本發(fā)明屬于風(fēng)電變槳控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高度集成式一體化風(fēng)電變槳控制器，適用于對(duì)風(fēng)電變槳系統(tǒng)永磁同步電機(jī)的控制。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)2mw低風(fēng)速及以上的大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)電動(dòng)型變槳系統(tǒng)中，高性能中等功率永磁同步電機(jī)由于其功率密度高、調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)態(tài)性和可靠性高的優(yōu)勢(shì)，得到越來越多的應(yīng)用。當(dāng)前，變槳系統(tǒng)的功率等級(jí)在不斷提高的同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。傳統(tǒng)變槳控制系統(tǒng)采用分立式架構(gòu)，此架構(gòu)布局布線復(fù)雜，生產(chǎn)工藝繁瑣；電纜接插件易老化易受溫度濕度及電磁干擾等環(huán)境因素影響。傳統(tǒng)變槳控制系統(tǒng)采用異步電機(jī)作為執(zhí)行元件，

本發(fā)明涉及的一種緊湊型架構(gòu)的高度集成式一體化風(fēng)電變槳控制器，控制器內(nèi)將集成全功能的集成伺服驅(qū)動(dòng)器，將plc系統(tǒng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)、開關(guān)電源、后備電源充電器集成到控制器中，減小控制器體積，最大程度的保證系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)的成本。采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，增大了系統(tǒng)功率密度，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高度集成式一體化風(fēng)電變槳控制系統(tǒng)。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：

一種高度集成式一體化風(fēng)電變槳控制器，包括交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1、plc系統(tǒng)u2、開關(guān)電源f1、后備電源充電器f2，其特征在于：

交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1通過外部三相電網(wǎng)輸入a1供電，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器a4獲取槳葉位置信號(hào)，并將所讀取的槳葉位置信號(hào)通過can通信回路傳遞給plc系統(tǒng)u2；

交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1控制永磁同步電機(jī)a5旋轉(zhuǎn)；

plc系統(tǒng)u2采集外部di信號(hào)及控制do信號(hào)；

開關(guān)電源f1的輸入端接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1的直流母線上，開關(guān)電源f1輸出24v控制系統(tǒng)電源；

后備電源充電器f2的輸入端接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1的直流母線上，控制后備電源a3充電。

本發(fā)明進(jìn)一步包括以下優(yōu)選方案：

交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1包括順次連接的整流電流、預(yù)充電電路、逆變電路以及數(shù)字信號(hào)處理器；

所述整流電路將三相交流電網(wǎng)輸入整流為直流母線，直流母線接入逆變電路的輸入，逆變電路的三相輸出接到永磁同步電機(jī)a5，控制永磁同步電機(jī)a5旋轉(zhuǎn)；

所述預(yù)充電電路包括預(yù)充電電阻r1和預(yù)充電繼電器j1，所述預(yù)充電電阻r1連接在整流電路和逆變電路之間，所述預(yù)充電繼電器j1與預(yù)充電電阻r1并聯(lián)，由數(shù)字信號(hào)處理器控制；

數(shù)字信號(hào)處理器p1接收永磁同步電機(jī)的電流檢測(cè)信號(hào)、直流母線電壓檢測(cè)信號(hào)以及通過旋轉(zhuǎn)變壓器a4所獲取槳葉位置信號(hào)，所述數(shù)字信號(hào)處理器p1產(chǎn)生pwm信號(hào)，通過光耦隔離放大電路dr1驅(qū)動(dòng)逆變電路。

所述交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1還通過can通信與plc系統(tǒng)u2交互數(shù)據(jù)。

所述后備電源充電器，其電路輸入端接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1直流母線，輸出端接后備電源a3。

所述后備電源充電器包括第一開關(guān)管s10、第二開關(guān)管s20、第一續(xù)流二極管d10、第二續(xù)流二極管d20、電感l(wèi)0，所述第一開關(guān)管s10、第二開關(guān)管s20串聯(lián)連接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1的直流母線正負(fù)極之間；所述第一續(xù)流二極管d10、第二續(xù)流二極管d20分別反向并聯(lián)在第一開關(guān)管s10、第二開關(guān)管s20兩端，所述第一續(xù)流二極管d10、第二續(xù)流二極管d20的連接處通過電感l(wèi)0連接至后備電源的一端，后備電源的另一端接直流母線的負(fù)極。

