專利名稱：用于風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于能量獲取設(shè)備、尤其是風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)、一種用于運(yùn)行這種差動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法以及一種具有這種差動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量獲取設(shè)備、尤其是風(fēng)力發(fā)電站。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電站逐漸成為越來(lái)越重要的發(fā)電設(shè)備。因此通過(guò)風(fēng)進(jìn)行發(fā)電的百分比份額持續(xù)提高。這點(diǎn)一方面由和電流質(zhì)量的新標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，另一方面和風(fēng)力發(fā)電站越來(lái)越大的趨向有關(guān)。同時(shí)海上風(fēng)力發(fā)電站也成為趨勢(shì)，這種風(fēng)力發(fā)電站要求至少5WM安裝容量的設(shè)備規(guī)模。由于海上區(qū)域中的風(fēng)力發(fā)電站的基礎(chǔ)設(shè)施和維護(hù)或安裝成本很高，所以這類設(shè)備的效率和可使用性都是特別重要的。對(duì)于所有設(shè)備共同的是可變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的必要性，一方面為了提高在部分負(fù)荷范圍內(nèi)的空氣動(dòng)力效率并且另外一方面為了調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電站的傳動(dòng)系中的轉(zhuǎn)矩，最后為了與轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)相結(jié)合進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在應(yīng)用的大部分風(fēng)力發(fā)電站為了滿足該要求，使用與變頻器組合的、轉(zhuǎn)速可變的所謂的雙重饋電的三相交流電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)形式的發(fā)電機(jī)方案。這些方案然而具有缺點(diǎn)(a)風(fēng)力發(fā)電站在電網(wǎng)干擾的情況下的電特性僅僅有條件地滿足供電企業(yè)的要求；(b)風(fēng)力發(fā)電站僅僅借助于變壓站可連接到中壓電網(wǎng)上；以及(C) 對(duì)于可變的轉(zhuǎn)速需要的變頻器是功率非常大的并且因此是效率損失的源頭。這些問(wèn)題能夠通過(guò)應(yīng)用他勵(lì)的中壓同步發(fā)電機(jī)解決。在此然而需要替代的方案， 以便滿足對(duì)風(fēng)力發(fā)電站的傳動(dòng)系中的可變的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的要求。一個(gè)可能性在于應(yīng)用差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其通過(guò)在恒定的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下改變傳動(dòng)比而允許風(fēng)力發(fā)電站的可變的轉(zhuǎn)速。W02004/109157A1示出了一種復(fù)雜的、流體靜力的“多通道”設(shè)計(jì)，其具有多個(gè)平行的差動(dòng)級(jí)和多個(gè)可切換的離合器，由此可在單個(gè)通道間切換。借助所示技術(shù)方案可減小流體靜力的功率和由此流體靜力的損耗。但整個(gè)裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是一大缺點(diǎn)。此外，各單個(gè)級(jí)之間的切換在控制風(fēng)力發(fā)電站時(shí)也是問(wèn)題。另外該公開(kāi)文獻(xiàn)還示出了一種機(jī)械的制動(dòng)器，其直接作用于發(fā)電機(jī)軸上。W02006/010190A1示出一種簡(jiǎn)單的具有多級(jí)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)的電概念，該差動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)選設(shè)定一個(gè)異步發(fā)電機(jī)作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。該差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速1500rpm在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)擴(kuò)大1/3至2000rpm，這意味著大約33%的磁場(chǎng)削弱范圍。EP U83359A1示出了具有電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的單級(jí)和多級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)，單級(jí)方案具有圍繞輸入軸同軸定位的具有高額定轉(zhuǎn)速的特殊三相交流電機(jī)，其基于結(jié)構(gòu)形式具有極大的關(guān)于轉(zhuǎn)子軸的慣性矩。作為替換方案，多級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)有高速標(biāo)準(zhǔn)三相交流電機(jī)，該三相交流電機(jī)平行于差動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入軸定向。已知設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)一方面在于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中的高損耗，另一方面在于設(shè)計(jì)時(shí)用來(lái)解決該問(wèn)題的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)或特殊機(jī)電構(gòu)造以及由此的高昂成本。在流體靜力的方案中此外應(yīng)用的泵的壽命是一個(gè)問(wèn)題或者在與外部的環(huán)境調(diào)節(jié)適配時(shí)需要高的耗費(fèi)?？傊梢源_定，所選擇的額定轉(zhuǎn)速范圍或者對(duì)于調(diào)整極端負(fù)載是過(guò)小的或?qū)τ陲L(fēng)力發(fā)電站的最佳的發(fā)電是過(guò)大的。此外在已知的用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的電方案中可以確定，它們?cè)陬~定轉(zhuǎn)速范圍和磁場(chǎng)削弱范圍之間規(guī)定了不利的分配并且沒(méi)有充分考慮到對(duì)于控制重要的標(biāo)準(zhǔn)如差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的關(guān)于轉(zhuǎn)子的慣性矩(J-)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是盡可能地避免上述缺點(diǎn)并且提供一種差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，其除成本盡可能低外既保證了最大發(fā)電量又確保了風(fēng)力發(fā)電站的最佳控制。上述任務(wù)利用具有權(quán)利要求1特征的差動(dòng)機(jī)構(gòu)解決。上述任務(wù)此外利用具有權(quán)利要求13特征的能量獲取設(shè)備解決。上述任務(wù)最后也利用具有權(quán)利要求15和16的特征的方法解決。其余從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式。通過(guò)將轉(zhuǎn)速限定在給定的范圍上在較高的空氣動(dòng)力效率和通過(guò)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置引起的效率損失之間達(dá)到了最佳的平衡，同時(shí)顧及到了在能量獲取設(shè)備特別是風(fēng)力發(fā)電站中的與調(diào)節(jié)相關(guān)的邊界條件。


下面參考附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式。圖1示出按現(xiàn)有技術(shù)的5麗風(fēng)力發(fā)電站的功率曲線、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和由此產(chǎn)生的特性值如葉尖速比和功率系數(shù)，圖2示出按現(xiàn)有技術(shù)的具有電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的差動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理圖，圖3示出按現(xiàn)有技術(shù)的具有泵/馬達(dá)組合的流體靜力的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的原理圖，圖4示出按現(xiàn)有技術(shù)的同軸于差動(dòng)級(jí)的輸入軸定向的特殊三相交流電機(jī)的原理圖，圖5示出風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速情況和由此產(chǎn)生的用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的最大輸入轉(zhuǎn)矩Iax，圖6示例示出電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和功率與風(fēng)速的關(guān)系，圖7示出對(duì)于單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)而言最大轉(zhuǎn)矩和比例因數(shù)y/x與額定轉(zhuǎn)速范圍的關(guān)系，圖8示出具有單級(jí)和替代地具有二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩以及對(duì)Jral的作用，圖9示出單級(jí)或二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的倍乘因數(shù)f (J)，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的慣性矩J的值與該倍乘因數(shù)相乘，從而計(jì)算在最小的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(nmin)時(shí)關(guān)于轉(zhuǎn)子軸的Jral，圖10示出對(duì)于單級(jí)或二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)而言所需的轉(zhuǎn)矩，以便借助電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)速跳躍，圖11示出包括磁場(chǎng)削弱范圍的電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(PM-同步電機(jī))的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性與所需的用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩的比較，圖12示出用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的最大輸入轉(zhuǎn)矩和比例因數(shù)y/x與電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的磁場(chǎng)削弱范圍的關(guān)系，
圖13示出總發(fā)電量的差異率與磁場(chǎng)削弱范圍的關(guān)系，圖14示出在具有80%的磁場(chǎng)削弱范圍的電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的情況下，在不同年平均風(fēng)速時(shí)對(duì)于不同額定轉(zhuǎn)速范圍而言的總發(fā)電量的差異率，圖15示出在液壓差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的情況下在不同年平均風(fēng)速時(shí)對(duì)于不同額定轉(zhuǎn)速范圍而言的總發(fā)電量的差異率，圖16示出對(duì)于單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)而言在不同的額定轉(zhuǎn)速范圍中電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)電成本，圖17示出對(duì)于二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)而言在不同的額定轉(zhuǎn)速范圍時(shí)電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)電成本，圖18示出三相交流電機(jī)，其利用在之間連接的電阻短路，圖19示出具有集成到主傳動(dòng)裝置中的單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案，圖20示出具有集成到同步發(fā)電機(jī)中的單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案，圖21示出單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的替代方案，其具有位于內(nèi)齒輪和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置之間的同軸連接。
具體實(shí)施例方式風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子的功率由下述公式計(jì)算出轉(zhuǎn)子功率=轉(zhuǎn)子面積X功率系數(shù)X空氣密度/2 X風(fēng)速3其中，功率系數(shù)與風(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的葉尖速比(=葉尖速度與風(fēng)速的比值)有關(guān)。 風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)基于隨發(fā)展待確定的葉尖速比(值大多在7和9之間)，以獲得最佳的功率系數(shù)。出于這個(gè)原因，在風(fēng)力發(fā)電站運(yùn)行時(shí)應(yīng)在部分負(fù)荷范圍中調(diào)節(jié)到相應(yīng)小的轉(zhuǎn)速，以便確保最佳空氣動(dòng)力效率。圖1示出了轉(zhuǎn)子功率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、葉尖速比和用于轉(zhuǎn)子的給定最大轉(zhuǎn)速范圍的功率系數(shù)或8. 0-8. 5的最佳葉尖速比的功率系數(shù)的關(guān)系。從圖表中可以看出，當(dāng)葉尖速比偏離于其8. 0-8. 5的最佳值時(shí)，功率系數(shù)下降，因此根據(jù)上述公式轉(zhuǎn)子功率相應(yīng)于轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力特性也降低。圖2示出用于風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)系統(tǒng)，其包括差動(dòng)級(jí)3或11至13、適配傳動(dòng)級(jí)4 和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6。風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子1驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)裝置2，該轉(zhuǎn)子位于用于主傳動(dòng)裝置2 的驅(qū)動(dòng)軸上。主傳動(dòng)裝置2為3級(jí)傳動(dòng)裝置，其具有兩個(gè)行星齒輪級(jí)和一個(gè)圓柱齒輪級(jí)。差動(dòng)級(jí)3位于在主傳動(dòng)裝置2和發(fā)電機(jī)8之間，主傳動(dòng)裝置2通過(guò)差動(dòng)級(jí)3的行星架12驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)8優(yōu)選是他勵(lì)同步發(fā)電機(jī)，在需要時(shí)也可具有大于20kv的額定電壓，發(fā)電機(jī)與差動(dòng)級(jí)3的內(nèi)齒輪13連接并且由其驅(qū)動(dòng)。差動(dòng)級(jí)3的小齒輪11與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6連接。調(diào)節(jié)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6的轉(zhuǎn)速，以便一方面在轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)速變化時(shí)保證發(fā)電機(jī)8轉(zhuǎn)速恒定并且另一方面在風(fēng)力發(fā)電站的整個(gè)傳動(dòng)系中控制轉(zhuǎn)矩。為了提高用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6的輸入轉(zhuǎn)速，在所示情況下選擇二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其在差動(dòng)級(jí)3和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6之間提供圓柱齒輪形式的適配傳動(dòng)級(jí)4。差動(dòng)級(jí)3和適配傳動(dòng)級(jí)4因此構(gòu)成所述二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置為三相交流電機(jī)，其通過(guò)變頻器7和變壓器5連接到電網(wǎng)上。作為替換方案，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置還可以如圖3所示被構(gòu)造成例如流體靜力泵/馬達(dá)組合9。在這種情況下第二泵優(yōu)選通過(guò)適配傳動(dòng)級(jí)10與發(fā)電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)軸連接。
圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)的另一種可能的實(shí)施方式。在此行星架12 以所示方式被主傳動(dòng)裝置2驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)8與內(nèi)齒輪13連接或小齒輪與電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6 連接。這種變型方案為單級(jí)方案，在此出于結(jié)構(gòu)原因使用特殊三相交流電機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)三相交流電機(jī)相比該特殊三相交流電機(jī)昂貴許多并且還具有特別大的慣性矩。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6的關(guān)于轉(zhuǎn)子1的慣性矩這點(diǎn)對(duì)控制技術(shù)產(chǎn)生不利的影響。差動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速方程如下轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)=X *轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子+y *轉(zhuǎn)速差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的，因數(shù)X和 y可以從所選擇的主傳動(dòng)裝置和差動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比中推導(dǎo)出。轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩通過(guò)待刮過(guò)的風(fēng)和轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力效率來(lái)確定。轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)矩和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置上的轉(zhuǎn)矩之間的比例是恒定的，所以傳動(dòng)系中的轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)調(diào)整。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩方程如下轉(zhuǎn)失巨差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置=轉(zhuǎn)失巨轉(zhuǎn)子女y/x，其中，比例系數(shù)y/x是差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的所需的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩的量度。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的功率基本上正比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與其基本轉(zhuǎn)速的百分比偏差和轉(zhuǎn)子功率的乘積。因此原則上大轉(zhuǎn)速范圍要求相應(yīng)大尺寸的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。圖5示出了例如對(duì)于不同轉(zhuǎn)速范圍的情況。轉(zhuǎn)子的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍定義其與轉(zhuǎn)子基本轉(zhuǎn)速的百分比偏差，該范圍可借助差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)運(yùn)行時(shí)為負(fù)或在發(fā)電運(yùn)行時(shí)為正)的額定轉(zhuǎn)速在無(wú)磁場(chǎng)減弱的情況下實(shí)現(xiàn)。當(dāng)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置為電三相交流電機(jī)時(shí)，其額定轉(zhuǎn)速(η)定義最大轉(zhuǎn)速，在該最大轉(zhuǎn)速時(shí)電三相交流電機(jī)可持續(xù)產(chǎn)生額定扭矩(Mn)或額定功率(Pn)。在流體靜力驅(qū)動(dòng)裝置如液壓的軸向活塞泵的情況下，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速是這樣的轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速時(shí)流體靜力驅(qū)動(dòng)裝置能夠以最大轉(zhuǎn)矩(Tmax)提供最大持續(xù)功率 (Ptlmax)。在此，泵的額定壓力(1\)和標(biāo)稱尺寸(NG)或排液體量(Vgax)決定最大轉(zhuǎn)矩(Tmax)。在額定功率范圍中，風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子以在Iimax和nmin_maxP極限之間的平均轉(zhuǎn)速 nrated在處于Iirated和nmin之間的部分負(fù)荷范圍中旋轉(zhuǎn)，這在該實(shí)施例中可以借助80%的磁場(chǎng)削弱范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了控制風(fēng)暴而選擇相應(yīng)大的Iimax和nmin_maxP之間的控制轉(zhuǎn)速范圍， 該轉(zhuǎn)速范圍可在無(wú)負(fù)荷減小的情況下實(shí)現(xiàn)。該轉(zhuǎn)速范圍的值與風(fēng)暴的大小和/或風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子慣性和所謂的變槳系統(tǒng)(轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整系統(tǒng))的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)有關(guān)，并且通常約為_(kāi)/+5 %。在所示實(shí)施例中，選擇-/+6 %的控制轉(zhuǎn)速范圍以便足夠用來(lái)借助差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置控制極風(fēng)暴。但是帶極慢變槳系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電站可以設(shè)計(jì)約至的控制轉(zhuǎn)速范圍。在該控制轉(zhuǎn)速范圍中風(fēng)力發(fā)電站必須產(chǎn)生額定功率，這意味著，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在此被加載以最大轉(zhuǎn)矩。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子的_/+額定轉(zhuǎn)速范圍必須大致相同，因?yàn)橹挥性谠摲秶胁顒?dòng)驅(qū)動(dòng)裝置才能產(chǎn)生其額定轉(zhuǎn)矩。在具有差動(dòng)級(jí)的電的和流體靜力的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中，在差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速為0 時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速稱為基本轉(zhuǎn)速。因?yàn)楝F(xiàn)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍較小時(shí)基本轉(zhuǎn)速超過(guò)nmin-maxP，所以差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在轉(zhuǎn)速為0的情況下必須產(chǎn)生額定轉(zhuǎn)矩。而電或液壓的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在轉(zhuǎn)速為 0時(shí)僅可產(chǎn)生明顯小于額定轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩，但這可以通過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)的超尺寸來(lái)補(bǔ)償。但因?yàn)樽畲笤O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩是差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸因數(shù)，所以小轉(zhuǎn)速范圍對(duì)于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸的有利影響只是有限的。
在具有多于一個(gè)差動(dòng)級(jí)的或具有一個(gè)流體動(dòng)力的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中，_/+額定轉(zhuǎn)速范圍可以替代地從下述公式計(jì)算出-/+ 額定轉(zhuǎn)速范圍="/+ (nmax_nmJ / (nmax+nmin)基本轉(zhuǎn)速=(nmax+nmin)* 0. 5。在這種情況下差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速替代地可以借助其最大轉(zhuǎn)速nmax和最小轉(zhuǎn)速nmin來(lái)確定。圖6中例如可看出差動(dòng)極的轉(zhuǎn)速或功率情況。發(fā)電機(jī)、優(yōu)選他勵(lì)中壓同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)連接到頻率固定的電網(wǎng)中為恒定的。為了可相應(yīng)很好地利用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，該差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在小于基本轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)電動(dòng)地運(yùn)行并且在大于基本轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)式運(yùn)行。從而在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)功率饋入差動(dòng)級(jí)中，而在發(fā)電機(jī)式運(yùn)行時(shí)從差動(dòng)級(jí)中取得功率。 該功率在電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的情況下優(yōu)選從電網(wǎng)獲取或饋入到電網(wǎng)中。在液壓的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中該功率優(yōu)選從發(fā)電機(jī)軸取得或輸入給發(fā)電機(jī)軸。發(fā)電機(jī)功率和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的功率之和形成為電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置而輸出到電網(wǎng)中的總功率。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的輸入轉(zhuǎn)矩除了與差動(dòng)器輸入端上的轉(zhuǎn)矩有關(guān)之外，還主要與差動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比有關(guān)。如果以此分析為基礎(chǔ)(行星齒輪級(jí)的最佳傳動(dòng)比在所謂的大約為6的固定傳動(dòng)比時(shí))，那么通過(guò)單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩不是正比于轉(zhuǎn)速范圍地變小。在技術(shù)上也可實(shí)現(xiàn)較大的固定傳動(dòng)比，這可以最好地減小該問(wèn)題，但不能消除它。圖7示出了對(duì)于單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)而言最大轉(zhuǎn)矩和比例因數(shù)y/x(出于顯示的原因乘以-5. 