風輪機、用于風輪機的槳距角測量系統和方法技術方案

本發明專利技術涉及風輪機、用于風輪機的槳距角測量系統和方法。測量系統包括用于測量圍繞第一傳感器軸線(e1)的第一角速度()且以第一預定方向被固定地連接至葉片(100)的第一角速度傳感器(130)，該第一預定方向被選定以產生主旋轉軸線(32)到第一傳感器軸線(e1)上的第一投影，用于測量圍繞第二傳感器軸線(e2)的第二角速度(β)且以第二預定方向被固定地連接至葉片(100)的第二角速度傳感器(140)，該第二預定方向被選擇以產生主旋轉軸線(32)到第二傳感器軸線(e2)上的第二投影，所述第一傳感器軸線(e1)和所述第二傳感器軸線(e2)是線性獨立的，且第一計算單元(160)根據第一角速度()和第二角速度(β)計算槳距角(Θ1c)。

【技術實現步驟摘要】
風輪機、用于風輪機的槳距角測量系統和方法
本申請涉及風輪機和用于確定風輪機的葉片相對于轂的至少葉片槳距角的測量系統。本專利技術還涉及用于確定風輪機的至少一個葉片的槳距角的方法。
技術介紹
風輪機從風獲取能量以產生電能。使用一個或多個葉片將風中的空氣動力學能量改變為驅動發電機的旋轉動力。為了最大化在特定地點的一整年操作過程中獲取的能量，發電機的最大功率電平被選擇為遠低于在與在該地點預期最大風速相關的空氣動力學能量值。與最大發電機功率匹配的所獲取旋轉動力的風速被稱作風輪機的額定速度。由于所述額定速度遠低于該地點的最大風速，所以在很多時間段可用的空氣動力學能量大于發電機的最大功率電平。因此，風輪機被設置有用于從可用的空氣動力學能量獲取可控制和可選擇的量的旋轉動力的裝置。本領域最常規的是改變葉片的迎角的空氣動力角度的裝置，該裝置包括將葉片可旋轉地連接至葉輪機轂，從而允許圍繞基本沿著葉片的跨度延伸的俯仰軸線(pitchaxis)的旋轉，以及葉片俯仰致動器，其用于通過受控的葉片槳距角而將葉片圍繞俯仰軸線旋轉地移動，從而改變葉片相對于轂以及相對于來風的方向。該指令葉片槳距角通過葉輪機中心控制單元計算。為了實現可接受的操作安全性，必須使用閉環控制完成葉片槳距角的移動，其中所述葉片槳距角由葉片俯仰致動器獨立測量，測量的角度值和轂的旋轉速度被報告至渦輪中心控制單元。葉片槳距角相對于轂的測量值通過由葉片運動驅動的機電編碼器完成。由于操作安全性要求，當葉輪機中央控制器不能跟蹤風輪機所使用的任何葉片的葉片槳距角時，葉輪機不能操作且必須被關閉。機械槳距角編碼器具有多個缺點。一個缺點是對將葉片的本體連接至編碼器的內部工作部件的驅動部中的機械故障的敏感度。第二個缺點是由于在所述驅動中的磨損和損耗引起的精確性的損失。第三個缺點是當在維護的過程中維護技術人員錯誤地踩到該單元上之后編碼器和驅動部不對準時損失精確度。因此，需要用于測量葉片的至少葉片槳距角的測量系統，該測量系統被建造為使得不受機械失效、磨損和損耗的影響。還需要所述測量系統另外地測量轂的旋轉速度，且最需要所述測量系統另外地測量葉片的自預定葉片方位角位置的方位角旋轉。可通過使用加速計和陀螺儀的組合可測量轂的旋轉位置和速度。陀螺儀提供旋轉速度的測量，以及陀螺儀信號在時間上積分提供轉子角位置的測量。然而，在實踐中在旋轉速度的測量中的小的速度誤差是不可避免的，因此計算的轉子角位置包括由于在積分過程中的小的速度誤差的連續累積引起的隨著時間的越來越大的誤差。為了約束該誤差的累積，本領域已知慣量運動傳感器來將陀螺儀的信號與加速計的信號結合。EP-A-1835,293描述了風輪機，確定風輪機轉子的至少一個旋轉參數的方法，其中當通過在時間上積分來自陀螺儀的信號計算角度位置時，加速計約束轉子角度位置的誤差。DE-A-102007030示出了用于使用任何測量傳感器間接地確定風或水葉輪機的動態值的方法。加速計還被用于測量在風輪機中存在的力且使用所測量的力來檢測風輪機的旋轉速度。