一种风力发电机混合式偏航制动系统的制作方法

1.本发明涉及一种风力发电机，尤其是涉及一种风力发电机混合式偏航制动系统。


背景技术：

2.目前，风力发电机的偏航制动系统包括被动式(滑动轴承式)偏航制动系统和滚动轴承+液压主动式偏航制动系统。
3.其中，纯被动式(滑动轴承式)偏航制动系统，通过调节螺栓(碟簧)调节摩擦片正压力，具有结构简单和成本低，无油污染的优点，但制动力较低且不稳定，复杂地形和恶劣风况下存在偏航滑移现象，影响发电量且对偏航驱动齿轮寿命不利；
4.而滚动轴承+液压主动式偏航制动系统，功能单一，而且轴承、刹车(摩擦)盘、摩擦片等部件制造成本高，整机生产成本和维护成本高；且油压密封结构复杂，加工和配合精度要求高，产品种类繁多，通用性和互换性差，维护困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风力发电机混合式偏航制动系统，该发明兼具被动式偏航制动系统结构简单成本低和主动式液压制动系统制动力强和稳定的特点。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明提供一种风力发电机混合式偏航制动系统，包括机舱主结构以及设于所述机舱主结构上的偏航驱动器和多个偏航制动器，多个所述偏航制动器包括第一制动器和第二制动器，所述第一制动器为被动式制动器，所述第二制动器为混合式制动器，所述第二制动器连接有液压单元；
8.所述液压单元接收卸压指令进行卸压，所述偏航驱动器接收启动指令，克服多个所述偏航制动器产生的制动阻尼，驱动所述机舱主结构沿塔顶中心旋转运动，直至偏航动作结束；
9.所述液压单元接收加压和保压指令，进行加压和保压，直至所述液压单元内的压力恢复，随后所述偏航驱动器和多个所述偏航制动器共同产生制动阻尼，克服风轮偏航方向弯矩，保持机舱风轮相对塔筒静止。
10.优选地，所述偏航驱动器包括相互连接的偏航电机和ngw行星减速传动齿轮箱，
11.当系统开始偏航，所述偏航电机接收电机抱闸开启指令，开启电机抱闸，所述液压单元接收卸压指令进行卸压，所述偏航电机接收启动指令并启动，传动至ngw行星减速传动齿轮箱的输出齿轮，克服多个所述偏航制动器产生的制动阻尼，所述偏航电机与输出齿轮的齿圈啮合，驱动所述机舱主结构沿塔顶中心旋转运动，直至偏航动作结束；
12.当系统偏航结束，所述偏航电机接收停止指令，停止运作，所述液压单元接收加压和保压指令，开始加压和保压，直至所述液压单元内的压力恢复，随后所述偏航电机接收电机抱闸闭合指令，闭合电机抱闸，使得所述偏航电机和多个所述偏航制动器共同产生制动
阻尼，克服产生偏航弯矩，保持机舱风轮相对塔筒静止。
13.优选地，所述偏航电机上设有用以监测所述偏航电机转速的测速传感器，在非偏航状态下，当所述测速传感器监测所述偏航电机转速超过转速阈值sp1时，通过提高液压单元的初始压力p0提升系统制动力，进而克服偏航弯矩。
14.优选地，所述偏航电机上设有用以监测所述偏航电机电流的电流传感器，在偏航过程中，当所述偏航电机的电流均值在设定时间t5内超过阈值电流i2时，通过降低阈值压力p1，降低偏航过程中的制动力。
15.优选地，所述风力发电机上设有用以监测机舱风轮偏航和弯矩载荷值的载荷估计传感器，通过获取弯矩载荷值和气象数据确定初始压力p0的提高值和阈值压力p1的降低值。
16.优选地，当弯矩载荷值超过初始压力p0的可调控上限，通过增加所述第二制动器的数量克服偏航弯矩；当弯矩载荷值低于偏航系统制动力设计允用值下限，更换或调整所述偏航制动器的摩擦片。
17.优选地，当弯矩载荷值低于阈值压力p1可调控下限，通过调节机械压力降低制动力；当弯矩载荷值低于偏航系统制动力设计允用值下限，发出驱动异常告警。
18.优选地，所述偏航电机上设有用以监测偏航电机绕组温度的温度传感器和用以监测偏航电机转速和转矩的力矩传感器。
19.优选地，所述液压单元上设有用以监测所述液压单元内回路压力的压力传感器、用以监测所述液压单元内油温的温度传感器和用以监测所述液压单元内油位的液位传感器。
