风力发电机组的变桨限位结构和叶片位置检测装置的制作方法

本实用新型涉及风电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的变桨限位结构和叶片位置检测装置。

背景技术：

在风力发电机组(简称“风电机组”)中，变桨系统通过调整叶片的位置(也称“桨距角”)实现最大功率跟踪和气动刹车的重要功能，其可靠性直接关系到风电机组的安全。因此，对叶片的位置进行准确测量和保护是保证风电机组正常运行必不可少的重要环节。

针对风电机组使用齿形带传动的变桨系统，由于其传动方式是利用带齿和轮齿啮合以传递运动和动力，而不是齿轮之间通过轮齿的啮合，所以一般难以对叶片的实际角度进行检测。

当前，对于使用齿形带传动的变桨系统，其判断叶片位置的方法是通过一个挡块检测多个角度位置(一般为两个角度，如5度、87度)的接近开关，从而判断叶片实际位置是否达到预期位置，检测方法为：当编码器所测的角度值为预期位置附近时，然而该预期位置相应角度的接近开关信号没有触发，则认为有故障，风电机组顺桨停机。但该方法也存在如下不足：

接近开关的检测距离一般较短，当接近开关距离挡块的距离变大，或接近开关故障，或接近开关线路松动，都会导致风力发电机触发故障，进而可能导致风电机组误报引起停机，或者使风电机组的运行存在安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供的一种风力发电机组的变桨限位结构和叶片位置检测装置，能够准确检测叶片的位置，避免或减少因检测环节发生故障造成的误报停机，提高风电机组运行的安全性。

为达到上述目的，本实用新型实施例提供了一种风力发电机组的变桨限位结构，包含叶片安装装置和轮毂，还包括：多个接近开关和多个挡块；所述多个接近开关设置在所述叶片安装装置内侧的所述轮毂上，各所述接近开关沿同一旋转方向的第一间隔角度相同；所述多个挡块设置在所述叶片安装装置的内表面上，各所述挡块沿同一旋转方向的第二间隔角度相同；且所述第一间隔角度与所述第二间隔角度相同；各所述挡块的结构不相同，使得各所述挡块触发所述接近开关后产生的开关信号也不相同。

本实用新型实施例还提供了一种风力发电机组的叶片位置检测装置，包括：编码器、控制器和如上所述的风力发电机组的变桨限位结构，其中，所述编码器设置在变桨电机的驱动装置上，用于检测叶片的旋转角度；所述风力发电机组的变桨限位结构用于，在叶片旋转至预置角度时输出指定数目和类型的开关信号；所述控制器分别与所述编码器、所述风力发电机组的变桨限位结构连接，用于采集所述叶片的旋转角度和所述指定数目和类型的开关信号的信息，并根据预置判断逻辑对该信息进行逻辑处理，确定叶片的位置。

本实用新型实施例提供的风力发电机组的变桨限位结构和叶片位置检测装置，通过在齿形带结构的变桨系统中设置多种不同结构的限位挡块，以产生多种类型的开关信号，并且在叶片经过一预置角度时同步触发多种类型的开关信号，然后基于该多个开关信号，以及编码器输出的控制旋转角度对叶片的位置进行检测，避免单个接近开关故障或线路故障而导致的风电机组误报停机，实现变桨系统叶片位置的多接近开关触发的冗余检测。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术中风力发电机组叶片位置的检测系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的风力发电机组的变桨限位结构示意图一；

图3为本实用新型实施例提供的多槽形结构示意图；

图4本实用新型实施例提供的连续脉冲信号示意图；

图5本实用新型实施例提供的风力发电机组的变桨限位结构示意图二；

图6为本实用新型实施例提供的风力发电机组叶片位置的检测装置结构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。首先，如图1所示，为现有技术中利用同种结构的限位挡块的叶片位置检测系统示意图，包括编码器(图中未标出)，以及减速机101、传动轮102、张紧轮103、张紧轮104、轮毂105、齿形带106、叶片安装装置107(具体是指变桨轴承及与变桨轴承相连接、固定的部件，如叶根法兰)、齿形带固定块108、齿形带固定块109、张紧轮固定装置110、5度接近开关111、87度接近开关112、挡块113；

