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CN113382918B - 一种具有液压和气动速度控制的液压无极变速系统和使用方法 - Google Patents

一种具有液压和气动速度控制的液压无极变速系统和使用方法 Download PDF

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CN113382918B CN202080008133.7A CN202080008133A CN113382918B CN 113382918 B CN113382918 B CN 113382918B CN 202080008133 A CN202080008133 A CN 202080008133A CN 113382918 B CN113382918 B CN 113382918B
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Abstract

提供一种液压无级变速器以连接风力涡轮机和发电机。液压无级变速器具有一个初级桨轮和用于宏观速度控制的多个次级桨轮。还提供了用于微观速度控制的气动桨轮。包括一个控制器，用于测量负载或线路的交流电特性输出以进行速度控制。

Description

一种具有液压和气动速度控制的液压无极变速系统和使用 方法
技术领域
本发明涉及一种系统，该系统使用带气动辅助的无级变速器进行微观速度控制，并通过在完成整个发电装置的发电后评估负载/线路上的交流电特性来优化涡轮机(风力或水力)的发电。
背景技术
无级变速器(CVT)是已知的并且已经用于自行车、机动车辆、绞盘、起重机等的动力传输。已经为这些设备开发了许多设计变体，其类型包括带皮带的可变直径滑轮、环形的或基于滚轮的、基于摩擦的、基于静液压的、基于棘轮的、磁性的等。
与CVT相关的美国专利的例子包括第4,565,110、4,970,862、4,945,482、 4,922,717、5,072,587、4,916,900、4,914,914、4,850,192和4,838,024号专利，其全部内容在此并入作为参考。该现有技术描述了通过泵、活塞、齿轮、皮带、皮带轮、离合器或阀门来调节车辆副轴的宏观速度的CVT速度。
CVT的另一个示例可见于美国专利第7,679,207号，该专利也以通过引用并入。该专利概括地描述了包括风力发电设备、CVT、发电机和CVT控制的系统。对风力涡轮机的描述提供了大量细节，而CVT和转速计是通用定义的。轴速度的CVT控制技术由涡轮机的桨距和桨叶偏转以及控制器的部署来确定。换句话说，控制器通过涡轮机本身的物理特性调整涡轮机的驱动速度来补偿CVT的速度输出。任何配置的风力涡轮机具有驱动轴，这种设置可以被认为是一个“引擎”。一般而言，无级变速器(CVT)提供引擎和发电机之间的变速机械方法，发电机通过风力涡轮机或引擎运行来发电。
然而，鉴于CVT的机械复杂和昂贵的设计以及有限的控制模式，需要改进CVT。本发明响应了改进CVT的这种需要。
发明内容
本发明提供一种气动辅助的液压无级变速器，其不需要泵、活塞、齿轮、皮带、皮带轮、离合器或阀来改变操作的液压流体压力。操作控制的一部分是使用可编程逻辑控制器或类似设备或装置来监控逆变器输出到电气负载/线路的输出，然后控制该系统(包括液压和气动方面两者)，以进行CVT变速控制从而产生无功平衡电源并使负载不稳定最小化。
本发明还提供气动能量存储以驱动发电机，当与风力涡轮机脱离时，在非常低或非常高的风力条件下发电。
本发明的特点包括：
一种用于宏观速度调节的液压无极变速(CVT)装置；
一种CVT微观调速气动系统；
一种直接驱动涡轮发电机的气动储能方法；
一种制动发电机的气动控制方法，以及
一种控制系统，其测量从能源系统到负载/线路的输出的交流电气特性，其中该控制系统可以启动一系列控制阀以在微观层面调整CVT速度。
更具体地，本发明包括液压无极变速系统和使用方法。该系统具有涡轮机输出轴和发电机输入轴。该系统包括液压系统，该液压系统具有连接到涡轮机输出轴的第一液压室和连接到发电机输入轴的第二液压室。第一液压室和第二液压室彼此液压连通，第一液压室和第二液压室用于发电机输入轴的宏观速度调节。
该系统还具有气动系统，该气动系统具有第一气动室和第二气动室。第一气动室连接到涡轮机输出轴以产生压缩空气并将其储存在至少一个储罐中。第二气动室连接发电机输入轴和至少一个储罐，用于发电机输入轴的微观速度调节、发电机输入轴的制动和发电机输入轴的直接驱动中的一项或多项。
该系统还包括控制器，该控制器监控连接到发电机输入轴的发电机的输出，将该输出与配电网的负载/线路进行比较，并基于配电网的负载/线路的测量使用液压系统和气动系统中的一个或多个来调整发电机轴的速度，从而管理提供给配电网的电力。
液压系统可包括一系列液压动力桨轮、与第一液压室相关联的至少一个桨轮和与第二液压室相关联的多个桨轮。每个桨轮都有输入阀和输出阀，该输入阀和输出阀的操作由控制器控制。
第二液压室中的桨轮尺寸不同，优选地在朝向发电机的方向上尺寸从最小到最大，以增加或减小发电机输入轴的速度。液压系统还包括与第一液压室和第二液压室连通的储液器。
气动系统包括与第一气动室相关联的至少一个桨轮和与第二气动室相关联的至少一个桨轮。
本发明还包括一种控制涡轮机输出的方法，包括在涡轮机和发电机之间提供液压无极变速系统，并使用控制器、液压系统和气动系统控制发电机输入轴的速度。
附图说明
图1描绘了用于通过能量管理装置产生电力的涡轮机系统的一个实施例，该涡轮机系统包括CVT。
图2提供了图1中CVT的更多细节，包括与CVT的液压宏观速度控制、气动微观速度调节、气动制动和支持操作相关的功能。
图3显示了用于图1和图2的CVT的气动和液压模块的示例性桨轮配置。
具体实施方式
图1示出了系统700的实施例，其包括涡轮机或风力引擎500、集成气动辅助液压CVT 503和发电机505。CVT 503位于引擎500和发电机505之间。CVT 具有分别用于连接到引擎500和发电机505的轴适配器101A和101B。添加转速计501用于气动安全制动操作是非常需要的。
CVT有一系列液压阀216、217、226、227、236、237、246、247、256和 257。这些阀门提供了用于速度控制的主液压室的选择。还提供了气动控制阀 306、311、314和319，这些阀为CVT 503的速度控制提供次级辅助。
液压储液器290设有阀291。液压储液器290供应用于操作的液压流体。还包括作为系统一部分的多个气动储罐，其中两个气动储罐设置为308和338，但如果需要更多存储，可以提供额外的储罐。气动储罐308和338被提供用于使用多个单独的控制阀的空气操作，其中两个显示为329、339，用于CVT 503 的次级辅助和用于连续发电的气动能量存储。
出于安全目的，安全释放阀330和340分别设置在每个气动储罐308和338 上。
