专利名称：能量获取设备、特别是风力发电站的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能量获取设备、尤其是风力发电站，其包含与转子连接的驱动轴、 发电机和带三个驱动端和从动端的差动机构，第一驱动端与驱动轴连接，从动端与发电机连接，并且第二驱动端与电差动驱动装置连接。
背景技术：
风力发电站逐渐成为越来越重要的发电设备。因此通过风进行发电的百分比份额持续提高。这点一方面由和电流质量的新标准有关，另一方面和风力发电站越来越大的趋向有关。同时海上风力发电站也成为趋势，这种风力发电站要求至少5WM安装容量的设备规模。由于海上区域中的风力发电站的基础设施和维护或者说安装成本很高，所以这类设备-在使用与之有关的中压同步发电机的情况下-的效率和可使用性都是特别重要的。W02004/109157A1示出了一种复杂的、流体静力的“多通道”设计，其具有多个平行的差动级和多个可切换的离合器，由此可在单个通道间切换。借助所示技术方案可减小流体静力的功率和由此流体静力的损耗。但整个装置的复杂结构是一大缺点。此外，各单个级之间的切换在控制风力发电站时也是问题。EP U83359A1示出了具有电差动驱动装置的单级和多级差动机构，其中单级方案具有围绕输入轴同轴定位的具有高额定转速的特殊三相交流电机，其基于结构形式具有极大的关于转子轴的惯性矩。作为替换方案，多级差动机构设有高速标准三相交流电机，该三相交流电机平行于差动机构的输入轴定向。这些技术方案尽管允许将中压同步发电机连接到电网(即在没有应用变频器的情况下)，然而已知方案的缺点一方面在于差动驱动装置中的高损耗，另一方面在于设计时用来解决该问题的复杂的机械结构或者说特殊机电构造以及由此的高昂成本。总之可以确定，没有充分考虑到对于成本重要的标准例如差动驱动装置的最佳控制和尺寸。
发明内容
本发明的任务是尽可能地避免上述缺点并且提供一种能量获取设备，其除了成本尽可能低外也保证差动驱动装置的最小的结构尺寸。本发明解决该任务的方式是，电差动驱动装置的最大的惯性矩JDA, max = (JE/Sges2) * fA，其中fA < 0. 2并且Jk是转子的惯性矩并且s㈣是转速范围比，其是差动驱动装置的转速范围与转子的转速范围的比值。由此该设备的极其紧凑且有效的结构方式是可能的，通过这种结构方式也最佳地解决了能量制造设备、尤其是风力发电站的控制技术方面的任务。其余从属权利要求的技术方案为本发明优选的实施方式。
下面参考附图进一步说明本发明优选的实施方式。
图1示出按现有技术的5丽风力发电站的功率曲线、转子转速和由此产生的特性值如叶尖速比和功率系数，图2示出按现有技术的具有电差动驱动装置的差动机构的原理图，图3示出按现有技术的具有泵/马达组合的流体静力的差动驱动装置的原理图，图4示出风力发电站的转子上的转速情况和由此产生的用于差动驱动装置的最大输入转矩Iax，图5示例示出根据现有技术的电差动驱动装置的转速和功率与风速的关系，图6示出对于两种不同的运行方式而言在部分负荷范围和在额定负荷范围内差动驱动装置的转矩/转速特性曲线，图7示出对于应用系数fA = 0. 2时差动驱动装置的最大允许的惯性矩以及根据现有技术的高动态的伺服驱动装置的惯性矩与额定转矩的典型比值和根据本发明的差动驱动装置的惯性矩与额定转矩的典型比值的比较，图8示出差动驱动装置的惯性矩和转矩特性曲线的斜率对风力发电站的调节特性的影响，图9与本发明相关联的差动级的一个可能的实施方式，图10示出根据本发明的具有塔式行星齿轮的差动级的一个方案。
