能量獲取設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置及運(yùn)行方法

專利名稱：能量獲取設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置及運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能量獲取設(shè)備用、尤其是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置，所述差速傳動(dòng)裝置具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置，其中，一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)裝置與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接，一個(gè)從動(dòng)裝置與一個(gè)能與電網(wǎng)相連接的發(fā)電機(jī)相連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)裝置與一個(gè)作為差速驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)相連接。本發(fā)明還涉及一種使能量獲取設(shè)備用、尤其是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置運(yùn)行的方法，所述差速傳動(dòng)裝置具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置，其中，一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)裝置與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接，一個(gè)從動(dòng)裝置與一個(gè)能與電網(wǎng)相連接的發(fā)電機(jī)相連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)裝置與一個(gè)作為差速驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)相連接。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電站作為發(fā)電設(shè)備的重要性日益增大。由此，通過風(fēng)來發(fā)電所占的百分比連續(xù)上升。這一方面也決定了新的電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，另一方面決定了采用還要更大的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的趨勢。同時(shí)也可看到朝向要求裝機(jī)功率至少為5MW的設(shè)備尺寸的海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的趨勢。由于用于海上范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施和保養(yǎng)或者說維護(hù)成本很高， 因此設(shè)備的效率以及可用率特別重要。所有設(shè)備均迫切需要可變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，一方面是為了提高部分負(fù)荷范圍內(nèi)的空氣動(dòng)力效率，另一方面是為了調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的傳動(dòng)系中的轉(zhuǎn)矩。后者目的是結(jié)合轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整裝置來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。目前投入使用的大部分風(fēng)力發(fā)電設(shè)備通過采用與變頻器相結(jié)合的所謂的雙饋交流電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)形式的可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)解決方案來滿足這個(gè)要求。但是這些解決方案的缺點(diǎn)在于(a)如果出現(xiàn)電網(wǎng)故障，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的電性能僅有條件地滿足電力供應(yīng)企業(yè)的要求；(b)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備僅可利用變電站連接到中壓電網(wǎng)上；以及(c)對于可變轉(zhuǎn)速必需的變頻器功率很大，并且因此是效率損失的原因。這些問題可以通過采用他勵(lì)式中壓同步發(fā)電機(jī)來解決。但在這里需要采用替代解決方案來滿足對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備傳動(dòng)系中的可變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的要求。一種可能性是使用在恒定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下通過改變傳動(dòng)比而允許風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的可變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差速傳動(dòng)裝置。W02004/109157A1闡述了一種復(fù)雜的、流體靜力的“多路”方案，具有多個(gè)并行的差速級和多個(gè)能切換的離合器，因此可以在各個(gè)通路之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用所述的技術(shù)方案可以減小流體靜力系統(tǒng)的功率以及損失。但是主要缺點(diǎn)是整個(gè)單元構(gòu)造復(fù)雜。此外，在各個(gè)級之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換也是在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備調(diào)節(jié)過程中的問題。EP1283359A1闡述了一種具有電差速驅(qū)動(dòng)裝置的單級的差速傳動(dòng)裝置，包括一個(gè)圍繞輸入軸同軸定位的且額定轉(zhuǎn)速低和額定功率大(與可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍相比)的專用交流電機(jī)。