20.优选地，所述液压单元接收卸压指令后，所述液压单元的电磁阀打开，所述压力传感器对所述液压单元内的压力进行监测，当监测到所述液压单元内的压力卸压至阈值压力后，所述偏航驱动器接收启动指令并启动；
21.所述液压单元接收加压和保压指令后，控制电磁阀闭合，开始保压，当所述压力传感器监测到所述液压单元内的压力低于临界压力后，所述液压单元的油泵电机开始启动加压直至所述液压单元内的压力恢复至设定压力停止工作。
22.与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
23.本发明通过在机舱主结构上设置多个被动式制动器和混合式制动器，混合式制动器连接有液压单元，并分别在偏航驱动器和液压单元上设置多个传感器，控制器根据气象站的指示，发出偏航开始和偏航结束指令，并在整个偏航过程中，控制液压单元内的卸压、加压或保压，控制偏航驱动器的运作，使得整个系统的制动力相比与传统被动机械式提升30％以上，成本相比于传动主动液压式可降低30％以上，兼具被动式偏航制动系统结构简单成本低和主动式液压制动系统制动力强和稳定的特点。
附图说明
24.图1为本实施例提供的一种风力发电机混合式偏航制动系统的结构俯视图。
25.图2为本实施例提供的一种风力发电机混合式偏航制动系统的侧视剖面图。
26.图3为图1所示实施例在偏航过程中各指令接收的时间节点示意图和液压单元压力值变化示意图。
27.图4为当偏航电机转速超过sp1时的控制流程示意图。
28.图5为当偏航电机的电流均值在设定时间t5内超过阈值电流i2的控制流程示意图。
29.图中附图标记为：1、偏航齿圈，2、偏航制动器，3、管路组件，4、液压单元，5、偏航驱动器。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
31.参考图1和图2所示，本实施例提供一种风力发电机混合式偏航制动系统，包括机舱主结构以及设于机舱主结构上的偏航驱动器5和多个偏航制动器2，偏航驱动器2包括相互连接的偏航电机和ngw行星减速传动齿轮箱，多个偏航制动器2包括第一制动器和第二制动器，其中，第一制动器为被动式制动器，第二制动器为混合式制动器，第二制动器连接有液压单元4。
32.参考图3所示，当系统开始偏航，偏航电机接收电机抱闸开启指令，开启电机抱闸，经过t1延时后，液压单元4接收卸压指令，将压力由p0卸压至p1，经过t2延时后，偏航电机接收启动指令并启动，传动至ngw行星减速传动齿轮箱的输出齿轮，克服多个偏航制动器2产生的制动阻尼，偏航电机与齿轮的齿圈啮合驱动机舱主结构沿塔顶中心旋转运动，直至偏航动作结束；
33.其中，p0为初始压力，p1为阈值压力，p2为设定压力。
34.当系统偏航结束，偏航电机接收停止指令，停止运作，经过t3延时后，液压单元4接收加压和保压指令，开始加压和保压，使得液压单元4内的压力恢复至p2，经过t4延时后，偏航电机接收电机抱闸闭合指令，闭合电机抱闸，使得偏航电机和多个偏航制动器2共同产生制动阻尼，克服偏航弯矩，保持机舱风轮相对塔筒静置。
35.其中，t1～t4均为时间长度。
36.优选地，p0∈[120～300]，单位：bar，运行时压力值可通过偏航弯矩值进行调控；
[0037]
设置阈值压力p1大小为p1＝p0*0.5，且p1∈[0,500]bar。
[0038]
设置设定压力p2∈[1.0～1.1]*p0。
[0039]
由于在偏航过程中，可能会出现以下工况：
[0040]
工况1：电机抱闸开启后，偏航电机处于未启动状态，或电机抱闸处于未抱闸且停止抱闸状态，制动力大幅降低，产生偏航弯矩(机舱被大风吹偏)。
[0041]
工况2：偏航弯矩方向与偏航设定方向一致，偏航电机转速超过同步转速进入发电机状态，同时转速波动产生机舱振荡和异响。
[0042]
工况3：偏航弯矩与偏航制动力合力矩过大，超出偏航电机的最小启动力矩或最大输出力矩而造成偏航电机宕机、堵转，进一步造成偏航电机过流、过热，甚至烧毁失效等严重后果。
[0043]
为避免出现工况1和工况2，设置阈值压力p1大小为p1＝p0*0.5，使得偏航过程中保持一定阻尼力，同时第一制动器提供的制动力持续存在，因此工况1和工况2的发生概率得以降低。
[0044]
