制系統(tǒng)上的動態(tài)載荷時可能出現(xiàn)的所有類型的寄生效應(yīng)。為了進一步簡化該系統(tǒng)，優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)換器與發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上成一體。
在優(yōu)選的實施方式中，該系統(tǒng)包括布置在輸入軸與發(fā)電機之間的傳動裝置，以用于增加旋轉(zhuǎn)速度并且減小轉(zhuǎn)矩，該傳動裝置包括潤滑和/或冷卻系統(tǒng)，并且功率轉(zhuǎn)換器耦接至傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)，以用于熱交換。通過使轉(zhuǎn)換器與發(fā)電機和傳動裝置進一步成一體，減少了部件的數(shù)量，這導(dǎo)致較低的制造和安裝成本以及減小的故障率，導(dǎo)致風輪機的較低的停機時間以及較長的使用壽命。當將發(fā)電機耦接至傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)以用于熱交換時，發(fā)電機也可以通過傳動裝置潤滑劑冷卻，由此排除了對專用冷卻器的需要，并且導(dǎo)致更高水平的功能和結(jié)構(gòu)的一體化。發(fā)電機可以是感應(yīng)發(fā)電機。這種類型的發(fā)電機非?？煽坎⑶蚁鄬Σ荒敲窗嘿F。此夕卜，感應(yīng)發(fā)電機允許發(fā)電機滑動以及一定量的過載，這在風輪機中是有用的特性。為了使維修更容易，發(fā)電機優(yōu)選地包括可移除地布置的籠型轉(zhuǎn)子。根據(jù)本發(fā)明的一個重要的方面，發(fā)電機包括定子，該定子包括連接至傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)的熱管。每個熱管優(yōu)選地包括供給管線和返回管線，熱管的一端安裝在發(fā)電機的固定結(jié)構(gòu)上并且連接到傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)。通過在固定結(jié)構(gòu)中在熱管與潤滑和/或冷卻系統(tǒng)之間提供連接，簡化了密封并且防止了泄漏。優(yōu)選地，定子可移除地安裝在熱管的自由端上。通過這種方式使得維修更容易。在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另一個優(yōu)選的實施方式中，發(fā)電機的定子布置為使得引入預(yù)定量的電感和/或阻尼。通過這種方式，不需要分離過濾器和/或用于轉(zhuǎn)換器的線圈，因此進一步減少了部件計數(shù)。當定子具有包括層壓板的中心部分和固體邊緣部分時，可以產(chǎn)生該預(yù)定量的電感和/或阻尼。根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可以優(yōu)選地包括制動變阻器，該制動變阻器電耦接至發(fā)電機并且布置在支撐結(jié)構(gòu)上。這導(dǎo)致更高程度的功能和結(jié)構(gòu)的一體化。制動變阻器可以可操作地耦接至傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)，使得當周圍環(huán)境溫度低或者當要求額外的熱量時，該制動變阻器可以用于預(yù)熱潤滑劑。制動變阻器可以進一步有利布置為使將功率轉(zhuǎn)換器連接到供給輸電網(wǎng)的逆變器(inverter)的DC輸出鏈路(link)穩(wěn)定。通過這種方式,轉(zhuǎn)子可以用作不間斷電源(UPS)以保持DC輸出鏈路，即使當輸電網(wǎng)離線時。為了充分利用用作UPS的轉(zhuǎn)子，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可以包括電耦接至發(fā)電機并且布置在支撐結(jié)構(gòu)上的輔助電源。在一個優(yōu)選的實施方式中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括耦接至傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)的熱交換器。通過這種方式，單個熱交換器可以用于將系統(tǒng)中的全部流體保持在適當?shù)墓ぷ鳒囟认隆榱吮Ｗo系統(tǒng)的重要部件免受環(huán)境影響，發(fā)電機、傳動裝置、制動變阻器和/或輔助電源優(yōu)選地全都布置在支撐結(jié)構(gòu)上的密封殼體中。通過這種方式，該系統(tǒng)可以用于惡劣的環(huán)境中。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可以包括環(huán)繞密封殼體以及支撐結(jié)構(gòu)的吊艙，以提供氣動地有效的外部。當在風輪機中使用能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時，支撐結(jié)構(gòu)可以安裝在塔上。
在這種情形中，熱交換器可以有利地包括填充有液體并且布置在塔的頂部附近以抑制塔的振動運動的儲蓄器。液體可以是熱交換流體，或者其可以是在傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)中循環(huán)的潤滑劑和/或冷卻劑。通過這種方式，實現(xiàn)了更高程度的功能和結(jié)構(gòu)的一體化。本發(fā)明還涉及包括上述類型的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的風輪機?，F(xiàn)在將參照附圖通過其一些示例性實施方式示出本發(fā)明，在附圖中