已知實(shí)施方式的缺點(diǎn)一方面是差速驅(qū)動(dòng)裝置中的損失高，另一方面是在解決該問題的方案中機(jī)械構(gòu)造或者專用電機(jī)構(gòu)造復(fù)雜并且因此成本高。此外，在流體靜力解決方案中，所采用的泵的使用壽命也是一個(gè)問題或者說在匹配極限環(huán)境條件時(shí)的高額花費(fèi)是必需的。總之可確定，所選的額定轉(zhuǎn)速范圍要么對于極限負(fù)荷的調(diào)節(jié)而言太小，或者對于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的最佳發(fā)電量而言太大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，盡可能避免上述缺點(diǎn)并且提供一種差速驅(qū)動(dòng)裝置，該差速驅(qū)動(dòng)裝置成本盡可能小、不僅保證最大能量收益、而且也保證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的最佳調(diào)節(jié)。該目的采用一種具有權(quán)利要求1所述特征的差速傳動(dòng)裝置解決。該目的還采用一種具有權(quán)利要求18和/或19所述特征的方法解決。從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。通過設(shè)定差速傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比，對于低的流動(dòng)速度向下顯著地?cái)U(kuò)大能量獲取設(shè)備的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍，因?yàn)椴钏衮?qū)動(dòng)裝置作為單獨(dú)的發(fā)電機(jī)保持連接在電網(wǎng)上(主發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開)，以便允許較低的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并且因此相應(yīng)地提高能量獲取設(shè)備的年能量收益。


以下將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1對于按現(xiàn)有技術(shù)的一臺5MW風(fēng)力發(fā)電設(shè)備示出功率曲線、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及因此而得出的特性值，如葉尖速比和功率系數(shù)，圖2示出按現(xiàn)有技術(shù)的具有電差速驅(qū)動(dòng)裝置的差速傳動(dòng)裝置的原理，圖3示出與差速級的輸入軸同軸定位的交流電機(jī)的原理，圖4示出風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速比以及由此得出的用于差速驅(qū)動(dòng)裝置的最大輸入轉(zhuǎn)矩lax，圖5示例示出電差速驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速比和功率比，圖6示出場弱范圍(FeldschwSchebereich )為80 %的電差速驅(qū)動(dòng)裝置在不同
的年平均風(fēng)速時(shí)對于不同額定轉(zhuǎn)速范圍的毛能量收益之差，圖7示出按照本發(fā)明的一種解決方案，在差速驅(qū)動(dòng)裝置與同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸之間設(shè)有一個(gè)制動(dòng)器，圖8示出用于按照本發(fā)明的差速傳動(dòng)裝置實(shí)施方式的差速驅(qū)動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速特性曲線，圖9示出差速傳動(dòng)裝置的另一種實(shí)施方式，在與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接的第一驅(qū)動(dòng)裝置和差速驅(qū)動(dòng)裝置之間設(shè)有一個(gè)制動(dòng)器。
具體實(shí)施例方式風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子功率根據(jù)以下公式算出轉(zhuǎn)子功率=轉(zhuǎn)子面積*功率系數(shù)*空氣密度/2*風(fēng)速3其中，功率系數(shù)取決于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子的葉尖速比(=葉片尖端速度與風(fēng)速之比)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子對于最佳的功率系數(shù)基于在開發(fā)過程中待確定的葉尖速比 (大多為介于7和9之間的值)設(shè)計(jì)。出于此原因當(dāng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在部分負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)必須調(diào)整相應(yīng)小的轉(zhuǎn)速，以便保證最佳的空氣動(dòng)力效率。
圖1示出對于轉(zhuǎn)子的規(guī)定的最大轉(zhuǎn)速范圍或最佳的葉尖速比為8. 0至8. 5的轉(zhuǎn)子功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、葉尖速比和功率系數(shù)的關(guān)系。從圖中可看出，一旦葉尖速比偏離其最佳值8. 0至8. 5，功率系數(shù)就下降，并且根據(jù)上述公式轉(zhuǎn)子功率按照轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力特性而減小。圖2示出風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的差速系統(tǒng)的可能的原理，該差速系統(tǒng)包括差速級3或11 至13、一個(gè)適配傳動(dòng)級4和一個(gè)差速驅(qū)動(dòng)裝置6。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安裝于用于主變速器2 的驅(qū)動(dòng)軸9上的轉(zhuǎn)子1驅(qū)動(dòng)主變速器2。主變速器2是一個(gè)3級的變速器，具有兩個(gè)行星級和一個(gè)正齒輪級。