其中，编码器设置在变桨电机的尾部，即驱动装置上，用于检测叶片的旋转角度；减速机101与变桨电机(图中未示出)啮合；传动轮102与减速机101的输出轴机械连接；减速机101、张紧轮固定装置110均固定安装于轮毂105上；张紧轮固定装置110用于安装张紧轮103、张紧轮104；张紧轮103、张紧轮104用于对齿形带106进行拉紧，以保证传动的可靠性；5度接近开关111、87度接近开关112安装于叶片安装装置107内侧的轮毂105上，且5度接近开关111安装于叶片的5度位置；87度接近开关112安装于叶片的87度位置；挡块113安装于叶片安装装置107上且随叶片安装装置107转动；

叶片安装装置107为圆环形的机械机构(图中虚线圆和到其相邻的实线圆之间的结构)，用于安装叶片，在实际操作中，也可将挡块113直接安装在叶片根部；齿形带106沿叶片安装装置107的侧面，并与叶片安装装置107的侧面贴紧，用于为传动提供动力；齿形带固定块108、齿形带固定块109和张紧轮固定装置110用于将齿形带106固定于叶片安装装置107上。

该系统的工作原理为：当需要变桨(即改变叶片桨距角)时，变桨电机(图中未示出)带动减速机101转动，减速机101带动传动轮102转动，传动轮102转动时，带动齿形带106移动，齿形带106带动叶片安装装置107转动，从而使风电机组叶片的角度发生变化，实现调节桨距角的目的；当编码器(图中未标出)所测的角度在5度附近，同时挡块113转动到5度接近开关111的位置并触发5度接近开关111时，变桨系统认为叶片位置正确；当编码器所测的角度在5度附近，而5度接近开关111未触发时，则认为发生异常，变桨系统触发故障并使风电机组顺桨停机；同理，当编码器所测的角度在87度附近，同时挡块113转动到87度接近开关112的位置并触发87度接近开关112时，变桨系统认为叶片位置正确；当编码器所测的角度在87度附近，而87度接近开关112未触发时，则认为发生异常，变桨系统触发故障并使风电机组顺桨停机。

这种叶片位置检测系统存在如下缺点：

1)接近开关的检测距离一般较短，接近开关距离挡块的距离变大，或接近开关故障，或接近开关线路松动，都会导致风力发电机触发故障停机；

2)发生故障的接近开关可能是5度位置的接近开关，也可能是87度位置的接近开关，还可能是挡块发生松动，而导致这三种故障的原因较多较复杂，难以全部有效解决；如果不进行处理，会使风力发电机误报故障的次数较多，影响发电量。

本实用新型申请人在对上述检测过程进行深度分析后，发现导致变桨系统触发故障的重要原因，是因为当叶片旋转到某一预置角度(如上述5度或87度)时，有且只有一个挡块触发该预置角度接近开关形成一个开关信号，一旦挡块或该预置角度的接近开关发生故障不能正常触发形成开关信号，则就会导致故障停机。

因此，基于该原因，本实用新型实施例提供了一种冗余检测方式，即当叶片旋转到某一预置角度(如上述5度或87度)时，系统可以同步触发产生一个以上开关信号，且这些开关信号的类型不同，可以区分出这些开关信号分别是由哪个接近开关触发哪个位置的挡块所触发产生的开关信号。

当叶片旋转至某一预置角度时，可将编码器输出的旋转角度，以及各接近开关触发的开关信号经预置判断逻辑进行判断，从而最终得到叶片的实际位置。这种双重检测，由于叶片旋转经过一个预置角度时会同时触发多种类型不同的开关信号，即使一个接近开关或是一个挡块出现故障，也可由另外一组正常工作的接近开关和挡块触发产生开关信号(该开关信号与当前叶片旋转所至的预置角度相对应)，从而正常检测叶片的实际位置，不会导致故障停机。