圖1是包括本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的風輪機的示圖；圖2是包括具有內(nèi)部轉(zhuǎn)子和外部定子的發(fā)電機的本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的第一實施方式的縱向剖視圖；圖3是與圖2相應(yīng)的視圖并且示出了其中轉(zhuǎn)子和定子的位置已顛倒的可替代的實施方式；圖4是圖2的定子的后視圖；圖5示出了圖2的定子的細節(jié)；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的各種功能元件的框圖。風輪機I包括承載支撐結(jié)構(gòu)的塔2，該支撐結(jié)構(gòu)封裝在吊艙3中(圖1)。支撐結(jié)構(gòu)承載其中安裝有主軸21的主軸承。該軸21承載轂4，該轂又承載三個轉(zhuǎn)子葉片5。根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也定位在吊艙3內(nèi)。在示出的實施方式中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20是所謂的“混合”設(shè)計，包括相對小且簡單的傳動裝置7以及相對小且輕質(zhì)的發(fā)電機6。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在發(fā)電機6與傳動裝置7之間具有高水平的一體化。在這種情形中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20包括具有高度成一體的發(fā)電機/轉(zhuǎn)換器和冷卻概念的行星齒輪輸入級(planetary input stage);如將在下面說明的，高水平的一體化是所要求保護的發(fā)明的一個重要部分。行星齒輪輸入級的行星齒輪載體22或者能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的傳動裝置7連接至低速主軸21。殼體8通過環(huán)形密封件42密封在行星齒輪載體22周圍。行星齒輪載體22安裝在軸承43中，并且安裝在將傳動裝置7與發(fā)電機6分離的鑄造壁35中的軸承10中。行星齒輪載體承載多個行星齒輪23，每個行星齒輪安裝在軸承11中并且圍繞軸12可旋轉(zhuǎn)。傳動裝置7的環(huán)形齒輪24固定，同時恒星齒輪(sun) 25旋轉(zhuǎn)并且經(jīng)由軸26連接到發(fā)電機6的轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)28。軸26安裝在塊14中的軸承13中，該塊安裝在壁35上。環(huán)形齒輪24是密封外殼8的整體部分。傳動裝置7可以包括單個行星齒輪級、具有復(fù)合齒輪或者任何其它構(gòu)造的行星齒輪級。在多個齒輪級的情形中，恒星齒輪25可以連接到下一級，而不是連接到發(fā)電機。本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20不限于一定的輸入構(gòu)造。出于簡單和可靠的原因，單個行星齒輪輸入級優(yōu)選地達到2MW的額定功率；然而，對于更高的額定功率來說，輸入級可以偏離所述構(gòu)造。傳動裝置7的主要目的是增加發(fā)電機6的旋轉(zhuǎn)速度，并且因此減小發(fā)電機6的轉(zhuǎn)矩和尺寸。齒輪23，24，25以及它們相關(guān)聯(lián)的軸承10，11，13，43是壓力潤滑的。為此目的，提供閉合的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)。該潤滑和/或冷卻系統(tǒng)包括過濾和泵送單元，并且包括將在后面說明的電加熱元件44以及熱交換器9。在圖2中，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)造有內(nèi)部轉(zhuǎn)子15和外部定子16。然而，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計為接收內(nèi)部和外部轉(zhuǎn)子，并且圖3示出了具有外部轉(zhuǎn)子15和內(nèi)部定子16的可替代的構(gòu)造。為了可維護性和可制造性，選擇徑向通量方向，以使轉(zhuǎn)子15和定子16能夠容易地裝配和拆卸。本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20在相對緊湊的外殼8中實現(xiàn)高功率密度；因此應(yīng)用創(chuàng)新的方法來冷卻發(fā)電機6的活性材料。在示出的實施方式中，定子16包括布置在端板之間的并安裝到支撐環(huán)31的層壓板30的中心部分。定子16還包括多個周向槽17以及在周向方向上均勻地分布的定子繞組32。每個定子板30包括以這樣的方式?jīng)_孔的槽17和孔18，即，使得在定子板30的堆疊和裝配之后，全部槽17和孔18在軸向方向上對準。用于容納冷卻組件的孔18位于槽17的徑向外部并且靠近槽的底部(圖4);選擇該位置，以使對通量路線的阻塞最小化。在堆疊過程中，將陶瓷管33插入到孔18中，以在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的最終裝配中提供熱管組件34。