由主變速器2通過差速級3的行星架12驅(qū)動(dòng)的差速級3位于主變速器 2和發(fā)電機(jī)8之間。發(fā)電機(jī)8 (優(yōu)選是他勵(lì)式同步發(fā)電機(jī)，該同步發(fā)電機(jī)在需要時(shí)也可具有大于20kV的額定電壓)連接于差速級3的齒圈13并且由該齒圈驅(qū)動(dòng)。差速級3的小齒輪 11與差速驅(qū)動(dòng)裝置6相連接。調(diào)節(jié)差速驅(qū)動(dòng)裝置6的轉(zhuǎn)速，以便一方面在轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速可變時(shí)保證發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)速恒定不變，并且另一方面調(diào)節(jié)在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的整個(gè)傳動(dòng)系中的轉(zhuǎn)矩。為了提高差速驅(qū)動(dòng)裝置6的輸入轉(zhuǎn)速，在所示的情況下選擇一種2級的差速傳動(dòng)裝置，該差速傳動(dòng)裝置在差速級3和差速驅(qū)動(dòng)裝置6之間設(shè)置一個(gè)正齒輪級形式的適配傳動(dòng)級4。差速級3和適配傳動(dòng)級4因此構(gòu)成2級的差速傳動(dòng)裝置。差速驅(qū)動(dòng)裝置是一通過變頻器7和變壓器5連接到電網(wǎng)10上的交流電機(jī)。圖3示出差速傳動(dòng)裝置的另一種可能的實(shí)施方式。轉(zhuǎn)子1驅(qū)動(dòng)主變速器2，然后該主變速器通過行星架12驅(qū)動(dòng)差速級11至13。發(fā)電機(jī)8與齒圈13相連接，并且小齒輪11 與差速驅(qū)動(dòng)裝置6相連接。差速傳動(dòng)裝置3為單級的，而差速驅(qū)動(dòng)裝置6不僅與主變速器 2的從動(dòng)軸同軸布置、而且與發(fā)電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)軸同軸布置。在發(fā)電機(jī)8中設(shè)有一個(gè)空心軸， 該空心軸允許將差速驅(qū)動(dòng)裝置6定位在發(fā)電機(jī)8的背離差速傳動(dòng)裝置的一側(cè)上。因此，差速級優(yōu)選是一個(gè)單獨(dú)的連接在發(fā)電機(jī)8上的組件，該組件然后優(yōu)選通過一離合器14和一主制動(dòng)器15與主變速器2相連接。小齒輪11和差速驅(qū)動(dòng)裝置6之間的連接軸16優(yōu)選在一種貫性矩特別小的、特別抗扭的實(shí)施方案中可以例如利用玻璃纖維和/或碳纖維構(gòu)造成復(fù)合纖維空心軸。用于差速傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速方程式為 轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)=X*轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子+y*轉(zhuǎn)速差速驅(qū)動(dòng)裝置，其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的，并且因數(shù)χ和y可由主變速器和差速傳動(dòng)裝置的所選的傳動(dòng)比導(dǎo)出。轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩由存在的風(fēng)力和轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力效率決定。轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)矩與差速驅(qū)動(dòng)裝置上的轉(zhuǎn)矩之比是恒定的，因此可通過差速驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)傳動(dòng)系中的轉(zhuǎn)矩。 用于差速驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩方程式為轉(zhuǎn)矩差速驅(qū)動(dòng)裝置=轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子*y/X，其中，大小因數(shù)y/x是用于差速驅(qū)動(dòng)裝置的所需設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩的尺度。差速驅(qū)動(dòng)裝置的功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及其基本轉(zhuǎn)速(差速驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)的百分比偏差乘以轉(zhuǎn)子功率得到的積基本上成比例。據(jù)此，大的轉(zhuǎn)速范圍原則上要求差速驅(qū)動(dòng)裝置具有相應(yīng)大的尺寸。圖4示例地對于不同的轉(zhuǎn)速范圍示出此情況。轉(zhuǎn)子的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍限定其與轉(zhuǎn)子基本轉(zhuǎn)速的百分比轉(zhuǎn)速偏差，其可以在沒有場削弱的情況下利用差速驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速(-…電機(jī)模式或+···發(fā)電機(jī)模式)實(shí)現(xiàn)。在交流電機(jī)的情況下，差速驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速(η)限定那個(gè)最大轉(zhuǎn)速，在該最大轉(zhuǎn)速時(shí)它可以持久地帶來額定轉(zhuǎn)矩(Mn)或額定功率在額定功率范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子以介于極限nmax和nmin_maxP之間的平均轉(zhuǎn)速nMted旋轉(zhuǎn)，在部分負(fù)荷范圍內(nèi)在nratral和nmin之間旋轉(zhuǎn)，在本示例中可以利用80%的場弱范圍實(shí)現(xiàn)(這相當(dāng)于為額定轉(zhuǎn)速1. 8倍的、差速驅(qū)動(dòng)裝置的最大轉(zhuǎn)速)。在不減小負(fù)載的情況下可實(shí)現(xiàn)的、介于nmax和nmin_maxP之間的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速范圍選擇成相應(yīng)大的，以便能夠調(diào)整風(fēng)暴。該轉(zhuǎn)速范圍的大小取決于風(fēng)力或者風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子的慣性和變所謂的節(jié)距系統(tǒng) (轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整系統(tǒng))的動(dòng)態(tài)特性，并且通常約為。在所示的示例中選用了
