变桨传动设备及控制方法与流程

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种变桨传动设备及控制方法。

背景技术：

能源是社会经济和人类生活的主要物质基础，是社会发展的动力。然而，作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生的能源的储量日趋减少，世界各个国家都在发展风力发电，风力发电作为新能源，已经形成了成熟的规模。

风力发电机组是将风能转换成电能的设备。在风力发电过程中，风带动风力发电机组的桨叶转动，从而带动风力发电机组中风力发电机转动并产生电能。风速越大，风力发电机的转速越快。为了保证风力发电机的转速稳定，需要根据风速调节桨叶的桨距角，即进行变桨。

现阶段中，利用单个电机输出动力来驱动变桨轴承转动，实现变桨功能。具体的，单个电机连接有减速器，减速器和变桨轴承分别与传动装置传动连接，从而使得单个电机输出的动力通过减速器传递到传动装置上，在通过传动装置带动变桨轴承转动，从而实现变桨功能。但是，随着风力发电机组的发热功率的提升，以及桨叶的长度和重量不断增加，带动变桨轴承所需要的载荷增大，传动装置的负担加重。传动装置的强度不足以支撑传动装置长期处于极限载荷和疲劳载荷状态，使得传动装置容易发生损坏，从而导致风力发电机组出现故障。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种变桨传动设备及控制方法，能够避免传动装置因为强度不足导致长期处于极限载荷和疲劳载荷状态的情况。

第一方面，本发明实施例提供了一种变桨传动设备，用于驱动变桨轴承转动，该变桨传动设备包括多个电机和多个传动装置；多个电机被配置为其中每个电机带动一个传动装置，且多个电机的输出扭矩相同或者输出扭矩之差在允许范围内；多个传动装置被配置为在多个电机的带动下，带动变桨轴承转动。

根据上述第一方面，该变桨传动设备还包括与多个电机一一对应设置的多个驱动器，多个驱动器被配置为驱动多个电机，使得多个电机的输出扭矩相同或者输出扭矩之差在允许范围内；驱动器(11)还被配置为监测对应电机的输出扭矩和转速。

根据上述第一方面，多个电机中的一个电机为主电机，其余的电机为从电机，主电机对应的驱动器与从电机对应的驱动器相连接，主电机对应的驱动器被配置为向从电机对应的驱动器发送控制指令，控制从电机的输出扭矩。

根据上述第一方面，上述变桨传动设备还包括设置在变桨轴承上的变桨速度采集装置，变桨速度采集装置被配置为采集变桨轴承的实际变桨速度。

根据上述第一方面，变桨速度采集装置还被配置为将采集的实际变桨速度分别传递给多个驱动器；多个驱动器还被配置为根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，控制对应的电机调整输出扭矩。

根据上述第一方面，变桨速度采集装置被配置为将采集的实际变桨速度传递给主电机对应的驱动器；主电机对应的驱动器还被配置为根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，控制主电机调整输出扭矩，以及向从电机对应的驱动器发送调整指令；从电机对应的驱动器还被配置为根据调整指令，控制从电机调整输出扭矩。

根据上述第一方面，上述变桨传动设备还包括设置在电机与对应的传动装置之间的离合器，离合器被配置为控制电机与对应的传动装置传动连接或脱离。

根据上述第一方面，上述变桨传动设备还包括设置在变桨轴承上的抱匣装置，抱匣装置被配置为根据主电机对应的驱动器发送的抱闸指令对变桨轴承进行抱闸。

根据上述第一方面，上述变桨传动设备还包括与多个驱动器分别连接的主控单元，主控单元被配置为根据主电机对应的驱动器发送来的从电机的故障信息。

根据上述第一方面，传动装置为齿形带或齿轮。

第二方面，本发明实施例提供了一种变桨传动控制方法，用于上述方案的变桨传动设备，多个电机带动多个传动装置，从而带动变桨轴承转动，实现变桨功能。

根据上述第二方面，上述变桨传动控制方法还包括：由出现故障的从电机对应的驱动器向主电机对应的驱动器发送故障信息；由主电机对应的驱动器向主控单元发送故障信息；由主控单元根据故障信息，控制变桨轴承进行收桨，并控制出现故障的从电机对应的离合器与传动装置脱离。

根据上述第二方面，上述变桨传动控制方法还包括：由主控单元监测主电机对应的驱动器的心跳信号；当监测到主电机对应的驱动器的心跳信号发生异常时，由主控单元控制变桨轴承进行收桨，并控制与主电机对应的离合器与传动装置脱离。