陶瓷管33的長度與包括端板的堆疊的層壓板30的厚度大致相等。在層壓板30的烘烤和固化過程中，陶瓷管33分離，使管33與層壓板結(jié)合并凝固。選擇陶瓷材料是因為其卓越的電絕緣特性、低熱阻以及高熱穩(wěn)定性。在制造過程中并且出于加熱和固化層壓板30的目的，將從外部以及通過陶瓷管33 (通過熱管)施加熱量。該過程對于任何形狀的管都是適合的；例如可以將圓形或長方形管插入到層壓板30中以及插入到槽部分中。因此，定子16特別地適于但是不限于任意(圓形)配線、模繞配線、開槽機中的疊繞組和波形繞組、低壓-中壓-或高壓繞組，并且不僅限于風能發(fā)電機。在定子16 (包括層壓的烘烤和固化的定子中心部分30、陶瓷管33、周向間隔的繞組32)的生廣、浸潰和完成涂敷之后,準備將定子安裝在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的發(fā)電機6中。在密封外殼8內(nèi)部,周向地且均勻地間隔的熱管34的陣列安裝在將齒輪部分36與發(fā)電機部分37分離的鑄造壁35中。熱管34在軸向方向上安裝，并且與在定子層壓板30內(nèi)部的陶瓷管33對準；每個孔18容納一個陶瓷管33，以接收一個熱管組件34。每個熱管組件34包括供給管線和返回管線。供給管線通過內(nèi)管49形成，而返回管線通過內(nèi)管49與金屬外管50之間的環(huán)形空間形成(圖5)。外管50封閉在從定子16伸出并與鑄造壁35相對的自由端處。特定形狀的間隔件51布置在內(nèi)管49與外管50之間。每個熱管34的返回管線終止在齒輪部分的濕室36 (低壓側(cè))中。熱管組件34的內(nèi)管49通過限制件或孔板以及中心閥連接到傳動裝置7的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)(該圖中未示出)的加壓和過濾側(cè)。用作潤滑劑和冷卻劑的齒輪油通過內(nèi)管49流到熱管34的封閉端，在此流動反向，并且因此致使油在傳動裝置7終止在濕室36中的方向上沿著外管50回流。特定形狀的間隔件51設(shè)計為沿著內(nèi)管49和外管50改變層流邊界層，以使齒輪油能夠獲得最大量的消耗的能量。通過這種方式，傳動裝置7的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)也用于控制發(fā)電機6的溫度。熱管34在一側(cè)處固定地安裝至壁35，并且具有在軸向方向上指向發(fā)電機室37的自由端。通過使陶瓷管33滑過固定的熱管34將預(yù)制的定子16安裝在密封外殼8中。定子16連接到將在下面進一步描述的功率轉(zhuǎn)換器39的電插座38。定子的適當?shù)睦@組構(gòu)造和所應(yīng)用的配線類型極大地取決于最終的應(yīng)用、額定功率和用于將風輪機連接到公用輸電網(wǎng)的DC輸出鏈路56的選定的電壓級別。在實際實踐中，將使用至少一個三相系統(tǒng)，并且在圖6的示出的實施方式中示出了兩個三相系統(tǒng)。本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不排除多個三相系統(tǒng)和/或分段的定子構(gòu)造；然而優(yōu)選的構(gòu)造是具有至少一個三相系統(tǒng)和多個均勻分布的周向槽17以及定子繞組32的不分段的定子16。如對于內(nèi)部轉(zhuǎn)子在圖2中示出的以及對于外部轉(zhuǎn)子在圖3中示出的，本能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的轉(zhuǎn)子15包括安裝在軸26上的徑向輕質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)28。該支撐結(jié)構(gòu)28承載具有導(dǎo)電桿(conductive bar) 29的開槽層壓板(或固體結(jié)構(gòu))(在感應(yīng)式電機的情形中),或者承載具有永磁體的層壓板(或固體結(jié)構(gòu))(在同步機的情形中)。具有導(dǎo)電桿29的籠的轉(zhuǎn)子15是當前優(yōu)選的構(gòu)造。在制造過程中或者需要在野外維修時，可以通過可鎖定滑動件或花鍵部分27插入或移除轉(zhuǎn)子15。除了通過翅片47和/或嵌入層壓板中的熱傳導(dǎo)通道的空氣冷卻以外，沒有采取用于轉(zhuǎn)子冷卻的特定措施。本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)思接受通過電感或永磁體的勵磁。發(fā)電機6是具有歪斜地或以V狀且均勻分布的周向地布置的多個桿29或磁體的多極機器；具有籠桿的轉(zhuǎn)子15是優(yōu)選的拓撲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一個重要的方面是，轉(zhuǎn)換器39在塔2的頂部上的支撐結(jié)構(gòu)上的布置。在示出的實施方式中，轉(zhuǎn)換器39 (其可以是基于多級脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)的轉(zhuǎn)換器)與發(fā)電機6在結(jié)構(gòu)上成一體。