本发明涉及用于风力涡轮机的横摆传感器的改进。
背景技术：
风力涡轮机包括站立在地面或海床上的固定塔架和机舱，其搁置在塔架顶部并且承载涡轮机轴、齿轮箱、制动器、发电机、控制涡轮机叶片角度的叶片变桨控制器，以及控制风力涡轮机相对于风的位置的横摆驱动器。涡轮机叶片在机舱外部安装在涡轮轴上。涡轮机叶片引起轴在风的影响下旋转，其从而驱动发电机生成电力。叶片的桨距由叶片变桨控制器控制，以根据风速影响驱动轴的旋转速度。横摆驱动器使机舱在塔架的顶部缓慢旋转，使得涡轮机叶片面向主风的方向，以保持最佳的功率输出。横摆驱动器利用风向传感器来确定当前风向，以及包括确定机舱的当前横摆位置的角度编码器的横摆传感器。横摆驱动器包括控制器，该控制器从这些传感器收集的信息来确定横摆调整，以将机舱与风向对准。
应该理解的是，从机舱中的发电机生成的电力(功率)经由电缆沿着塔架向下传动到电力分配系统。将进一步理解的是，如果机舱继续以相同的方向连续旋转，那么最终电缆中的任何松弛都将用尽，并且如果机舱进一步旋转，则电缆将会拧断。为了解决这个问题，横摆传感器包括旋转凸轮开关，其通过小齿轮耦合到横摆驱动器的齿轮箱，并且当凸轮开关的驱动已经从中央位置沿任一方向旋转到预定(安全结束停止)位置时启动(或停用)电触头。可以理解的是，凸轮开关的预定位置将对应于预定的横摆位置(其一般可以预期为大于360°的值-即，机舱的多次旋转)。例如，机舱可以在任何方向上围绕其塔架的轴线安全地旋转10次而不损坏电缆，在这种情况下，凸轮开关将在对应于机舱在任一方向上的3600°的横摆旋转的凸轮位置处启动(或停用)电触头。在这个示例中，对于机舱20转，凸轮开关可以旋转一次(即，从起始位置在每个方向上的凸轮开关的半圈将启动(或停用)电触头。当电触头启动(或停用)时，这会触发横摆驱动器将机舱以相反方向(本示例中为10转)向后旋转到其中央搁置位置，或使涡轮机紧急停止以等待维护以纠正问题。
横摆传感器可以通过小齿轮从横摆驱动器连接到横摆承载件，并且角度编码器可以直接或经由齿轮连接到横摆传感器中的轴。在角度编码器之后，可以在凸轮开关之前提供一个齿轮。因此，存在可能部分或完全潜在地发生故障的几个传动，其可能停止或至少阻止凸轮开关和/或角度编码器工作。为了解决这个问题，除了在结束停止位置处启动(或停用)电触头之外，凸轮开关还可以在常规横摆位置处生成简单统一的横摆脉冲。这构成活动信号，其表明横摆驱动齿轮箱和凸轮开关之间的传动路径正在运行。如果在由横摆驱动器旋转机舱时没有生成横摆脉冲，则可以假设传动路径已经发生故障，并且该涡轮机需要停用等待维护以解决问题。应该理解的是，横摆传感器的角度编码器和凸轮开关都提供关于机舱的横摆位置的(不同的)信息。特别地，角度编码器指示绝对横摆位置，而凸轮开关指示何时机舱已经到达结束停止位置，并且还指示(经由统一横摆脉冲)机舱正在旋转，其后一信息可以与横摆驱动器当前正在驱动机舱的旋转的认识组合使用以确认凸轮开关正在运行并且横摆驱动齿轮箱和凸轮开关之间的传动路径正在运行。
正是基于这一背景设计了本发明。
技术实现要素：
在第一方面，本发明提供了一种用于风力涡轮机的横摆传感器，所述横摆传感器包括：
旋转开关，其被配置为耦合到风力涡轮机机舱的横摆驱动齿轮箱，所述旋转开关可操作以根据所述机舱相对于起始位置的横摆旋转量来启动和停用电触头；
其中，所述电触头在相对于所述起始位置的多个第一横摆旋转范围处起作用，并且在相对于所述起始位置的多个第二横摆旋转范围处不起作用，所述第一和第二横摆旋转范围交错，至少一些第一横摆旋转范围具有彼此不同的长度和/或至少一些第二横摆旋转范围具有彼此不同的长度；和