具体实施例方式风力发电站的转子的功率由下述公式计算出转子功率=转子面积X功率系数X风速3X空气密度/2其中，功率系数与风力发电站转子的叶尖速比(=叶尖速度与风速的比值)有关。风力发电站的转子设计基于随发展待确定的叶尖速比(值大多在7和9之间)，以获得最佳的功率系数。出于这个原因， 在风力发电站运行时应在部分负荷范围中调节到相应小的转速，以便确保最佳空气动力效率。图1示出了转子功率、转子转速、叶尖速比和用于转子的给定最大转速范围的功率系数或8. 0-8. 5的最佳叶尖速比的功率系数的关系。从图表中可以看出，当叶尖速比偏离于其最佳值8. 0-8. 5时，功率系数下降，因此根据上述公式转子功率相应于转子的空气动力特性也降低。图2示出用于风力发电站的差动系统，其包括差动级3或11至13、适配传动级4 和差动驱动装置6。风力发电站的转子1驱动主传动装置2，该转子位于用于主传动装置2 的驱动轴上。主传动装置2为3级传动装置，其具有两个行星齿轮级和一个圆柱齿轮级。差动级3位于在主传动装置2和发电机8之间，主传动装置2通过差动级3的行星齿轮架12 驱动发电机。发电机8优选是他励同步发电机，在需要时也可具有大于20kv的额定电压， 发电机与差动级3的内齿轮13连接并且由其驱动。差动级3的小齿轮11与差动驱动装置 6连接。调节差动驱动装置6的转速，以便一方面在转子1转速变化时保证发电机8转速恒定并且另一方面在风力发电站的整个动力系统中控制转矩。为了提高用于差动驱动装置6 的输入转速，在所示情况下选择二级差动机构，其在差动级3和差动驱动装置6之间提供圆柱齿轮形式的适配传动级4。差动级3和适配传动级4因此构成所述二级差动机构。差动驱动装置为三相交流电机，其通过变频器7和变压器5连接到电网上。作为替换方案，差动驱动装置还可以如图3所示被构造成例如流体静力泵/马达组合9。在这种情况下第二泵优选通过适配传动级10与发电机8的驱动轴连接。差动机构的转速方程如下转速发电机=X *转速转子+y *转速差动驱动装置，其中，发电机转速是恒定的，系数X和y 可以从所选择的主传动装置和差动机构的传动比中推导出。转子上的转矩通过待刮过的风和转子的空气动力效率来确定。转子轴上的转矩和差动驱动装置上的转矩之间的比例是恒定的，所以动力系统中的转矩可以通过差动驱动装置来调整。差动驱动装置的转矩方程如下转矩差动《装置=转矩軒* y/χ，其中，比例系数y/χ是差动驱动装置的所需的设计转矩的量度。差动驱动装置的功率基本上正比于转子转速与其基本转速的百分比偏差和转子功率的乘积。因此原则上大转速范围要求相应大尺寸的差动驱动装置。在具有差动级的电的和流体静力的差动驱动装置的情况下基本转速是这样的转速，在该转速时差动驱动装置保持静止，即转速等于零。图4示出了根据现有技术的例如对于不同转速范围的情况。转子的_/+额定转速范围定义其与转子基本转速的百分比转速偏差，该范围可借助差动驱动装置(电动运行时为负或在发电运行时为正)的额定转速在无磁场减弱的情况下实现。当差动驱动装置为电三相交流电机时，其额定转速(η)定义最大转速，在该最大转速时电三相交流电机可持续产生额定扭矩(Mn)或额定功率(Pn)。在流体静力驱动装置如液压的轴向活塞泵的情况下，差动驱动装置的额定转速是这样的转速，在该转速时流体静力驱动装置能够以最大转矩(Tmax)提供最大持续功率 (P0max)。在此，泵的额定压力(I3n)和标称尺寸(NG)或排液体量(V,x)决定最大转矩(Tmax)。在额定功率范围中，风力发电站的转子以在Iimax和nmin_maxP极限之间的平均转速 nrated在处于nrated和nmin之间的部分负荷范围中旋转，这在该实施例中可以借助80%的磁场削弱范围来实现。为了控制风暴而选择相应大的nmax和nmin_maxP之间的控制转速范围，该转速范围可在无负荷减小的情况下实现。该转速范围的值与风暴的大小和/或风力发电站的转子惯性和所谓的变桨系统(转子叶片调整系统)的动力学特点有关，并且通常约为。 