根据上述第二方面，上述变桨传动控制方法还包括：由从电机对应的驱动器监测主电机对应的驱动器的心跳信号；当监测到主电机对应的驱动器的心跳信号发生异常时，由从电机对应的驱动器向主控单元发送通知信息；当主控单元接收通知消息时，由主控单元控制变桨轴承进行收桨，并控制与主电机对应的离合器与传动装置脱离。

根据上述第二方面，上述变桨传动控制方法还包括：由驱动器监测对应电机的输出扭矩和转速；若对应电机的输出扭矩在单位时间内下降的数值大于预设的扭矩下降阈值，且对应电机的转速在单位时间内上升的数值大于预设的转速上升阈值，由驱动器停止工作，或者控制对应电机的离合器与传动装置脱离；若对应电机的输出扭矩在单位时间内上升的数值大于预设的扭矩上升阈值，且对应电机的转速在单位时间内下降的数值大于预设的转速下降阈值，由驱动器停止工作，或者控制对应电机的离合器与传动装置脱离。

本发明实施例提供了一种变桨传动设备和控制方法，变桨传动设备中设置有多个电机，以及与多个电机一一对应设置的多个传动装置，多个电机带动多个传动装置，从而带动变桨轴承转动，实现变桨功能。多个电机的输出扭矩相同或者多个电机的输出扭矩之差在允许范围内。使得变桨轴承进行变桨时所需的扭矩能够均分给多个电机，由多个电机分别带动对应的传动装置，为变桨轴承提供进行变桨时所需的扭矩，从而降低每个传动装置的负担，避免传动装置长期处于极限载荷和疲劳载荷状态。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为本发明一实施例中的变桨传动设备的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的变桨传动控制方法的流程图；

图3为本发明另一实施例中变桨传动设备的结构示意图；

图4为本发明另一实施例中变桨传动设备的驱动示意图；

图5为本发明另一实施例的另一示例中的变桨传动控制方法的流程图；

图6为本发明另一实施例的又一示例中的变桨传动控制方法的流程图；

图7为本发明另一实施例的再一示例中的变桨传动控制方法的流程图；

图8为本发明又一实施例中的变桨传动设备的结构示意图；

图9为本发明再一实施例中的变桨传动控制方法的流程图。

其中：10-电机；11-传动装置；12-变桨轴承；13-驱动器；14-变桨速度采集装置；15-离合器；16-主控单元；17-抱闸装置。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图1为本发明一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，如图1所示，变桨传动设备包括多个电机10和多个传动装置11。其中，多个电机10被配置为使得每个电机10带动一个传动装置11。多个传动装置11被配置为在对应电机10的带动变桨轴承12转动。其中，多个电机10的输出扭矩相同或者输出扭矩之差在允许范围内，以保证多个电机10带动多个传动装置11能够使变桨轴承12正常转动。在一个可能的示例中，传动装置11可以为齿形带或齿轮等传动部件或传动部件的组合。每个电机10可以通过齿形带或齿轮等与变桨轴承12的外圈传动连接，从而带动变桨轴承12转动。若传动装置11为齿形带，则多个齿形带可以在变桨轴承12的轴向方向上并列排布。

在本发明实施例中，变桨轴承12进行变桨所需的扭矩能够从多个电机10均分得到，由多个电机10带动多个传动装置11共同向变桨轴承12提供进行变桨所需的扭矩。从而使得每个传动装置11的负载都比较小，避免传动装置11负载过大的情况。需要说明的是，在多个电机10和多个传动装置11中，多个电机10能够提供的输出扭矩之和大于或等于变桨轴承12进行变桨所需的驱动扭矩。

可以将一个电机10以及与该电机10对应的一个传动装置11看作一条变桨传动链路。本发明实施例中的变桨传动设备包括多条变桨传动链路，多条变桨传动链路相对独立，因此，当变桨传动设备中的一条或几条变桨传动链路出现故障时，其他的变桨传动链路并不受到影响，可以继续正常工作。风力发电机组可以利用未发生故障的变桨传动链路带动变桨轴承12进行变桨，提高了风力发电机组的运行可靠性。