000)與轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速范圍的關(guān)系。在大約_/+14%至-/+17%的額定轉(zhuǎn)速范圍中對(duì)于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置而言得到最小的比例因數(shù)和由此最小的最大轉(zhuǎn)矩(Mmax)。該圖示出，對(duì)單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)而言當(dāng)額定轉(zhuǎn)速范圍變小時(shí)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩變大。為了解決這一問(wèn)題，可以使用例如二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)。這例如可以通過(guò)在差動(dòng)級(jí)3和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6或9之間設(shè)置適配傳動(dòng)級(jí)4來(lái)實(shí)現(xiàn)。但主要決定差動(dòng)級(jí)成本的差動(dòng)級(jí)的輸入轉(zhuǎn)矩卻不能由此減小。圖8示出了用于單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)和二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩的對(duì)比以及因數(shù)J(red)，該因數(shù)是兩種方案的關(guān)于轉(zhuǎn)子軸的慣性矩的比值。由圖8中可以明確看出， 在自由選擇差動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比的情況下-在所示情況下差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速為大約 1500rpm，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置所需的轉(zhuǎn)矩隨變小的轉(zhuǎn)速范圍相應(yīng)地變小。在大于約-/+16. 5%額定轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，該實(shí)施例中采用的單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的固定傳動(dòng)比足夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)1500rpm的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速，無(wú)需附加的適配傳動(dòng)級(jí)。多級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)在于較大的傳動(dòng)損耗和較高的傳動(dòng)成本。此外，雖然差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的慣性矩隨變小的額定轉(zhuǎn)矩也變小，但較高的傳動(dòng)比引起差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)于風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子軸的較大的慣性矩(Jred)。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電站的可控性與Jred密切相關(guān)(與風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子的慣性矩相比越小，則差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的控制動(dòng)力學(xué)就越好)，所以在所示情況中當(dāng)風(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍較小時(shí)，二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的Jral值約為單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的2. 6倍，其缺點(diǎn)在于(a)要求相應(yīng)更大的尺寸的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，或(b)當(dāng)沒(méi)有采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施時(shí)，由于控制性能差會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電站負(fù)荷更大且電流質(zhì)量較差。因此并且也由于較高的傳動(dòng)成本和傳動(dòng)損耗，單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)于多級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)只能有條件地并且在小額定轉(zhuǎn)速范圍中才可能作為技術(shù)上可能的替代方案。對(duì)Jral的說(shuō)明通常在選擇轉(zhuǎn)速范圍時(shí)也有效。圖9示出了在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最小時(shí)的倍乘因數(shù)f (J)，其與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的慣性矩的值相乘，以便計(jì)算在最小的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(nmin)時(shí)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置關(guān)于轉(zhuǎn)子軸的Jy。為了能夠控制風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跳躍，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置必須相應(yīng)超尺寸設(shè)計(jì)，其隨著漸增的Jral、即漸增的額定轉(zhuǎn)速范圍或在多級(jí)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的情況下業(yè)已在較小的轉(zhuǎn)速范圍時(shí)就表現(xiàn)為巨大的成本因素。圖10示出了差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置為能夠控制風(fēng)暴所需的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)風(fēng)暴在2秒內(nèi)從4. 5m/ s加速到11. 5m/s時(shí)，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速范圍這可引起轉(zhuǎn)速?gòu)?. 6至10. 3rpm 跳躍到對(duì)所有額定轉(zhuǎn)速范圍來(lái)說(shuō)相同的轉(zhuǎn)速11. 7rpm。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置跟隨該轉(zhuǎn)速跳躍，所需的加速力矩相應(yīng)于Jral和該轉(zhuǎn)速跳躍的值而降低?？擅鞔_看出，在此多級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)基于更高的傳動(dòng)比需要更大的轉(zhuǎn)矩。在差動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比不變的情況下擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍并且因此提高發(fā)電量的可能性是利用電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的磁場(chǎng)削弱范圍(Feldschw3chebereich ),
如在具有變頻器的例如永磁激勵(lì)式的同步三相交流電機(jī)的情況下。磁場(chǎng)削弱范圍是指超出電三相交流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速范圍。為額定轉(zhuǎn)速還定義了額定轉(zhuǎn)矩或額定失步轉(zhuǎn)矩。在表格和其它說(shuō)明中，磁場(chǎng)削弱范圍定義為轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的百分比——也就是說(shuō)，例如1. 5倍轉(zhuǎn)速相應(yīng)于50%的磁場(chǎng)削弱范圍。圖11舉例示出了額定轉(zhuǎn)速為1500rpm的電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的最大轉(zhuǎn)矩或失步轉(zhuǎn)矩的值?？擅鞔_看出，無(wú)論在轉(zhuǎn)速為零時(shí)還是在大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)最大可達(dá)到的轉(zhuǎn)矩都變小。 但風(fēng)力發(fā)電站的一個(gè)主要特點(diǎn)是，在部分負(fù)荷范圍中——在該示例中該部分負(fù)荷范圍大約相當(dāng)于電動(dòng)運(yùn)行——所需的轉(zhuǎn)矩大大小于最大允許轉(zhuǎn)矩。在發(fā)電機(jī)式運(yùn)行中對(duì)于大于大約 1730rpm的轉(zhuǎn)速，風(fēng)力發(fā)電站需要減小負(fù)荷，以便不超過(guò)允許的最大轉(zhuǎn)矩。圖10示出了 80% 的磁場(chǎng)削弱范圍，其達(dá)到1. 8倍額定轉(zhuǎn)速，這對(duì)于為該例所選擇的電驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)是技術(shù)上合理的上限。在此需要提出，例如永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)在磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)的效率非常好，這是與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的效率相關(guān)聯(lián)的重要優(yōu)點(diǎn)。