教学用风力发电机组偏航控制装置的制作方法

本实用新型涉及风力机组教学领域，尤其涉及一种教学用风力发电机组偏航控制装置。

背景技术：

偏航系统是用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构，因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大。偏航系统中偏航控制一般包括有对风向和偏航角的检测控制、对偏航驱动机构的驱动控制、对偏航制动机构的制动控制。但现有的教学设备中，往往是集合偏航、变桨和发电等多个功能的控制于一体的多功能控制系统，且多个部分的机械结构与电路结构掺杂在一起，不便于教学使用讲解和实训使用，也不利于学生理解和动手拆装。因此需要一种分离出来的，可单独接线和实验使用的偏航控制系统或装置。

另外，现有多功能控制系统多采用采用微控制器作为偏航控制的控制中心来控制电路，但微控制器的稳定性差、编程难度高，且寿命短，容易出现短路和死机等问题，需要经常维护和维修。另外，微控制器的控制电路大多采用集成电路板采用机器焊接或者手动焊接电路，其接线过程麻烦，不便于学生动手拆卸和安装，也无法很好实现电气系统的调试、故障排除等实训的问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种能够从教学、实训的实际出发以偏航的控制对象入手，以实际控制器件的电路连接安装与调试实训为主的结构简单、便于安装和操作的教学用风力发电机组偏航控制装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：教学用风力发电机组偏航控制装置，包括偏航驱动电机、偏航控制器、风向传感器、偏航角检测编码器。所述偏航控制器为可编程逻辑控制器。所述用于收集风向变化的可编程逻辑控制器与风向传感器可拆卸电连接。所述偏航驱动电机为伺服电机及其驱动器，所述用于控制伺服电机的可编程逻辑控制器通过与驱动器可拆卸电性连接控制伺服电机。所述用于收集偏航角度变化的可编程逻辑控制器通过与偏航角检测编码器可拆卸电连接。

作为优选，为上述结构中，由于可编程逻辑控制器的结构简单、稳定性强，能在实现可拆卸连接的同时并保证可拆卸连接的重复性和稳定性，提高本实用新型的使用寿命。其次，可编程逻辑控制器的接线端子采用压紧方式可拆卸电连接，便于拆装，便于可编程逻辑控制器与风向传感器、偏航角检测编码器以及伺服电机的连接，可在大大降低接线的难度和接线所耗费的时间。并且，可编程逻辑控制器的编程简单、稳定性高，容易上手，并具有极佳的控制效果，能降低偏航控制程序编程的难度，使复杂的偏航控制更适于教学使用和实训操作使用，也能便于学生快速学习到偏航控制的编程、控制要点和原理。

作为进一步的改进，设有由若干继电器组成的可控的制动开关，其中，至少两个继电器的动铁芯并联设置，该至少两个继电器的动铁芯一端连接至高电平或低电平，另一端为制动开关的可控端，该至少两个继电器的触点串联连接在另一继电器的动铁芯一端和高电平或低电平之间。该另一继电器的动铁芯的另一端连接至低电平或高电平，该另一继电器的触点两端为制动开关的输入、输出端。制动开关输入端、输出端串联在偏航制动机构的电源线路中，制动开关的可控端与可编程逻辑控制器可拆卸连接。

上述结构中，由于普通继电器的开关触点中在闭合、开启的瞬间会产生电弧，电弧会引起相间短路并容易造成火灾，因此需要对触点进行灭弧处理。为保证触点灭弧的可靠性，本实用新型采用若干个继电器组合形成可控的制动开关，其中将至少两个继电器串联设置保证触点灭弧的可靠性，并且保留继电器的可控端以便控制偏航制动机构的工作，增加本实用新型的控制性和操作性。

作为进一步的改进，控制器、伺服电机、驱动器、风向传感器、偏航角检测编码器、制动开关的电源线均并联于一与电源连接的电源总线上，该电源总线上设有一级漏电保护。并联点至控制器、伺服电机、驱动器、风向传感器、偏航角检测编码器、制动开关的该段电源线上设有二级漏电保护。

上述结构中，本实用新型在各个器件的电源线和电源总线上分别设置了漏电保护，双重漏电保护能有效、安全地避免学生在操作或接触可编程逻辑控制器、风向传感器等仪器的过程中因仪器损坏、实训接线线路不当导致控制装置局部漏电甚至整体出现漏电情况时能及时断电以避免学生在操作过程中触电受伤，确保教学过程的安全性。