所述后備電源充電器還包括電感電流檢測(cè)回路sen0，數(shù)字信號(hào)處理器接收該電感電流信號(hào)，通過調(diào)整第一開關(guān)管s10的占空比，控制后備電源a3的充電電流。

當(dāng)電網(wǎng)電壓失電時(shí)，所述后備電源充電器工作在電池放電模式，以維持一個(gè)較高的直流母線電壓，平衡永磁同步電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)的反電勢(shì)，使變槳系統(tǒng)盡快完成順槳。

通過調(diào)整第二開關(guān)管s20的占空比，控制后備電源a3的放電電流。

所述開關(guān)電源f1輸入端接在一體化變槳控制器的直流母線上；開關(guān)電源采用boost和雙端正激的兩級(jí)式電路結(jié)構(gòu)，前級(jí)輸入采用boost電路實(shí)現(xiàn)中間直流電壓的抬升；通過高頻脈沖隔離變壓器t1實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)電源輸出。

所述plc系統(tǒng)u2由開關(guān)電源f1的控制系統(tǒng)電源供電；plc系統(tǒng)中，arm控制核心采集di信號(hào)，控制do信號(hào)，通過can通信與永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)邏輯控制與保護(hù)功能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：1)將傳統(tǒng)的變槳控制柜內(nèi)的分立的核心四大電控部件集成在一起，內(nèi)部連接線路大大減少，集成度高，可靠性高；2)采用全數(shù)字化控制，控制性能穩(wěn)定可靠；3)采用永磁同步電機(jī)控制，功率密度大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響小，系統(tǒng)體積小，重量輕；4)采用旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)電機(jī)速度，保證良好的電機(jī)控制性能；5)采用rs232接口和can接口作為通訊和調(diào)試接口。

說明書附圖

圖1為傳統(tǒng)的變槳系統(tǒng)原理總圖；

圖2為本發(fā)明提出的一體化變槳系統(tǒng)原理總圖；

圖3為本發(fā)明的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路示意圖；

圖4為本發(fā)明的后備電源充電器電路示意圖；

圖5為本發(fā)明的開關(guān)電源電路示意圖；

圖6為本發(fā)明的plc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示為傳統(tǒng)的變槳系統(tǒng)原理總圖，包括交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u10、開關(guān)電源f10、后備電源充電器f20、plc系統(tǒng)u20等四大分立元件。外部三相電網(wǎng)輸入a10接入后備電源充電器f20，后備電源充電器f20輸出接入后備電源a30，后備電源a30同時(shí)連接系統(tǒng)直流母線。直流母線接入開關(guān)電源f10的輸入，開關(guān)電源f10的輸出接。圖1所示在傳統(tǒng)的變槳系統(tǒng)中，系統(tǒng)直流母線不是封閉在柜內(nèi)的，與交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u10、開關(guān)電源f10、后備電源充電器f20和后備電源a30存在耦合，連接線路較多。

交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u10控制異步電機(jī)a50旋轉(zhuǎn)；交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u10讀取光電編碼器a40獲取槳葉位置信號(hào)，通過can通信回路傳遞給plc系統(tǒng)u20。plc系統(tǒng)u20采集外部di信號(hào)a20及控制do信號(hào)a60；

can接口c10作為plc系統(tǒng)u20的通訊接口，rs232接口c20作為交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u10的調(diào)試接口。

如圖2所示為本發(fā)明提出的高度集成式一體化變槳控制器系統(tǒng)原理總圖。交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1通過外部三相電網(wǎng)輸入a1供電，讀取電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器a4獲取槳葉位置信號(hào)，通過can通信回路傳遞給plc系統(tǒng)u2；

交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1控制永磁同步電機(jī)電機(jī)a5旋轉(zhuǎn)；

plc系統(tǒng)u2采集外部di信號(hào)a2及控制do信號(hào)a6；

開關(guān)電源f1的輸入端接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1的直流母線上，開關(guān)電源f1輸出24v控制系統(tǒng)電源；