下面通过多个实施例来进一步说明本申请的技术方案。

实施例一

如图2所示，为本实用新型实施例提供的风力发电机组的变桨限位结构示意图一，包括：叶片安装装置107和轮毂105，在此基础上还包括：

多个接近开关(如图中所示的5度接近开关111和87度接近开关112)和多个挡块(如挡块113和挡块114)；

多个接近开关设置在叶片安装装置107内侧的轮毂105上，各接近开关沿同一旋转方向的第一间隔角度相同；多个挡块设置在叶片安装装置107的内表面上，各挡块沿同一旋转方向的第二间隔角度相同；且第一间隔角度与第二间隔角度相同。

在实际安装时，根据设置需要，也可将挡块和接近开关的安装位置互换，即多个接近开关设置在叶片安装装置107的内表面上，各挡块沿同一旋转方向的第一间隔角度相同；多个挡块设置在叶片安装装置107内侧的轮毂105上，各挡块沿同一旋转方向的第二间隔角度相同；且第一间隔角度与第二间隔角度相同。

各挡块的结构不相同，使得各挡块触发接近开关后产生的开关信号也不相同。

其中，各接近开关沿同一旋转方向的第一间隔角度相同是指，围绕叶片旋转的中心轴从所处位置角度最大的接近开关的角度位置反向旋转，或者从所处位置角度最小的接近开关的角度位置正向旋转；在旋转过程经过的相邻两个接近开关的旋转角度差相同，即为第一间隔角度。

各挡块沿同一旋转方向的第二间隔角度相同是指，围绕叶片旋转的中心轴从所处位置角度最大的挡块的角度位置反向旋转，或者从所处位置角度最小的挡块的角度位置正向旋转；在旋转过程经过的相邻两个挡块的旋转角度差相同，即为第二间隔角度。

例如，如图2中所示的87度接近开关112朝向5度接近开关111的旋转方向上的第一间隔角度为a；挡块113朝向挡块114的旋转方向上的第二间隔角度为a。

各挡块的结构不相同，使得各挡块触发接近开关后产生的开关信号也不相同。其中，这里的挡块的结构主要指正对接近开关的一侧的挡块部分的结构不相同，这样产生的开关信号才会有区别，具体结构形状在本实施例中不做限定，只要能够使产生的开关信号之间可区分开即可。

在叶片旋转过程中，由于多个接近开关之间的第一间隔角度，多个挡块之间的第二间隔角度、以及第一间隔角度和第二间隔角度之间均相同，因此存在同一时刻同步触发生成多个开关信号的情况。也就是，如果将该时刻叶片的位置角度设置为一个预置角度，那么在该预置角度下则会同时触发多个类型的开关信号，实现冗余检测的目的，即使其中的一个接近开关或挡块发生故障不能触发开关信号，也会有其他挡块触发相应的接近开关形成开关信号标识当前叶片的位置。

例如，图2中所示，在挡块113触发5度接近开关111时，挡块114也会同步触发87度接近开关112，实现当前叶片角度的冗余检测。

本实施例提供的风力发电机组的变桨限位结构，通过在叶片安装装置以及轮毂上对应设置多个接近开关和多个挡块，使叶片到达一定角度时，同步触发多个开关信号，且各开关信号的类型不相同，以实现对叶片角度的冗余检测。

进一步地，上述每个接近开关可对应一个预置角度，多个挡块中包括一个基础挡块；

当基础挡块触发任一接近开关形成开关信号后，当前叶片的旋转角度即为该接近开关对应的预置角度。

例如，如图2所示，在与叶片安装装置107内侧轮毂上设置有5度接近开关111和87度接近开关112；设置在叶片安装装置107上的挡块113为一个基础挡块；当挡块113触发5度接近开关111形成开关信号时，则表示当前叶片的旋转角度为5度；当挡块113触发87度接近开关112形成开关信号时，则表示当前叶片的旋转角度为87度。在挡块113触发5度接近开关111形成开关信号时，挡块114也会同步触发87度接近开关112形成开关信号时，实现叶片在5度位置时的冗余检测。