該兩個已知的方法使用所測量的信號中存在的重力加速度來提供地面固定參考系，可相對于該地面固定參考系確定轂的旋轉速度。該計算方法基本基于在加速計信號中的重力的確定。該重力信號產生隨著轉子方位角改變的正弦信號，因此該信號顯示周期性，其周期與轉子完成一個旋轉所需要的時間相等。因此，需要至少一個完整周期來通過峰值和通過檢測或等同方法來以可用的精確度確定重力正弦信號的相位。因此，轉子速度的計算是時間延遲的或者時間平均的，數量和不是即時測量的。所需要的是無需機電編碼器而測量風輪機葉片的槳距角的方法，以及另外地，可提供槳距角的即時精確測量，且此外，該測量不會因為測量不精確或誤差在時間上的累積而產生偏移和類似誤差。
技術實現思路
因此，本專利技術的一個目的是提供用于確定至少一個葉片相對于輪機轂的至少槳距角的測量系統。本專利技術的另一個目的是提供用于確定葉片槳距角的測量系統，其沒有由于時變信號的時間積分引起的累積誤差。本專利技術的另一個目的是提供測量系統，其用于確定轂的旋轉速度。本專利技術的另一個目的是提供測量系統，用于確定轂相對于預定方向的方位角位置。本專利技術的另一個目的是提供具有測量系統的改進的風輪機，該測量系統測量至少一個葉片相對于輪機轂的至少槳距角。根據附圖，本專利技術的多個方面、優點和特征是明顯的。附圖說明圖1示出了具有三個葉片的典型風輪機，一些葉輪機構件和本專利技術的構件的旋轉運動。圖2示出了本專利技術的與一個葉片相關的構件，包括兩個角速度傳感器，且該葉片處于第一槳距角。圖3示出了本專利技術的與一個葉片相關的構件，包括兩個角速度傳感器，且所述葉片在旋轉后進入第二槳距角。圖4示出了本專利技術的與一個葉片相關的構件，包括三個角速度傳感器，該三個角速度傳感器具有基本在一個平面中的相應傳感器軸線。圖5示出了本專利技術的與一個葉片相關的構件，包括具有形成基本正交基的相關傳感器軸線的三個角速度傳感器。圖6示出了本專利技術的與一個葉片相關的構件，包括兩個角速度傳感器和第一計算單元。圖7示出了本專利技術的與一個葉片相關的構件，包括兩個角速度傳感器，第一計算單元，葉片俯仰致動器和俯仰控制單元。圖8示出了本專利技術的與三個葉片相關的構件，包括角速度傳感器，和計算單元，其用于計算圍繞塔軸線的輪機側轉速度。圖9示出了本專利技術的與三個葉片相關的構件，包括角速度傳感器和計算單元，其用于計算葉片的方位角。圖10示出了本專利技術的框圖。具體實施方式風輪機包括相對于機艙(nacelle)旋轉的轂。轂的旋轉運動驅動至少部分地設置在機艙內的發電機。至少一個葉片可旋轉地連接至轂以允許葉片僅相對于轂圍繞俯仰軸線(pitchaxis)旋轉。該旋轉通常通過使用設置在葉片的根部的葉片軸承而實現。除了轂本身的小的材料變形，葉片根部相對于轂的方向是由葉片槳距角(pitchangle)完全和唯一地限定的，該葉片槳距角指示葉片根部關于俯仰軸線自預定葉片位置的旋轉移動。轂的旋轉移動限定主旋轉軸線，轂關于該主旋轉軸線以旋轉速度Ω旋轉。本專利技術的確定至少一個葉片相對于輪機轂的至少槳距角Θ1的方法包括以下步驟，將第一角速度傳感器固定地連接至葉片，用于測量關于第一傳感器軸線e1的第一角速度Φ，該固定連接在限定第一傳感器軸線e1相對于葉片的方向的第一預定方向處完成。作為固定連接以及轉子運動的結果，第一角速度Φ函數地取決于旋轉速度Ω和槳距角Θ1二者。該從屬性可被寫作Φ(Ω，Θ1)。第二角速度傳感器被設置在風輪機中，以產生第二角速度β，其函數地取決于旋轉速度Ω。選擇第二角速度傳感器的位置使得第二角速度β隨著槳距角Θ1的變化(包括零變化的情況)與第一角速度Φ隨著槳距角Θ1的變化不同。因此，一旦知道第一角速度Φ和第二角速度β，則可確定槳距角Θ1。因此，角速度Φ和β被傳輸至第一計算單元，該第一計算單元確定指示葉片槳距角Θ1的計算槳距角Θ1c。在優選的實施方式中，第二角速度傳感器測量圍繞第二傳感器軸線e2的第二角速度β，該第二傳感器軸線e2在第二預定位置固定地連接至葉片。