三相交流電機(jī)在磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)的運(yùn)行根據(jù)其設(shè)計(jì)最多至50%至60%、也就是說(shuō)1. 5倍至1. 6倍額定轉(zhuǎn)速且無(wú)轉(zhuǎn)速反饋，此外需要使用如編碼器。因?yàn)榫幋a器的使用代表附加的誤差來(lái)源并且所謂的無(wú)傳感器的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速在力矩或轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面在動(dòng)態(tài)性上更好，所以在確定磁場(chǎng)削弱范圍時(shí)可找到在調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性和最佳年均發(fā)電量之間的最佳點(diǎn)。也就是說(shuō)，在平均風(fēng)速高并且在與之相關(guān)的極風(fēng)暴的情況下，可以選擇允許無(wú)傳感器控制的磁場(chǎng)削弱范圍，以便相應(yīng)控制風(fēng)暴。在待控制風(fēng)暴的小的平均風(fēng)速較的情況下，可以著重最佳年均發(fā)電量并且因此選擇盡可能大的具有轉(zhuǎn)速反饋的磁場(chǎng)削弱范圍。這也很好地適配風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，該差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在風(fēng)速低的情況下作為電動(dòng)機(jī)使用盡可能大的轉(zhuǎn)速范圍。為了驗(yàn)證在不同的年均風(fēng)速時(shí)磁場(chǎng)削弱范圍的大小對(duì)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的大小或風(fēng)力發(fā)電站的發(fā)電量的影響，可以在風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速范圍固定的情況下改變差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的磁場(chǎng)削弱范圍，同時(shí)調(diào)整差動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。圖12示出了差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的與磁場(chǎng)削弱范圍相關(guān)的最大輸入轉(zhuǎn)矩和比例因數(shù)y/ X (出于顯示目的乘以-5，000)。從大約70%的磁場(chǎng)削弱范圍開(kāi)始產(chǎn)生用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的最佳比例因數(shù)并且因此也產(chǎn)生最低的最大轉(zhuǎn)矩(Mmax)，絕對(duì)最小值在100%的磁場(chǎng)削弱范圍時(shí)存在。圖13示出了與用于不同的年均風(fēng)速的磁場(chǎng)削弱范圍相關(guān)的發(fā)電量的差異率。最佳值產(chǎn)生于100%至120%的磁場(chǎng)削弱范圍之間?；谠撨吔缯{(diào)節(jié)，根據(jù)使用條件選擇磁場(chǎng)削弱范圍，但必須選擇> 50%的磁場(chǎng)削弱范圍。年均風(fēng)速是在輪轂高度(相當(dāng)于轉(zhuǎn)子中心)上測(cè)得的風(fēng)速的年平均值。為10. Om/ s、8. 5m/s、7. 5m/s和6. Om/s的最大年均風(fēng)速相應(yīng)于所謂的IEC分級(jí)1、2、3、4。采用瑞利分布作為標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)上的頻率分布。此外還需提到，永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)還在于， 與其它結(jié)構(gòu)類型的三相交流電機(jī)相比具有對(duì)額定轉(zhuǎn)矩而言較小的慣性矩，如上所述，這點(diǎn)被證明有利于控制風(fēng)力發(fā)電站，因此，用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的特別低慣性矩的設(shè)計(jì)的花費(fèi)總是值得的。作為替換方案，所謂的磁阻電機(jī)在典型的較高額定轉(zhuǎn)速的情況下也同樣具有非常小的慣性矩。已知磁阻電機(jī)極其堅(jiān)固，這特別有利于海上區(qū)域中的使用。差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的大小當(dāng)然也對(duì)風(fēng)力發(fā)電站的總效率有重要影響。通過(guò)觀察上述實(shí)施方式可以得出下述基本認(rèn)識(shí)，即風(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的大轉(zhuǎn)速范圍可以改善空氣動(dòng)力效率， 但另一方面也要求差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置具有更大的尺寸，這會(huì)造成更高的損耗，這阻止取得更好的系統(tǒng)效率(系統(tǒng)效率由轉(zhuǎn)子的空氣動(dòng)力性和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的損耗確定)。圖14示出了根據(jù)風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速范圍的、不同年均風(fēng)速下的具有電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電站的總發(fā)電量的差異。在此，總發(fā)電量基于風(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的扣除了差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(包括變頻器在內(nèi))和差動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗的輸出功率。根據(jù)本發(fā)明， 的額定轉(zhuǎn)速范圍是基礎(chǔ)，該轉(zhuǎn)速范圍由具有差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電站的額定功率范圍中最小所需的控制轉(zhuǎn)速區(qū)域所要求，額定轉(zhuǎn)速范圍表示可以借助差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍。此外，采取高于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速的直至80%的磁場(chǎng)削弱范圍。從附圖中不難看出，在約-/+20 %的額定轉(zhuǎn)速范圍時(shí)達(dá)到最佳值，并且此外擴(kuò)大額定轉(zhuǎn)速范圍不再有益處。圖15示出了具有液壓差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的風(fēng)能發(fā)電設(shè)備在不同的年均風(fēng)速時(shí)的總發(fā)電量的差異。在此，液壓差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中明顯更高的損耗對(duì)發(fā)電量產(chǎn)生不利影響，由此額定轉(zhuǎn)速范圍在用于控制目的的最小所需的-/+6%和在高年均風(fēng)速(大于8. 5m/s)時(shí)-/+10% 的發(fā)電量最佳值以及在較低年均風(fēng)速時(shí)_/+15%之間是合理的。曲線在大約-/+12%的額定轉(zhuǎn)速范圍的彎折是由轉(zhuǎn)速為O時(shí)風(fēng)力發(fā)電站的額定運(yùn)行區(qū)域中差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的高額定轉(zhuǎn)矩以及在適配傳動(dòng)級(jí)4的低傳動(dòng)比所造成的。最終目標(biāo)是研制一種傳動(dòng)系，其使發(fā)電成本最小。對(duì)此在優(yōu)化差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)有以下幾個(gè)相關(guān)問(wèn)題(a)總發(fā)電量，(b)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的制造成本和(c)影響總制造成本的風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制的質(zhì)量?？偘l(fā)電量成比例地計(jì)入發(fā)電成本并且因此計(jì)入風(fēng)力發(fā)電區(qū)的經(jīng)濟(jì)性。制造成本與所謂的風(fēng)力發(fā)電區(qū)總成本有關(guān)，但僅為風(fēng)力發(fā)電站的按份額的資金成本占風(fēng)力發(fā)電區(qū)的包括維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用的總成本的百分比。風(fēng)力發(fā)電站所屬份額平均占所謂的岸上項(xiàng)目的約2/3，占海上項(xiàng)目的約1/3。因此平均來(lái)說(shuō)百分比可以定義為約 50%。這意味著，年發(fā)電量的差異平均地雙倍于風(fēng)力發(fā)電站的制造成本的差異。也就是說(shuō)，當(dāng)在所示用于電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的例子中在大約-/+14%至-/+17%的額定轉(zhuǎn)速范圍已經(jīng)出現(xiàn)最佳比例因數(shù)時(shí)，該決定成本的因數(shù)對(duì)發(fā)電成本的影響在百分比上小于從約-/+20%的額定轉(zhuǎn)速范圍起的最佳發(fā)電量對(duì)發(fā)電成本的影響。圖16示出不同轉(zhuǎn)速范圍對(duì)具有單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)和電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的風(fēng)力發(fā)電區(qū)的發(fā)電成本的影響。