在所示实施例中，选择_/+6%的控制转速范围以便具有足够的裕量来借助差动驱动装置控制极风暴。但是带极惰性的变桨系统的风力发电站可以设计用于较大的控制转速范围。在该控制转速范围中风力发电站必须产生额定功率，这意味着，差动驱动装置在此被加载以最大转矩。也就是说，转子的_/+额定转速范围必须大致相同，因为只有在该范围中差动驱动装置才能产生其额定转矩。因为现在在转子转速范围较小时基本转速超过nmin_maxP，所以差动驱动装置在转速为0的情况下必须产生额定转矩。(电或液压的)差动驱动装置在转速为0时仅可设计用于明显小于额定转矩的转矩，但这可以通过设计时相应的超尺寸来补偿。但因为最大设计转矩是差动驱动装置的尺寸因数，所以小转速范围对于差动驱动装置的尺寸的有利影响只是有限的。这点也可从曲线Mmax看出，该曲线表示差动驱动装置待产生的最大转矩与额定转速范围的关系。其基础是使用假设最大静止传动比为^ = "6的单级差动机构、额定负荷范围中的恒定的功率调节和同步转速为ΙδΟΟπι Γ1的四级同步发电机
图5中例如可看出根据现有技术的差动极的转速或功率情况。发电机、优选他励中压同步发电机的转速通过连接到频率固定的电网中为恒定的。为了可相应很好地利用差动驱动装置，该差动驱动装置在小于基本转速的范围内电动地运行并且在大于基本转速的范围内发电机式运行。从而在电动运行时功率馈入差动级中，而在发电机式运行时从差动级中取得功率。该功率在电差动驱动装置的情况下优选从电网获取或馈入到电网中。在液压的差动驱动装置中该功率优选从发电机轴取得或输送给发电机轴。发电机功率和差动驱动装置的功率之和形成为具有电差动驱动装置的风力发电站输出到电网中的总功率。对于电的和流体静力的差动驱动装置的主要优点是转矩和/或转速的可自由调节性。因此例如可以借助于编程的控制装置实施各种不同的调节方法或必要时也在设备的运行期间与变化的周围条件或运行条件相适配。图6示出根据具有额定转速范围为_/+15%的差动驱动装置的风力发电站的与转子转速相关的转子转矩的特性曲线。在此示出不同的运行范围或运行模式。点线表示根据现有技术的在发电站的部分负荷范围中的情况。虚线表示根据现有技术的用于在额定负荷区域中恒定功率调节的典型的曲线。第三条线示出根据本发明的在所谓的渐进式转矩调节时的转矩。在此为额定负荷范围设定一个特性曲线，其具有随转子转速上升的转子转矩，在所示示例中该特性曲线中具有转矩斜率m = 5%。转矩斜率(m)的值由在转子额定转速和控制转速范围的最大转子转速之间的转子转矩的百分比斜率计算出。出于完整性在此要指出，为转矩斜率(Drehmomentsteigimg)也可设定其它任一特性曲线或使其适配于环境和/ 或运行条件。在额定转速范围大于_/+15%的应用中，减小的例如为m= 3%的转矩斜率业已带来好的结果，对于具有非常小的额定转速范围的应用而言，推荐m= 10%的转矩斜率。因为对于差动驱动装置而言在转子转矩和在差动驱动装置上的转矩之间存在恒定的比例，所以对于差动驱动装置而言适用与转子相同的条件。第一眼看去在两个调节模式之间在额定负荷范围内就最大需要的转矩而言不存在显著的区别。在图6中在10. Qmin-1 处插入一个垂直线，其表示转子的基本转速。(液压的或电的)差动驱动装置然而可以如上所述在零转速时仅仅形成静止力矩，其显著低于额定力矩。为了在零转速的范围内能够提供额定力矩，因此差动驱动装置必须超尺寸设计(超出大约25%)。该值随着差动驱动装置的转速与零转速的间隔的增大而减小。在所示的根据图6的情况下这意味着，对于在控制转速范围内的最小的转子转速而言，所需要的差动驱动装置的设计转矩必须比所需要的驱动转矩高大约10%。因为然而在所示的例子中在整个控制转速范围上的转速斜率同样是10% (_/+5% )，所以对于差动驱动装置而言对于控制转速范围的两个角点而言得到相同的需要的设计转矩。