風力發電變槳控制系統直流電機驅動器的製作方法
2023-05-25 07:09:21 1
專利名稱：風力發電變槳控制系統直流電機驅動器的製作方法
技術領域：
本發明屬於風力發電技術領域，特別涉及用於風力發電變槳控制系統無需提供直 流電機勵磁電源的驅動器，尤其為一種變槳控制系統他勵直流電機的驅動器。
背景技術：
風力發電作為目前技術成熟的可再生清潔能源，受到各國的廣泛重視。變槳控制 系統是風力發電系統中重要的組成部件，其主要功能是控制槳葉節距角隨風速的大小進行 自動調節在低風速時，讓風力發電機具有最大的起動力矩；風速過高時，改變氣流對葉片 的攻角，進而改變風力發電機獲得空氣動力轉矩，使發電機輸出功率保持穩定。電機驅動器是變槳控制系統的關鍵部件之一。變槳控制系統的電機驅動器主要功 能包括模擬和數位訊號的採集、數字開關量信號和控制信號的輸出、故障信息處理和保護 以及與上位機的信息交互等。電機驅動器的設計跟選用的電機類型密切相關，它決定了系 統的功能、硬體電路結構，軟體控制策略等，鑑於直流電機啟動力矩大適合變槳系統場合應 用的特點，因此有必要設計一種性能優良的風電領域中變槳控制系統直流電機驅動器。
發明內容
本發明的目的在於解決上述的技術問題，提供一種可靠性高，性能優良的風力發 電變槳控制系統直流電機驅動器。本發明的目的通過以下技術方案來實現一種風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，包括功率迴路部分及控制該功率迴路部分的控制迴路部分，其中，所述功率迴路部分包括整流單元，用於將輸入交流電壓變換成直流母線電壓；能耗制動單元，由電子開關和功率電阻構成，所述電子開關通過關斷和接通能所 述功率電阻，用以通過能耗以降低母線電壓而保護驅動器；功率開關電路，由兩相橋臂四個功率開關器件構成，通過控制兩相橋臂上下兩組 功率開關的通斷進而用於關斷和接通直流電機；所述控制迴路部分基於微處理器，並包括電機速度信號採集單元，用以採集速度檢測裝置的速度信號，構成所述驅動器的 閉環反饋速度信號，並在超速或者零速情況下報警；模擬信號採集單元，用以採集所述驅動器的電流檢測單元、母線電壓檢測單元以 及電源電壓監控單元和速度給定單元的模擬信號；數位訊號採集輸入單元，用以採集運行命令邏輯、故障復位邏輯以及相序檢測電 子裝置產生的電平信號；數位訊號輸出單元，用以根據驅動器運行狀況，產生數字量信號；脈衝寬度調製信號產生單元，用以根據閉環給定和速度檢測裝置檢測的速度信號、電流採樣電路採樣的電流信號產生控制功率開關電路的調製信號；與上位機通信的處理單元，用以與上位機的信息交互。進一步地，所述功率開關器件選用絕緣柵雙極電晶體IGBT，或金屬氧化物場效應 管 MOSFET。再進一步地，所述功率開關電路其中一個橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接 到直流電機電壓的方向，從而改變直流電機旋轉方向，另一個橋臂由脈衝寬度調製信號控 制，通過改變功率開關通斷的佔空比來改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變直流 電機轉速。進一步地，所述功率開關器件或可選用可控矽整流器。再進一步地，所述功率開關電路其中一個橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接 到直流電機電壓的方向，從而改變直流電機旋轉方向，另一個橋臂由導通觸發角信號控制， 通過改變可控矽整流器通斷的導通觸發角來改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變 直流電機轉速。