其中，电触头在起作用时生成电信号。
横摆传感器可以包括控制器，该控制器可操作以接收来自电触头的电信号并且基于所接收的电信号脉冲或所接收的电信号脉冲之间的间隙的长度来估计机舱相对于起始位置的当前横摆旋转。
横摆传感器可以包括耦合到横摆驱动齿轮箱的绝对编码器，所述绝对编码器可操作以确定机舱的当前横摆位置。控制器可操作以从基于旋转开关估计的当前横摆旋转来计算当前估计的横摆位置，并将由绝对编码器确定的当前横摆位置与估计的当前横摆位置进行比较。控制器可操作以生成确认信号，其取决于是否由绝对编码器所确定的当前横摆位置与所估计的当前横摆位置基本匹配。
控制器可操作以基于两个或更多个所接收的电信号脉冲或脉冲之间的间隙的相应长度和发生顺序来确定机舱正在旋转的方向。
相对于起始位置在第一旋转方向上的第一和第二横摆旋转范围的模式可以与相对于第一位置在相反的第二旋转方向上的第一和第二横摆旋转范围的模式不同。
可以从相对于起始位置的一侧的第一旋转位置至相对于起始位置的另一侧的第二旋转位置，第一横摆旋转范围长度逐渐增加。第一旋转位置可以是机舱在相对于起始位置的第一旋转方向上的多圈旋转，并且第二旋转位置可以是机舱在相对于起始位置的第二旋转方向上的多圈旋转。所述第一和第二旋转位置可以靠近机舱的安全结束停止位置。
控制器可操作以当相对于起始位置的旋转量达到第一预定阈值时引起横摆驱动器将机舱旋转回其起始位置或朝向其起始位置旋转。旋转开关可操作以当相对于起始位置的旋转量达到第二预定阈值时启动或停用另一电触头。第一阈值可以基本上等于或小于第二阈值。
控制器可操作以基于所接收的电信号和横摆驱动信息来计算脉冲和/或脉冲之间的间隙的长度，所述横摆驱动信息包括机舱旋转的持续时间和机舱旋转的速度。所述横摆驱动信息还可以包括机舱已经被驱动的旋转的方向。
在第二方面，本发明提供了一种包括如上所述的横摆传感器的用于风力涡轮机的横摆驱动器。
在第三方面，本发明提供了一种包括如上所述的横摆传感器的风力涡轮机。
附图说明
图1是风力涡轮机系统的示意图；
图2是横摆驱动器和传感器的示意功能性图；和
图3是由图2的横摆传感器所生成的异步脉冲信号的示意图。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机10，其包括支撑机舱14的塔架12，转子16安装到所述机舱。转子16包括从中央轮毂20径向延伸的多个风力涡轮机叶片18。在该示例中，转子16包括三个叶片18。如上所述，风力涡轮机叶片18的桨距可以由叶片变桨控制器(未示出)来调整，而机舱14的横摆可由横摆驱动器(未示出)来调整以基本面入到风中。
图2示出了横摆驱动器100的功能性部件和相互关系。横摆驱动器100包括横摆驱动齿轮箱110，其一方面连接到旋转安装件(未示出)(其上布置有机舱14)，另一方面连接到马达112，所述马达旋转轴用于经由齿轮箱110驱动旋转安装件的旋转。提供横摆传感器120，其通过小齿轮114耦合到横摆驱动齿轮箱110(例如横摆承载件)。横摆传感器包括角度(绝对)编码器124和机械凸轮开关128。当机舱14通过马达112和齿轮箱110的作用而旋转时，小齿轮114也旋转，并且小齿轮114的旋转从而旋转横摆传感器120的传感器轴122。角度编码器124直接或通过其他齿轮(未示出)耦合到传感器轴122，并且能够追踪轴的旋转并输出信号，其指示机舱14的当前旋转位置。在通过凸轮齿轮126的这种情况下，凸轮开关128也耦合到传感器轴122。应该理解，如果小齿轮114发生故障，那么绝对值编码器124和凸轮开关128将都不会运行。此外，如果角度编码器124和传感器轴122之间的耦合发生故障，则角度编码器124将不运行，但凸轮开关128仍应运行，而如果凸轮齿轮126发生故障，则凸轮开关128将不运行，但角度编码器124仍应运行。换句话说，有数个传动部件可能会发生故障。
