專利名稱：直流電機變槳距系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于風力發(fā)電裝置范圍，尤其是一種直流電機變槳距系統(tǒng)。
背景技術：
變槳距系統(tǒng)作為大型風電機組的技術核心，可改善槳葉受力狀況、獲取 最大風量、提高機組的發(fā)電效率和電能質量，并可在超高風速下緊急順槳以 保證風機安全運行。
電動變槳距系統(tǒng)采用伺服電機對每個槳葉進行單獨調節(jié)，結構簡單，不 存在漏油、卡塞等現象，因而受到廣泛關注，而直流電機是電動變槳距系統(tǒng) 中的重要執(zhí)行機構。
電動變槳距系統(tǒng)采用三相四線制380V電源供電，為實現故障或斷電后的 緊急變槳功能，需要儲能裝置作為系統(tǒng)后備電源供給電機將槳葉調為順槳位 置。儲能裝置一般采用蓄電池，但近期超級電容已成為更具競爭力的選擇。 超級電容充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高 等特點使其在風電領域很有發(fā)展前景。
專利CN2736554Y和CN101083404A公布了采用超級電容作為儲能裝置的 電動變槳距系統(tǒng)，且超級電容與直流母線直接連接?？紤]超級電容供電時電 壓快速降低的因素，上述方法必須選擇容量很大的超級電容才能滿足使用要 求，因而超級電容的能量利用率低，經濟性差。
專利CN201050444Y公布了基于蓄電池和直流電機的變槳距系統(tǒng)，緊急變 槳時，蓄電池通過簡單電路給電機供電，而不經過電機驅動器。這種方案使 得電機可控性變差，而且一旦控制裝置出現故障，將難以有效控制電機。
實用新型內容
本實用新型的目的在于克服了現有電動變槳距系統(tǒng)的上述缺陷，提供了 一種新型的直流電機變槳距系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了超級電容組，由于超級電容 的能量利用率高，所以減少了其實際使用容量，降低了系統(tǒng)成本；該系統(tǒng)具 備直流變換器和驅動橋雙重控制裝置，不但使直流電機的可控性更好，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。
為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案。本實用新型包括
超級電容組l、升壓直流變換器2、直流電機3、電機驅動器4和充電機5。 充電機5的輸入端可根據需要選擇連接三相或單相交流電源。超級電容
組1的一端與充電機5的輸出端相連接，另一端與升壓直流變換器2的輸入
端相連接。升壓直流變換器2的輸出端口通過開關K2、開關K3以及導線L4、
導線L5與直流電機3的輸入端口相連接。
電機驅動器4包括整流橋6、由電阻R2和開關K1構成的緩沖電路、支
撐電容、由電阻R1與功率開關器件T串接構成的過壓保護裝置、以及驅動橋7。
驅動橋7的輸入、輸出端分別與直流母線P與N、直流電機3相連接。 電機驅動器4的輸入端即整流橋6輸入端接三相交流電源A、 B、 C，三相交 流電源A、 B、 C經整流橋6和緩沖電路接至直流母線P、直流母線N上，支 撐電容C并接至直流母線P、直流母線N上。過壓保護裝置并接至直流母線 P、直流母線N上。當直流母線電壓過高時，功率開關器件T導通，使部分電 能消耗在電阻R1上，從而降低直流母線電壓，提高系統(tǒng)安全性。
驅動橋7由四個功率開關器件T1 T4構成，其輸入與直流母線相連接， 輸出與直流電機3相連。
升壓直流變換器2的輸出經二極管D連接至直流母線。二極管D保證了 電能由超級電容組1經升壓直流變換器2流向直流母線。升壓直流變換器2 的應用使超級電容可以釋放更多的儲能，高能量利用率降低了其實際使用容 量，從而使系統(tǒng)成本降低。
系統(tǒng)正常工作時，電機驅動器4接收的電能來自三相交流電源；電源斷 電需要緊急變槳時，電機驅動器4接收的電能來自超級電容組1。由于超級電 容經升壓直流變換器實現了與直流母線的無縫連接，故網壓波動時直流母線 電壓的穩(wěn)定性好；當出現斷電情況時，超級電容支路可瞬間替代三相交流電 源為電機系統(tǒng)供電，因此，變槳距系統(tǒng)的可靠性得到有效提高。
升壓直流變換器2的輸出除了經二極管D連接至直流母線外，同時與直流電機輸入端口通過開關K2、開關K3相連接。發(fā)生電源斷電故障需要緊急
變槳時，可通過兩種方式控制電機 一是升壓直流變換器2和驅動橋7實現