系统控制器502被提供并定位在转换器/逆变器508之后。与负载或配电网 510相比，控制器502监控发电系统700的输出电气特性以不断地调节发电系统 700的操作。
图2提供了集成气动辅助液压CVT 503的更多细节。轴适配器101A附接到引擎500并提供驱动轴102，驱动轴102穿过上气动室350和上液压室200。
锥形齿轮301设置在气动室350上方并附接到驱动轴102，用于选择性地操作设置在气动室350中的集成空气压缩机303。当连接到轴304的配对锥形齿轮302和锥形齿轮301被由阀322控制的空气致动器321接合时，压缩机 303运行。气动能量通过控制阀306和端口307输送到储罐308。该气动能量还可用于停用致动器321和脱开齿轮301和302。供气的进气和排气通过气动室中的端口323。
CVT 503还包括液压室200和201，其中室200是流体输送的主要来源。液压管路系统204、205、214、215、224、225、234、235、244、245、254和255 穿过液压室200和201，而外部液压管路206、207相互连接通过一系列控制阀216、217、226、227、236、237、246、247、256和257。排出阀260设置在管线207上用于排放目的。为管线206提供储液器阀291并且该阀提供液压流体旁通以液压地将引擎500与发电机505分离的能力。
液压室200具有主液压桨轮202，其位于内室203内。桨轮202以基于涡轮机转速的速率将液压流体推进到位于次级液压室201中的选定次级液压驱动器 212、222、232、242或252。基于选择哪对控制阀216/217、226/227、236/237、 246/247或256/257，液压流体被引导至多个次级液压驱动器中的一个。次级液压驱动器也是分别位于内腔213、223、233、243,253中的桨轮212、222、 232、242和252。桨轮212、222、232、242和252的尺寸与发电机505的大范围宏观操作所需的涡轮机速度的增加或减少成比例。
次级气动室351被设置并定位在发电机和次级液压室201之间。次级气动室351提供优化发电机505速度以最小化负载或线路510不平衡的能力。来自储罐308的压缩空气通过端口310供应以增加发电机505的速度，而端口313 用于降低发电机505的速度。控制阀311、314和319被提供并用于管理速度控制的这些微操作。次级气动室351包括桨轮317，其位于次级气动室351的次级室318中。桨轮317提供了一种以小增量调节发电机505速度的方法，使得提供给负载/线路510的电力的调节几乎是瞬时的。这允许管理提供给负载/ 线路510的电力的一致性和质量。
集成的气动超速驱动液压CVT 503也可用于在引擎/涡轮机500没有旋转或发生最小旋转时运行发电机505。一系列储罐338等与初级储罐308接口，控制阀311、314、319、320和329(其提供压缩空气到桨轮317)和控制阀260 和291(其可以切断液压室200和201的液压供应)被控制以旋转内部轴103，内部轴103又通过接口联接器101B旋转发电机505的轴，以在与负载/线路510 匹配的管理功率下发电。
图3提供了有关用于CVT 503的桨轮的更多详细信息。如上所述，室200 具有桨轮202，室201具有桨轮212、222、232、242和252，每个桨轮定位在其各自的内室203、213、223、233、243和253中。例如，桨轮202包括一系列桨209，其在围绕轮203的轴向旋转中以X度定位。密封件210围绕内腔203 沿轴向旋转Y度定位，在桨轮202旋转期间产生四个密封区域。一个密封区域显示为“A”，其中两个桨叶209'和209"与密封件210'和210"相遇。擦拭之间的时间段允许桨轮202的自润滑。
基于随着轴102旋转流体从桨轮202通过管205排出，入口管204允许液压流体在必要时进入室。来自管205的流体进入管206并流过选定的控制阀217、 227、237、247或257到适当的桨轮212、222、232、242和252，同时流体从内室213、223、233、243和253排出，通过排放口214、224、234、244和 254经由选定的配对控制阀216、226、236、246和256被释放到管207。管 207将流体返回到桨轮室203和桨轮202的初级入口管204以完成用于CVT 503内宏观速度控制的液压循环。通常，与涡轮机速度相比，速度增加和减少2 倍和3倍比率是为该宏观级别设计的。
CVT 503的气动方面允许宏观速度比率之间的微观速度。更具体地，当附接到驱动轴102的锥形齿轮301通过柱塞304接合到锥形齿轮302时，当风速可用时，启动涡旋或螺旋式空气压缩机303。这允许大气进入进气管323，被压缩并通过控制阀306经由端口307排放到储罐308。然后可以通过端口310 和313从储罐308供应压缩空气。控制阀311和314被快速启动以通过桨轮317降低或提高轴103的速度。为了使液压系统允许这些微调，排出阀260和储液器阀291被暂时打开以允许压力补偿。当增加发电机505轴速度时，空气压力通过排气阀319释放。当控制阀314被启动并且排气阀319以脉冲循环关闭时，轴103的速度会降低，从而管线315中的压缩空气被引导回桨轮 317。用于微速度控制的这些脉冲周期的时序由控制器502生成以匹配负载/电网510的交流电波形，从而确保功率因数最大化。
两个气动室350和351通过完全打开控制阀/排出阀260和储液器阀291，制动发电机至完全停机，同时关闭所有液压控制阀216、217、226、227、236、 237、246、247、256和257。然后流体简单地从桨轮202循环通过储液器290，同时气动控制阀314打开并且319关闭，从而产生背压以阻止轴103旋转。
多个气动储罐308、338、...还可以在没有风驱动涡轮机500时提供存储的气动能量以旋转轴103并驱动发电机505。在该模式中，控制阀/排出阀260和储液器阀291完全打开并且所有液压控制阀216、217、226、227、236、237、 246、247、256和257都关闭。在这种操作状态下，液压系统处于空档。然后可以打开控制阀311和319，这允许气动能量操作桨轮317，这导致轴103以适当的速度转动以操作发电机505匹配负载/电网510的交流电波形。
本发明的系统和方法提供了一种很大改进的方式来获取引擎(例如风力涡轮机)轴的旋转，并以宏观速度和微观速度控制的方式将该旋转传输到发电机。本发明还提供了在引擎不旋转或以不显著的水平旋转时，将引擎与发电机断开连接或运行发电机的能力。
因此，根据其优选实施例公开了本发明，其实现了上述本发明的每一个目的，并提供了一种新的和改进的使用引擎、CVT和发电机产生动力的系统及其使用方法。
当然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以考虑对本发明的教导进行各种改变、修改和变更。本发明旨在仅由所附权利要求的条款来限制。