进一步地，当变桨限位结构中包含两个挡块时，可将其中基础挡块设置为凸起结构，触发接近开关形成的开关信号为单脉冲信号；除基础挡块外的另一挡块设置为多槽形结构，触发接近开关形成的开关信号为连续多脉冲信号；或者，

可将其中基础挡块设置为多槽形结构，触发接近开关形成的开关信号为连续多脉冲信号；除基础挡块外的另一挡块为凸起结构，触发接近开关形成的开关信号为单脉冲信号。

通过对两个挡块结构的区分设置，使其触发的开关信号存在区分度，进而在检测叶片位置时，判断叶片的实际角度位置。

如图2中示出的挡块114可为多槽形结构，其对应的结构图可为如图3所示结构。如图3所示，该多槽形结构的挡块分凸起结构301和槽形结构302，其中，挡块有凸凹交替结构的一侧用来触发接近开关，当凸起结构301转动到接近开关所在的位置时，接近开关被触发，接近开关输出的信号为1；当槽形结构302转动到接近开关所在的位置时，接近开关不能被触发，接近开关输出的信号为0；

其中，槽形结构302的宽度d需大于接近开关的直径，且槽形结构302的深度需大于接近开关的感应距离；

其中，凸起结构301和槽形结构302的数量不做限制。

如图4所示，为本实用新型所涉及的多槽形结构的挡块触发接近开关时的信号波形图，当挡块114转动87度接近开关112所在的位置时，87度接近开关输出的开关信号即为如图4中所示的高、低电平交替变化的脉冲信号401。

进一步地，当挡块的数量为两个时，各挡块之间的第一间隔角度可为82度，接近开关对应的预置角度分别是5度和87度。

在图2所示结构的基础上，在基础挡块113和挡块114之外，还可以再增加一个冗余挡块115，即如图5所示的结构。

在图5中，基础挡块113位于冗余挡块115与另一挡块114之间，且冗余挡块115与基础挡块113之间的角度间隔为上述第一间隔角度，如82度。冗余挡块115与非基础挡块113外的另一挡块114的结构相同，也可在触发接近开关时，产生与挡块114相同的开关信号。

如此，当基础挡块触发87度开关112时，冗余挡块115也会触发5度接近开关111，从而对叶片在旋转到87度时，实现冗余检测。

另外，考虑到冗余挡块115与挡块114的角度间隔较大(图2中为82x2＝164度)，误触发的概率很小，因此将两个挡块设计为相同结构，可以减少设计成本。

进一步地，为了让每个基础挡块在触发接近开关时，都会同步有其它挡块触发接近开关形成不一样类型的开关信号，可将基础挡块设置在非最外侧挡块的位置，即当挡块为三个或三个以上时，基础挡块设置在非最外侧挡块的位置。

例如，可在如图2所示的结构中，在挡块113的下方增加一个挡块，且该挡块与挡块113的间隔角度为82度。这样，挡块113就位于新增挡块与挡块114之间的非最外侧挡块的位置，当挡块113触发87度接近开关形成开关信号时，增加的挡块也会同步触发5度接近开关形成类型与挡块113所触发的开关信号不同的开关信号。

进一步地，考虑到叶片变桨时桨距角的实际范围，以及从节约耗材的角度出发，优选的将变桨限位结构中挡块的数量设置为三个，位于非最外侧的挡块设置为基础挡块，且各挡块之间的第一间隔角度为82度，接近开关的数量设置为两个，对应的预置角度分别是5度和87度。

另外，在实际应用场景中，也可将变桨限位结构中挡块数量设置为两个，一个为基础挡块，另一个为普通挡块；接近开关的数量也设置为2个。这样可以实现，在叶片位置旋转到一个预置角度时，会同步触发两个开关信号实现该预置角度的冗余检测。

实施例二

如图6所示，为本实用新型实施例提供的风力发电机组的叶片位置检测装置，包括：编码器601、控制器602和如实施例一中所示的风力发电机组的变桨限位结构603，其中，

编码器601设置在变桨电机的驱动装置上，用于检测叶片的旋转角度；

风力发电机组的变桨限位结构603用于，在叶片旋转至预置角度时输出指定数目和类型的开关信号；

控制器602分别与编码器601、风力发电机组的变桨限位结构603连接，用于采集叶片的旋转角度和指定数目和类型的开关信号的信息，并根据预置判断逻辑对该信息进行逻辑处理，确定叶片的位置。