能量由超級電容組1經升壓直流變換器2、驅動橋7流向直流電機3; 二是控 制升壓直流變換器2和驅動橋7實現能量由超級電容組1經升壓直流變換器2 直接流向直流電機3。兩種控制方式均能有效控制電機，而且當一路裝置出現 故障時，另一路裝置仍可有效控制電機，因此提高了系統(tǒng)的可靠性。
本實用新型所述控制方法的特征在于根據三相電源"A、他、"c能否正 常供電控制該系統(tǒng)分別運行于自動變槳或緊急變槳狀態(tài)。其中 自動變槳控制方法如下
1) 當三相交流電源"A、他、"c正常供電時，斷開開關K2、開關K3;
2) 充電機5將超級電容組1充電至其額定電壓，控制升壓直流變換器2 的輸出電壓低于直流母線電壓；
3) 通過驅動橋7控制直流電機3，此時直流電機的能量來源于三相交流 電源；
4) 判斷直流母線電壓f/^是否達到最大允許值，若達到則開通功率開關
器件T使[/pN恢復至正常，否則繼續(xù)判斷"a、 "b、叱的供電狀態(tài)。
緊急變槳控制方法如下
1) 當三相交流電源"A、 "b、 "c沒有正常供電時，斷開開關K2、開關K3;
2) 若驅動橋7能夠正常工作，則通過驅動橋7控制直流電機3旋轉，直 至直流電機拖動的槳葉達到順漿位置，此時直流電機3的能量通過驅動橋7 和升壓直流變換器2來源于超級電容組1，之后繼續(xù)判斷三相交流電源"a、 mb、 "c的狀態(tài)；
3) 若驅動橋7不能正常工作，則送入驅動橋7中的開關器件的控制信號 全部為關斷信號，此時驅動橋7處于關斷狀態(tài)；
4) 閉合開關K2、開關K3;
5) 調節(jié)升壓直流變換器2的輸出電壓控制直流電機3旋轉，直至直流電 機拖動的槳葉達到順漿位置，此時直流電機3的能量通過升壓直流變換器2 來源于超級電容組l;6)繼續(xù)判斷三相交流電源"a、 "b、化的供電狀態(tài)。 本實用新型具有以下優(yōu)點
1) 超級電容的能量利用率高，減少了其實際使用容量，降低了系統(tǒng)成本; 超級電容的充電電源可以根據需要選擇單相或三相交流電源。
2) 過壓保護裝置可有效避免直流母線電壓過高，提高了系統(tǒng)安全性。
3) 直流母線電壓穩(wěn)定性好，電網電壓波動對變槳距系統(tǒng)性能的影響小， 系統(tǒng)可靠性高。
4) 直流電機具備直流變換器和驅動橋雙重控制裝置，且二者互為備用， 不僅使電機的可控性更好，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。
圖1是直流電機變槳距系統(tǒng)結構圖
圖2是直流電機變槳距系統(tǒng)控制方法。
具體實施方式
下面結合圖1、圖2對本實用新型作進一步說明 如圖l所示， 本實施例包括有超級電容組l、升壓直流變換器2、直流電 機3、電機驅動器4和充電機5。
超級電容組1分別與升壓直流變換器2的輸入端、充電機5的輸出端連 接，充電機5的輸入端可根據需要選擇連接三相或單相交流電源。系統(tǒng)正常 工作時，充電機5將超級電容組充電至額定電壓值。
電機驅動器4包括整流橋6、緩沖電路、支撐電容、過壓保護裝置、驅動 橋7及相應的連接。驅動橋7的輸入、輸出端分別與直流母線P與N、直流 電機3相連接。電機驅動器4的輸入接三相交流電源A、 B、 C，經整流橋6 和電阻R2、開關K1構成的緩沖電路接至直流母線P、 N上，支撐電容C并 接至直流母線，整流橋6由6個二極管構成。
電阻R1與功率開關器件T串接構成過壓保護裝置并接至直流母線。當直 流母線電壓過高時，功率開關器件T以脈寬調制控制方式通斷，使部分電能 消耗在電阻R1上。
驅動橋7由四個功率開關器件T1 T4構成，其輸入與直流母線相連接，
6輸出與直流電機3相連。T1與T4、 T2與T3分別構成兩組，兩組分時工作。 通過Tl T4的開關作用，來自直流母線的電能通過驅動橋7再經導線Ll 、 L2送入電機3。
升壓直流變換器2的輸出經二極管D連接至直流母線。二極管D保證了 電能由超級電容1經升壓直流變換器2流向直流母線。
系統(tǒng)正常工作時，電機驅動器4接收的電能來自三相交流電源；電源斷 電需要緊急變槳時，電機驅動器4接收的電能來自超級電容1。
升壓直流變換器2的輸出除了經二極管D連接至直流母線外，同時與直 流電機輸入端口通過開關K2、 K3以導線L4、 L5相連接。發(fā)生電源斷電故障 需要緊急變槳時，可通過兩種方式控制電機 一是控制升壓直流變換器2和 驅動橋7實現能量由超級電容組1經升壓直流變換器2、驅動橋7流向直流電 機3，此時開關K2、 K3斷開；二是控制升壓直流變換器2和驅動橋7實現能 量由超級電容組1經升壓直流變換器2直接流向直流電機3,此時T1 T4構 成的驅動橋7處于關斷狀態(tài)，開關K2、 K3接通。兩種控制方式均能有效控 制電機，當一路裝置出現故障時，另一路裝置仍可有效控制電機，因此提高 了系統(tǒng)的可靠性。
