一種基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器的製造方法
2023-07-02 15:27:51
一種基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器的製造方法
【專利摘要】一種基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，包括永磁同步交流電機、伺服控制驅動器、超級電容模組以及控制繼電器，所述伺服控制驅動器外接交流電源，伺服控制驅動器與永磁同步交流電機相連；所述超級電容模組與伺服控制驅動器相連，作為伺服控制驅動器的後備應急電源；所述控制繼電器與伺服控制器相連。本實用新型能使得變槳伺服電機控制精確、動態響應能力強、電機效率高。
【專利說明】—種基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種風力發電變槳距控制系統，尤其涉及一種緊湊型設計的高壓交流驅動電動變槳控制器。
【背景技術】
[0002]風電變槳控制系統是兆瓦級以上風力發電機組中槳葉角度改變的驅動和控制設備。在風機啟動過程中，變槳系統控制槳葉的角度以實現風機依靠風力自行啟動；在風機正常運行過程中，變槳系統控制槳葉的角度以實現追蹤最大功率曲線或者達到額定風速後維持滿負荷運行；在風機正常或緊急停機時，變槳系統控制槳葉收槳至預定安全位置，實現空氣動力制動剎車，確保風機安全運行。
[0003]風電變槳控制系統有液壓式和電動式兩種，電動變槳由於其控制方便，精度高而被廣泛採用。目前，主流的電動變槳控制系統在電機的選擇方面有以下幾種。I)、交流電機和直流電機。直流電機體積大，控制精度高。而交流電機具有成本低廉，維護量小，可靠穩定的優點，已經被大量採用。2)、同步電機和異步電機。異步電機造價低，維護簡單。而同步電機具有控制精度高，效率高的優點。3)，高壓電機和低壓電機。大部分變槳選用低壓電機，特點是價格低，維護方便，絕緣等級要求相對較低；而高壓電機功率損失小，效率高，扭矩相對較大。
[0004]在伺服控制策略方面，也有轉差頻率控制和矢量控制兩種選擇。矢量控制的優點是動態的高速響應，高精度的電力拖動，而轉差頻率控制雖然算法簡單，但是轉矩響應慢，低頻時輸出轉矩小，轉矩利用率低。
[0005]由於變槳控制系統是整機的保護裝置，所以必須配備有後備電源作為主電源的冗餘。變槳系統的後備電源有超級電容和蓄電池兩種。超級電容相比與蓄電池的優點是功率密度大，同等驅動能力下佔用體積小，使用壽命長，在存儲、運輸、運行等情況下對環境要求相對較低，維護方便。
【發明內容】
[0006]為克服現有變槳控制系統中控制精度不高，效率相對過低和蓄電池作為後備電源的種種不足。本實用新型提供一種高壓永磁同步電機變槳控制系統，該系統有效的避免了上述缺點。
[0007]本實用新型採用以下技術方案:
[0008]一種基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，包括永磁同步交流電機、伺服控制驅動器、超級電容模組以及各類控制繼電器，其特徵是:
[0009]所述伺服控制驅動器外接交流電源，伺服控制驅動器與永磁同步交流電機相連；
[0010]所述超級電容模組與伺服控制驅動器相連，作為伺服控制驅動器的後備應急電源；[0011 ] 所述控制繼電器與伺服控制器相連。
[0012]本實用新型還進一步包括以下優選方案:
[0013]三個主要功能相同的變槳控制器通過電纜連接，共同組成風機的變槳控制系統。
[0014]伺服控制驅動器、超級電容模組以及各類控制繼電器均安裝於軸箱內，後備應急電源單獨位於一個櫃體內。
[0015]軸箱使用一次澆注成型的密封膠條和鎖扣扣緊進行密封。
[0016]本實用新型具有以下有益的技術效果:
[0017]1、本實用新型選用永磁同步電機作為變槳的驅動設備。同步電機高精度的控制輸出，能夠更好的滿足整機對槳葉角度的控制需求。該電機額定輸入為3*380VAC，高壓輸入可以對輸出轉矩有更好的保證。