進一步地，所述兩相橋臂上面一組功率開關器件連接到母線電壓的正端，下面一 組功率開關器件連接到母線電壓的負端，橋臂的兩個中點耦合到直流電機電樞繞組。進一步地，所述功率迴路部分還包括用於控制能耗制動單元和功率開關電路的驅 動單元，該驅動單元一端耦合到控制迴路部分接受微處理器邏輯信號，另一端耦合到所述 能耗制動單元和功率開關電路以控制其通斷。進一步地，所述驅動器還包括用於檢測輸入電壓是否缺相的相序檢測電子裝置， 該裝置在檢測到輸入電壓缺相時，產生一個跳變電平並保持該電平直到缺相現象消失。進一步地，所述驅動器還包括用於檢測整流環節產生的直流母線電壓的電壓檢測 單元，可將母線電壓轉換成微處理器能識別的信號。進一步地，所述驅動器還包括用於檢測驅動器輸出電流的電流檢測單元，通過電 流傳感器件和阻容器件將輸出電流轉換成微處理器能識別的信號。進一步地，所述驅動器還包括用於檢測直流電機實時速度的速度檢測單元，可將 由測速發電機、脈衝編碼器或者其他速度檢測設備採集的信號轉換為微處理器能識別的電 信號或者邏輯信號。本發明的有益效果主要體現在可靠性高；性能優良；保護功能完善；適合風力發 電變槳控制系統低速大力矩、頻繁起動、響應速度快、對可靠性要求較高的場合應用。
下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明圖1是本發明的原理框圖。圖2是本發明的功率迴路原理圖。圖3是利用測速發電機測速的原理框圖。圖4是利用編碼器測速的原理框圖。
具體實施例方式本發明揭示了一種風力發電變槳控制系統直流電機的驅動器，包括功率迴路部分及控制該功率迴路部分的控制迴路部分，所述功率迴路部分包括(1)整流單元，用於將輸入交流電壓變換成直流母線電壓。(2)能耗制動單元，由電子開關和功率電阻構成，所述電子開關通過關斷和接通能所述功率電阻，用以通過能耗以降低母線電壓而保護驅動器；當母線電壓處於正常電壓閥 值以下，電子開關關斷，能耗制動單元不起作用，當母線電壓異常情況下升高超過規定電壓 閥值，電子開關打開，功率電阻接入母線，通過能耗的方式降低母線電壓達到保護功率電子器件的目的。(3)功率開關電路，由兩相橋臂四個功率開關器件構成，通過脈衝寬度調製和邏輯 電平信號控制兩相橋臂上下兩組功率開關的通斷進而用於關斷和接通直流電機；其中一個 橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接到直流電機電壓的方向，從而改變直流電機旋轉方 向，另一個橋臂由脈衝寬度調製(PWM)信號控制，通過改變功率開關通斷的佔空比來改變 接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變直流電機轉速；所述功率開關器件選用絕緣柵雙 極電晶體IGBT，或金屬氧化物場效應管MOSFET或其他開關器件。所述兩相橋臂上面一組功 率開關器件連接到母線電壓的正端，下面一組功率開關器件連接到母線電壓的負端，橋臂 的兩個中點耦合到直流電機電樞繞組。同一個橋臂上下兩個功率開關的信號邏輯相反；兩 個橋臂對稱，選擇橋臂控制電壓方向或是電壓大小可以根據實際情況調整。當然，功率開關 器件或可選用可控矽整流器，所述功率開關電路其中一個橋臂由邏輯電平信號控制，用於 改變接到直流電機電壓的方向，從而改變直流電機旋轉方向，另一個橋臂由導通觸發角信 號控制，通過改變可控矽整流器通斷的導通觸發角來改變接到直流電機電樞電壓的大小， 從而改變直流電機轉速。(4)用於控制能耗制動單元和功率開關電路的驅動單元，該驅動單元一端耦合到 控制迴路部分接受微處理器邏輯信號，另一端耦合到所述能耗制動單元和功率開關電路以 控制其通斷。進一步地，所述驅動器還包括(5)用於檢測輸入電壓是否缺相的相序檢測電子裝置，該裝置在檢測到輸入電壓 缺相時，產生一個跳變電平並保持該電平直到缺相現象消失。