Claims (8)

1.一种液压无极变速系统，具有涡轮机输出轴和发电机输入轴，其包括：
液压系统，其具有连接到所述涡轮机输出轴的第一液压室和连接到所述发电机输入轴的第二液压室，所述第一液压室和所述第二液压室彼此液压连通，所述第一液压室和所述第二液压室用于所述发电机输入轴的宏观速度调节；
气动系统，其具有第一气动室和第二气动室，所述第一气动室连接到所述涡轮机输出轴，用于产生压缩空气并将其存储在至少一个储罐中，所述第二气动室连接到所述发电机输入轴和该至少一个储罐，用于所述发电机输入轴的微观速度调节、所述发电机输入轴的制动和所述发电机输入轴的直接驱动中的一项或多项，和
控制器，其用于监控连接到所述发电机输入轴的发电机的输出，将该输出与配电网的负载/线路进行比较，并根据对所述配电网的负载/线路的测量，使用所述液压系统和所述气动系统中的一个或多个来调整所述发电机输入轴的速度，从而管理提供给所述配电网的电力。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括一系列液压动力的桨轮，与所述第一液压室相关联的至少一个桨轮和与所述第二液压室相关联的多个桨轮，每个桨轮具有输入阀和输出阀，由所述控制器控制所述输入阀和所述输出阀的操作。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二液压室中的桨轮具有不同的尺寸。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第二液压室中的桨轮的尺寸范围在朝向所述发电机的方向上从最小到最大，以增加或降低所述发电机输入轴的速度。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述第一液压室和所述第二液压室连通的储液器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述气动系统包括与所述第一气动室相关联的至少一个桨轮和与所述第二气动室相关联的至少一个桨轮。
7.一种控制引擎输出的方法，包括在所述引擎和发电机之间提供根据权利要求1所述的液压无极变速系统，并使用所述控制器、所述液压系统和所述气动系统控制所述发电机输入轴的速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述引擎是风力涡轮机。
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