[0018]2、本實用新型選用的變頻器採用更為先進的矢量控制對同步電機進行精確控制，避免了轉差頻率控制轉矩響應慢，低頻時輸出轉矩小的缺點，大大的提高了控制系統的整體效率。
[0019]3、本實用新型選用旋轉變壓編碼器作為電機的速度和位置反饋信號裝置，代替了傳統的光電編碼器。旋轉變壓編碼器結構簡單，抗幹擾能力強。非接觸式結構使其比光電編碼器更加的堅固耐用，節省了維護成本。
[0020]4、本實用新型選用超級電容作為後備電源。超級電容相對與蓄電池體積小，使變槳系統三櫃式設計成為可能。充電時間僅需十五分鐘，存儲能量滿足至少2次安全停機動作的要求。超級電容對存儲和運輸環境要求相對較低，能更好的滿足風電的施工工況。另外超級電容充放電次數多，將後備電源維護周期從2年提高到10年左右，大大降低了運行維護成本。
[0021]5、系統採用模塊化設計，將控制櫃內部空間劃分為獨立的兩個區域。由於超級電容具有耐寒、發熱小的特性，將其與發熱量大的伺服模塊分區安裝，有利於系統各模塊的穩定運行。本實用新型對超級電容進行了背靠背式的安裝設計。該設計方案不僅很好解決了櫃內空間不足的問題，還在保證穩固安裝的前提下，使得更換和維護超級電容更加方便。該緊湊型設計很好的利於了內部空間，集成化程度高，附屬線路少，設備整體抗幹擾能力強。
[0022]6、選用高集成的伺服驅動器。該伺服驅動器集成了變頻驅動功能、可自由編程PLC程序功能、超級電容/蓄電池充電和檢測、數字輸入輸出、繼電器輸出、剎車控制和剎車供電、KTY或PTC輸入、PT100輸入、編碼器接口、總線接口(CANopen/Profibus)等等，使得櫃內接線大大減少，抗幹擾能力增強。該設計將櫃內的主要發熱設備集中在一起，同時還集成了大功率的嵌入式安裝散熱板和溫控風扇，使設備對環境溫度的適應性更強，系統可靠性大為提聞。
[0023]7、在密封設計上，控制櫃採用一次澆注成型的密封膠條和鎖扣扣緊的密封方式，密封膠條壓縮度超過5mm,密封效果良好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型的變槳控制器的結構示意圖；
[0025]圖2為本實用新型的變槳控制器中單個軸箱內部布置圖；
[0026]圖3為本實用新型的變槳控制器系統主要部件簡圖。
【具體實施方式】
[0027]本實用新型的變槳控制器結構如圖1所示，基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，包括三個變槳軸箱，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I (含電機編碼器2，電機制動器3)、位置傳感器4和限位開關5。每個軸箱單獨控制一個槳葉，軸箱與軸箱、軸箱與電機之間通過電纜連接。電機的扭矩通過減速箱聯結至槳葉法蘭齒輪，來驅動槳葉轉動。
[0028]系統外部進線經滑環R接入系統，其進線有3*400V+N+PE三相供電電源迴路P、CAN通訊迴路C、安全鏈迴路S、24V信號線迴路等。主電源供電由機艙櫃引出連接至A櫃，再由A櫃分別連接至B櫃和C櫃。CAN通訊迴路C、安全鏈迴路S、24V信號線迴路由機艙櫃引出連接至A櫃,再由A櫃連接B櫃，B櫃再連接C櫃。
[0029]軸箱內部布置如圖2所示，箱體內部分為A、B兩個區域。其中右側A區裝有超級電容-13(:1、-1302、-1303、-1304、-1305、-1306，3個電容串聯為一組，3個電容串聯為另外一組，然後兩組電容並聯保持正常工作電壓為450V，同時擴大電容容量，其能量能滿足2次順槳需求。以及安裝有進線三相主電源空開-1Q4、接線端子-1X0.1、防雷保護模塊-1F2，手動自動轉換開關-12S1，手動正反轉旋鈕-12S2。左側B區安裝有伺服驅動器-5T0，伺服驅動器自帶嵌入式安裝散熱板，箱體側部開孔安裝固定伺服驅動器，使散熱板位於箱體外部便於散熱。伺服進線前端裝有電抗器-2R4，另外還有加熱器-2E1，加熱器空開-2F1，潤滑油泵空開-4F6，安全鏈迴路進A軸箱有電湧保護模塊-8R5，A軸箱裝有給油泵供電的230VAC轉24VDC電源模塊-4T7，另外還有繼電器組以及接線端子-2X1，-2X4，-3X2，-3X7，-4X3，-4X8，-5X6，-8X0.1,-8X0.2，-8X6，，-11X1。軸箱外部為外部接線插頭，進A軸箱連接線額外裝有過壓保護裝置。軸箱外部還裝有櫃體總電源開關和模式轉換開關。
