專利名稱：一種基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)力發(fā)電變槳距控制系統(tǒng)，尤其涉及一種緊湊型設(shè)計(jì)的低壓 交流驅(qū)動電動變槳控制器。
背景技術(shù)：
風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)是兆瓦級以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制和保護(hù)的重要裝置，是風(fēng)機(jī)停 機(jī)的主剎車系統(tǒng)。在風(fēng)機(jī)啟動過程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)依靠風(fēng)力自行 啟動；在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行過程中，變槳系統(tǒng)控制槳葉的角度以實(shí)現(xiàn)達(dá)到額定風(fēng)速后維持滿負(fù) 荷運(yùn)行，不過載；在風(fēng)機(jī)正常或緊急停機(jī)時，變槳系統(tǒng)控制槳葉轉(zhuǎn)到預(yù)定安全位置，實(shí)現(xiàn)空 氣動力剎車，確保風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。當(dāng)前常用的風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)有液壓式和電動式兩種，而電動式變槳系統(tǒng)應(yīng)用更 為廣泛。電動變槳控制器按電機(jī)驅(qū)動方式分為直流驅(qū)動和交流驅(qū)動兩類。交流驅(qū)動具有成 本低廉，維護(hù)量小，可靠穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。按所用后備電源的種類可分為超級電容和蓄電池兩 種。由于超級電容的功率密度較大，同等驅(qū)動能力下占用體積小，可合并安裝于控制柜內(nèi)， 所以一般設(shè)計(jì)為三柜式(三個軸柜)。而用蓄電池作為后備電源時，需要單獨(dú)的電池箱與控 制柜相連，一般為六柜(三個軸柜和三個電池柜)或七柜式(一個主控柜，三個軸柜和三個 電池柜)。這樣整個系統(tǒng)體積較大，使用不方便。另外蓄電池可維護(hù)性較差，抗低溫能力不 強(qiáng)，壽命短，長期使用后導(dǎo)致變槳系統(tǒng)可靠性下降。
發(fā)明內(nèi)容為解決使用蓄電池作為后備電源時體積大以及其他本質(zhì)上的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)使用超 級電容作為后備電源，充電時間僅一分鐘，存儲能量滿足至少3次安全停機(jī)動作的要求。另 外超級電容充放電次數(shù)多，將后備電源維護(hù)周期從2年提高到10年左右，大大降低了運(yùn)行 維護(hù)成本。本實(shí)用新型具體采用以下技術(shù)方案一種基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器，包括電源管理模塊、超級 電容模組、伺服驅(qū)動器、以及控制PLC部件；其特征在于所述電源管理模塊外接交流電源，電源管理模塊連接至伺服驅(qū)動器，所述伺服驅(qū) 動器與交流伺服電機(jī)相連；所述電源管理模塊通過24V直流電源為所述控制PLC供電，控制PLC通過CAN通 信線連接至所述伺服驅(qū)動器；所述超級電容模組并聯(lián)于電源管理模塊與伺服驅(qū)動器之間作為后備應(yīng)急電源。三個主要功能相同的變槳控制器通過外部線纜相連接，組成風(fēng)機(jī)的變槳控制系 統(tǒng)。由于超級電容的功率密度較大，電流驅(qū)動能力強(qiáng)，所以可使用較少電容串聯(lián)以低 壓方式驅(qū)動。另外兆瓦級風(fēng)機(jī)槳葉的質(zhì)量普遍較大，本實(shí)用新型選用低壓大轉(zhuǎn)矩伺服電機(jī)，其額定線電壓3M9V、工作電流125A，最大扭矩75Nm，電機(jī)連接采用3*50mm的專用伺服電機(jī) 電纜，軸箱側(cè)與電機(jī)側(cè)可靠接地。在控制方式上，設(shè)計(jì)采用滑差控制技術(shù)解決了交流電機(jī)在 伺服驅(qū)動中的動態(tài)控制問題。該控制方式具有控制簡單、轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)，定位精 度高等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)軸箱結(jié)構(gòu)時，根據(jù)輪轂特征將其設(shè)計(jì)為梯形結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部空間最大化，可將 后備電源和驅(qū)動控制系統(tǒng)放置于一個柜體內(nèi)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將內(nèi)部空間劃分為個 獨(dú)立的三個區(qū)。