具体的，控制器602可通过执行如下所示的处理过程确定叶片的位置：

首先，采集编码器601输出的旋转角度；

其中，编码器601输出的旋转角度即为变桨系统执行叶片变桨时，叶片所要达到的指定角度位置。

其次，采集风力发电机组的变桨限位结构603输出的开关信号；

其中开关信号包括如实施例一种各接近开关输出的开关信号。例如基础挡块触发接近开关所形成的开关信号、冗余挡块以及其他挡块触发接近开关所形成的开关信号。在叶片旋转至一预置角度时，可同步采集到多个接近开关输出的多个类型不同的开关信号。由于接近开关和各挡块的位置都是预先设置好的，所以当在叶片旋转至某一预置角度时，变桨限位结构603会输出指定数目和类型的开关信号。

最后，对旋转角度和开关信号执行预置判断逻辑，以确定叶片位置。

实际上，当编码器601检测的旋转角度为一预置角度时，采集的开关信号中应包含该预置角度对应的接近开关触发基础挡块所产生的开关信号，和/或，开关信号中应包含与该预置角度非对应的接近开关触发在该预置角度下所应触发的至少一个开关信号。

因此，针对每一个预置角度的判断过程，可预先设置相应的判断逻辑，该判定逻辑中规定旋转角度的大小、各接近开关输出的开关信号的类型，以及相应的判断结果。

例如，当旋转角度为一预置角度，则判断开关信号中是否包含该预置角度对应的接近开关触发基础挡块所产生的开关信号，如果包含，则确定当前叶片的位置准确，且旋转角度为该预置角度；和/或，

当旋转角度为一预置角度，则判断开关信号中是否包含与该预置角度非对应的接近开关触发在该预置角度下所应触发的开关信号，如果包含至少一个，则确定当前叶片的位置准确，且旋转角度为该预置角度。

例如，对应图5所示的风力发电机组的变桨限位结构，叶片位置的检测过程如下：

正常情况下，当叶片从90度位置向0度方向转动时，挡块113首先经过并触发87度接近开关112，87度接近开关112的开关信号为1，同时挡块115触发5度接近开关111，5度接近开关111的开关信号为连续脉冲信号。然后，叶片继续转动，挡块113经过并触发5度接近开关111，5度接近开关111的开关信号为1，同时挡块114触发87度接近开关112，87度接近开关112的开关信号为连续脉冲信号。

检测过程中，当编码器输出的旋转角度值为5度左右，而检测到5度接近开关111发生异常且输出开关信号为0时，继续检测87度接近开关112的开关信号，如果87度接近开关112的信号为图4所示的高、低电平交替变化的连续脉冲信号，则认为叶片位置正确，风力发电机变桨系统进入冗余状态，不触发故障停机；

当87度接近开关出现异常时，也可以通过5度接近开关的开关信号对叶片位置进行位置检测；例如当编码器输出的旋转角度值为5度左右，而87度接近开关112发生异常时且开关信号始终为低电平时，检测5度接近开关111的开关信号为高电平，则认为叶片位置正确，风力发电机变桨系统进入冗余状态，不触发故障停机；

特别地，当编码器输出的旋转角度值为5度左右，而5度接近开关111发生异常时且信号为低电平时，且87度接近开关111的信号也为低电平时，变桨系统可以通过小范围的调桨，就能确认叶片位置是否正确；变桨系统进行小范围调桨后，如果接近开关111的信号由低电平变为高电平，则可以确认叶片位置正确。

上述处理过程控制器602通过采集编码器601输出的旋转角度，以及风力发电机组的变桨限位结构603输出的开关信号，并对其进行预置判断逻辑的逻辑处理，最终得到叶片的实际位置，可实现对叶片位置的冗余检测，提高检测的准确度，减少触发不必要的故障停机。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。