示出的轉(zhuǎn)換器39是能夠驅(qū)動(電機象限)或加載(發(fā)電機象限)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)電機6的全四象限轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器39鄰近發(fā)電機部分37位于密封外殼8的外部，但是仍然電連接到并且物理地安裝在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20上，使得它形成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體部分。轉(zhuǎn)換器39包括直接安裝到封閉件8的機加工區(qū)域的散熱器40。在此區(qū)域下方并且嵌入到外殼8的鑄件中，存在迷宮或蜿蜒狀的油通道41并且連接到傳動裝置7的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)的加壓側(cè)。油通道41的另一端連接到低壓側(cè)或濕室36。通過這種方式，傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)也用于控制轉(zhuǎn)換器39的溫度。如通過定子16，沒有齒輪油將流經(jīng)實際轉(zhuǎn)換器室；該系統(tǒng)是閉合的，并且油的存在僅限于傳動裝置7的濕室36。在傳送系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)中循環(huán)的齒輪油在外部熱交換器9中冷卻。在示出的實施方式中，該熱交換器9布置在吊艙3的頂部上?？商娲?，熱交換器9可以通過填充有液體并且在塔的頂部附近布置在塔2中的儲蓄器(reservoir) 57 (在圖1中以虛線示出)形成。儲蓄器57 (其可以是環(huán)形的以提供暴露到周圍環(huán)境大氣的大表面)于是還可以用作阻尼器，以抑制塔2的振動運動。通過將根據(jù)本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的轉(zhuǎn)換器39布置在塔2的頂端上的支撐結(jié)構(gòu)上，其定位成盡可能靠近定子16的容器38。通過這種方式，避免了由長的相互連接引起的寄生阻抗或者其它不期望的阻抗。在具有遠程功率轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)中，在發(fā)電機與輸入轉(zhuǎn)換器之間結(jié)合有反應(yīng)器線圈，以提供阻尼。為了發(fā)電機6與轉(zhuǎn)換器39的本組合的恰當?shù)墓ぷ?，需要一定預(yù)定數(shù)量的電感和阻尼。為此目的，定子16包含預(yù)定的且指定的區(qū)域49，以引入需要的電感和阻尼。在示出的實施方式中，這通過提供具有固體邊緣部分48的層壓的中心定子16實現(xiàn)。應(yīng)該注意的是，盡管圖6的示意圖示出了發(fā)電機6與轉(zhuǎn)換器39之間的線圈，但是這些僅用于代表通過圖5中示出的定子6的特定布置提供的電感和阻尼。轉(zhuǎn)換器39設(shè)置有轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)使用無傳感器算法來確定轉(zhuǎn)子15的位置和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子15的相對低的慣性與轉(zhuǎn)換器控制算法結(jié)合將轉(zhuǎn)矩保持在窄的范圍內(nèi)，并且最后將延長齒輪的使用壽命。從上述的描述和實施方式中，顯而易見的是，一個或多個功能的分離將消除發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要實施方式，即高水平的一體化、部件的減少以及因此較高的可靠性，包括在極端條件下和在惡劣環(huán)境中工作的能力。諸如密封的外殼、閉合的且多功能的潤滑附加冷卻系統(tǒng)、可移除的籠型轉(zhuǎn)子構(gòu)造、可移除的定子構(gòu)造、包括冷卻構(gòu)思、額外的電感和阻尼以及轉(zhuǎn)換器的結(jié)合的且一體化的功能是本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式。本發(fā)明的另一個方面是提供一種具有結(jié)合的功能的加熱元件44。在冷定子的情形中或者當需要額外的加熱時，加熱元件44的主要功能是加熱傳動裝置的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)的齒輪油。該油流經(jīng)經(jīng)由通道19連接到傳動裝置7的濕室36的室45。加熱元件44用于使油溫升高到期望的溫度范圍內(nèi)。加熱元件44的其它功能是用作制動變阻器，并且由于緊急止動、穿越情形或者需要釋放能量的其它情況而使過多的能量消散在油中。在能量釋放的持續(xù)時間通過可允許的油的熱升高以及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的冷卻單元的冷卻能力來確定。根據(jù)應(yīng)用，可以調(diào)整能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機械輸入功率以及旋轉(zhuǎn)速度，并且因此僅需要幾秒鐘的能量釋放以使系統(tǒng)穩(wěn)定。在包括感應(yīng)發(fā)電機6和籠型轉(zhuǎn)子15的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)選構(gòu)造的情形中，轉(zhuǎn)子也能耗費能量。一旦應(yīng)用(例如風輪機、潮汐渦輪機)已穩(wěn)定但仍與輸電網(wǎng)斷開，加熱元件44可以用于產(chǎn)生偏流，以使DC鏈路56保持穩(wěn)定。