的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速范圍，以便為了利用差速驅(qū)動(dòng)裝置控制極端暴風(fēng)而具有相應(yīng)的儲備。在該調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備必須產(chǎn)生額定功率，這意味著差速驅(qū)動(dòng)裝置在此承受最大轉(zhuǎn)矩負(fù)荷。也就是說，轉(zhuǎn)子的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍必須至少大致同樣大，因?yàn)橹挥性谠摲秶鷥?nèi)差速驅(qū)動(dòng)裝置才能提供其額定轉(zhuǎn)矩。在具有一個(gè)差速級的電動(dòng)的和流體靜力的差速驅(qū)動(dòng)裝置中，將差速驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速等于0時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速稱作基本轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)在由于在小的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍時(shí)基本轉(zhuǎn)速高于 nfflin_maxP,因此差速驅(qū)動(dòng)裝置必須能夠在轉(zhuǎn)速等于0時(shí)帶來額定轉(zhuǎn)矩。但差速驅(qū)動(dòng)裝置(無論是電動(dòng)的還是流體靜力的)在轉(zhuǎn)速等于0時(shí)只能產(chǎn)生明顯低于額定力矩的轉(zhuǎn)矩，這只能通過在設(shè)計(jì)時(shí)的相應(yīng)的超尺寸來補(bǔ)償。據(jù)此，就本實(shí)施例而言得到在此意義上最佳的約為_/+14%的最小額定轉(zhuǎn)速范圍。在圖5中示例地看到用于具有_/+14%額定轉(zhuǎn)速范圍的差速級的轉(zhuǎn)速或功率關(guān)系。發(fā)電機(jī)(優(yōu)選他勵(lì)式中壓同步發(fā)電機(jī))的轉(zhuǎn)速由于連接在頻率固定的電網(wǎng)上而是恒定的。為了能夠相應(yīng)良好地充分利用差速驅(qū)動(dòng)裝置，可使該驅(qū)動(dòng)裝置在基本轉(zhuǎn)速小的范圍內(nèi)以電動(dòng)機(jī)模式工作，而在基本轉(zhuǎn)速大的范圍內(nèi)以發(fā)電機(jī)模式工作。這導(dǎo)致在電動(dòng)機(jī)范圍內(nèi)將功率饋入到差速級中，而在發(fā)電機(jī)范圍內(nèi)從差速級獲取功率。在電差速驅(qū)動(dòng)裝置的情況下，該功率優(yōu)選從電網(wǎng)獲取或者饋入該電網(wǎng)中。在液壓式差速驅(qū)動(dòng)裝置的情況下，功率優(yōu)選從發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸獲取或者提供給該發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸。發(fā)電機(jī)功率與差速驅(qū)動(dòng)裝置功率之和得到為電差速驅(qū)動(dòng)裝置輸入到電網(wǎng)之中的總功率。圖6示出具有電差速驅(qū)動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在不同的年均風(fēng)速下的毛能量收益之差與風(fēng)力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速范圍相關(guān)的關(guān)系。毛能量收益基于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子的輸出功率減去差速驅(qū)動(dòng)裝置(包括變頻器)和差速傳動(dòng)裝置的損失。年均風(fēng)速在此是在轂高度(相當(dāng)于轉(zhuǎn)子中心點(diǎn))測得的風(fēng)速的年平均值。10. Om/ s、8. 5m/s、7. 5m/s和6. Om/s的最大年均風(fēng)速相當(dāng)于所謂的IEC類型等級1、2、3和4。按照標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)將雷利O^ayleigh)分布作為統(tǒng)計(jì)頻率分布。的額定轉(zhuǎn)速范圍是基于本示例的基礎(chǔ)，其在配有差速驅(qū)動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)由于最小所需的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速范圍而是必需的，其中，額定轉(zhuǎn)速范圍指的是那個(gè)可以利用差速驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍。此外，假設(shè)場弱范圍比差速驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速高出達(dá)80%。從圖中不難看出，對于低的年均風(fēng)速可在大約為-/+20%的額定轉(zhuǎn)速范圍時(shí)達(dá)到最佳值，并且擴(kuò)大額定轉(zhuǎn)速范圍此外不再帶來任何好處， 因?yàn)檩^大的差速驅(qū)動(dòng)裝置抵消或者說超過較高的效率損失，較大的轉(zhuǎn)速范圍抵消或超過效率增益。該最佳值對于較高的年均風(fēng)速朝向_/+15%額定轉(zhuǎn)速范圍移動(dòng)。