与之相反，在所示出的的控制转速范围时且在具有恒定功率的额定负荷调节时差动驱动装置所需要的设计转矩比在渐进的转矩调节时高大约11%。这对于差动驱动装置而言导致较高的费用和较高的惯性矩，这对于可获得的调节动态性明显不利。所示出的效果随着额定转速范围的变小而加强，对于大约-/+12. 5%的额定转速范围而言具有最大的效果。对于大约_/+20%的额定转速范围而言几乎不再具有相应的优点ο渐进的转矩调节的另外的优点在于由此得到的被动的转矩缓冲的效果。风力发电站是动态方面极其复杂的机器。这导致在动力系统中始终不同的频率被激励，这些频率对于整个风力发电站的电流质量和负荷产生不利的影响。根据现有技术因此通常的是，实施所谓的主动的动力系统缓冲，其例如按照下述方式工作在动力系统中测量转矩和/或转速。紧接着将测量信号过滤，并且给转矩额定值叠加一个相应抑制不期望振动的值。为此所需要的附加转矩通常在直至大约5%的额定转矩的范围内。如果现在替代主动的动力系统缓冲，而实施渐进的转矩调节，那么表明，其具有与具有恒定功率的额定负载调节相比具有减弱的效果。这主要与通过风暴引起的转速或转矩波动的调节相关联地适用。图7现在示出在此关联中同样重要的效果。原则上风力发电站的调节特性非常强烈地与转速范围比Sges相关并且因此与转子的惯性矩Jk和差动驱动装置的惯性矩Jda的比值相关。转速范围比s㈣是风力发电站的差动驱动装置的转速范围与转子的转速范围的比值(sges =差动驱动装置的转速范围/转子的转速范围)，其中转速范围通过转子转速nmin 和nmax(见图4)或由此形成的差动驱动装置的转速得出。因为一方面转速范围比Sges是转子和差动驱动装置之间的传动比的量度并且另外一方面差动驱动装置的与转子相关的惯性矩和该传动比的平方起作用，所以对于差动驱动装置而言(为了具有电差动驱动装置的风力发电站的良好的调节特性)允许的最大惯性矩JDA,_如此计算JDA,max = (JE/sges2) * fA，其中fA是应用系数，其是风力发电站的调节特性的量值。 图7中的图表配备一个应用系数fA = 0. 20，因此在调节特性方面获得好的结果(为此也参见图8)。原则上可确定，利用变小的&可以获得更好的结果，其中对于具有小于约0. 15的 fA的应用而言，在减小差动驱动装置的转子的质量方面的附加的大耗费是必需的。图7示出对于各种不同的驱动方案(差动驱动装置的额定转速为lOOOmirT1， 1250min_1和ΙδΟΟπ ιΓ1，转子转速范围为-/+10%、15%和20 %，或者风力发电站的额定功率为3丽和5MW)和fA = 0. 20而言，差动驱动装置的“最大允许的惯性矩Jda, _”和“比值 JDA,_/MN_”，MN_是差动驱动装置的所需要的额定转矩。图7此外示出根据现有技术的常见的伺服驱动装置的惯性矩与额定力矩的比值(JDA,max/MN_的典型比值)。可以清楚看到， 为了风力发电站的足够好的调节特性，差动驱动装置与常见的伺服驱动装置相比需要更小白勺 JDA, max/MNenn t匕值。图8示出在风力发电站由于例如风暴而发生功率突变后不同的转矩斜率(m = 0 % 和m = 5%)和差动驱动装置的惯性矩对于差动驱动装置的转速/调节特性的影响。具有 JDA,max= (JE/Sges2) * fA其中fA = 0.20和m = 0%的风力发电站的功率突变导致，差动驱动装置的转速以约Ιδπ ιΓ1 (这大约是在该时刻产生的平均转速的1. 6% )的初始振幅开始振动，并且该振幅仅缓慢地变小。而在fA = 0. 20和m = 5%时、即借助被动的转矩缓冲就已经产生明显的改善。初始形成的振幅约为IOmirT1并且快速降低。此外还可将fA降低为 0. 15，由此产生约δπ ιΓ1的初始振幅(这大约是在该时刻产生的平均转速的0. 