图2为本发明一实施例中的变桨传动控制方法的流程图，如图2所示，变桨传动控制方法包括步骤201-步骤203。

在步骤201中，由多个电机10分别输出输出扭矩。

其中，多个电机10的输出扭矩相等或输出扭矩之差在允许范围内。

在步骤202中，由多个电机10带动多个传动装置11。

在步骤203中，由多个传动装置11带动变桨轴承12转动。

本发明实施例提供的变桨传动设备和方法中，变桨传动设备设置有多个电机10，以及与多个电机10一一对应设置的多个传动装置11，多个电机10带动多个传动装置11，从而带动变桨轴承12转动，实现变桨功能。多个电机10的输出扭矩相同或者多个电机10的输出扭矩之差在允许范围内。使得变桨轴承12进行变桨时所需的扭矩能够均分给多个电机，由多个电机10分别带动对应的传动装置，为变桨轴承12提供进行变桨时所需的扭矩，从而降低每个传动装置11的负担，避免传动装置11长期处于极限载荷和疲劳载荷状态，从而避免了传动装置11的强度不足以支撑传动装置11长期处于极限载荷和疲劳载荷状态的情况。

图3为本发明另一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，图3所示的变桨传动设备与图1的不同之处在于，变桨传动设备还包括与多个电机10一一对应设置的多个驱动器13，还可以包括设置在变桨轴承12上的变桨速度采集装置14、在每个电机10与对应的传动装置11之间的离合器15，以及与多个驱动器13分别连接的主控单元16。

其中，多个驱动器13被配置为驱动多个电机10，使得多个电机10的输出扭矩相同或者输出扭矩之差在允许范围内，从而使得变桨轴承12进行变桨所需的扭矩能够均分给多个电机10。一个驱动器13驱动一个电机10，一个电机10带动一个传动装置11。多个驱动器13相对可以独立工作，可以为每个驱动器13配置独立的备用电源，具体的，备用电源可以为卷绕电池或超级电容等。

离合器15可被配置为控制电机10与对应的传动装置11传动连接或脱离。具体的，离合器15可以为摩擦片式离合器、磁粉式离合器、涡流式离合器和可以带载动作的牙嵌式离合器。

变桨速度采集装置14被配置为采集变桨轴承12的实际变桨速度。变桨速度采集装置14可被配置为将采集的实际变桨速度分别传递给多个驱动器13。具体的，变桨速度采集装置14可以为编码器等装置。

驱动器13可以与对应电机10设置的离合器15信号连接，当驱动器13得知对应电机10发生故障时，可以向离合器15发出指令，控制离合器15使得电机10和对应的传动装置11脱离。或者，利用风力发电机组的主控单元16来控制离合器15使得电机10和对应的传动装置11脱离，其中，主控单元16可与各个驱动器13以及离合器15信号连接。本发明实施例中，在一个或几个电机10出现故障或失效时，能够将电机10与传动装置11脱离，避免故障电机或失效电机对变桨轴承12进行变桨造成不良影响。

图4为本发明另一实施例中的变桨传动设备的驱动示意图，如图4所示，多个驱动器13可被配置为根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，控制对应的电机10调整输出扭矩。比如，驱动器13根据实际变桨速度和目标变桨速度，得到目标扭矩，将目标扭矩传递给对应的电机10，各个电机10将输出扭矩调整为目标扭矩。其中，变桨速度采集装置14采集到的变桨轴承12的实际变桨速度可以反馈给多个驱动器13，形成变桨速度反馈闭环。多个电机10在驱动器13的控制下，调整输出扭矩，形成了扭矩控制闭环。为了实现扭矩控制闭环，上述驱动器13可以带有矢量控制和直接转矩控制功能。而且，由于扭矩控制闭环变化速率往往比较快，驱动器13间通信所采用的总线应具有较高的波特率。本发明实施例中的驱动器13集成有处理以及存储的功能，每个驱动器13中可预先存储预先设定好的目标变桨速度，根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度，可以实时调整对应电机10的输出扭矩，进而稳定变桨轴承12进行变桨的变桨速度。

在本发明另一实施例的一个示例中，可以将多个电机10中的一个电机10作为主电机，其余的电机10作为从电机，主电机对应的驱动器13与从电机对应的驱动器13相连接。比如，如图3所示，将第一个电机10作为主电机，对应的则是控制主电机的驱动器13，其余两个电机10作为从电机，对应的是控制两个从电机的驱动器13。主电机对应的驱动器13可被配置为向从电机对应的驱动器13发送控制指令，从电机对应的驱动器13可被配置为根据控制指令，控制从电机的输出扭矩，主电机对应的驱动器13可以集成有指令收发的功能，可以通过各种指令对从电机对应的驱动器13进行控制，便于多驱动器13以及多电机10的控制。具体的，主电机对应的驱动器13可以通过总线与从电机对应的驱动器13进行通讯，比如主电机对应的驱动器13通过总线向从电机对应的驱动器13发送控制指令。