(6)用於檢測整流環節產生的直流母線電壓的電壓檢測單元，所述母線電壓檢測 單元通過分壓電阻將母線電壓按一定比例變換成微處理器能識別的電壓信號。(7)用於檢測驅動器輸出電流的電流檢測單元，通過電流傳感器件和阻容器件將 輸出電流轉換成微處理器能識別的信號。(8)用於檢測直流電機實時速度的速度檢測單元，可將由測速發電機、脈衝編碼器 或者其他速度檢測設備採集的信號轉換為微處理器能識別的電信號或者邏輯信號。進一步地，所述驅動器的控制迴路部分基於微處理器，並包括(1)電機速度信號採集單元，用以採集速度檢測裝置的速度信號，構成所述驅動器 的閉環反饋速度信號，並在超速或者零速情況下報警。(2)模擬信號採集單元，該單元採集電流採樣單元、母線電壓檢測單元以及電源電 壓監控和速度給定單元等模擬信號；其中，所述輸出電流採樣單元由運算放大器及外圍器件構成。該單元採集輸出電 流檢測單元的電流信號作為軟體算法的閉環反饋信號，一方面保證電機低速起動時能獲得大的起動力矩，使其迅速響應給定速度；另一方面限制輸出電流過大，保護驅動器和直流電 機。電流採樣信號構成所述驅動器的閉環反饋電流信號。所述電機速度採集單元根據電機速度信號檢測方式設計若採用測速發電機測 速，則該單元由運算放大器及外圍器件構成；若採用編碼器測速，則該單元通過微處理器捕 獲單元捕捉速度信號。採集的速度信號作為軟體算法閉環反饋信號，一方面保證電機跟蹤 給定速度；另一方面防止電機速度過大而飛車。速度給定信號構成所述驅動器閉環給定。電源電壓監控信號構成電源電壓故障的觸發源。所述母線電壓檢測單元由運算放大器及外圍器件構成，採集母線電壓檢測單元送 來的電壓信號。當母線電壓超過能耗制動單元動作閥值，控制電路發出制動單元開通指令； 當母線電壓超過過壓閥值，控制電路報警停機。母線電壓信號經過微處理器的邏輯處理，作 為能耗制動單元的觸發源，與此同時，若能耗制動單元控制的制動電阻未能降低母線電壓， 控制電路將報警。(3)數位訊號採集輸入單元，該單元採集運行命令邏輯、故障復位邏輯以及相序檢 測電子裝置產生的電平信號等。其中微處理器在接收到運行命令邏輯後產生運行或停機 命令；在接收到故障復位邏輯後產生故障復位命令；在接收到缺相信號存在後則做報警處 理。所述數位訊號輸入單元由光藕及外圍器件構成。採集的信號主要有缺相邏輯、運行命 令邏輯、故障復位邏輯等。當缺相信號存在，控制電路報警停機；當運行命令存在，在系統無 故障的情況下，控制電路執行運行指令；當故障復位存在，控制電路對故障信號進行軟體復 位。(4)數位訊號輸出單元，該單元根據系統運行狀況，產生風扇運行、系統正常等數 字量信號。所述數位訊號輸出單元由光藕及外圍器件構成。數字輸出信號主要有風扇運行、 系統正常狀態信號等。驅動器散熱器溫度超過規定閥值，控制電路發出風扇運行信號；驅動 器無故障，控制電路發出系統正常狀態信號給用戶以指示。(5)脈衝寬度調製信號產生單元，該單元根據閉環給定和速度檢測裝置檢測的速 度信號、電流採樣電路採樣的電流信號等產生控制功率開關電路的調製信號。(6)與上位機通信的處理單元，該單元採用的通信接口優先選用串行通信接口 (RS485或RS232等)，用於用戶修改、存儲、讀取驅動器的參數，與上位機的信息交互。該控制迴路部分工作過程控制電路實時檢測數字輸入邏輯和模擬輸入信號，判 斷驅動器有無故障若沒有故障則在有運行命令的情況下，根據給定速度和反饋速度大小 以及反饋電流，經過內部算法處理，得到控制功率電路的佔空比信號和電機運行方向邏輯 作為驅動單元的輸入；若有故障，控制電路將報警並停機。本發明的技術方案具體如圖1所示，交流三相輸入經過交流/直流變換得到直流 母線電壓，能耗制動單元在母線電壓超過動作閥值的情況下生效以降低母線電壓，功率電 路經過脈衝寬度調製得到與速度指令匹配的電壓。