后備電源充電器f2的輸入端接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1的直流母線上，控制后備電源a3充電；

can接口c1和rs232接口c2分別作為一體化變槳控制器的通訊和調(diào)試接口。

如圖3所示為交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路示意圖。整流電路將三相交流電網(wǎng)輸入a1整流為直流母線。直流母線接入逆變電路inv的輸入，逆變電路inv的三相輸出接到永磁同步電機(jī)a5，控制永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)a5。預(yù)充電電阻r1和預(yù)充電繼電器j1構(gòu)成預(yù)充電電路，預(yù)充電繼電器j1由數(shù)字信號(hào)處理器p1控制。cap1、cap2為直流母線支撐電容，r2、r3為直流母線支撐電容的均壓電阻，r4為直流母線泄放電阻。r5、sen1構(gòu)成直流母線電壓檢測(cè)電路，直流母線電壓檢測(cè)送入數(shù)字信號(hào)處理器p1。sen2、sen3構(gòu)成電機(jī)電流檢測(cè)電路，電機(jī)電流檢測(cè)信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器p1。數(shù)字信號(hào)處理器p1產(chǎn)生pwm信號(hào)，通過光耦隔離放大電路dr1驅(qū)動(dòng)逆變電路inv。

如圖4所示為后備電源充電器電路示意圖。所述后備電源充電器包括第一開關(guān)管s10、第二開關(guān)管s20、第一續(xù)流二極管d10、第二續(xù)流二極管d20、電感l(wèi)0，所述第一開關(guān)管s10、第二開關(guān)管s20串聯(lián)連接在交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1的直流母線正負(fù)極之間；所述第一續(xù)流二極管d10、第二續(xù)流二極管d20分別反向并聯(lián)在第一開關(guān)管s10、第二開關(guān)管s20兩端，所述第一續(xù)流二極管d10、第二續(xù)流二極管d20的連接處通過電感l(wèi)0連接至后備電源的一端，后備電源的另一端接直流母線的負(fù)極。

圖4中，充電器電路輸入端接在直流母線，輸出端接后備電源a3。開關(guān)管s10、續(xù)流二極管d20、電感l(wèi)0構(gòu)成充電buck電路，sen0構(gòu)成電感電流檢測(cè)回路，通過調(diào)整開關(guān)管s10的占空比，控制后備電源a3的充電電流。一般在變槳系統(tǒng)中，由于成本的原因，配置的后備電源電壓低于交流三相電網(wǎng)的整流電壓。比如三相交流整流的直流電壓為540v左右，配置的后備電源電壓為400v。在極端情況下，比如電網(wǎng)電壓失電，如圖4所示的電路還可以工作在電池放電模式，以維持一個(gè)較高的直流母線電壓，可以平衡電機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)的反電勢(shì)的影響，避免因直流母線電壓跌落造成的電機(jī)轉(zhuǎn)速跌落問題，使變槳系統(tǒng)盡快完成順槳。圖4中，后備電源a3、開關(guān)管s20、續(xù)流二極管d10、電感l(wèi)0構(gòu)成放電boost電路，通過調(diào)整開關(guān)管s20的占空比，控制后備電源a3的放電電流。

如圖5所示為開關(guān)電源電路示意圖，開關(guān)電源輸入端接在一體化變槳控制器的直流母線上。為實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸入，該24v開關(guān)電源采用boost和雙端正激的兩級(jí)式電路結(jié)構(gòu)。前級(jí)輸入采用boost電路實(shí)現(xiàn)中間直流電壓cap20電壓的抬升。前級(jí)boost輸出穩(wěn)定的直流電壓cap20電壓，作為后級(jí)雙管正激電路的輸入電壓，通過高頻脈沖隔離變壓器t1實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)電源輸出。cap20為中間直流環(huán)節(jié)電容，cap30為輸出濾波電容。l1為前級(jí)boost電感，s1為前級(jí)boost電路開關(guān)管，d1為前級(jí)boost電路續(xù)流二極管。s2、s3為后級(jí)雙端正激開關(guān)管，d2、d3為后級(jí)雙端正激回路續(xù)流二極管。d4為輸出整流二極管，d5為輸出抗浪涌保護(hù)二極管。

如圖6所示為plc系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。plc系統(tǒng)由開關(guān)電源f1的控制系統(tǒng)電源供電。plc系統(tǒng)中，arm控制核心p3采集di信號(hào)a2，控制do信號(hào)a6，通過can通信與永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)u1交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)邏輯控制與保護(hù)功能。