[0030]系統原理結構如圖3所示，槳葉的位置由電機I內置的旋轉變壓編碼器2送出信號經伺服驅動器-5T0的編碼器和槳距位置校驗接口 -X3A送至伺服驅動器運算獲得。為了校準和監視槳葉位置7，槳葉上裝有兩隻接近開關，一個負責3° -5°槳葉位置監視與校準，另外一個負責85°槳葉位置監視與校準。正常情況下，槳葉運行區間為0°到89°。當系統順槳時，槳葉收回至89°。若控制系統故障，收槳超過91°，觸發91°限位開關，此時伺服斷軟體使能信號，伺服驅動器剎車控制B不輸出，電機制動器3抱閘。I/O模塊主要監控限位開關動作、安全鏈和溫度信息等-X2A，其中95°限位開關作為變槳系統最後一條安全措施，斷硬體使能信號，與91°限位開關形成冗餘關係，保證了系統的安全運行。
[0031]系統每個變槳控制櫃X均由獨立的變槳控制系統控制。該控制器的主要控制任務有:1、軸箱作為風機主控的從站接受主控的CAN通訊-X6C發出的指令信號，並且回傳本站的運行狀態，三個軸箱的CAN通訊站號分別設置為51、52和53。2、監視變槳系統的運行狀態，當出現異常情況時斷開安全鏈，使風機進入緊急運行模式。3、程序邏輯控制系統將執行電機三環控制中的位置環控制和速度環控制，保證精確、迅速的響應主控的指令。
[0032]由於變槳系統工作環境溫度範圍大，當溫度較低時，為了保證伺服正常的工作環境，系統安裝有軸箱加熱裝置-2E1。當溫度低於-10°時，由程序控制繼電器動作來控制啟動加熱器-2E1進行加熱，溫度達到5°加熱停止。
[0033]本設計選用超級電容模組T參數規格為6F，160V。3個模組串聯，工作電壓為450V，最大持續放電電流可達13A。伺服驅動器的充電/放電模塊及電容監視模塊BT管理超級電容的充放電和電容的電壓監測。備用電源只有在主電源掉電的時候才啟用。備用電源可實現緊急模式下的無延時切換，保障系統的安全運行。
[0034]正常工作時變槳系統控制變槳電機I運行，通過減速箱6和傳動齒輪使槳葉跟蹤主控下發的位置指令。當風機系統報安全鏈故障，安全鏈斷開時，變槳系統進入緊急模式，槳葉以5° /s迅速順槳至安全位置。若變槳系統交流供電故障，則整個系統由備用超級電容供電，3s後變槳系統進入緊急模式，順槳至安全位置。主電源供電故障變槳系統延時進入緊急運行模式，這樣的設計滿足了風機低電壓穿越的要求。另外，由於本實用新型三個軸箱均由獨立的伺服系統控制，若一個軸箱報安全鏈故障，另外兩個接收到安全鏈斷開信號後緊急收槳，可保證風機安全停機。
【權利要求】
1.一種基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，包括永磁同步交流電機、伺服控制驅動器、超級電容模組以及各類控制繼電器，其特徵是: 所述伺服控制驅動器外接交流電源，伺服控制驅動器與永磁同步交流電機相連； 所述超級電容模組與伺服控制驅動器相連，作為伺服控制驅動器的後備應急電源； 所述控制繼電器與伺服控制器相連。
2.根據權利要求1所述的基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，其特徵在於:三個主要功能相同的變槳控制器通過電纜連接，共同組成風機的變槳控制系統。
3.根據權利要求1所述的基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，其特徵在於:伺服控制驅動器、超級電容模組以及各類控制繼電器均安裝於軸箱內，後備應急電源單獨位於一個櫃體內。
4.根據權利要求1所述的基於永磁同步電機交流驅動技術的緊湊型風電變槳控制器，其特徵在於:軸箱使用一次澆注成型的密封膠條和鎖扣扣緊進行密封。
【文檔編號】F03D7/00GK203835621SQ201420156758
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】陳曦, 王 華, 嚴博濤 申請人:北京華電天仁電力控制技術有限公司