在设置了主电机和从电机的场景中，设置在变桨轴承12上的变桨速度采集装置14可被配置为采集变桨轴承12的实际变桨速度，并将采集的实际变桨速度传递给主电机对应的驱动器11，形成了变桨速度反馈闭环。主电机对应的驱动器13还可被配置为根据实际变桨速度和设定的目标变桨速度的差值，控制主电机调整输出扭矩，以及向从电机对应的驱动器13发送调整指令。从电机对应的驱动器13还可被配置为根据调整指令，控制从电机调整输出扭矩。主电机对应的驱动器13可集成有存储、处理、指令收发的功能。

在这一示例中，由主电机对应的驱动器13控制从电机对应的驱动器13，主电机对应的驱动器13可以通过各种指令对从电机对应的驱动器13进行控制，简化了多驱动器13以及多电机10的之间的控制方式。

在本发明另一实施例的另一个示例中，主控单元16可以是风力发电机组的主控单元，与主电机对应的驱动器11连接。若一个或几个从电机出现故障或失效，可以被配置为根据主电机对应的驱动器发送来的从电机的故障信息控制变桨轴承12进行收桨，并控制出现故障的从电机对应的离合器15与传动装置11脱离。需要说明的是，在控制变桨轴承13进行收桨，以及控制出现故障的从电机对应的离合器15与传动装置12脱离时，主控单元16还可以调整整个风力发电机组的各类参数(如风力发电机组载荷等)，以使得风力发电机组能够正常工作。

图5为本发明另一实施例的另一示例中的变桨传动控制方法的流程图，图5与图2的不同之处在于，如图5所示，变桨传动控制方法还包括步骤204-步骤206。

在步骤204中，由出现故障的从电机对应的驱动器13向主电机对应的驱动器13发送故障信息。

出现故障的从电机会向从电机对应的驱动器13发送故障信息，从电机对应的驱动器13将该故障信息发送给主电机对应的驱动器13。故障信息可以包括从电机的标识，如电机编号等。

在步骤205中，由主电机对应的驱动器13向主控单元16发送故障信息。

在步骤206中，由主控单元16根据故障信息，控制变桨轴承12进行收桨，并控制出现故障的从电机对应的离合器15与传动装置11脱离。

需要说明的是，当一个或几个电机10出现故障或失效时，能够正常工作的电机10的输出扭矩之和能够满足变桨轴承12进行变桨所需的扭矩。避免了由于个别电机10故障或失效导致风力发电机组无法正常运行的情况，保证在电机10故障或失效时，变桨轴承13能够正常进行变桨，风力发电机组能够正常运行，提高了风力发电机组的运行可靠性。

在本示例中，当从电机出现故障时，变桨传动设备能够及时得知，并采取相应措施，避免变桨传动设备故障运行，从而避免影响风力发电机组的变桨以及发电，使得变桨轴承12能够正常进行变桨，风力发电机组能够正常运行，提高了风力发电机组的运行可靠性。

在本发明另一实施例的又一示例中，主控单元16还被配置为监测主电机对应的驱动器13的心跳信号。对应的，图6为本发明另一实施例的又一示例中的变桨传动控制方法的流程图，图6与图2的不同之处在于，如图6所示，变桨传动控制方法还包括步骤207-步骤208。

步骤207，由主控单元16监测主电机对应的驱动器13的心跳信号。

步骤208，当监测到主电机对应的驱动器13的心跳信号发生异常时，由主控单元16控制变桨轴承进行收桨，并控制与主电机对应的离合器15与传动装置11脱离。

当主电机对应的驱动器13的心跳信号发生异常时，表明主电机对应的驱动器13发生故障，可能无法驱动主电机。因此需要采取控制变桨轴承12进行收桨，控制与主电机对应的离合器15与传动装置11脱离等相应措施。

在本发明另一实施例的再一示例中，从电机对应的驱动器13还被配置为监测主电机对应的驱动器13的心跳信号。主控单元还与从电机对应的驱动器13连接，能够从从电机对应的驱动器13得到指令或信息。对应的，图7为本发明另一实施例的再一示例中的变桨传动控制方法的流程图，图7与图2的不同之处在于，如图7所示，变桨传动控制方法还包括步骤209-步骤211。

在步骤209中，由从电机对应的驱动器13监测主电机对应的驱动器13的心跳信号。

在步骤210中，当监测到主电机对应的驱动器13的心跳信号发生异常时，由从电机对应的驱动器13向主控单元16发送通知信息。

其中，该通知消息用于通知主控单元16主电机对应的驱动器13出现故障或失效。

在步骤211中，由主控单元16根据通知信息，控制变桨轴承12进行收桨，并控制与主电机对应的离合器15与传动装置11脱离。

需要说明的是，在上述两个示例中，心跳信号发生异常的情况包括且不限于主电机对应的驱动器13的心跳信号消失的情况，以及主电机对应的驱动器13心跳信号与正常的心跳信号不符的情况。