圖7示出差速傳動(dòng)裝置的按照本發(fā)明的一種實(shí)施方式。給如在圖3中描述的系統(tǒng)添加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)器17，一旦該制動(dòng)器被激活，該制動(dòng)器就將差速驅(qū)動(dòng)裝置6的連接軸16以不可相對旋轉(zhuǎn)的方式與同步發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)子軸18連接。在所示的實(shí)施方案中，制動(dòng)器17包括一個(gè)或多個(gè)與同步發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)子軸18相連接的制動(dòng)鉗以及一個(gè)或多個(gè)與連接軸16相連接的制動(dòng)盤。但制動(dòng)鉗同樣也可以與連接軸16相連接，和制動(dòng)盤可以與轉(zhuǎn)子軸18相連接。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子例如具有_/+14%的額定轉(zhuǎn)速范圍，因此當(dāng)差速傳動(dòng)裝置3 的固定傳動(dòng)比大約為-5時(shí)對于所示差速驅(qū)動(dòng)裝置得到額定轉(zhuǎn)速為1075轉(zhuǎn)/分。這在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的典型運(yùn)行(也就是說制動(dòng)器17沒有激活)并且差速驅(qū)動(dòng)裝置6以達(dá)80%的場弱范圍運(yùn)行時(shí)允許風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子的最小轉(zhuǎn)速為8.3轉(zhuǎn)/分(參考圖4)。在接通風(fēng)速為3m/s時(shí)，轉(zhuǎn)子的葉尖速比由此約為19，功率系數(shù)約為0. 12。但這意味著能量收益大大惡化——與大約為0. 49的可能的最大功率系數(shù)相比。現(xiàn)在如果仔細(xì)觀察圖5，則可看出當(dāng)風(fēng)速低于7m/s時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸16上的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大約為1000轉(zhuǎn)/分，這大約是差速驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速。這就是說，當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸16和同步發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)子軸18通過拉緊的制動(dòng)器17以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式連接時(shí)，就可以將差速驅(qū)動(dòng)裝置6作為發(fā)電機(jī)使用，該發(fā)電機(jī)借助變頻器7和變壓器5連接到電網(wǎng)10上，同時(shí)借助例如開關(guān)19將同步電機(jī)8與電網(wǎng)斷開。差速驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選是一種能結(jié)合變頻器7實(shí)現(xiàn)對于應(yīng)用特定大的轉(zhuǎn)速范圍(即從等于零的轉(zhuǎn)速直至最大場弱范圍——例如1.8倍的額定轉(zhuǎn)速)的交流電機(jī)(例如典型的異步電機(jī)或者貫性特別小的永磁激勵(lì)的同步電機(jī))。因此這樣地調(diào)整差速驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速，使得能在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子上實(shí)現(xiàn)最佳的葉尖速比。圖8示例示出兩種運(yùn)行模式的特性曲線，這些特性曲線在4. 5m/s和5. 5m/s的平均風(fēng)速之間相互重疊(以兩條垂直線表征的區(qū)域)。由于風(fēng)速呈隨機(jī)分布，該滯后是必需的，以便避免在兩種運(yùn)行模式之間持續(xù)地來回切換。這就是說，該滯后越大，就越不必頻繁地從一種運(yùn)行模式切換到另一運(yùn)行模式。在此，通過差速驅(qū)動(dòng)裝置6的額定功率來限制“差速驅(qū)動(dòng)裝置6作為發(fā)電機(jī)”的運(yùn)行模式。在“同步發(fā)電機(jī)8連在電網(wǎng)上”的運(yùn)行模式時(shí)，通過所選的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍或者通過差速驅(qū)動(dòng)裝置6的所選的場弱范圍來限制轉(zhuǎn)速范圍。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在功率輸出小的范圍內(nèi)差速驅(qū)動(dòng)裝置6的效率明顯好于大多倍的同步發(fā)電機(jī)8的效率。通過這種擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍，可以將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的年能量收益提高了高達(dá)1.5%。此外，可以將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子的-/+額定轉(zhuǎn)速范圍減小到在調(diào)節(jié)技術(shù)上必需的最小值，因?yàn)樵凇安钏衮?qū)動(dòng)裝置6作為發(fā)電機(jī)”的運(yùn)行模式下、在風(fēng)速低時(shí)可以任意降低差速驅(qū)動(dòng)裝置6的轉(zhuǎn)速，而基本不受限制。因此按最優(yōu)成本減小差速驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸。在兩種運(yùn)行模式之間的切換過程可以按照以下所述進(jìn)行。如果處于“差速驅(qū)動(dòng)裝置6作為發(fā)電機(jī)”的運(yùn)行模式下并且由于平均風(fēng)速升高而要切換到“同步發(fā)電機(jī)8連在電網(wǎng)上”的運(yùn)行模式，則首先利用轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整裝置將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的功率調(diào)節(jié)到大約為零， 并且在下一步驟中松開制動(dòng)器17。接著利用差速驅(qū)動(dòng)裝置6使同步發(fā)電機(jī)8與電網(wǎng)同步。 一旦完成該操作，就可以閉合開關(guān)19，由此同步發(fā)電機(jī)8連在電網(wǎng)上，隨后風(fēng)力發(fā)電設(shè)備可以重新進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行模式。該過程僅持續(xù)幾秒鐘，并且因此不對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的能量收益產(chǎn)生明顯的損失。