在此可以看出，在所有風(fēng)速條件下較好的值位于約_/+15%和-/+20%之間的額定轉(zhuǎn)速范圍中并且最佳值約為-/+17. 5%。圖17示出不同轉(zhuǎn)速范圍對(duì)具有包含電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的二級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)(低于約-/+16. 5%的額定轉(zhuǎn)速)的風(fēng)力發(fā)電區(qū)的發(fā)電成本的影響。首先可以看出在較小的年均風(fēng)速時(shí)最佳值位于_/+15 %至-/+20 %之間的轉(zhuǎn)速范圍中。在年均風(fēng)速大于8. 5m/s時(shí)，出于控制原因最低為+/-6%直至約_/+10%的較小轉(zhuǎn)速范圍成為有利的替換方案。也就是說(shuō)， 多級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)在年均風(fēng)速很高的情況下與單級(jí)方案相比是具有競(jìng)爭(zhēng)力的。但是在設(shè)計(jì)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)還要考慮其它重要的特殊情況。例如由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置上的轉(zhuǎn)速比值恒定，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置故障可能引起很嚴(yán)重的損壞。例如差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置在風(fēng)力發(fā)電站額定運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障，由此同時(shí)傳動(dòng)系上的可傳遞轉(zhuǎn)矩變?yōu)榱恪ｏL(fēng)力發(fā)電站轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在這種情況下優(yōu)選通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整裝置的快速調(diào)整迅速減小，并且將發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)分離。由于發(fā)電機(jī)慣性相對(duì)高，所以其只能緩慢改變其轉(zhuǎn)速。由此，如果差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置不能立即至少部分地保持其轉(zhuǎn)矩，則差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的過(guò)度轉(zhuǎn)速是不可避免的。出于這個(gè)原因，例如在使用流體靜力差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)設(shè)置機(jī)械制動(dòng)器，該機(jī)械制動(dòng)器用于在差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置故障時(shí)防止損壞傳動(dòng)系的超速。為該目的W02004/109157A1示出一種機(jī)械制動(dòng)器，其直接作用到發(fā)電機(jī)軸上并且由此可以相應(yīng)地制動(dòng)發(fā)電機(jī)。上述多次提及的(可以與變頻器組合作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用的)永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)具有下述優(yōu)點(diǎn)它們高度防故障并且可簡(jiǎn)單地通過(guò)初級(jí)繞組的短路-在其中接有或者不接有電阻的情況下-維持大約直至額定轉(zhuǎn)矩高度的轉(zhuǎn)矩。也就是說(shuō)，例如在變頻器故障的情況下，同步三相交流電機(jī)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路自動(dòng)(自動(dòng)防止故障危害地) 短路并且由此維持轉(zhuǎn)矩，其在額定轉(zhuǎn)速的情況下可達(dá)額定值，并且隨變小的轉(zhuǎn)速相應(yīng)地減小，從而在極小的轉(zhuǎn)速時(shí)歸零。因此以簡(jiǎn)單的方式防止了差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的過(guò)度轉(zhuǎn)速。圖18示出了其中接有電阻的三相交流電機(jī)短路的可能性。在永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速不超過(guò)損壞該驅(qū)動(dòng)裝置的臨界轉(zhuǎn)速?；谒鶞y(cè)得的風(fēng)力發(fā)電站的發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，根據(jù)用于差動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速方程(轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)=χ *轉(zhuǎn)速*轉(zhuǎn)速差_ |置)借助轉(zhuǎn)子葉片調(diào)整裝置控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速不超過(guò)預(yù)給定的臨界極限值。在風(fēng)力發(fā)電站控制故障并且該故障可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片控制和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的控制同時(shí)失效時(shí)，永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)的初級(jí)繞組的短路能夠維持一個(gè)防止其超速的轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力發(fā)電站和永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)的控制不可能同時(shí)失效。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電站例如停止使用時(shí)，也可以通過(guò)永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)的短路來(lái)防止差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的不希望的加速。由于上述風(fēng)力發(fā)電站的最佳控制、總效率和差動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單或成本優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)成為理想的技術(shù)方案。在此存在各種用于在結(jié)構(gòu)上結(jié)合差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝
置的方案。
圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的可能的變型方案。轉(zhuǎn)子1驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)裝置2并且主傳動(dòng)裝置通過(guò)行星架12驅(qū)動(dòng)差動(dòng)級(jí)11至13。發(fā)電機(jī)8與內(nèi)齒輪13連接，或小齒輪11與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6連接。差動(dòng)機(jī)構(gòu)為單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6既同軸于主傳動(dòng)裝置2 的輸出軸又同軸于發(fā)電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)軸布置。因?yàn)樾↓X輪11和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6之間的連接通過(guò)圓柱齒輪級(jí)和主傳動(dòng)裝置2的從動(dòng)軸進(jìn)行，所以差動(dòng)級(jí)優(yōu)選是主傳動(dòng)裝置2的組成部分并且主傳動(dòng)裝置優(yōu)選通過(guò)作用于轉(zhuǎn)子1的制動(dòng)器15和通過(guò)離合器14與發(fā)電機(jī)8連接。圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種可能的變型方案。在此，轉(zhuǎn)子同樣驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)裝置2并且主傳動(dòng)裝置通過(guò)行星架12驅(qū)動(dòng)差動(dòng)級(jí)11至13。發(fā)電機(jī)8與內(nèi)齒輪13連接，或小齒輪11與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6連接。差動(dòng)機(jī)構(gòu)為單級(jí)差動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6既同軸于主傳動(dòng)裝置2的輸出軸又同軸于發(fā)電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)軸布置。在此在發(fā)電機(jī)8上設(shè)置空心軸， 該空心軸允許將差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置定位于發(fā)電機(jī)8的遠(yuǎn)離差動(dòng)機(jī)構(gòu)的一側(cè)上。因此，差動(dòng)級(jí)優(yōu)選是單獨(dú)的連接在發(fā)電機(jī)8上的組件，該組件優(yōu)選通過(guò)離合器14和制動(dòng)器15與主傳動(dòng)裝置2連接。在一種慣性矩特別低的變型方案中小齒輪11和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6之間的連接軸 16可優(yōu)選構(gòu)造為例如具有玻璃纖維或碳纖維的纖維復(fù)合軸。