为避免出现工况3，设置p1∈[0,500]bar，且保持p1设定值尽可能低，以便于降低偏
航过程中的偏航电机负载。
[0045]
优选地，设置t1、t3和t4∈[10～2000]，t2∈[-100,2500]，单位：ms。
[0046]
为避免出现工况1，t1和t2、t3和t4的延时设定值之和应在满足供电回路、电机、抱闸、阀路执行元件等固有电磁延时特性的情况下尽可能短；
[0047]
为避免出现工况3，t2应充分考虑液压系统卸压过程所需时间，以确保电机启动时压力值p满足电机最小驱动力矩要求。
[0048]
综上所述，设置t1、t3和t4∈[10～2000]，t2∈[-100,2500]，单位：ms。
[0049]
作为一种可选的实施方式，偏航电机和ngw行星减速传动齿轮箱之间通过平键、花键或连接套连接。
[0050]
作为一种可选的实施方式，偏航电机上设有用以监测偏航电机转速的测速传感器，在非偏航状态下，当测速传感器监测偏航电机转速超过转速阈值sp1时，通过提高液压单元的初始压力p0提升系统制动力cny，进而克服偏航弯矩。
[0051]
作为一种可选的实施方式，风力发电机上设有用以监测机舱风轮偏航和弯矩载荷值的载荷估计传感器，通过获取弯矩载荷值和气象数据确定初始压力p0的提高值。
[0052]
当弯矩载荷值超过初始压力p0的可调控上限，通过增加第二制动器的数量克服偏航弯矩。
[0053]
当弯矩载荷值低于偏航系统制动力设计允用值下限(说明偏航制动器2的摩擦片磨损过大)，更换或调整偏航制动器2的摩擦片。
[0054]
优选地，测速传感器包括但不限于接近开关、编码器和光栅传感器。
[0055]
作为一种可选的实施方式，偏航电机上设有用以监测偏航电机电流的电流传感器，在偏航过程中，当偏航电机的电流均值在设定时间t5内超过阈值电流i2，说明偏航弯矩和偏航制动力合力矩过高，通过降低阈值压力p1，降低偏航过程中的制动力，避免出现工况3。
[0056]
其中，i2≈αi1，α为电流折减系数，α∈[0.5～0.8]，i1为偏航电机最大输出力矩时对应的电流值，t5应大于等于偏航电机由得电开始到达到启动力矩所需时间。
[0057]
当弯矩载荷值低于阈值压力p1可调控下限，通过调节机械压力降低制动力。
[0058]
当弯矩载荷值低于偏航系统制动力设计允用值下限(说明偏航制动器2的摩擦片磨损过大)，发出驱动异常告警。
[0059]
优选地，电流传感器包括但不限于互感器、罗氏线圈和电流探头。
[0060]
作为一种可选的实施方式，偏航电机上设有用以监测偏航电机绕组温度的温度传感器，在偏航过程中，当偏航电机绕组温度超过阈值温度t2，则立即停止偏航活动，及时对电机进行散热处理，以防止偏航电机出现过热烧毁。
[0061]
t2∈[0.6～0.95]*t1，其中t1为电机绝缘等级对应的允用温度下限。
[0062]
优选地，温度传感器包括但不限于pt100、ptc和pto。
[0063]
作为一种可选的实施方式，偏航电机上设有用以监测偏航电机转速和转矩的力矩传感器，用以更精确地监测偏航电机输出转速和输出力矩，防止偏航电机出现过载、过流、过温、过速、振动异常等异常，提前监测保护。
[0064]
优选地，力矩传感器包括但不限于应变片和超声波。
[0065]
液压单元4上设有用以检测液压单元4内回路压力的压力传感器、用以监测液压单
元4内油温的温度传感器和用以监测液压单元4内油位的液位传感器。
[0066]
当发出偏航开始指令，经过t1延时后，液压单元4的电磁阀打开，压力传感器对液压单元4内的压力进行监测，当监测到液压单元4将压力由p0卸压至p1，经过t2延时后，偏航驱动器启动；
[0067]
当发出偏航结束指令，经过t3延时后，液压单元4的电磁阀闭合，开始保压，当压力传感器监测到液压单元4内的压力低于p3后，液压单元4的油泵电机开始启动加压直至液压单元4内的压力达到至p2停止工作，p3为不偏航状态下液压单元内油泵电机运行的临界压力。
[0068]
p3∈[0.75～1.0]*p0。
[0069]
作为一种可选的实施方式，风力发电机上设有用以监测振动信号的振动传感器或陀螺仪。
[0070]
