小型風力發電機自動伺服系統的製作方法
2023-06-02 20:59:46 4
本實用新型涉及風力發電技術領域，特別涉及一種小型風力發電機自動伺服系統。
背景技術：
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由於風力發電機工作在自然環境中，風向、風速等工作參數完全是隨機變化，範圍很大。一般大中型併網風力發電機都配備了完善的伺服裝置，保證了風力發電機的正常工作和自身的生存安全。這些伺服設備主要有以下幾個系統模塊組成：第一，同步系統：用於保證風力發電機輸出的電壓電流與電網的電壓電流在頻率、相位上保持一致。第二，伺服系統：包括機頭水平圓周旋轉控制系統、槳葉變角控制系統、圓周旋轉剎車系統、主軸剎車系統、槳葉角度保持系統等。第三，傳感器系統：包括風向風速一體化傳感器、各種機械位置傳感器、姿態傳感器、壓力傳感器、液位傳感器等。這些裝置結構複雜由專用的計算機管控系統管理工作，造價昂貴，佔到整個風力發電機造價的一半以上。
一般單獨或者離網運行的中小型風力發電機，受限於成本大多是機頭後置尾翼用來尋找風向，固定槳葉，發電機主軸轉速不可控，輸出電壓隨風速變化而變化。遇到大風或需要停止的時候靠人工或者半自動機械裝置改變方向躲避風頭。即便是平時在安全環境下工作，如果遇到輕載或風速稍大也會出現飛車輸出電壓急劇升高，極端情況下還會出現閃絡放電擊穿整流、逆變器等設備的問題。由於存在以上這些缺陷，限制了風力發電機對風速風力的適用範圍，降低了對風能的利用率。同時由共振引起的斷槳葉、斷塔杆拉線和塔杆傾倒也時有發生。
技術實現要素：
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鑑於此，有必要設計一種能夠克服以上缺陷的小型風力發電機自動伺服系統。
一種小型風力發電機自動伺服系統，其特徵在於，包括：風向傳感器6、風速傳感器7、電壓傳感器2、電流傳感器1、機頭角度傳感模塊8以及第一微控制單元MCU4；風向傳感器6、風速傳感器7、機頭角度傳感模塊8分別通過第一通訊模塊5與第一MCU4連接，電壓傳感器2和電流傳感器1通過傳感器信號轉換模塊3與第一MCU4連接；
機頭角度傳感模塊8包括：12個霍爾開關、隔離光耦、第二MCU801、第二通訊模塊802以及電源模塊803；每個霍爾開關都通過對應的隔離光耦與第二MCU801連接，隔離光耦的發射級皆與電源模塊803連接，隔離光耦的集電極皆與第二MCU801連接，隔離光耦的陰極與霍爾開關的輸出端連接，隔離光耦的陽極、霍爾開關的兩個電源端與電源模塊803連接；第二通訊模塊802與第二MCU801連接；
第一通訊模塊5與第二通訊模塊802無線連接；12個霍爾開關安裝於塔杆頂部與機頭的連接處，位於同一圓周平面上，相鄰的霍爾開關的角度間隔相同，機頭固定一個磁鋼，磁鋼隨機頭聯動的軌跡，與霍爾傳感器位於同一圓周平面。
採用本實用新型實施例中提供的小型風力發電機自動伺服系統能夠在風速達不到可以使發電機正常發電的程度，不調整機頭偏航角度，以節約存儲能量，風速達到可以使發電機正常發電的程度時跟蹤風向；拓寬了風力發電機設計範圍，使發動機的設計變得簡單靈活。同時也可以使發動機在很寬的風速範圍內工作，從而提高了風能利用率。
附圖說明：
附圖1是本實用新型實施例中的小型風力發電機自動伺服系統的結構示意圖；附圖2是本實用新型實施例中的機頭角度傳感模塊8的電路連接圖。
具體實施方式：
為了給出一種自動調整機頭迎風方向的實現方案，本實用新型實施例提供了一種小型風力發電機自動伺服系統，以下結合說明書附圖對本實用新型的優選實施例進行說明。
參閱圖1和圖2所示，本實用新型實施例中提供的一種小型風力發電機自動伺服系統，其特徵在於，包括：風向傳感器6、風速傳感器7、電壓傳感器2、電流傳感器1、機頭角度傳感模塊8以及第一微控制單元MCU；風向傳感器6、風速傳感器7、機頭角度傳感模塊8分別通過第一通訊模塊5與第一MCU4連接，電壓傳感器2和電流傳感器1通過傳感器信號轉換模塊3與第一MCU4連接。傳感器信號轉換模塊3將模擬信號轉換為TTL電平。
機頭角度傳感模塊8包括：12個霍爾開關、隔離光耦、第二MCU801、第二通訊模塊802以及電源模塊803；每個霍爾開關都通過對應的隔離光耦與第二MCU801連接，隔離光耦的發射級皆與電源模塊803連接，隔離光耦的集電極皆與第二MCU801連接，隔離光耦的陰極與霍爾開關的輸出端連接，隔離光耦的陽極、霍爾開關的兩個電源端與電源模塊803連接；第二通訊模塊802與第二MCU801連接；隔離光耦的陽極連接3K歐的電阻與電源模塊803的5V電源模塊803的接地端連接。