這兩種變型方案的所示的同軸的單級(jí)實(shí)施方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于(a)差動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，(b)由此差動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率高和(c)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6的關(guān)于轉(zhuǎn)子1的慣性矩相對(duì)小。此外，在按圖19的變型方案中，差動(dòng)機(jī)構(gòu)可以作為單獨(dú)的組件制造并且與主傳動(dòng)裝置無(wú)關(guān)地實(shí)施和維護(hù)。當(dāng)然也可用流體靜力驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)替代差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6，但對(duì)此必須優(yōu)選通過(guò)發(fā)電機(jī)8來(lái)驅(qū)動(dòng)與該流體靜力驅(qū)動(dòng)裝置處于相互影響的第二泵元件。對(duì)于高年均風(fēng)速，可以在按圖19和20的實(shí)施方式中在差動(dòng)級(jí)11至13和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6之間設(shè)置適配傳動(dòng)級(jí)4(原理如圖2和3所示)。按圖19和圖20的變型方案與按圖4的現(xiàn)有技術(shù)相比區(qū)別主要在于標(biāo)準(zhǔn)三相交流電機(jī)的可替換性和差動(dòng)級(jí)的簡(jiǎn)單且成本低廉的結(jié)構(gòu)(差動(dòng)級(jí)無(wú)需用于三相交流電機(jī)和小齒輪的空心軸方案)以及在關(guān)于轉(zhuǎn)子軸的慣性矩(Jral)方面對(duì)風(fēng)力發(fā)電站控制的決定性優(yōu)
點(diǎn)ο按圖19和圖20的變型方案的區(qū)別主要在于風(fēng)力發(fā)電站借助制動(dòng)器15的所謂的緊急制動(dòng)的效果。出發(fā)點(diǎn)是，在激活制動(dòng)器15時(shí)通常是2. 5倍于額定轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)力矩起作用，該制動(dòng)力矩相應(yīng)于轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的減小的慣性矩分配地作用于轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置上。這些慣性矩當(dāng)然與該風(fēng)力發(fā)電站的質(zhì)量比例有關(guān)。作為現(xiàn)實(shí)的例子，在5MW風(fēng)力發(fā)電站的額定運(yùn)行中可以為轉(zhuǎn)子1關(guān)于制動(dòng)器15設(shè)定約1900kgm2，為同步發(fā)電機(jī)8設(shè)定約200kgm2，為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6設(shè)定約10kgm2。也就是說(shuō)，大部分制動(dòng)力矩 (大約90%或2. 2倍的轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)矩)作用于風(fēng)力發(fā)電站的轉(zhuǎn)子軸。因?yàn)樵诎磮D19的變型方案中差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置位于處于制動(dòng)器15和轉(zhuǎn)子1之間的轉(zhuǎn)矩流中能夠，所以其必須相應(yīng)于轉(zhuǎn)子和差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置之間恒定的轉(zhuǎn)矩比也保持約2. 2倍的額定轉(zhuǎn)矩。按圖20的變型方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)制動(dòng)器開(kāi)始起作用(Einfall)時(shí)其制動(dòng)力矩并不通過(guò)差動(dòng)機(jī)構(gòu)作用于決定慣性矩的轉(zhuǎn)子。在該情況下，只有約9. 5%的制動(dòng)力矩作用于發(fā)電機(jī)或約0. 5%作用于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置6。通過(guò)按圖19所示的制動(dòng)器15和差動(dòng)機(jī)構(gòu) 11至13的布置，永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)的用于維持差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中的轉(zhuǎn)矩的短路才有意義，因?yàn)榉駝t在緊急情況下會(huì)存在顯著超過(guò)其額定轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩。
13
圖21示出了差動(dòng)機(jī)構(gòu)的另一種可能的實(shí)施方式。在此，行星架12以已經(jīng)示出的方式被主傳動(dòng)裝置12驅(qū)動(dòng)，但發(fā)電機(jī)8與小齒輪11連接，或內(nèi)齒輪與由轉(zhuǎn)子17和定子18 構(gòu)成的電差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置連接。該變型方案也是同軸的單級(jí)方案，其中，傳動(dòng)裝置技術(shù)方面的邊界調(diào)節(jié)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子15的轉(zhuǎn)速相對(duì)低。這在控制技術(shù)方面對(duì)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置17至18的關(guān)于轉(zhuǎn)子1的慣性矩來(lái)說(shuō)時(shí)特別有利的。上述實(shí)施方式也可用于相似的技術(shù)應(yīng)用中。這例如主要涉及利用水流和海流的水利發(fā)電站。對(duì)于這種應(yīng)用而言適用如對(duì)于風(fēng)力發(fā)電站的基本前提條件，即可變的流動(dòng)速度。 在這種情況下驅(qū)動(dòng)軸直接或間接由通過(guò)流體介質(zhì)如水驅(qū)動(dòng)的裝置驅(qū)動(dòng)。隨后該驅(qū)動(dòng)軸直接或間接驅(qū)動(dòng)差動(dòng)機(jī)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.用于能量獲取設(shè)備、尤其是風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其包含三個(gè)驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端，其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)端與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸連接，一個(gè)從動(dòng)端與發(fā)電機(jī)(8)連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)端與作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)(6)連接，并且所述與驅(qū)動(dòng)軸連接的第一驅(qū)動(dòng)端以基本轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征在于，第一驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+6.0%并且最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+20.0%，而電機(jī)(6)則以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
2.用于能量獲取設(shè)備、尤其是風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其包含三個(gè)驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端，其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)端與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸連接，一個(gè)從動(dòng)端與發(fā)電機(jī)(8)連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)端與液壓的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(6)連接，并且所述與驅(qū)動(dòng)軸連接的第一驅(qū)動(dòng)端以基本轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征在于，第一驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+6.0%并且最多為基本轉(zhuǎn)速的_/+15.0%，而液壓的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(6)則以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+7. 0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+8. 0%o
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+10. 0%o
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+17. 5%0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+15. 0%o