由于超級電容具有耐寒，發(fā)熱小的特性，將其與發(fā)熱量大的充電器和伺服模 塊分區(qū)安裝，有利于系統(tǒng)各模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。該緊湊型設(shè)計(jì)很好的利用了內(nèi)部空間，集成化 程度高，附屬線路少。系統(tǒng)散熱采用冷板技術(shù)，保證系統(tǒng)散熱的同時去掉了定期更換的風(fēng) 扇，系統(tǒng)可靠性大為提高。在密封設(shè)計(jì)上，機(jī)箱采用一次澆注成型的密封膠條和搭扣鎖緊的密封方式，密封 膠條壓縮度超過5mm，密封效果良好。

圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的變槳軸箱內(nèi)部布置圖；圖3為本實(shí)用新型的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括三臺變槳軸箱，分別編號為軸箱A、軸箱B和軸箱 C，以及與各軸箱連接的伺服電機(jī)、位置傳感器和限位開關(guān)。每個軸箱單獨(dú)控制一個槳葉，軸 箱與軸箱、軸箱與電機(jī)之間通過電纜連接。電機(jī)的扭矩通過減速箱聯(lián)結(jié)至槳葉法蘭齒輪。電 機(jī)減速齒輪和法蘭齒輪裝置為輪轂部件，此處不在贅述。系統(tǒng)外部進(jìn)線經(jīng)滑環(huán)接入系統(tǒng)，其進(jìn)線有3*400V+N+PE三相供電電源回路， PR0FIBUS-DP通訊回路，其次還有安全鏈繼電器回路。如圖1所示。以上三路由機(jī)艙柜引出 連接至A柜，再由A柜連接至B柜，B柜到C柜。三相電源在送入下一軸箱前倒換了相位， 以避免各軸箱加熱器和MV電源等單相負(fù)載均使用一相供電而造成三相電源不平衡。軸箱內(nèi)部布置如圖2所示，其右側(cè)A區(qū)安裝電容2C1、2C2、2C3、2C4，四個電容串聯(lián) 接線，以及安裝有進(jìn)線空開1Q1、1F2，接線端子1X1、1X2，轉(zhuǎn)換開關(guān)6S1、6S2。左側(cè)B區(qū)安裝 電源管理模塊1G1、1G2，交流伺服驅(qū)動器2U1，以及加熱器1E1?？紤]到B區(qū)散熱需求，功率 器件均安裝于散熱板上。C區(qū)為控制板，C板一側(cè)裝有合頁，作夾層設(shè)計(jì)安裝于B區(qū)上方，C 板安裝有控制PLCJ4V電源2T1、2T2，溫度控制開關(guān)1S1，接線端子排2Χ1、4Χ1，繼電器組以 及控制空開2F2、2F3、2F4、1F4、1F5。軸箱背面為外部接線插頭，其連接都有過壓保護(hù)裝置。 軸箱正面裝有系統(tǒng)總開關(guān)和模式轉(zhuǎn)換開關(guān)。槳葉的位置由電機(jī)內(nèi)置的光電編碼器送出信號至PLC運(yùn)算獲得。為了校準(zhǔn)和監(jiān)視 槳葉位置，槳葉上裝有兩只接近開關(guān)，一個負(fù)責(zé)3° 5°槳葉位置監(jiān)視與校準(zhǔn)，另外一個 負(fù)責(zé)90°槳葉位置監(jiān)視與校準(zhǔn)。正常情況下，槳葉運(yùn)行區(qū)間為0°到92°。當(dāng)系統(tǒng)順槳時， 槳葉收回至89°。若控制系統(tǒng)故障，收槳超過95°，觸發(fā)限位開關(guān)，此時伺服斷電、電機(jī)抱 閘。95°限位開關(guān)作為變槳系統(tǒng)最后一條安全措施，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。[0021]系統(tǒng)每個軸箱均由一套獨(dú)立PLC控制。PLC需完成的控制任務(wù)有1、軸箱作為風(fēng) 機(jī)主控的從站接受主控發(fā)送的指令信號，并且回傳本機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，三個軸箱PR0FIBUS-DP 通訊站號分別設(shè)置為51、52和53。2、監(jiān)視變槳系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時斷開安 全鏈，通知風(fēng)機(jī)進(jìn)入緊急狀態(tài)。3、PLC通過CAN總線連接伺服驅(qū)動器，控制電機(jī)到達(dá)所需位置。由于變槳系統(tǒng)工作環(huán)境溫度范圍大，當(dāng)溫度較低時，為了避免PLC等控制器件失 效，系統(tǒng)安裝有軸箱加熱裝置1E1。