該第二預定位置被選定為使得第一傳感器軸線e1和第二傳感器軸線e2是線性獨立的。該矢量e1和e2的線性獨立保證了Φ(Ω，Θ1)和β(Ω，Θ1)隨著Θ1的變化是函數獨立的，從而一旦已知第一角速度Φ和第二角速本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于風輪機的槳距角測量系統，該風輪機具有塔(10)，連接至所述塔(10)的機艙(20)，可旋轉地連接至所述機艙(20)并限定主旋轉軸線(32)的轂(30)，可旋轉地連接至所述轂并限定用于圍繞其旋轉的俯仰軸線(110)的至少一個葉片(100)，限定所述至少一個葉片(100)相對于所述轂(30)圍繞所述俯仰軸線(130)的旋轉位置的葉片槳距角，該槳距角測量系統包括第一角速度傳感器(130)，其測量圍繞第一傳感器軸線(e1)的第一角速度(Ф)，該第一角速度傳感器(130)以第一預定方向固定地連接至所述至少一個葉片(100)，該第一預定方向被選擇以產生所述主旋轉軸線(32)在所述第一傳感器軸線(e1)上的第一投影，第二角速度傳感器(140)，其測量圍繞第二傳感器軸線(e2)的第二角速度(β)，該第二角速度傳感器(140)以第二預定方向被固定地連接至所述至少一個葉片(100)，該第二預定方向被選擇以產生所述主旋轉軸線(32)到所述第二傳感器軸線(e2)上的第二投影，所述第一傳感器軸線(e1)和所述第二傳感器軸線(e2)是線性獨立的，以及第一計算單元(160)，其從所述第一角速度(Ф)和所述第二角速度(β)計算指示所述葉片槳距角的計算槳距角(Θ1c)。...

【技術特征摘要】
2014.01.21 EP 14000207.21.一種用于風輪機的槳距角測量系統，該風輪機具有塔(10)，連接至所述塔(10)的機艙(20)，可旋轉地連接至所述機艙(20)并限定主旋轉軸線(32)的轂(30)，可旋轉地連接至所述轂并限定用于圍繞其旋轉的俯仰軸線(110)的至少一個葉片(100)，限定所述至少一個葉片(100)相對于所述轂(30)圍繞所述俯仰軸線(130)的旋轉位置的葉片槳距角，該槳距角測量系統包括第一角速度傳感器(130)，其測量圍繞第一傳感器軸線(e1)的第一角速度(Ф)，該第一角速度傳感器(130)以第一預定方向固定地連接至所述至少一個葉片(100)，該第一預定方向被選擇以產生所述主旋轉軸線(32)在所述第一傳感器軸線(e1)上的第一投影，第二角速度傳感器(140)，其測量圍繞第二傳感器軸線(e2)的第二角速度(β)，該第二角速度傳感器(140)以第二預定方向被固定地連接至所述至少一個葉片(100)，該第二預定方向被選擇以產生所述主旋轉軸線(32)到所述第二傳感器軸線(e2)上的第二投影，所述第一傳感器軸線(e1)和所述第二傳感器軸線(e2)是線性獨立的，以及第一計算單元(160)，其從所述第一角速度(Ф)和所述第二角速度(β)計算指示所述葉片槳距角的計算槳距角(Θ1c)。2.如權利要求1所述的測量系統，其特征在于所述第一計算單元(160)根據所述第一角速度(Ф)和所述第二角速度(β)的數值計算所述主旋轉速度(Ω)。3.如權利要求1或2所述的測量系統，具有以第三預定方向固定地連接至所述至少一個葉片(100)的第三角速度傳感器(150)，所述第三角速度傳感器(150)測量圍繞第三傳感器軸線(e3)的第三角速度(λ)，所述第三預定方向產生所述主旋轉軸線(32)到所述第三傳感器軸線(e3)上的投影，所述第三角速度(λ)被傳輸至所述第一計算單元(160)，所述第一計算單元(160)在所述計算槳距角(Θ1c)的計算中包括所述第三角速度(λ)的值，所述第三傳感器軸線(e3)基本與所述俯仰軸線(110)對齊。4.如權利要求1或2所述的測量系統，其特征在于所述第一傳感器軸線(e1)、所述第二傳感器軸線(e2)和所述第三傳感器軸線(e3)基本形成三維正交基。