在上述示例中，能够由主控单元或从电机对应的驱动器13对主电机对应的驱动器13进行监控，当主电机对应的驱动器13发生故障时，能够及时采取措施，避免主电机对应的驱动器13的故障影响变桨轴承12进行变桨以及风力发电机组的正常运行。

图8为本发明又一实施例中的变桨传动设备的结构示意图，图8所示的变桨传动设备与图3所示的变桨传动设备的不同之处在于，图8所示的变桨传动设备还包括设置在变桨轴承12上的抱匣装置17。上述抱匣装置17可被配置为根据主电机对应的驱动器13发送的抱闸指令对变桨轴承12进行抱闸。若在每个电机10上均安装有抱闸装置17，在需要抱闸装置17对电机10进行抱闸时，可能会出现多个电机10上的多个抱闸装置17进行抱闸不同步，导致多个电机10共同输出的扭矩产生波动，从而影响风力发电机组正常工作。或者，若在每个电机10上均安装有抱闸装置17，当其中的一个或多个抱闸装置17失灵，无法完成抱闸动作或完成抱闸动作较慢，则不能完成抱闸动作或完成抱闸动作较慢的抱闸装置17对应的电机10带动的传动装置11会瞬时承担本应均分到多个电机10中的载荷，对电机10和传动装置11会造成损伤。还有可能其他完成抱闸动作的抱闸装置17不能够提供足够的制动力使桨叶停止运行。在本发明实施例中，将抱闸装置17设置在变桨轴承12上，在需要桨叶停止运行时，可以通过抱闸指令控制抱闸装置17对变桨轴承12进行制动，避免了多电机10完成抱闸动作不同步的情况。

在本发明实施例中，能够在需要对变桨轴承12进行制动时，利用抱闸装置17对变桨轴承12进行抱闸，从而实现对变桨轴承12的准确制动。

在本发明的再一实施例中，与多个电机10一一对应设置的驱动器13还可被配置为监测对应电机10的输出扭矩和转速。对应的，图9为本发明再一实施例中的变桨传动控制方法的流程图，图9与图2的不同之处在于，如图9所示，变桨传动控制方法还包括步骤212-步骤214。

在步骤212中，由驱动器13监测对应电机10的输出扭矩和转速。

在步骤213中，若对应电机10的输出扭矩在单位时间内下降的数值大于预设的扭矩下降阈值，且对应电机10的转速在单位时间内上升的数值大于预设的转速上升阈值，由驱动器13停止工作，或者控制对应电机10的离合器15与传动装置11脱离。

在多个传动装置11带动变桨轴承12转动时，若出现个别传动装置11故障的情况，比如，传动装置11为齿形带，当单根齿形带断裂时，驱动器13监测到的电机10的输出扭矩会出现较大跌落且转速会骤然上升，为了保证风力发电机组的正常工作，就需要控制驱动器13停止工作，或者控制对应电机10的离合器15与传动装置11脱离。

在步骤214中，若对应电机10的输出扭矩在单位时间内上升的数值大于预设的扭矩上升阈值，且对应电机10的转速在单位时间内下降的数值大于预设的转速下降阈值，由驱动器13停止工作，或者控制对应电机10的离合器15与传动装置11脱离。

在多个传动装置11带动变桨轴承12转动时，若出现个别传动装置11故障的情况，比如，传动装置11为齿形带，当个别齿形带出现卡滞时，驱动器13监测到的电机10的输出扭矩会急剧上升且转速会骤然下降，为了保证风力发电机组的正常工作，就需要控制驱动器13停止工作，或者控制对应电机10的离合器15与传动装置11脱离。

利用上述变桨传动设备和变桨传动控制方法，能够实现电机10的扭矩监测和限制，保证风力发电机组能够正常工作。

需要说明的是，还可以在变桨轴承12的周围设置编码器、限位开关或接近开关等，能够利用编码器、限位开关或接近开关等对风力发电机组的桨叶位置进行监测和校验。可以在桨叶报警位置安装限位开关或接近开关，当桨叶转动位置达到桨叶报警位置时，使得限位开关和接近开关导通，从而得知桨叶到达桨叶报警位置，需要发出指示警报，进行报警或预警。

以上的结构框图中所示的功能块(如驱动器、主控单元等)可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。

此外，本发明所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。