作为优选，所述伺服电机的个数至少为两个，其驱动器的个数与伺服电机个数相同。驱动器之间可采用并联连接或主从连接，驱动器与可编程逻辑控制器之间可通过通讯或脉冲的方式进行控制命令的传递。

上述结构中，本实用新型设置至少两个伺服电机、驱动器，通过改变驱动器与驱动器之间连接关系和驱动器与可编程逻辑控制器之间的信息传递，能够实现多种不同的接线方式，教师可根据不同的接线方式设置不同方式的偏航控制、编程、故障排故的不同难度进行循序渐进的教学。学生也可根据自身情况选择或思考出不同的接线方式，或者采用不同的接线方式进行调试、操作，上述设计有利于提高学生的应用水平。本实用新型具有良好的开放性、重复拆装性、重复调试性，并且结构、难度可以稍作调节，使教学循序渐进，从而提高学生的应用水平。

作为优选，风向传感器与可编程逻辑控制器之间设有模数转换模块，风向传感器输出端与模数转换模块输入端相连，模数转换模块与可编程逻辑控制器插拔连接。由于模数转换模块与可编程逻辑控制器之间直接通过插拔连接，其接线方便、可拆装性强，又省去了可编程逻辑控制器进行模数转换这一步骤，精简了编程，降低了编程难度。

作为优选，通过插拔、夹持、压紧装置中的一种或多种进行可拆卸电连接。

作为优选，中间继电器为常开型直流型中间继电器，所述动铁芯与常开触点均连接在直流电源上。直流型中间继电器作为控制偏航制动机构的制动开关的主要组成部件，其接线简单、价格便宜，大大降低了控制的难度和成本，提高了控制的稳定性和效果。

作为优选，所述漏电保护为在电源接线上或各电源线上设置漏电保护开关、漏电保护器或漏电断路器中的一种或多种。

作为优选，所述偏航角检测编码器为绝对值编码器，绝对值编码器输出端连接于可编程逻辑控制器的高速脉冲输入端。采用绝对值编码器作为偏航角度检测，绝对值编码器的输出值为高速脉冲，正好与可编程逻辑控制器配合使用，其接线简单，使用方便。

综上所述，本实用新型提供了一种教学使用、可重复拆卸电连接，并具有双重漏电保护以保证学生在操作和调试过程安全性的偏航控制装置，本实用新型中偏航控制器与各器件之间的电连接的连接线路简单，接线方式多样，且各器件可通过可拆卸连接进行组合使用，教师还可根据不同的组件使用逐步提高难度进行教学。本实用新型结构简单，便于学生动手拆卸和安装，可以循序渐进从简单编程到复杂线路的应用，达到与学校已有教学资源的有效衔接的目的，满足教学、实训的要求。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例的工作原理示意图。

图2为本实用新型具体实施例的通讯连接接线示意图。

图3为本实用新型具体实施例的主从连接接线示意图。

图4为本实用新型具体实施例的脉冲连接接线示意图。

图中所示：风向传感器1、模拟量信号2、模数转换模块3、can总线及422通讯模块4、伺服模块5、驱动器51、伺服电机52、编码器53、偏航机构6、风力发电机组7、绝对值编码器8、数字量信号9、偏航制动机构10、可编程逻辑控制器11、一级漏电保护12、二级漏电保护13、动铁芯一14、动铁芯二15、动铁芯三16、触点一17、触点二18、触点四19、动铁芯四20、动铁芯五21。

具体实施方式

如图1所示，本实施例主要由可编程逻辑控制器11、模数转换模块3、风向传感器1、绝对值编码器853、伺服模块5、can总线及通讯模块、偏航制动机构10等组成。可编程逻辑控制器11、模数转换模块3、风向传感器1、绝对值编码器853、伺服模块5等部件上均设有接线端子，且各部件之间均为可拆卸电连接。

可编程逻辑控制器11的结构简单、稳定性强，能在实现可拆卸连接的同时并保证可拆卸连接的重复性和使用的稳定性，并且可编程逻辑控制器11的接线端子均为螺丝拧紧式的可拆卸端子，便于可编程逻辑控制器11与其他部件可拆卸电连接，满足教学过程中，学生的动手拆装整体控制装置的需求。同时，可编程逻辑控制编程原理简单，能降低偏航控制程序编程的难度，也便于在短时间内进行教学和上手使用，使学生可以快速掌握实际生产中复杂的偏航控制过程的偏航原理、偏航过程和偏航组成，更适于教学使用和实训操作使用。