在需要使用加熱元件44的全部情形中，加熱元件44通過直接連接到DC鏈路56的斬波電路(chopper circuit)52供給。只要可獲得需要的機械輸入功率，還包括輔助電源53的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20可以保持該情形。在包括能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的渦輪機仍然與輸電網(wǎng)斷開并且機械輸入條件下降到需要的最小額定功率以下的情形中，系統(tǒng)20不再能夠保持DC鏈路56并且其自身的功率消耗通過輔助電源53保持。當此發(fā)生時，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20將利用剩余的旋轉(zhuǎn)慣性作為用于停機的能量緩沖而使自身處于休眠狀態(tài)中；因此并且在達到休眠狀態(tài)之后，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20已停止工作。當存在或再次存在DC鏈路56時(在輸電網(wǎng)恢復(fù)之后)控制能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的工作的控制模塊55將啟動并且準備接收來自管理控制系統(tǒng)的指令。在示出的實施方式中，輔助電源通過也布置在塔2的頂部上的支撐結(jié)構(gòu)上的一體式逆變器(inverter) 53形成。輔助電源53用于以AC電力供給內(nèi)部和外部裝置。在風輪機的情形中，外部裝置包括偏航系統(tǒng)、俯仰系統(tǒng)、渦輪機控制器、渦輪機內(nèi)部的儀器和照明設(shè)備。內(nèi)部裝備包括控制和診斷模塊55、轉(zhuǎn)換器和逆變器控制、通信模塊54和斬波器模塊52。除了功率轉(zhuǎn)換器39以外，全部電子設(shè)備位于集成在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的密封外殼8中的電子室46中。如在本申請中描述的,控制模塊55控制全部內(nèi)部功能。通過通信模塊54,控制模塊55通信能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的狀態(tài)并且接收來自外部管理系統(tǒng)的指令。例如功率需求的指令和確認和其它控制和與DC鏈路56相關(guān)的同步交換功能將通過控制模塊55處理。根據(jù)在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)20的輸入軸21處可獲得的功率以及通過管理系統(tǒng)獲知的功率需求，控制模塊55自治地處理內(nèi)部操作。從一些實施方式的上述描述中，顯而易見的是，本發(fā)明提供了一種具有高水平的一體化的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，致使部件的數(shù)量減少以及因此較高的可靠性，包括在極端條件下和在惡劣環(huán)境中工作的能力。盡管通過參照一些示例性實施方式示出了本發(fā)明，但是顯而易見的是，本發(fā)明不限于這些實施方式，而是可以以多種方式修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由下面的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于將來自相對慢運動的旋轉(zhuǎn)輸入軸的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成待供給至輸電網(wǎng)的電能的系統(tǒng)，所述輸入軸特別是風輪機、潮汐渦輪機或水輪機的軸，所述系統(tǒng)包括 支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)用于支撐用于所述輸入軸的主軸承； 發(fā)電機，所述發(fā)電機耦接至所述輸入軸并布置在所述支撐結(jié)構(gòu)上；以及 功率轉(zhuǎn)換器，所述功率轉(zhuǎn)換器電耦接在所述發(fā)電機與所述輸電網(wǎng)之間， 其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器布置在所述支撐結(jié)構(gòu)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器與所述發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上成一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，在所述輸入軸與所述發(fā)電機之間布置有傳動系統(tǒng)，以用于增加旋轉(zhuǎn)速度并減小轉(zhuǎn)矩，所述傳動系統(tǒng)包括潤滑和/或冷卻系統(tǒng)，并且所述功率轉(zhuǎn)換器耦接至所述傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)，以用于熱交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機耦接至所述傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)，以用于熱交換。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項或權(quán)利要求1的前序部分所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機是感應(yīng)發(fā)電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機包括可移除地布置的籠型轉(zhuǎn)子。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求1的前序部分所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機包括定子，所述定子包括連接至所述傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)的熱管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，每個熱管包括供給管線和返回管線，所述熱管的一端安裝在所述發(fā)電機的固定結(jié)構(gòu)上并連接至所述傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述定子可移除地安裝在所述熱管的自由端上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述定子布置為使得引入預(yù)定量的電感和/或阻尼。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述定子具有固體邊緣部分和包括層壓板的中心部分。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，制動變阻器，所述制動變阻器電耦接至所述發(fā)電機并布置在所述支撐結(jié)構(gòu)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述制動變阻器可操作地耦接至所述傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述制動變阻器布置為使將所述功率轉(zhuǎn)換器連接至供給所述輸電網(wǎng)的逆變器的DC輸出鏈路穩(wěn)定。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，輔助電源，所述輔助電源電耦接至所述發(fā)電機并布置在所述支撐結(jié)構(gòu)上。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至15中任一項所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，熱交換器，所述熱交換器耦接至所述傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求2至16中任一項所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)電機、所述傳動系統(tǒng)、所述制動變阻器和/或所述輔助電源布置在所述支撐結(jié)構(gòu)上的密封殼體中。重復(fù)序號17.根據(jù)權(quán)利要求17所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，吊艙，所述吊艙環(huán)繞所述密封殼體和所述支撐結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)安裝在塔上。
19.根據(jù)權(quán)利要求16和19所述的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換器包括儲蓄器，所述儲蓄器填充有液體并布置在所述塔的頂部附近，以抑制所述塔的振動運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將來自例如風輪機的軸的慢運動的旋轉(zhuǎn)輸入軸的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換成待供給至輸電網(wǎng)的電能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐用于輸入軸的主軸承；發(fā)電機，耦接至輸入軸并布置在支撐結(jié)構(gòu)上；以及功率轉(zhuǎn)換器，電耦接在發(fā)電機與輸電網(wǎng)之間。該轉(zhuǎn)換器布置在支撐結(jié)構(gòu)上，并且還可以與發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上成一體。發(fā)電機可以是包括可移除的籠型轉(zhuǎn)子的感應(yīng)發(fā)電機。發(fā)電機可以包括定子，該定子包括連接至用于傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)的熱管，并且定子可以可移除地安裝在熱管的自由端上。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還可以包括制動變阻器，該制動變阻器電耦接至發(fā)電機并布置在支撐結(jié)構(gòu)上，并且該制動變阻器可以可操作地耦接至傳動系統(tǒng)的潤滑和/或冷卻系統(tǒng)。
文檔編號H02K1/20GK103004060SQ201180030343
公開日2013年3月27日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者威廉·馬里納斯·費斯特吉 申請人:賽納維斯有限公司