控制電路採集母線電壓、輸出電流等模擬信號，電機速度信號根據測速方法的不同可以是模擬信號輸入也可以是編碼器的脈衝輸 入，其中輸出電流和電機速度信號構成軟體閉環控制算法的輸入量；同時基於微處理器的 控制電路也採集相序檢測邏輯、運行命令、復位命令等數位訊號，輸出的數位訊號有風扇運 行控制、驅動器運行準備等；驅動器與上位機的信息交互通過通信單元實現。圖2給出本發明主功率迴路原理圖。其中T是交流/直流整流單元，C為母線電容(作用為儲能及濾波)，G2是控制能耗電阻R通斷的開關器件，G3 G6是兩相橋臂四個 開關器件(以絕緣柵雙極電晶體IGBT為例)，Ll是電機電樞繞組。三相交流輸入經過二極體整流單元T和母線電容C得到直流母線電壓。開關器件 G2和功率電阻R構成能耗制動單元，G2受微處理器邏輯信號控制，決定R是否接入直流母 線迴路。開關器件G3 G6構成功率迴路兩相橋臂，其中G3、G4是同一橋臂上下兩個開關 器件，G3的發射極和G4集電極相連，二者驅動信號互補，G5、G6是另一橋臂上下兩個開關器 件，G5的發射極和G6集電極相連，二者驅動信號互補；G3、G5集電極接母線電壓正端，G4、 G6發射極接母線電壓負端。由於兩相橋臂對稱，一橋臂由電機旋轉方向邏輯控制，另一橋臂 則由調節輸出電壓的脈衝寬度調製信號控制，兩組信號互換可根據實際應用調整。電樞繞 組Ll 一端連接到G3、G4組成橋臂的中點，另一端連接到G5、G6組成橋臂的中點。圖3和圖4是本發明兩個實施例原理框圖。圖3是利用測速發電機測速的連接圖。 測速發電機輸出的模擬電壓信號與電機轉速成正比，控制單板通過採樣電路將該電壓信號 按一定比例轉換成控制晶片(單片機或數位訊號處理器)能識別的模擬信號，控制晶片按 比例關係處理模/數轉換通道獲取的數值得到電機轉速。圖4是利用編碼器測速的原理框 圖。控制晶片的脈衝捕獲單元捕捉編碼器的脈衝信號，在一定時間內計算脈衝數目，根據編 碼器每轉的脈衝數計算得到電機轉速。本發明尚有多種具體的實施方式。凡採用等同替換或者等效變換而形成的所有技 術方案，均落在本發明要求保護的範圍之內。
權利要求
一種風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，包括功率迴路部分及控制該功率迴路部分的控制迴路部分，其特徵在於所述功率迴路部分包括，整流單元，用於將輸入交流電壓變換成直流母線電壓；能耗制動單元，由電子開關和功率電阻構成，所述電子開關通過關斷和接通能所述功率電阻，用以通過能耗以降低母線電壓而保護驅動器；功率開關電路，由兩相橋臂四個功率開關器件構成，通過控制兩相橋臂上下兩組功率開關的通斷進而用於關斷和接通直流電機；所述驅動器的控制迴路部分基於微處理器，並包括，電機速度信號採集單元，用以採集速度檢測裝置的速度信號，構成所述驅動器的閉環反饋速度信號，並在超速或者零速情況下報警；模擬信號採集單元，用以採集所述驅動器的電流檢測單元、母線電壓檢測單元以及電源電壓監控單元和速度給定單元的模擬信號；數位訊號採集輸入單元，用以採集運行命令邏輯、故障復位邏輯以及相序檢測電子裝置產生的電平信號；數位訊號輸出單元，用以根據驅動器運行狀況，產生數字量信號；脈衝寬度調製信號產生單元，用以根據閉環給定和速度檢測裝置檢測的速度信號、電流採樣電路採樣的電流信號產生控制功率開關電路的調製信號；與上位機通信的處理單元，用以與上位機的信息交互。
2.根據權利要求1所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 功率開關器件選用絕緣柵雙極電晶體IGBT，或金屬氧化物場效應管MOSFET。