提供控制器130，其通过接通和断开马达112(以及设定其旋转方向，以允许机舱14沿任一方向旋转)来控制横摆驱动器。控制器130接收来自风向传感器140的当前风向的指示，并且还接收来自角度编码器124的机舱14的当前横摆位置。控制器130能够确定对于机舱14的横摆需要什么调整(如果有的话)以便将涡轮机叶片18面入到风中。这可以基于所测量的相对风向来确定。如果需要调整，那么控制器130控制马达112以用预定量旋转机舱114以实现调整。一般地，可以预期旋转速度是固定的，并且通过将马达112接通一段时间(这将导致所期望的旋转量)来实现所期望的旋转量。换句话说，对于固定的旋转速度和已知的马达启动持续时间，所获得的机舱的旋转量基本上是可预测的。由角度编码器124确定的横摆(机舱)位置可用于给出绝对风向，其可用于确定风是否来自应导致涡轮机降额或关闭的方向。它也用于确定横摆速度。除了由角度编码器124指示的横摆位置之外，凸轮开关128还向控制器130提供一个或多个信号。
凸轮开关128可以具有结构上常规的性质，具有由圆盘或“凸轮”打开和关闭的电触头。凸轮设有凹口或指件，其允许所述触头在凸轮的期望旋转位置处启动(开关关闭以允许电流)和停用(开关打开以阻止电流)。可以使用弹簧偏压来将伴随构件偏压抵靠凸轮，其中，伴随构件在凸轮处有凹口并且构件落入到凹口的任何位置保持该触头关闭，并且在其没有切口的任何位置保持该触头打开。可以理解的是，相反的情况可以适用，其中，在凸轮有凹口的任何位置所述触头打开，并且在其没有凹口的任何位置关闭。类似地，在使用指件代替凹口的情况下，当其遇到指件，就会促使紧随构件远离凸轮的轴线。更一般地，凸轮可以具有(相对)升高和降低的周缘部分，其中，随着紧随构件遇到并跟随升高和降低的周缘部分而控制触头的开关。凸轮开关128可以包括多个凸轮，全部安装到相同轴上并且具有在所需位置处升高和降低的周缘部分，并且基于升高和降低的周缘部分的位置来控制其自身的独立触头。
在本技术的上下文中，可以设定特定凸轮上的升高(或降低的)周缘部分的位置，以在所期望的凸轮旋转位置处(并且因此是机舱14的，所述机舱经由小齿轮114、传感器轴122和凸轮齿轮126耦合到凸轮开关128的轴)启动或停用触头。将理解的是，鉴于凸轮的单一旋转可对应于机舱14的多旋转的事实，机舱14的旋转位置(在其处，凸轮开关启动或停用)可大于360°。类似地，可以将凸轮上的升高或降低部分的长度设定为对应于凸轮(并且因此为机舱14的)的特定角度范围。凸轮中的一个可包括定位成单个凹口或指件，其对应于机舱14的安全停止位置(例如机舱14的10转)定位。在这种情况下，凸轮的起始位置，对应于机舱14的起始位置，可以位于凸轮的与凹口或指件相反的一侧，并且凸轮的一半旋转(从起始位置到达凹口或指件)将对应于机舱14可以在任一方向上安全转动的旋转次数(全部或部分)。如果例如机舱14能够围绕塔架12的轴线安全地最多旋转10次，则在特定方向上机舱14的每个旋转将使凸轮从凸轮起始位置朝向凹口或指件旋转10％。无论机舱14沿哪个方向转动，凸轮将从其起始位置在10圈后到达凹口或指件，这将导致由凸轮开关128的触头而生成电信号并作为安全结束停止信号提供给控制器130。控制器130响应于这个安全结束停止信号来阻止机舱14在该方向上的进一步旋转，并且将机舱14(并且因此使凸轮)旋转回到其起始位置。