如果處于“同步發(fā)電機(jī)8連在電網(wǎng)上”的運(yùn)行模式下并且由于平均風(fēng)速下降而要切換到第二個(gè)運(yùn)行模式“差速驅(qū)動(dòng)裝置6作為發(fā)電機(jī)”，則同樣首先利用轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整裝置將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的功率調(diào)節(jié)到大約為零。接著通過打開開關(guān)19將同步發(fā)電機(jī)8簡單地與電網(wǎng)斷開，然后使差速驅(qū)動(dòng)裝置6的轉(zhuǎn)速大約達(dá)到同步發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)子軸18的轉(zhuǎn)速，接著激活制動(dòng)器17。隨后風(fēng)力發(fā)電設(shè)備可以重新進(jìn)入生產(chǎn)運(yùn)行模式?；蛘撸钏衮?qū)動(dòng)裝置6的簡單的制動(dòng)同樣是可能的，但造成制動(dòng)器17承受較高的負(fù)荷。圖9示出差速傳動(dòng)裝置的一種可選的實(shí)施方式，其具有可松開的、不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的連接。給基本上與圖2所述一樣的系統(tǒng)完成一個(gè)制動(dòng)器20，該制動(dòng)器在小齒輪軸21與主變速器2的正齒輪級的和差速傳動(dòng)裝置3的行星架12相連接的齒輪22之間。制動(dòng)器20 在所示的實(shí)施方案中包括一個(gè)或多個(gè)與齒輪22相連接的制動(dòng)鉗以及一個(gè)或多個(gè)與小齒輪軸21相連接的制動(dòng)盤。這樣產(chǎn)生與圖7所示的用于在驅(qū)動(dòng)軸16和同步發(fā)電機(jī)8的轉(zhuǎn)子軸 18之間的制動(dòng)器17 —樣的效應(yīng)。也就是說，一旦一個(gè)差速傳動(dòng)裝置的三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置中的任意兩個(gè)軸以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式相互連接，該原理就發(fā)揮作用，從而差速傳動(dòng)裝置3的傳動(dòng)比等于1。 當(dāng)然也可以想到各種其它的解決方案，利用該解決方案能鎖止差速傳動(dòng)裝置3，從而可以將其傳動(dòng)比設(shè)定為1，例如利用行星架12的至少一個(gè)鎖定的行星齒輪。代替上述的用于以不可轉(zhuǎn)動(dòng)方式將一個(gè)差速傳動(dòng)裝置的三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置的任意兩個(gè)軸相連接的制動(dòng)器，例如也可以使用各種類型的離合器(例如膜片離合器或牙嵌離合器)，其中當(dāng)例如使用牙嵌離合器時(shí)要以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式連接的軸的同步比利用例如制動(dòng)器或膜片離合器時(shí)比較復(fù)雜。此外，在設(shè)計(jì)差速驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)還要考慮其它一些重要的特殊情況。例如通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與在差速驅(qū)動(dòng)裝置上的轉(zhuǎn)速之比恒定不變，差速驅(qū)動(dòng)裝置的失靈可能引起嚴(yán)重的損壞。一個(gè)例子是差速驅(qū)動(dòng)裝置在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的額定運(yùn)行時(shí)失靈。同時(shí)傳動(dòng)系上的可傳遞的轉(zhuǎn)矩變?yōu)榱恪Ｔ谶@種情況下，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速例如由于轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整裝置的快速調(diào)整而驟然減小并且發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開。由于發(fā)電機(jī)的慣性比較大，該發(fā)電機(jī)僅緩慢地改變其轉(zhuǎn)速。因此如果差速驅(qū)動(dòng)裝置不能在沒有減速的情況下至少部分維持其轉(zhuǎn)矩，則差速驅(qū)動(dòng)裝置的超速由此將不可避免。鑒于這一原因，例如當(dāng)使用流體靜力式差速驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)設(shè)有一種機(jī)械式制動(dòng)器，當(dāng)差速驅(qū)動(dòng)裝置失靈時(shí)，該制動(dòng)器可防止有害于傳動(dòng)系的超速轉(zhuǎn)速。為此目的， W02004/109157A1公開了一種具有固定于殼體上的制動(dòng)鉗的機(jī)械式制動(dòng)器，該制動(dòng)器直接作用于發(fā)電機(jī)軸并且從而能相應(yīng)地制動(dòng)發(fā)電機(jī)。同樣也可以使用制動(dòng)器17或20來避免有害的超速。差速驅(qū)動(dòng)裝置的這時(shí)所出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)速便相當(dāng)于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)速乘以主變速器2的傳動(dòng)比——這例如在按照圖7所描述的示例中約為1500轉(zhuǎn)/分。為了安全起見，制動(dòng)器17或20可以構(gòu)造成所謂的安全制動(dòng)器(所謂的防故障的制動(dòng)器)，也就是說它可以克服彈簧力打開并且由此在電力供應(yīng)中斷時(shí)自動(dòng)激活。但按照圖7和圖9的實(shí)施方案的區(qū)別主要在于利用主制動(dòng)器15對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的所謂緊急制動(dòng)的作用。出發(fā)點(diǎn)在于，當(dāng)激活主制動(dòng)器15時(shí)通常高達(dá)2. 5倍額定力矩的制動(dòng)力矩起作用，該制動(dòng)力矩將按照其減小的貫性矩分布地作用于轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)和差速驅(qū)動(dòng)裝置上。這些當(dāng)然與所構(gòu)造的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的質(zhì)量比有關(guān)。作為真實(shí)的示例，假設(shè)在 5MW風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以額定工況運(yùn)時(shí)關(guān)于主制動(dòng)器15將大約1900kgm2分配給轉(zhuǎn)子1、將大約 200kgm2分配給同步發(fā)電機(jī)8并將大約IOkgm2分配給差速驅(qū)動(dòng)裝置6。也就是說，制動(dòng)力矩的大部分(大約90%或者說2. 2倍的轉(zhuǎn)子額定力矩)作用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子軸。因?yàn)樵诎凑請D9所示的實(shí)施方案中差速驅(qū)動(dòng)裝置6位于主制動(dòng)器15和轉(zhuǎn)子1之間的轉(zhuǎn)矩流中， 所以按照轉(zhuǎn)子1和差速驅(qū)動(dòng)裝置6之間恒定的轉(zhuǎn)矩比，該差速驅(qū)動(dòng)裝置同樣必須保持大約 2. 2倍的額定力矩。同理也適用于制動(dòng)器20的設(shè)計(jì)力矩。按照圖7的實(shí)施方案的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)主制動(dòng)器15落入時(shí)，其制動(dòng)力矩并不通過差速傳動(dòng)裝置3作用于決定貫性矩的轉(zhuǎn)子1。在這種情況下，只有大約9. 5%的制動(dòng)力矩作用于發(fā)電機(jī)8或者大約0. 5%作用于差速驅(qū)動(dòng)裝置6。因此，通過按照圖7所示的方式布置主制動(dòng)器15、轉(zhuǎn)子1和差速傳動(dòng)裝置3，不需要通過差速驅(qū)動(dòng)裝置6的在運(yùn)行中存在的轉(zhuǎn)矩來產(chǎn)生制動(dòng)器17的設(shè)計(jì)力矩。由于用來限制差速驅(qū)動(dòng)裝置6的出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)速的裝置是必不可少的，因此通過所述的裝置明顯擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍并且從而顯著提高年能量收益，而不引起附加費(fèi)用。上述的實(shí)施方式同樣可以在類似的技術(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。這主要涉及利用河流和洋流的水電站。對于該應(yīng)用適用與對于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備相同的基本前提條件，即變化的流動(dòng)速度。 在這些情況下，驅(qū)動(dòng)軸被由流動(dòng)介質(zhì)例如水所驅(qū)動(dòng)的裝置直接或間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸隨后直接或間接驅(qū)動(dòng)差速傳動(dòng)裝置。
權(quán)利要求
1.能量獲取設(shè)備用、尤其是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置，具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置，其中，一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)裝置與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接，一個(gè)從動(dòng)裝置與一個(gè)能與電網(wǎng)(10)相連接的發(fā)電機(jī)(8)相連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)裝置與一個(gè)作為差速驅(qū)動(dòng)裝置 (6)的電機(jī)相連接，其特征在于，所述差速傳動(dòng)裝置C3)的傳動(dòng)比能設(shè)定為1，并且所述發(fā)電機(jī)(8)能與電網(wǎng)(10)斷開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置能與另一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或與從動(dòng)裝置以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，小齒輪(11)能與行星架(12)以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，小齒輪(11)能與齒圈(1 以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，齒圈(1 能與行星架(1 以不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的方式相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的連接結(jié)構(gòu)具有制動(dòng)器(17，20)或離合器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，不可相對轉(zhuǎn)動(dòng)的連接結(jié)構(gòu)作為用來防止差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)和/或差速傳動(dòng)裝置(3)超速的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，行星架(1 的行星齒輪能利用鎖定裝置鎖定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所述鎖定裝置是制動(dòng)器或離合ο
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所述鎖定裝置作為用來防止差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)和/或差速傳動(dòng)裝置C3)超速的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所述差速傳動(dòng)裝置( 是一個(gè)單級的行星齒輪傳動(dòng)裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，所述差速傳動(dòng)裝置(3，4)是一個(gè)多級的傳動(dòng)裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，主制動(dòng)器(15) 作用于第一驅(qū)動(dòng)裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，當(dāng)發(fā)電機(jī)(8)與電網(wǎng)(10)斷開時(shí)，差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，電機(jī)(6)能在場弱范圍內(nèi)運(yùn)行，并且電機(jī)(6)至少有時(shí)在至少為50%的場弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的差速傳動(dòng)裝置，其中，與驅(qū)動(dòng)軸相連接的第一驅(qū)動(dòng)裝置以基本轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其特征在于，第一驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+6.0%并且最高為基本轉(zhuǎn)速的-/+20.0%，而電機(jī)(6)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的差速傳動(dòng)裝置，其特征在于，轉(zhuǎn)速范圍最高為基本轉(zhuǎn)速的-/+14. 0%o
18.使能量獲取設(shè)備用、尤其是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置運(yùn)行的方法，所述差速傳動(dòng)裝置具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置，其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)裝置與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接，一個(gè)從動(dòng)裝置與一個(gè)能與電網(wǎng)(10)相連接的發(fā)電機(jī)(8)相連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)裝置與一個(gè)作為差速驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)(6)相連接，其特征在于，從不僅發(fā)電機(jī)(8)而且差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)與電網(wǎng)(10)相連接的一個(gè)運(yùn)行模式這樣地切換到發(fā)電機(jī)(8)與電網(wǎng)(10) 斷開而差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)與電網(wǎng)(10)相連接的另一個(gè)運(yùn)行模式，即，首先將能量獲取設(shè)備的功率調(diào)節(jié)到零，接著將發(fā)電機(jī)(8)與電網(wǎng)斷開，然后使差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)的轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)(8)的轉(zhuǎn)子軸(18)的轉(zhuǎn)速，接著將差速傳動(dòng)裝置(3)的傳動(dòng)比設(shè)定為1并且最終重新提高能量獲取設(shè)備的功率。
19.使能量獲取設(shè)備用、尤其是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置運(yùn)行的方法，所述差速傳動(dòng)裝置具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置，其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)裝置與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接，一個(gè)從動(dòng)裝置與一個(gè)能與電網(wǎng)(10)相連接的發(fā)電機(jī)(8)相連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)裝置與一個(gè)作為差速驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)(6)相連接，其特征在于，從發(fā)電機(jī)(8)與電網(wǎng)(10) 斷開、差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)與電網(wǎng)(10)相連接并且差速傳動(dòng)裝置(3)的傳動(dòng)比設(shè)定為1的一個(gè)運(yùn)行模式這樣地切換到不僅發(fā)電機(jī)(8)而且差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)與電網(wǎng)(10)相連接的另一種運(yùn)行模式，即，首先將能量獲取設(shè)備的功率調(diào)節(jié)到零，接著取消將差速傳動(dòng)裝置(3)的傳動(dòng)比設(shè)定為1，然后利用差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)使發(fā)電機(jī)(8)與電網(wǎng)同步，接著將發(fā)電機(jī)(8) 與電網(wǎng)(10)相連接，并且最終重新提高能量獲取設(shè)備的功率。
全文摘要
一種能量獲取設(shè)備用、尤其是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備用的差速傳動(dòng)裝置，具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置或從動(dòng)裝置，其中，一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)裝置與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸相連接，一個(gè)從動(dòng)裝置與發(fā)電機(jī)(8)相連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)裝置與一個(gè)作為差速驅(qū)動(dòng)裝置(6)的電機(jī)相連接。差速傳動(dòng)裝置(3)的傳動(dòng)比可利用制動(dòng)器(20)設(shè)定為1。
文檔編號F03D7/04GK102483039SQ201080030104
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者格拉爾德·黑亨貝格爾 申請人:格拉爾德·黑亨貝格爾