3.根據權利要求2所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 功率開關電路其中一個橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接到直流電機電壓的方向，從 而改變直流電機旋轉方向，另一個橋臂由脈衝寬度調製信號控制，通過改變功率開關通斷 的佔空比來改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變直流電機轉速。
4.根據權利要求1所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 功率開關器件選用可控矽整流器。
5.根據權利要求4所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 功率開關電路其中一個橋臂由邏輯電平信號控制，用於改變接到直流電機電壓的方向，從 而改變直流電機旋轉方向，另一個橋臂由導通觸發角信號控制，通過改變可控矽整流器通 斷的導通觸發角來改變接到直流電機電樞電壓的大小，從而改變直流電機轉速。
6.根據權利要求1-5所述的任意一種風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵 在於所述兩相橋臂上面一組功率開關器件連接到母線電壓的正端，下面一組功率開關器 件連接到母線電壓的負端，橋臂的兩個中點耦合到直流電機電樞繞組。
7.根據權利要求6所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 功率迴路部分還包括用於控制能耗制動單元和功率開關電路的驅動單元，該驅動單元一端 耦合到控制迴路部分接受微處理器邏輯信號，另一端耦合到所述能耗制動單元和功率開關 電路以控制其通斷。
8.根據權利要求7所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 驅動器還包括用於檢測輸入電壓是否缺相的相序檢測電子裝置，該裝置在檢測到輸入電壓缺相時，產生一個跳變電平並保持該電平直到缺相現象消失。
9.根據權利要求8所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 驅動器還包括用於檢測整流環節產生的直流母線電壓的電壓檢測單元，可將母線電壓轉換 成微處理器能識別的信號。
10.根據權利要求9所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所述 驅動器還包括用於檢測驅動器輸出電流的電流檢測單元，通過電流傳感器件和阻容器件將 輸出電流轉換成微處理器能識別的信號。
11.根據權利要求10所述的風力發電變槳控制系統直流電機驅動器，其特徵在於所 述驅動器還包括用於檢測直流電機實時速度的速度檢測單元，可將由測速發電機、脈衝編 碼器或者其他速度檢測設備採集的信號轉換為微處理器能識別的電信號或者邏輯信號。
全文摘要
本發明屬於風力發電技術領域，提供了一種變槳控制系統直流電機驅動器，包括功率迴路部分和控制迴路部分，其中功率迴路部分包含整流單元、能耗制動單元、功率開關電路、以及交流輸入相序檢測單元、母線電壓和輸出電流檢測單元等；控制迴路部分包含模擬信號採樣單元、數位訊號輸入採集電路、速度信號採集單元、數位訊號輸出單元以及與上位機信息交互單元等。本發明的有益效果主要體現在可靠性高；性能優良；保護功能完善；適合風力發電變槳控制系統低速大力矩、頻繁起動、響應速度快、對可靠性要求較高的場合應用。
文檔編號H02P6/06GK101841292SQ20101019316
公開日2010年9月22日 申請日期2010年6月7日 優先權日2010年6月7日
發明者傅建民, 尤林森, 林盈傑, 肖慶恩, 鄧傑 申請人:蘇州能健電氣有限公司