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+14. 0%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+10. 0%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述電機(jī)(6)是三相交流電機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述電機(jī)(6)是永磁激勵(lì)式同步三相交流電機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于，第二驅(qū)動(dòng)端直接與差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(6)連接。
13.能量獲取設(shè)備、特別是風(fēng)力發(fā)電站，其包含驅(qū)動(dòng)軸、發(fā)電機(jī)(8)和差動(dòng)機(jī)構(gòu)(11至 13)，其特征在于，所述差動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)上述權(quán)利要求1至12之一項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的能量獲取設(shè)備，其特征在于，它僅僅具有一個(gè)差動(dòng)級(jí)(11至13)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14之一所述的能量獲取設(shè)備，其特征在于，它具有一個(gè)單級(jí)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)⑶。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至14之一的能量獲取設(shè)備，其特征在于，它具有一個(gè)多級(jí)的差動(dòng)機(jī)構(gòu)(3,4) ο
17.用于運(yùn)行用于能量獲取設(shè)備、尤其是風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法，該差動(dòng)機(jī)構(gòu)包含三個(gè)驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端，其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)端與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸連接，一個(gè)從動(dòng)端與發(fā)電機(jī)(8)連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)端與作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)(6)連接，并且所述與驅(qū)動(dòng)軸連接的第一驅(qū)動(dòng)端以基本轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征在于，第一驅(qū)動(dòng)端在至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+6.0%且最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+20.0%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)被驅(qū)動(dòng)，而電機(jī)(6)則以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
18.用于運(yùn)行用于能量獲取設(shè)備、尤其是風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法，該差動(dòng)機(jī)構(gòu)包含三個(gè)驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端，其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)端與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸連接，一個(gè)從動(dòng)端與發(fā)電機(jī)(8)連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)端與液壓的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置(6)連接，并且所述與驅(qū)動(dòng)軸連接的第一驅(qū)動(dòng)端以基本轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征在于，第一驅(qū)動(dòng)端在至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+6. 0%且最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+15. 0%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)被驅(qū)動(dòng)，而液壓的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置 (6)則以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+7. 0%。
20.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+8. 0%o
21.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+10. 0%o
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+17. 5%0
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+15. 0%o
24.根據(jù)權(quán)利要求17至23之一所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+14.0%。
25.根據(jù)權(quán)利要求17至23之一所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速范圍最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+10. 0%。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)能夠在磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行， 并且電機(jī)(6)至少暫時(shí)在至少為50%的磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)至少暫時(shí)在至少為60%的磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)至少暫時(shí)在至少為70%的磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
29.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)至少暫時(shí)在至少為80%的磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
30.根據(jù)權(quán)利要求沈至四之一所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)至少暫時(shí)在直至 100 %的磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
31.根據(jù)權(quán)利要求沈至四之一所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)至少暫時(shí)在直至 120%的磁場(chǎng)削弱范圍內(nèi)運(yùn)行。
32.根據(jù)權(quán)利要求沈至31之一所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)不利用傳感器地運(yùn)行。
33.根據(jù)權(quán)利要求沈至31之一所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)利用傳感器運(yùn)行。
34.根據(jù)權(quán)利要求32和33所述的方法，其特征在于，電機(jī)(6)有時(shí)利用傳感器運(yùn)行并且有時(shí)不利用傳感器運(yùn)行。
35.根據(jù)權(quán)利要求32至34之一所述的方法，其特征在于，電機(jī)在一個(gè)50%的磁場(chǎng)削弱范圍之上利用傳感器運(yùn)行。
36.根據(jù)權(quán)利要求32至M之一所述的方法，其特征在于，電機(jī)在一個(gè)60%的磁場(chǎng)削弱范圍之下不利用傳感器地運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于能量獲取設(shè)備，尤其是風(fēng)力發(fā)電站的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，其包含三個(gè)驅(qū)動(dòng)端和從動(dòng)端。其中一個(gè)第一驅(qū)動(dòng)端與能量獲取設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軸連接，一個(gè)從動(dòng)端與發(fā)電機(jī)(8)連接，并且一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)端與作為差動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)(6)連接。所述與驅(qū)動(dòng)軸連接的第一驅(qū)動(dòng)端以基本轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。第一驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速范圍至少為基本轉(zhuǎn)速的-/+6.0％并且最多為基本轉(zhuǎn)速的-/+20.0％，而電機(jī)(6)則以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02P9/42GK102177365SQ200980139844
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者格拉爾德·黑亨貝格爾 申請(qǐng)人:格拉爾德·黑亨貝格爾