风力发电机组的主轴涡流加热装置、电路及其调节方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组主轴加热的技术领域，尤其是指一种风力发电机组的主轴涡流加热装置、电路及其调节方法。


背景技术：

2.陆上风力发电机组由于低温运行环境，降低了主轴的寿命并可能引发主轴磨损裂纹等故障。为降低外部低温环境对风力发电机组主轴的影响，在主轴的安装空间(主轴承)内增设加热设备，使主轴达到风力发电机组正常工作的温度要求。
3.为了提高风力发电机组内部温度，目前对于风力发电机组加热较常用的方法有以下三种：
4.1、加热器
5.通过在机舱安装空间安装加热器，使风力发电机组机舱内部空气整体升温，经过空气热传导，对风力发电机组主轴进行加热。
6.这种方式的优点是成本较低，安装位置要求低。
7.其缺点是由于加热器粗放的加热功能，通过对机舱整体升温达到主轴升温，功率大量浪费。环境温度过高同样影响电气设备正常运行，且加热器还有加热效率低、耗电量大、安全性能低等缺点。
8.2、油液管路加热
9.通过在机舱布置加热带，在主轴承及齿轮箱布置供水及排水管道，以油脂或水作为导热媒介，对主轴进行加热。
10.这种方式的优点是相对于加热器，加热效率明显提高，使用油液热传导的效率高于空气自由运动的热传导效率。加热方式与齿轮箱及发电机冷却方式相似，工艺及原理成熟，可与原有系统契合应用。
11.其缺点是需要管道支撑加热，高温液体需要供水管道送往主轴承和齿轮箱，低温液体需要排水管道完成循环重复加热。对管道要求较高，需要考虑磨损及老化问题，且存在管道破裂液体泄漏风险。维护繁琐，需要定期加水，管道检查困难。
12.3、传统涡流加热
13.采用中频电流通过铜管对主轴进行加热，仅用于主轴装配工艺，由于使用的电路及实现方式的限制，无法应用在运行中的主轴。
14.这种方式的优点是技术成熟，效率较高。
15.其缺点是仅能用于主轴装配工艺，未应用于运行中的机组。


技术实现要素：

16.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种风力发电机组的主轴涡流加热装置，可以实现加热效率高、适应性强、安装方便、不依赖主轴材料、低人工成本和维护工时的对风力发电机组进行环境控制、保护主轴不受低温影响、创造良好运行环境
的目的。
17.本发明的第二目的在于提供一种风力发电机组的主轴涡流加热电路。
18.本发明的第三目的在于提供一种风力发电机组的主轴涡流加热电路的调节方法。
19.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组的主轴涡流加热装置，包括分别置于风力发电机组机舱内部的加热线圈、直流母线电压整流器电源和单管准谐振逆变器，其中，所述加热线圈环绕主轴布置，并位于主轴的主轴承内，不与主轴相接触，所述直流母线电压整流器电源的一端与机舱控制柜连接，通过该直流母线电压整流器电源将机舱控制柜输出的400vac交流电整流为0～500vdc直流电，所述直流母线电压整流器电源的另一端与单管准谐振逆变器连接，通过该单管准谐振逆变器将0～500vdc直流电转换为高频交变电流，所述单管准谐振逆变器与加热线圈连接，通过该加热线圈产生交变磁场在主轴中感应出涡流，涡流效应使主轴温度升高。
20.优选的，所述直流母线电压整流器电源和单管准谐振逆变器为一体式组装在同一电气柜体内或者分别放置在两个电气柜体内，它们之间通过电缆进行连接。
21.本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组的主轴涡流加热电路，用于实现上述的风力发电机组的主轴涡流加热装置，其包括：原边回路和副边回路，所述原边回路由直流母线电压整流器电源、附加电感、加热线圈电感、开关管和谐振电容组成，所述副边回路由主轴等效电感、主轴等效电阻和附加电容组成；所述直流母线电压整流器电源的负极与开关管的发射极连接，其正极与附加电感的一端连接，所述附加电感的另一端与加热线圈电感的一端连接，所述加热线圈电感的另一端与开关管的集电极连接，所述谐振电容与附加电感和加热线圈电感并联在一起，所述主轴等效电感、主轴等效电阻和附加电容串联在一起，所述加热线圈电感与主轴等效电感之间通过电磁耦合来传递能量。