6% )，其同样快速消失。继续降低应用系数到例如fA = 0.10将为高动态的应用带来所需的进一步的改善，但如上所述这将导致用于差动驱动装置的转子的制造成本的巨大增加。原则上可确定，具有fA = 0. 15和m = 5%的发电站配置可为标准应用提供足够好的结果。要补充指出，与现有技术中的在额定负荷范围中以恒定额功率进行的典型调节相比，正的功率斜率(Leistimgssteigimg)已经可改进差动驱动装置的结构大小和转矩缓冲，但是不如主动的转矩斜率。在此为额定负荷范围设定一个特性曲线，其中转子功率随转子转速增大。功率斜率的特性曲线的值在这种情况下由在转子额定转速和控制转速范围的最大的转子转速之间的转子功率的百分比斜率计算出来。图9示出差动级的一种可能的实施方案。转子1驱动主传动装置2并且主传动装置通过行星齿轮架12驱动差动级11至13。发电机8与内齿轮13连接并且小齿轮11与差动驱动装置6连接。差动机构为单级差动机构，并且差动驱动装置6既同轴于主传动装置2的输出轴又同轴于发电机8的驱动轴布置。在发电机8中设置空心轴，该轴允许差动驱动装置定位于发电机8的远离差动机构的一侧上。因此，差动级优选是单独的连接在发电机8上的组件，该组件优选通过离合器14和制动器15与主传动装置2连接。优选在一种惯性矩特别低的不可相对旋转的实施方案中，小齿轮11和差动驱动装置6之间的连接轴 16可构造为例如具有玻璃纤维和/或碳纤维的纤维复合轴。所示同轴的单级实施方式的主要优点在于(a)差动机构的结构简单和紧凑，(b) 由此差动机构的效率高和(c)由于差动机构相对小的传动比而使差动驱动装置6的关于转子1的惯性矩相对小。此外，差动机构可作为单独的组件制造并且与主传动装置无关地实施和维护。当然也可用流体静力驱动装置来替代差动驱动装置6，但对此必须优选通过与发电机8连接的传动装置的从动轴来驱动与该流体静力驱动装置处于相互影响的第二泵元件。但然而如果在这点上观察图4中的转矩线Mmax，则可以发现下面的限制。在使用单级差动机构时，不能自由选择差动驱动装置的转速和由此所需的转矩，而是从行星齿轮级的可合理实现的静止传动比、和发动机的同步转速的得出。另一方面，由于静止传动比， 行星齿轮级的最小可实现的直径和由此其制造成本也增加。总之可确定为具有传统的单级行星传动装置和小额定转速范围的差动系统首先选择相应高的静止传动比，以便为差动驱动装置达到尽可能小的额定力矩。但这又以对主传动装置来说不利的高传动比为前提， 由此在具有低的转子额定转速和高速同步发电机的大型风力发电站中，只有花费非常高才能实现主传动装置2的具有最多三个传动级的设计。图10示出一种根据本发明的具有塔式行星齿轮的差动级的方案。如图9所示，在此差动驱动装置6经连接轴16被小齿轮11驱动。小齿轮11优选经连接轴16单支承在发电机20的所谓的ND端部的区域中，但连接轴也可例如双支承在例如发电机轴中。同步发电机包括定子18和具有空心轴的转子17，转子由内齿轮13驱动。支承在行星齿轮架12中的(优选三个)行星齿轮是所谓的塔式行星齿轮19。所述塔式行星齿轮分别包括两个不可相对旋转地连接的齿轮，其具有不同直径和优选不同的齿几何尺寸。内齿轮13在所示示例中与塔式行星齿轮19的直径较小的齿轮啮合，并且小齿轮11与塔式行星齿轮19的第二齿轮啮合。由于经由内齿轮13必须比经由小齿轮11传递明显更大的转矩，所以内齿轮的齿宽比小齿轮11的齿宽大许多。塔式行星齿轮的齿宽也相应地构造。为了降低噪音，差动机构的齿部可构造为斜齿。由此产生的必须被齿部部分的支承部吸收的轴向力可通过塔式行星齿轮19的两个齿轮的齿部的反向倾斜与所选择的特殊的倾斜角相关地减小。优选这样选择塔式行星齿轮的齿部部分的个性化的倾斜角，使得产生的轴向力不再作用于塔式行星齿轮的支承部上。