圖2為直流電機變槳距系統(tǒng)控制方法。根據三相供電電源的狀態(tài)控制該 系統(tǒng)分別運行于自動變槳或緊急變槳工況，即"a、他、"c正常供電時，系統(tǒng) 工作于自動變槳工況，否則工作于緊急變槳工況。其中
自動變槳控制方法如下-
(1) 當三相交流電源"a、的、叱正常供電時，斷開開關K2、 K3;
(2) 充電機5工作，將超級電容組l充電至其額定電壓；
(3) 升壓直流變換器2工作，將超級電容組l的輸出電壓升高至稍低于 直流母線電壓t/pw
(4) 通過驅動橋7控制電機3，此時電機的能量來源于三相交流電源；
(5) 判斷直流母線電壓C/pN是否達到最大允許值，若達到則開通器件T
使t/pN恢復至正常，否則繼續(xù)判斷"a、 "B、 "c的供電狀態(tài)。 緊急變槳控制方法如下
7(1) 當三相交流電源"A、他、"c沒有正常供電時，斷開開關K2、 K3;
(2) 若驅動橋7能夠正常工作，則通過驅動橋7控制電機3旋轉至電機 的直流電機拖動的槳葉達到順漿位置，此時直流電機3的能量通過驅動橋7 和升壓直流變換器2來源于超級電容組1，之后繼續(xù)判斷"a、 wB、 "c的供電 狀態(tài)；
(3) 若驅動橋7不能正常工作，則送入驅動橋7中四個開關器件T1 T4 的控制信號全部為關斷信號，此時驅動橋7處于關斷狀態(tài)；
(4) 閉合開關K2、 K3;
(5) 調節(jié)升壓變換器2的輸出電壓控制電機3旋轉，至直流電機拖動的 槳葉達到順漿位置，此時電機的能量通過升壓變換器2來源于超級電容組1;
(6) 繼續(xù)判斷"A、 "b、 "c的供電狀態(tài)。
權利要求1、直流電機變槳距系統(tǒng)，包括電機驅動器(4)和與電機驅動器(4)相連接的直流電機(3)，其特征在于還包括超級電容組(1)、升壓直流變換器(2)和充電機(5)；充電機(5)的輸入端與三相或單相交流電源相連接；超級電容組(1)的一端與充電機(5)的輸出端相連接，另一端與升壓直流變換器(2)的輸入端相連接；升壓直流變換器(2)的輸出端口通過導線(L4)、導線(L5)與直流電機(3)的輸入端口相連接，開關(K2)串聯在導線(L4)上、開關(K3)串聯在導線(L5)。
2、 根據權利要求l所述的直流電機變槳距系統(tǒng)，其特征在于所述的電機驅 動器(4)包括整流橋(6)、由電阻(R2)和開關(Kl)并聯構成的緩沖電路、 支撐電容(C)、由電阻(Rl)與功率開關器件(T)串接構成的過壓保護裝 置、以及驅動橋(7);其中整流橋(6)的輸入端接三相交流電源，三相交 流電源經整流橋(6)和緩沖電路接至直流母線(P)、直流母線(N)上，支 撐電容(C)并接至直流母線(P)、直流母線(N)上，過壓保護裝置并接至 直流母線(P)、直流母線N上；驅動橋(7)的輸入端連接到直流母線(P) 與直流母線(N)上，驅動橋(7)的輸出端與直流電機(3)相連接。
3、 根據權利要求2所述的直流電機變槳距系統(tǒng)，其特征在于所述的升壓直 流變換器(2)的輸出端通過二極管(D)連接至直流母線(P)與直流母線(N) 上。
專利摘要本實用新型屬于風力發(fā)電裝置范圍，尤其是一種直流電機變槳距系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括電機驅動器、直流電機、超級電容組、升壓直流變換器和充電機。充電機的輸入端與三相或單相交流電源相連接。超級電容組的一端與充電機的輸出端相連接，另一端與升壓直流變換器的輸入端相連接。升壓直流變換器的輸出端口通過導線與直流電機的輸入端口相連接。當系統(tǒng)出現斷電情況時，超級電容支路可瞬間替代三相交流電源為電機系統(tǒng)供電，系統(tǒng)的可靠性得到有效提高。同時由于超級電容的能量利用率高，所以減少了其實際使用容量，降低了系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)具備直流變換器和驅動橋雙重控制裝置，提高了緊急變槳的可靠性。
文檔編號H02H3/20GK201398096SQ20092010703
公開日2010年2月3日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權日2009年5月15日
發(fā)明者許家群 申請人:北京工業(yè)大學