其他凸轮可以包括围绕其周缘分布的一系列升高和下降部分，其引起触头随着机舱14(并且因此该凸轮)旋转而启动和停用。该触头的启动和停用生成活动信号，该活动信号可以被提供给控制器130以指示凸轮开关128仍然在运行。具体而言，控制器130基于其正在触发马达112以驱动机舱14的旋转和也基于从角度编码器124所接收的信号的事实中的一个或两个来知道机舱14正在旋转。如果从凸轮开关128接收的活动信号不随机舱14的旋转而变化，控制器能够推断凸轮开关或齿轮箱110与凸轮开关128之间的传动链的问题。在这种情况下，控制器130不能安全地依靠来自凸轮开关128的安全结束停止信号，并且可以阻止横摆驱动器旋转机舱14，直到问题被工程师纠正。常规地，凸轮的升高和下降部分的周缘长度是统一的，使得随着机舱14(和凸轮)旋转生成统一的同步活动信号。然而，在本技术中，凸轮的升高部分和下降部分在长度上变化。结果，相对于从凸轮起始位置的旋转量(并且因此相对于机舱14从其起始位置的旋转量)的脉冲长度和间隙长度也在长度上变化，如在图3中所示。
现在参照图3，其顶部示出横摆脉冲(有效地编码到活动信号上)p1，中间部分示出结束停止信号p2，并且底部示出绝对编码器输出ae。起始位置s显示在图的中间，从图3的底部可以看出，其对应于为零的绝对编码器值。在图3中，绝对编码器被示出为从-10(机舱14沿逆时针方向的10个完整旋转)到+10(机舱14沿顺时针方向的10个完整旋转)测量。在此范围内可以看到结束停止信号为高值，并且在此范围之外(图3的极端左右位置)为低值。因此应该理解的是，当控制器130接收低值结束停止信号时，其阻止机舱14的进一步旋转，并通过将它旋转回到起始位置s来重置机舱14的位置。活动信号包括一系列脉冲和间隙，其从机舱14所允许的旋转范围的一端延伸到另一端。在每一端处，提供脉冲对(一端处为a、b，对应于机舱14的最大顺时针旋转，另一端处为l、k，对应于机舱14的最大逆时针旋转)，其指示安全结束停止位置的接近度。如果后者由于任何原因发生故障，则可以将这用作结束停止信号的备份。脉冲对a、b和l、k可以由控制器容易地识别，由于它们与其他脉冲相比具有较短的持续时间，并且由于它们彼此接近。脉冲a、b、l、k在凸轮开关128上与结束停止信号的安全结束停止位置在基本上相同的角度位置，但是如果需要的话，可以比此更接近起始位置，其中，结果是信号p1将被用作将机舱旋转回到其起始位置或朝向其起始位置旋转的触发器，而不依赖于信号p2。在这种情况下，信号p2将对于信号p1来说为有效的故障保护。其余脉冲c、d、e、f、g、h、i和j的长度逐渐增加，脉冲c长度为(凸轮开关128周缘的)2°，对于脉冲j，长度上升至30°。将会理解的是，如果控制器130经历一系列随每个脉冲长度增加的脉冲，则这指示机舱14正在逆时针旋转，而如果控制器130经历一系列随每个脉冲长度减小的脉冲，则这指示机舱14正在顺时针旋转。同样的原理可以应用于脉冲之间的间隙，这可以在图3中看到以与脉冲相同的方式增加大小。在替代性实施方式中，脉冲可以在特定旋转方向上增加大小，而间隙在相同旋转方向上减小大小。从图3中还可以看出，当从起始位置逆时针旋转时获得的脉冲模式与从起始位置顺时针旋转时获得的脉冲模式不同，使得可以快速识别旋转方向。