第一通訊模塊5與第二通訊模塊802無線連接；12個霍爾開關安裝於塔杆頂部與機頭的連接處，位於同一圓周平面上，相鄰的霍爾開關的角度間隔相同，機頭固定一個磁鋼，所述磁鋼隨機頭聯動的軌跡，與霍爾傳感器位於同一圓周平面。
圖2中只給出了4個隔離光耦和4個霍爾開關與第二MCU801連接的關係，其他8個隔離光耦和8個隔離開關與其連接相同，不再一一贅述。霍爾開關和隔離光耦的連接部分為機頭位置接收單元804其中第二MCU801採用型號為89C52的單片機，其引腳的定義皆與現有技術相同，在此不再一一贅述，隔離光耦旁標註1的引腳為集電極，標註2的引腳為發射極，標註3的引腳為陽極，標註4的引腳為陰極；第二MCU801的引腳P00、P01、P02和P03分別與隔離光耦的集電極連接；霍爾開關標註1的引腳和標註3的引腳為霍爾開關的兩個電源端，分別連接在電源模塊803電源模塊803803的12V電源模塊803電源模塊803803的兩個輸出端。霍爾開關標註2的引腳為霍爾開關的輸出端。第二通訊模塊802與第二MCU801的引腳RXD和引腳TXD連接。
小型風力發電機自動伺服系統的工作原理為：將風向傳感器6和機頭角度傳感模塊8的0刻度設置為相同的角度，通過風向傳感器6和風速傳感器7接收到的信息，得知風向此時與風向傳感器6的0刻度的角度差，即得知風向角度，通過與機頭聯動的磁鋼，在轉動時啟動了某個與磁鋼接近的霍爾開關，第二MCU801獲知該霍爾開關與機頭角度傳感模塊8的0刻度的角度差，即得知機頭角度，通過風向角度和機頭角度，調整機頭轉動。
具體的，方向感知由第二MCU801接收機頭角度傳感模塊8的傳感器信號、風向傳感器6信號、風速傳感器7信號、發電機輸出的電壓電流信號。第二MCU801綜合這些傳感器的信息自動控制設備的工作狀態。這個裝置也可以用於其他需要同步方向或者風向的場合。
機頭角度傳感模塊8，在機頭水平旋轉圓周上每隔30度放置一個霍爾磁感應傳感器。分度越細同步方向越準，但對於風力發電機來說過細的分度意義不大。實踐證明每隔30度放置一個傳感器，再結合第二MCU801的算法判斷已足夠準確。當和機頭聯動的磁鋼移動到離霍爾開關正負1釐米範圍內，霍爾開關輸出信號，表示槳葉迎風面在這個霍爾開關所表示的位置上。將圓周上放置的所有霍爾開關都連接到第二MCU801上，第二MCU801就可以檢測到槳葉迎風面在圓周上的任意位置。同時連接在控制板上的風向傳感器6提供即時的風向信號。安裝設備時，只要把機頭角度傳感模塊8和風向傳感器6的0刻度朝向一致性調好，第二MCU801就可以計算出兩套傳感器之間的差值，通過偏航電機調整機頭的偏航角度，從而使風力發電機的槳葉迎風面和風向傳感器6輸入的風向保持一致，實現風向跟蹤。
採用這種兩套傳感器分別設置的好處是：可以使用市場上常見的風向風速檢測組合套裝，價格便宜。可以安裝在塔杆合適的高度上避免了槳葉紊流幹擾。不但大大降低了採購成本，也降低了冰雪天氣對傳感器的維護難度。
第二MCU801的作用以及功能：正常工作時，第二MCU801根據風速傳感器7輸入的信號決定是否調整槳葉朝向：如果風速達不到可以使發電機正常發電的程度，則不會調整機頭偏航角度，以節約存儲能量，只有風速達到可以使發電機正常發電的程度才會跟蹤風向。
當蓄電池已滿或者負載很輕，則改變槳葉迎風角度降低風力輸入功率，防止飛車輸出電壓過高擊穿後級設備、蓄電池過充等問題，在一定範圍內起到了穩定輸出電壓的作用。
當風速超過發電機的正常工作範圍，控制板調整槳葉迎風面與風向平行，使槳葉側對風向，同時接入主軸槳葉制動電阻使槳葉還可以緩慢轉動，消除由風力引起的共振。避免由於共振引起的斷槳葉、斷塔杆拉線、倒塔杆等問題。
拓寬了風力發電機設計範圍，使發動機的設計變得簡單靈活。同時也可以使發動機在很寬的風速範圍內工作，從而提高了風能利用率。
第二MCU801板載的第二通訊模塊802，方便在由多臺發電機組成的孤島供電系統中進行調度控制。
綜上所述，本實用新型實施例中提供的小型風力發電機自動伺服系統能夠在風速達不到可以使發電機正常發電的程度，不調整機頭偏航角度，以節約存儲能量，風速達到可以使發電機正常發電的程度時跟蹤風向；拓寬了風力發電機設計範圍，使發動機的設計變得簡單靈活。同時也可以使發動機在很寬的風速範圍內工作，從而提高了風能利用率。