溫度設(shè)定由ISl溫控開關(guān)控制。當(dāng)軸箱內(nèi)部溫度低于 15°C時，PLC不啟動，ISl啟動IEl模塊加熱。當(dāng)溫度高于10°C，ISl控制PLC正常啟動。當(dāng) 系統(tǒng)啟動后，其工作熱耗散可維持正常工作溫度。另外當(dāng)軸箱內(nèi)部溫度大于50°C時，PLC啟 動IEl散熱風(fēng)扇。本設(shè)計(jì)選用超級電容模組參數(shù)為500F，16V。4個模組串聯(lián)，工作電壓60V，最大持 續(xù)放電電流可達(dá)150A。如圖3所示，電源管理模塊將系統(tǒng)電源和充電模塊合二為一，超級電 容模塊并聯(lián)于直流母線上，主備電源在緊急模式下可無延時切換。系統(tǒng)選用寬輸入電壓范 圍的24V開關(guān)電源為PLC和繼電器等控制器件供電。正常工作時變槳系統(tǒng)接受主控制指令控制槳葉到達(dá)設(shè)定位置。當(dāng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)故障， 安全鏈斷開時，變槳系統(tǒng)進(jìn)入緊急模式，槳葉以9° /S迅速順槳至安全位置，保護(hù)了風(fēng)機(jī)的 安全運(yùn)行。若變槳系統(tǒng)交流供電故障，則整個系統(tǒng)由超級電容供電，8秒后變槳系統(tǒng)進(jìn)入緊 急模式，這樣的設(shè)計(jì)滿足了風(fēng)機(jī)低電壓穿越的要求。另外，由于本實(shí)用新型三個軸箱均由獨(dú) 立的PLC系統(tǒng)控制，若一臺軸箱故障，另外兩臺接收到安全鏈斷開信號后可保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng) 安全停機(jī)。
權(quán)利要求1.一種基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器，包括電源管理模塊、超級電 容模組、伺服驅(qū)動器、以及控制PLC部件；其特征在于所述電源管理模塊外接交流電源，電源管理模塊連接至伺服驅(qū)動器，所述伺服驅(qū)動器 與交流伺服電機(jī)相連；所述電源管理模塊通過24V直流電源為所述控制PLC供電，控制PLC通過CAN通信線 連接至所述伺服驅(qū)動器；所述超級電容模組并聯(lián)于電源管理模塊與伺服驅(qū)動器之間作為后備應(yīng)急電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器，其特征在 于電源管理模塊、超級電容模組、伺服驅(qū)動器、以及控制PLC部件均安裝于軸箱內(nèi)，后備應(yīng) 急電源和驅(qū)動控制系統(tǒng)放置于一個柜體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器，其特征在 于軸箱采用冷板進(jìn)行散熱，使用一次澆注成型的密封膠條和搭扣鎖緊的方式進(jìn)行密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器，其特征在 于三個主要功能相同的變槳控制器通過外部線纜相連接，組成風(fēng)機(jī)的變槳控制系統(tǒng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于低壓交流驅(qū)動技術(shù)的緊湊型風(fēng)電變槳控制器。包括電源管理模塊、超級電容模組、伺服驅(qū)動器、以及控制PLC等部件，電源管理模塊外接交流電源，電源管理模塊連接至伺服驅(qū)動器，所述伺服驅(qū)動器與交流伺服電機(jī)相連；寬電壓范圍的DC/DC直流電源連接至電源管理模塊，為所述PLC提供24V直流電源，控制PLC通過CAN通信線連接至所述伺服驅(qū)動器；超級電容模組并聯(lián)于電源管理模塊與伺服驅(qū)動器之間作為后備應(yīng)急電源。本實(shí)用新型采用了超級電容作為后備電源，從而減小了軸箱體積，也提高了系統(tǒng)的可靠性。低壓交流驅(qū)動技術(shù)的采用使得變槳伺服電機(jī)控制簡單、轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)，定位精度高。另外，三個主要功能相同的軸箱通過外部連線可組成風(fēng)機(jī)的變槳系統(tǒng)。
文檔編號F03D7/00GK201884203SQ201020604000
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者丁宛超, 呂占鵬, 孫東旭, 王 華, 郭振鵬, 閆磊, 馬紅星 申請人:北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司