作为一种可选的实施方式，偏航制动器2通过高强度螺栓连接在机舱主结构上，高强度连接螺栓孔分布为直线型或圆弧形。
[0071]
优选地，第一制动器和第二制动器的数量和设置位置均按需配置，分布形式可采用均布式、对称式或按需随机配置。
[0072]
作为一种可选的实施方式，混合式偏航制动系统还包括偏航齿圈1，机舱主结构与偏航齿圈1之间装有上摩擦片，上摩擦片支承整个机舱和风轮质量，并提供一部分摩擦制动力矩；第一制动器的卡钳体与偏航齿圈1之间分别装有径向摩擦片和下摩擦片组件，径向摩擦片与偏航齿圈耦合并起到径向弹性支承作用；下摩擦片组件由下摩擦片、碟形弹簧组件和预紧机构组成，下摩擦片下面通过碟形弹簧组件连接预紧机构，由预紧机构的螺母来调节碟簧组件使下摩擦片产生对偏航齿圈1下表面的压紧力，与偏航齿圈1下表面一起产生摩擦制动力矩。
[0073]
作为一种可选的实施方式，偏航制动器2上设有用以监测偏航制动器2与偏航齿圈1轴向位移的传感器，通过位移距离精确估计和反推偏航制动器2的摩擦片磨损量，避免偏航制动器2制动力下降以及偏航制动器2与偏航齿圈1齿圈干涉等现象。
[0074]
优选地，位移传感器包括但不限于接近开关。
[0075]
通过上述设置，第一制动器为纯机械结构形式，通过调节螺母调节碟簧组件使得摩擦片施加轴向压力产生制动阻尼力。
[0076]
作为一种可选的实施方式，偏航齿圈1通过圆周分布的螺栓固定在塔筒顶部。
[0077]
作为一种可选的实施方式，第二制动器通过管路组件3与液压单元4连接，通过调节液压单元4的压力传递至第二制动器的活塞并对第二制动器的摩擦片施加轴向压力产生制动阻尼力，制动力稳定，偏航时可以通过降低压力降低偏航电机的负载，不偏航时可以增加压力增加系统制动力克服风轮偏航弯矩。
[0078]
作为一种可选的实施方式，混合式偏航制动系统还包括控制器，该控制与传感器连接，接收传感器的信息，并控制液压单元4的卸压、加压或保压和偏航驱动器5的运作。
[0079]
综上所述，本发明提供的一种风力发电机混合式偏航制动系统通过设置多个偏航制动器2，且偏航制动器2包括第一制动器和第二制动器，第一制动器为被动式制动器，第二制动器为混合式制动器，所述第二制动器连接有液压单元4；并且在偏航电机、液压单元4和整个制动系统上均设置多个传感器，制动系统上的控制器通过读取多个传感器的信息，发
出偏航开启或偏航结束指令，并在整个偏航过程中，控制液压单元4内的卸压、加压或保压，控制偏航驱动器5的运作，使得整个系统的制动力相比与传统被动机械式提升30％以上，相比于传动主动液压式可降低30％以上，兼具被动式偏航制动系统结构简单成本低和主动式液压制动系统制动力强和稳定的特点。
[0080]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，包括机舱主结构以及设于所述机舱主结构上的偏航驱动器(5)和多个偏航制动器(2)，多个所述偏航制动器(2)包括第一制动器和第二制动器，所述第一制动器为被动式制动器，所述第二制动器为混合式制动器，所述第二制动器连接有液压单元(4)；所述液压单元(4)接收卸压指令进行卸压，所述偏航驱动器接收启动指令，克服多个所述偏航制动器(2)产生的制动阻尼，驱动所述机舱主结构沿塔顶中心旋转运动，直至偏航动作结束；所述液压单元(4)接收加压和保压指令，进行加压和保压，直至所述液压单元(4)内的压力恢复，随后所述偏航驱动器(5)和多个所述偏航制动器(2)共同产生制动阻尼，克服风轮偏航方向弯矩，保持机舱风轮相对塔筒静止。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述偏航驱动器(2)包括相互连接的偏航电机和ngw行星减速传动齿轮箱，当系统开始偏航，所述偏航电机接收电机抱闸开启指令，开启电机抱闸，所述液压单元(4)接收卸压指令进行卸压，所述偏航电机接收启动指令并启动，传动至ngw行星减速传动齿轮箱的输出齿轮，克服多个所述偏航制动器(2)产生的制动阻尼，所述偏航电机与输出齿轮的齿圈啮合，驱动所述机舱主结构沿塔顶中心旋转运动，直至偏航动作结束；当系统偏航结束，所述偏航电机接收停止指令，停止运作，所述液压单元(4)接收加压和保压指令，开始加压和保压，直至所述液压单元(4)内的压力恢复，随后所述偏航电机接收电机抱闸闭合指令，闭合电机抱闸，使得所述偏航电机和多个所述偏航制动器(2)共同产生制动阻尼，克服产生偏航弯矩，保持机舱风轮相对塔筒静止。