5.如權利要求1或2所述的測量系統，其特征在于包括傾斜速度傳感器(22)和側轉速度傳感器(23)，所述傾斜速度傳感器(22)產生指示所述塔(10)的彎曲的傾斜速度信號，所述側轉速度傳感器(23)產生指示所述機艙(20)圍繞所述塔軸線的角度位置的時間變化率的側轉速度信號，且所述傾斜速度信號和所述側轉速度信號由所述第一計算單元(160)接收，所述第一計算單元(160)在所述計算槳距角(Θ1c)的計算中包括所述側轉速度信號和傾斜速度信號。6.如權利要求1或2所述的測量系統，還包括脈沖發生器(27)，所述脈沖發生器(27)在所述轂(30)相對于所述機艙(20)到達預定方位角位置時產生同步脈沖，所產生的脈沖被傳輸至方位角計算單元(650)，所述方位角計算單元(650)在時間上積分所述主旋轉速度(Ω)以計算方位角(ξ)，所述方位角計算單元(650)使用所述方位角(ξ)和所述同步脈沖來計算所述至少一個葉片相對于所述機艙的主旋轉角(Ψ)。7.如權利要求1或2所述的測量系統，其特征在于還包括用于改變所述至少一個葉片的葉片槳距角的葉片俯仰致動器(180)，和與所述葉片俯仰致動器(180)和所述第一計算單元(160)通信的俯仰控制單元(182)，所述俯仰控制單元(182)向所述葉片俯仰致動器(180)指令所述葉片槳距角，所述俯仰控制單元(182)接收所述計算槳距角(Θ1c)。8.如權利要求1或2所述的測量系統，還包括產生指示所述葉片槳距角的編碼器信號的角度編碼器(554)，所述編碼器信號和所述計算槳距角(Θ1c)被傳輸至第一比較器單元(556)，當在所述編碼器信號和所述計算槳距角之間的偏差大于預定量時所述第一比較器單元產生報警信號。9.一種用于風輪機的槳距角測量系統，該風輪機具有塔(10)，連接至所述塔(10)的機艙(20)，可旋轉地連接至所述機艙(20)并限定主旋轉軸線(32)的轂(30)，所述轂以主旋轉速度(Ω)旋轉，可旋轉地連接至所述轂并限定用于圍繞其旋轉的俯仰軸線(110)的至少一個葉片(100)，限定所述至少一個葉片(100)相對于所述轂(30)圍繞所述俯仰軸線(130)的旋轉位置的葉片槳距角，該槳距角測量系統包括第一角速度傳感器(130)，其測量圍繞第一傳感器軸線(e1)的第一角速度(Ф)，該第一角速度傳感器(130)以預定方向固定地連接至所述至少一個葉片(100)，該預定方向被選擇以產生所述主旋轉軸線(32)到所述第一傳感器軸線(e1)上的投影，第一計算單元(160)，其根據所述第一角速度(Ф)和所述主旋轉速度(Ω)的數值來計算計算槳距角(Θ1c)。10.如權利要求9所述的測量系統，其特征在于包括傾斜速度傳感器(22)和側轉速度傳感器(23)，所述傾斜速度傳感器(22)產生指示所述塔(10)的彎曲的傾斜速度信號，所述側轉速度傳感器(23)產生指示所述機艙(20)圍繞所述塔軸線的角度位置的時間變化率的側轉速度信號，且所述傾斜速度信號和所述側轉速度信號由所述第一計算單元(160)接收，所述第一計算單元(160)在所述計算槳距角(Θ1c)的計算中包括所述側轉速度信號和傾斜速度信號。11.如權利要求9或10所述的測量系統，還包括脈沖發生器(27)，所述脈沖發生器(27)在所述轂(30)相對于所述機艙(20)到達預定方位角位置時產生同步脈沖，所產生的脈沖被傳輸至方位角計算單元(650)，所述方位角計算單元(650)在時間上積分所述主旋轉速度(Ω)以計算方位角(ξ)，所述方位角計算單元(650)使用所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：F伯托洛蒂，C博特，
申請(專利權)人：SSB風系統兩合公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE