混合制动系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及混合制动系统和方法。具体而言，提供了一种风力涡轮机的混合制动系统。该系统包括联接到风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率的发电机。机械制动器联接到主轴上，用于在风力涡轮机制动时施加反转矩。该系统还包括电制动电路，其联接到发电机上用于结合机械制动器起作用且通过受控的切换而耗散有功功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及涡轮机中的制动，并且更具体地涉及风力涡轮机中的混合制动。技术背景风力涡轮机作为能量源已经使用多年。在各种操作参数中，速度控制和紧急制动 能力对风力涡轮机内的构件的结构稳定性和寿命有很强的影响。将风力涡轮机转子的速 度控制在其最大极限以下是必需的，以避免高速风对风力涡轮机及其支承结构产生破坏作 用。如果容许风力涡轮机的旋转速度毫无限制地增大，则会出现因涡轮机叶片和转子的应 力过大而造成的结构性破坏。通常，风力涡轮机中的机械制动系统构造成用以在紧急状况或需要使涡轮机停止 的任何其它事件期间使涡轮机停机。然而，在涡轮机操作期间，很难在机械制动中实现动态 控制和快速响应。另一方式包括将液压技术配置到空气制动装置中，其中，在制动期间，叶 片末梢运动以对抗风力。在又一方式中，实行的是机械制动方案，其容许转子叶片在阵风风 况下向后并沿风流方向偏转。这继而响应于风况而改变转子叶片桨距或迎角。为了防止对 风力涡轮机和处于风场内时的其它风力涡轮机的破坏或损坏，制动系统必须提供可靠的制 动和备用制动系统。然而，如上文所述的此类机械制动方式存在一些缺点。所有这些装置显著增加了 转子叶片和整个传动系的成本和重量。实现动态翼片末梢制动器的空气制动器和相关硬件 具有低的公差极限，并且增加了设计、制造和维护的成本。此外，增加重量会增大制动系统 上的应变。在紧急停止期间仅通过执行机械制动，不可能避免动态转矩分量。为了处理这 些动态转矩，机械传动系必须设计有足够的安全裕度，这又增加了风力涡轮机结构的重量。 此外，在紧急停止期间，此类机械制动器由于瞬时过载和动态转矩分量而引起在齿轮箱上 的疲劳。因此，需要一种改进的制动系统。
技术实现思路
简言之，在一个实施例中，提供了一种风力涡轮机混合制动系统。该系统包括联接 到风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率(或电力)的发电机。机械制动器联接到主轴 上用于在对风力涡轮机制动时施加反转矩(或反作用转矩)。该系统还包括电制动电路， 其联接到发电机上用于结合机械制动器起作用和通过受控的切换而耗散有功(或有效)功率。在另一实施例中，提供了一种用以抑制风力涡轮机轴上的动态转矩的方法。该方 法包括在接收到紧急停止信号时，同时对轴进行机械地制动和激活电制动电路的可控开关 以在电制动电路的功率电阻器中耗散来自风力涡轮机的有功功率。在又一实施例中，提供了一种混合制动系统。该系统包括联接到涡轮机的主轴上 的机械制动器，以及电制动电路，该电路具有至少一个半导体开关、切换控制电路以及用于耗散有功功率的至少一个功率电阻器。该混合制动系统还包括用于响应紧急停止信号而激 活机械制动器和电制动电路两者的控制器。附图说明当参照附图研读如下详细描述时，本专利技术的这些及其它特征、方面和优点将变得 更好理解，全部附图中相似的标号表示相似的零件，其中图1为实现根据本专利技术实施例的混合制动系统的示例性风力涡轮机系统的框图2为在图1的实施例中使用的电制动电路的实施例；图3为仅执行机械制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的模拟图表；图4为执行根据本专利技术实施例的混合制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的 模拟图表；图5为执行根据本专利技术实施例的混合制动的风力涡轮机的主轴的转矩对时间的 另一图表；以及图6示出了应用混合制动的示例性方法。零件清单10风力涡轮机系统12 叶片14 叶片16 主轴17高速轴18齿轮箱20机械制动器22发电机24整流器26变换器28变压器30 电网32电制动电路34传感器；35传感器36控制器3840半导体开关42功率电阻器44切换控制电路46 端子48 二极管电桥50 图表52转矩和速度M 时间56电功率输出58制动转矩60旋转速度62扭转转矩64 时亥Ij66瞬时峰值68 时亥Ij70 振荡72 时刻74扭转转矩和制动转矩振荡767880 图表82有功功率分布曲线(profile)84瞬时峰值85-88持续抑制90 图表92 转矩94制动转矩96 过渡98100示例性混合制动方法102监测有功功率104紧急停止106无紧急停止事件108发生紧急停止事件110激活电制动电路112计算有功功率114应用机械制动器116混合制动具体实施方式在风力涡轮机操作期间，由风引起的各种力和力矩作用在涡轮机的转子轴上。例 如，峰值负载、突然加载反向、紧急停止、变化的风向以及振动都有助于动态效应。风力涡轮 机设计中的难题之一包括涡轮机的总体动态稳定性。由于在设计期间仅考虑静态状况，风 力涡轮机中传动系、齿轮箱和轴承的寿命可能低于估值。许多技术故障或电网事件趋于触 发紧急停止，而紧急停止导致转子的突然减速，这就在风力涡轮机上引起重负载。通常，响 应于紧急停止而应用机械制动器。这些制动器以有限的可控性和时间延迟对系统产生制动5转矩，因此在紧急停止事件期间引起大的动态转矩分量和过载。此外，在转子轴上引起转矩 振幅很高的扭转振荡。本专利技术的一些实施例提出了一种混合制动系统，用以抑制动态转矩 分量和改善整个制动系统的动态响应。图1为实现根据本专利技术实施例的混合制动系统的示例性风力涡轮机系统的框图。 风力涡轮机10包括联接到主轴16上的叶片12，14。齿轮箱18、机械制动器20和发电机 22也联接到主轴上。整流器M、变换器沈和变压器28电性(或电)联接到发电机22上。 变压器观构造成用以将功率(或电力)从发电机22传送至电网30。可选的是，一个或多 个传感器34，35联接到主轴16上。电制动电路32联接到发电机22的输出侧上。控制器 (或控制系统)36联接到机械制动器20和电制动电路32上。在风力涡轮机系统10的示例性操作中，风将力施加到叶片12，14上，而叶片12，14 又使主轴16旋转。齿轮箱18构造成用以调整主轴的速度，以便与发电机22的操作速度匹 配。机械制动器20联接到转子轴上，且构造成用以在制动期间施加反转矩。如本文所用， 用语转子轴和主轴是可互换的。发电机22构造成用以产生AC功率，该AC功率通 过整流器M转换成DC功率。变换器沈构造成用以将DC功率转换回与电网兼容的AC功 率。变压器观构造成以适当的电压水平将功率馈送到电网30。传感器34，35构造成用以 测量轴的一个或多个机械参数，如旋转速度和/或转矩。在示例性实施例中，控制器36构 造成用以在接收到紧急停止信号时同时激活机械制动器和电制动电路。图2为用于图1中的实施例的电制动电路的一个实施例。电制动电路32 (或动 态制动电路)包括联接到至少一个功率电阻器42上的至少一个半导体开关40。半导体 开关的非限制性实例包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、集成门极换向晶闸管、晶闸管，或它们的组合。功率电阻器构造可包括但不限于 钢丝绕组或金属合金带。这些电阻器的电流处理能力和电阻值(ohm)可按系统要求设计。 电阻器的热存储容量通常低于存储在转子中的旋转能的值。在一个实施例中，功率电阻器 构造成热容量大约小于在机械制动器中待耗散的能量的设计值的5%。切换控制电路44联 接到半导体开关40上，且构造成用以开启或关闭该开关40。如图1中所示的控制器36联 接到切换控制电路44上，且构造成用以同时激活动态制动和机械制动。在示例性操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力涡轮机混合制动系统，包括：发电机，其联接到所述风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率；机械制动器，其联接到所述主轴上用于在对所述风力涡轮机制动时施加反转矩；以及电制动电路，其联接到所述发电机上用于结合所述机械制动器起作用以及通过受控的切换而耗散有功功率。

【技术特征摘要】
US 2009-9-25 12/5667341.一种风力涡轮机混合制动系统，包括发电机，其联接到所述风力涡轮机的主轴上用于产生和传送功率；机械制动器，其联接到所述主轴上用于在对所述风力涡轮机制动时施加反转矩；以及电制动电路，其联接到所述发电机上用于结合所述机械制动器起作用以及通过受控的 切换而耗散有功功率。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电制动电路联接到所述发电机的输 出侧上。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电制动电路还包括至少一个可控半 导体开关和至少一个功率电阻器。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于响应紧急停止信号 而激活所述机械制动器和所述电制动电路两者的控制器。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用于响应所述机械制 动器的激活而促使所述电制动电...

【专利技术属性】
技术研发人员：SH施拉姆，CM西勒，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]