3.根据权利要求2所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述偏航电机上设有用以监测所述偏航电机转速的测速传感器，在非偏航状态下，当所述测速传感器监测所述偏航电机转速超过转速阈值sp1时，通过提高液压单元的初始压力p0提升系统制动力，进而克服偏航弯矩。4.根据权利要求2所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述偏航电机上设有用以监测所述偏航电机电流的电流传感器，在偏航过程中，当所述偏航电机的电流均值在设定时间t5内超过阈值电流i2时，通过降低阈值压力p1，降低偏航过程中的制动力。5.根据权利要求3或4所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述风力发电机上设有用以监测机舱风轮偏航和弯矩载荷值的载荷估计传感器，通过获取弯矩载荷值和气象数据确定初始压力p0的提高值和阈值压力p1的降低值。6.根据权利要求5所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，当弯矩载荷值超过初始压力p0的可调控上限，通过增加所述第二制动器的数量克服偏航弯矩；当弯矩载荷值低于偏航系统制动力设计允用值下限，更换或调整所述偏航制动器(2)的摩擦片。7.根据权利要求6所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，当弯矩载荷值低于阈值压力p1可调控下限，通过调节机械压力降低制动力；当弯矩载荷值低于偏航系统制动力设计允用值下限，发出驱动异常告警。8.根据权利要求2所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述偏航电机上设有用以监测偏航电机绕组温度的温度传感器和用以监测偏航电机转速和转矩的
力矩传感器。9.根据权利要求1所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述液压单元(4)上设有用以监测所述液压单元(4)内回路压力的压力传感器、用以监测所述液压单元(4)内油温的温度传感器和用以监测所述液压单元(4)内油位的液位传感器。10.根据权利要求9所述的一种风力发电机混合式偏航制动系统，其特征在于，所述液压单元(4)接收卸压指令后，所述液压单元(4)的电磁阀打开，所述压力传感器对所述液压单元(4)内的压力进行监测，当监测到所述液压单元(4)内的压力卸压至阈值压力后，所述偏航驱动器接收启动指令并启动；所述液压单元(4)接收加压和保压指令后，控制电磁阀闭合，开始保压，当所述压力传感器监测到所述液压单元(4)内的压力低于临界压力后，所述液压单元(4)的油泵电机开始启动加压直至所述液压单元(4)内的压力恢复至设定压力停止工作。

技术总结
本发明涉及一种风力发电机混合式偏航制动系统，包括与塔筒连接的偏航齿圈、机舱主结构以及设于所述机舱主结构上的偏航驱动器和多个偏航制动器，多个偏航制动器包括被动式制动器和混合式制动器，混合式制动器连接有液压单元；发出偏航开始指令，经过延时后，液压单元进行卸压，再次延时后，偏航驱动器启动，克服多个偏航制动器产生的制动阻尼，驱动机舱主结构沿塔顶中心旋转运动，直至偏航动作结束；发出偏航结束指令，经过延时后，液压单元进行加压和保压，使得液压单元内的压力恢复，再次延时后，偏航驱动器和多个偏航制动器共同产生制动阻尼，保持机舱风轮相对塔筒静置。与现有技术相比，该发明兼具结构简单成本低、制动力强和稳定的特点。稳定的特点。稳定的特点。


技术研发人员：赵国权 汪涛 程磊 张进 张治衡 刘文晋
受保护的技术使用者：远景能源有限公司
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/5/26