22.进一步，所述附加电感是原边回路中除了加热线圈电感以外的其它电感之和，能够与原边回路中的谐振电容和开关管及副边回路中的附加电容一起用来调节单管准谐振逆变器的谐振参数，以达到带附加电容的等效变压器阻抗匹配的目的，提高加热效率。
23.进一步，所述开关管为igbt功率开关管。
24.本发明的第三年目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组的主轴涡流加热电路的调节方法，包括以下步骤：
25.1)搭建仿真电路，并设置高感应效率阻扰点；
26.2)基于步骤1)设置的高感应效率阻扰点，结合工作频率，计算出附加电容的电容值，若电路的输出功率低于设定值，则需要减小附加电容的电容值；基于步骤1)设置的高感应效率阻扰点，结合要折合到阻抗值，配置等效变压器的参数，包括附加电感、加热线圈电感、开关管、谐振电容、主轴等效电感、主轴等效电阻和附加电容；
27.3)分析仿真波形，考虑电流应力、电压应力和输出功率之间的平衡，执行步骤4)的三种情况；
28.4)第一种：若电流应力大，通过调节开关管来减小占空比，占空比减小后，输出功率减小；第二种：若电压应力大，通过减小谐振电容的电容值来调节电压应力；第三种：通过增大附加电感和加热线圈电感的电感值，使得电流应力减小，输出功率减小。
29.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
30.1、本发明搭配直流母线电压整流器电源以及单管准谐振逆变器，很好实现了运行
中机组的主轴加热，既可以针对主轴进行加热又不会直接造成整个机舱空气温度的升高，没有复杂冗长的液体管路，减少了安装维护的复杂性以及液体泄漏的风险。
31.2、本发明在功能上优于加热器方式，在安装友好性和环境适应性上优于油液管路加热和传统涡流加热方式，具有很好的应用前景。
32.3、本发明的电路实现简单可靠，容易实施，成本低。
附图说明
33.图1为主轴涡流加热装置在风力发电机组的安装简示图。
34.图2为主轴涡流加热装置的电路原理图。
35.图3为电路调节流程图。
36.附图标记：1为机舱、2为加热线圈，3为直流母线电压整流器电源、4为单管准谐振逆变器、5为主轴、6为主轴承、7为机舱控制柜、8为轮毂、9为塔筒。
具体实施方式
37.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
38.实施例1
39.如图1所示，本实施例公开了一种风力发电机组的主轴涡流加热装置，包括分别置于风力发电机组机舱1内部的加热线圈2、直流母线电压整流器电源3和单管准谐振逆变器4，其中，所述加热线圈2环绕主轴5布置，并位于主轴5的主轴承6内，不与主轴5相接触，所述直流母线电压整流器电源3的一端与机舱控制柜7连接，通过该直流母线电压整流器电源3将机舱控制柜7输出的400vac交流电整流为0～500vdc直流电，所述直流母线电压整流器电源3的另一端与单管准谐振逆变器4连接，通过该单管准谐振逆变器4将0～500vdc直流电转换为高频交变电流，所述单管准谐振逆变器4与加热线圈2连接，通过该加热线圈2产生交变磁场在主轴5中感应出涡流，涡流效应使主轴5温度升高。
40.本实施例上述主轴涡流加热装置的原理是直流母线电压整流器电源将机舱400vac交流电整流为0～500vdc直流电，再通过单管准谐振逆变器将0～500vdc直流电转换为高频交变电流，进而通过加热线圈产生交变磁场，交变磁场在主轴中感应出涡流，涡流效应使主轴温度升高，从而达到对主轴进行加热的目的。
41.整套装置与风力发电机组的电气接口完美对接，放置在风力发电机组的机舱中，采用400vac机舱三相交流供电。