通过使用塔式行星齿轮产生附加的用于选择差动驱动装置的额定转速的自由度， 而且不增加决定效率的齿啮合的数量。由此可降低行星齿轮级的行星齿轮架转速和内齿轮转速(与发动机转速相同)之间的基本传动比，并且差动机构的承受主负荷的部分大大减小且制造成本更加低廉，并且没有使差动驱动装置的额定转速转移到不利的范围中。下面的表格显示了用于额定功率为5丽的风力发电站的差动系统的传统的行星齿轮级和具有塔式行星齿轮的行星齿轮级的技术参数的比较。在所示示例中两种方案具有渐进式转矩调节，其中m = 5和-/+15%的额定转速范围。该示例清楚地示出具有塔式行星齿轮的方案在决定成本的因素如内齿轮直径和差动级的额定转矩方面的优点。
权利要求
1.能量获取设备、尤其是风力发电站，其包含与转子⑴连接的驱动轴；发电机⑶； 以及带三个驱动端和从动端的差动机构(11至13)，第一驱动端与驱动轴连接，从动端与发电机(8)连接，并且第二驱动端与电差动驱动装置(6)连接，其特征在于，电差动驱动装置的最大的惯性矩为JDA,max = (JE/sges2) * fA，其中fA彡0. 2并且Jk是转子⑴的惯性矩，并且是转速范围比，其是差动驱动装置(6)的转速范围与转子⑴的转速范围的比值。
2.根据权利要求1的能量获取设备，其特征在于，fA^ 0. 15。
3.根据权利要求1或2的能量获取设备，其特征在于，fA< 0. 1。
4.根据权利要求1至3之一的能量获取设备，其特征在于，所述电机(6)是三相交流电机。
5.根据权利要求4的能量获取设备，其特征在于，所述电机(6)是永磁激励式同步三相交流电机。
6.根据权利要求1至5之一的能量获取设备，其特征在于，差动驱动装置的额定转速彡 lOOOmirT1，优选彡 USOmirT1，特别是彡 1500min_1o
7.根据权利要求1至6之一的能量获取设备，其特征在于，所述驱动轴是风力发电站的转子轴。
8.根据权利要求1至7之一的能量获取设备，其特征在于，在小齿轮(11)和差动驱动装置(6)之间的连接轴(16)设计成纤维复合轴。
9.根据权利要求1至8之一的能量获取设备，其特征在于，差动机构(11至1 是行星齿轮传动装置。
10.根据权利要求9的能量获取设备，其特征在于，行星齿轮传动装置具有多个行星齿轮(19)，该行星齿轮分别具有两个齿轮，这两个齿轮彼此连接成不能相对旋转的并且具有不同的分度圆直径。
11.根据权利要求1至10之一的能量获取设备，其特征在于，用于额定负荷范围的转子功率的特性曲线具有相对于转子转速的斜率，该特性曲线的斜率值由在转子额定转速和控制转速范围的最大转子转速之间的转子功率的百分比斜率计算出。
12.根据权利要求1至11之一的能量获取设备，其特征在于，用于额定负荷范围的转子转矩的特性曲线具有相对于转子转速的斜率，该特性曲线的斜率值由在转子额定转速和控制转速范围的最大转子转速之间的转子转矩的百分比斜率计算出。
13.根据权利要求12的能量获取设备，其中，转子转矩的特性曲线的斜率为至少3%、 优选至少5%、特别是至少10%。
全文摘要
本发明涉及一种能量获取设备、尤其是风力发电站，其包含与转子(1)连接的驱动轴；发电机(8)；以及带三个驱动端和从动端的差动机构(11至13)。第一驱动端与驱动轴连接，从动端与发电机(8)连接，并且第二驱动端与电差动驱动装置(6)连接。电差动驱动装置的最大的惯性矩为JDA，max＝(JR/sges2)＊fA，其中fA≤0.2并且JR是转子的惯性矩，并且sges是转速范围比，其是差动驱动装置的转速范围与转子的转速范围的比值。
文档编号F03D7/04GK102365456SQ201080013492
公开日2012年2月29日 申请日期2010年3月25日 优先权日2009年3月26日
发明者格拉尔德·黑亨贝格尔 申请人:格拉尔德·黑亨贝格尔