从图3可以理解，可以通过确定活动信号中的脉冲(或脉冲之间的间隙)长度来估计机舱14的横摆。应该注意的是，活动信号是有效数字的，指示触头当前处于起作用还是不起作用。它本身不指示凸轮(或机舱14)的当前旋转位置。然而，基于观察到或从脉冲发生的转变点处的时间，或者到或从两个脉冲之间间隙发生的转变点处的时间，以及通过注意在那些时间之间的预期旋转量，可以推断脉冲。预期旋转量可以基于控制器130已经驱动马达112施加的旋转量，或者在一些情况下可以基于来自角度编码器124的信息。在前一种情况下，如果机舱14的旋转速度是固定的，并且控制器130通过马达112追踪旋转的持续时间和方向，则可以推断旋转量。从上面可以理解的是，机舱14的相同角度旋转将在从机舱14的起始位置不同的距离处生成不同的脉冲长度。控制器130知道脉冲长度与从机舱14的起始位置的角度距离(在每个旋转方向上)的对应，并且因此能够从计算的脉冲长度来推断横摆位置的估计。
应该理解的是，机舱14可以在两个旋转方向上振荡以追踪风向。控制器130追踪两个转换点之间的总体(净)旋转量以确定脉冲长度。如果在第一转变点(例如从间隙到脉冲的转变)和第二转变点(例如从脉冲到间隙的转变)之间驱动马达12以驱动机舱14旋转一定量，其对应于凸轮开关128逆时针转动15°，然后顺时针5°，然后逆时针20°，则凸轮开关的净旋转将为逆时针旋转30°(15-5+20＝30)。参照图3，可以看出，脉冲j具有凸轮开关周缘的30°的脉冲长度，使得控制器130能够确定横摆位置对应于150°(如果30°旋转沿顺时针方向方向那么横摆位置将被确定为120°)。换句话说，上面提到的脉冲不是相对于时间的脉冲，而是相对于凸轮开关的周缘位置的有效脉冲，并且意味着相对于机舱14相对于其开始位置的旋转量。在图3中，所示角度是关于凸轮开关128的角距离。然而，如果需要，这些可以被转换入到机舱14的横摆位置(即，在360°范围内，或在±180°的范围内)。例如，如果凸轮开关128的一半旋转(180°)对应于机舱14的10旋转，则凸轮开关128的150°角位置将对应于逆时针6°的横摆位置(每个机舱完整旋转对应于凸轮开关128的18°旋转；因此150°构成机舱14的8个完整旋转和机舱14的6°部分旋转)。
控制器130能够将从凸轮开关脉冲以这种方式估计的横摆位置与由旋转编码器124测量的横摆位置进行比较，以监视是否编码器横摆位置信号有效并且验证机舱14的绝对位置。在其他的情况下，横摆驱动器可以被阻止进一步旋转机舱14，直到工程师已经纠正了问题(这可能是旋转编码器124和凸轮开关128中的任一个或两个，或者传动部件的问题)。可以生成确认信号以确认编码器横摆位置是有效的，或者替代地指示编码器横摆位置与凸轮开关横摆位置之间存在差异。
如果需要，由凸轮开关128生成的横摆脉冲也可以用于限定重置点。更具体地，可以使用横摆脉冲来限定和控制机舱14返回重置(当其到达安全停止点中的一个或其他时)的位置。具体地，控制器130可以将机舱14从安全停止点向后旋转，直到凸轮开关128生成长度的信号，其对应于所期望的机舱14位置。
应该理解的是，利用本技术，优选地提供两个电触头，如图3所示。这些触头中的生成脉冲信号p2的那一个仅在达到结束停止时才起作用。这个安全触头连接到安全系统，如果启动，它很可能会简单地关闭涡轮机。新的触头不连接到安全系统，而是连接到涡轮机控制器。由新触头生成的信号p1用于通过发出活动信号、即粗略的绝对横摆位置来监测安全触头和横摆编码器，以及在安全触头启动和涡轮机关闭之前触发解开缆线。在常规操作中，用于确定何时解开缆线的是横摆编码器。
虽然已经示出和描述了本发明的实施方式，但应该理解，这些实施方式仅通过示例的方式进行描述，并且应该理解，不同实施方式的各特征可以彼此组合。在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变化、改变和替换。因此，下面的权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同物。