42.直流母线电压整流器电源和单管准谐振逆变器可安装在同一电气柜体内，也可安装在两个电气柜体内，将400vac机舱三相交流电转换为40khz高频交流电，功率2kw，电流有效值10a。依据主轴的不同材质，可修改单管准谐振逆变器的谐振频率，转换为不同频率的高频交流电，使感应效率达到0.9以上，以达到理想的加热效果。
43.本实施例上述主轴涡流加热装置的使用情况如下：
44.1)将主轴涡流加热装置中的直流母线电压整流器电源和单管准谐振逆变器安装在风力发电机组的机舱内部，将主轴加热装置的加热线圈环绕主轴进行安装，可预埋在主轴承内侧。
45.2)主轴涡流加热装置供电电缆与风力发电机组400vac电源相连接，同时信号电缆反馈直流母线电压整流器电源和单管准谐振逆变器运行状态并接受主控控制指令。
46.3)启动前注意检查直流母线电压整流器电源和单管准谐振逆变器无异物。
47.4)检查接线是否正确，接地是否良好。
48.5)当风力发电机组的主控监测到主轴承温度低于主轴的耐受温度时，以0℃为例，主控控制主轴涡流加热装置启动，对主轴进行加热。
49.6)主轴涡流加热装置亦可通过装置内部开关进行手动启停。
50.7)主轴涡流加热装置需要定期检查维护，建议维护周期为12个月。
51.综上所述，该主轴涡流加热装置以全新设计、定点加热、安装方便、无油液泄漏风险、无环境污染的方式对风力发电机组进行环境控制，对主轴进行针对性加热，也避免对其余电气设备运行造成负面影响，值得推广。
52.实施例2
53.如图2所示，本实施例公开了一种风力发电机组的主轴涡流加热电路，用于实现实施例1所述的风力发电机组的主轴涡流加热装置，其包括：原边回路和副边回路，所述原边回路由直流母线电压整流器电源ud、附加电感ls、加热线圈电感l1、开关管q和谐振电容cr组成，所述副边回路由主轴等效电感l2、主轴等效电阻r和附加电容c
add
组成；所述直流母线电压整流器电源ud的负极与开关管q的发射极连接，其正极与附加电感ls的一端连接，所述附加电感ls的另一端与加热线圈电感l1的一端连接，所述加热线圈电感l1的另一端与开关管q的集电极连接，所述谐振电容cr与附加电感ls和加热线圈电感l1并联在一起，所述主轴等效电感l2、主轴等效电阻r和附加电容c
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串联在一起，所述加热线圈电感l1与主轴等效电感l2之间通过电磁耦合来传递能量。
54.具体地，所述附加电感ls是原边回路中除了加热线圈电感l1以外的其它电感之和，能够与原边回路中的谐振电容cr和开关管q及副边回路中的附加电容c
add
一起用来调节单管准谐振逆变器的谐振参数，以达到带附加电容的等效变压器阻抗匹配的目的，提高加热效率。
55.具体地，所述开关管q为igbt功率开关管。
56.实施例3
57.如图3所示，本实施例公开了一种应用于实施例2所述风力发电机组的主轴涡流加热电路的调节方法，其具体情况如下：
58.1)搭建仿真电路，并设置高感应效率阻扰点；
59.2)基于步骤1)设置的高感应效率阻扰点，结合工作频率，计算出附加电容c
add
的电容值，若电路的输出功率低于设定值，则需要减小附加电容c
add
的电容值；基于步骤1)设置的高感应效率阻扰点，结合要折合到阻抗值，配置等效变压器的参数，包括附加电感ls、加热线圈电感l1、开关管q、谐振电容cr、主轴等效电感l2、主轴等效电阻r和附加电容c
add
；
60.3)分析仿真波形，考虑电流应力、电压应力和输出功率之间的平衡，执行步骤4)的三种情况；
61.4)第一种：若电流应力大，通过调节开关管q来减小占空比，占空比减小后，输出功率减小；第二种：若电压应力大，通过减小谐振电容cr的电容值来调节电压应力；第三种：通过增大附加电感ls和加热线圈电感l1的电感值，使得电流应力减小，输出功率减小。
62.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。