本实施例中，风向传感器1检测风向变化，并将风向变化的模拟量信号2通过模数转换模块3转换成数字量或直接将风向传感器1的数字量信号9传送至可编程逻辑控制器11。可编程逻辑控制器11根据风向变化数据发出对应的控制指令给偏航制动机构10和伺服模块5。偏航制动机构10对风力发电机组7进行刹车、制动并锁定。伺服模块5通过控制偏航机构6使风力发电机组7调整到迎风方向。伺服模块5包括伺服电机52及其驱动器51组成，驱动器51与可编程逻辑控制器11可拆卸电连接以接收驱动电机的所需转动的角度，再进一步将需转角度转换成具体的转动指令驱动伺服电机52运行。伺服模块5控制简单、稳定性强，且便于可拆卸电连接，本实施例采用伺服模块5来驱动偏航机构6偏航转动，能够在降低偏航驱动控制难度的同时提高偏航驱动电机可重复拆装的稳定性，并使偏航驱动的控制难度处于适宜的范围中。

在伺服模块5调整迎风方向的同时，绝对值编码器8对偏航实际旋转角度进行检测，并将数据传送给可编程逻辑控制器11，通过与已存数据比较，控制交流伺服电机52系统继续运行或者停止。偏航变化通过can总线及通讯模块上传到可编程逻辑控制器11。

结合图2所示，本实施例中，可编程逻辑控制器11的输入端与绝对值编码器8的数字量输出连接。绝对值编码器8的电源端接可编程逻辑控制器11使能端，其接地端外接地并与可编程逻辑控制器11共地连接。风向传感器1采用风向仪检测风向变化，风向仪的输出为模拟量，其输出输入到模数转换模块3输入端，其电源端、接地端与模数转换模块3公共端连接。模数转换模块3与可编程逻辑控制器11插拔连接，将模拟量转为数字量后传送给可编程逻辑控制器11。本段所述的连接均为通过接线端子的插拔或螺丝拧紧方式的可拆卸电连接。

本实施例中，可编程逻辑控制器11通过可控的制动开关来控制偏航制动机构10对风力发电机组7刹车、制动进行控制。制动开关主要由三个常开型的中间继电器一、中间继电器二和中间继电器三组成。中间继电器一、中间继电器二的动铁芯一14和动铁芯二15并联设置，并联设置的动铁芯一14、动铁芯二15的一端为制动开关的可控端并与可编程逻辑控制器11的输出端通过压紧、螺丝拧紧等方式可拆卸电连接。中间继电器一、中间继电器二的触点一17、触点二18、与中间继电器三的动铁芯三16一同串接在高电平与低电平之间。中间继电器三的触点的两端分别为制动开关的输入端和输出端，制动开关的输入端和输出端串接在偏航制动机构10的电源线路之中。中间继电器一、中间继电器二的触点一17、触点二18串联设置可保证触点灭弧。本实施例中将两个继电器触点串联以保证触点灭弧的可靠性，避免继电器的开关触点中在闭合、开启的瞬间产生的电弧引起相间短路并容易造成火灾，保证学生在操作过程中的安全和人身安全。

为进一步控制偏航制动机构10，本实施例设置了常开型的中间继电器四、中间继电器五串联连接作为偏航制动机构10的锁定电路的锁定开关。中间继电器四的动铁芯四20的一端为可控端，可控端与可编程逻辑控制器11的另一输出端可拆卸电连接，动铁芯四20另一端连接至低电平。中间继电器四的常开触点四19与中间继电器五的动铁芯五21串联于高电平和低电平之间，中间继电器五的触点两端为锁定开关的输入端和输出端，锁定开关的输入端、输出端串联设置于偏航制动机构10的锁定电路中，本实施例可通过控制中间继电器四进而控制中间继电器五的通电情况，进而控制偏航制动机构10的锁定与解锁。本实施例中，所述继电器与继电器之间，继电器与线路之间、继电器与可编程逻辑控制器11之间均采用压紧或螺丝拧紧的方式进行可拆卸电连接。

本实施例在用于连接电源的电源总线上设有一级漏电保护12，在电源总线至可编程逻辑控制器11、伺服模块5、制动开关的电源线上设有二级漏电保护13。本实施例中，一级漏电保护12设有一个漏电保护开关，二级漏电保护13设有四个漏电保护开关，每个电源线或电源总线上均设有一个漏电保护开关。漏电保护开关串联在电源总线或电源线线中。双重漏电保护能快速、有效地检测到电源线或电源总线中因仪器损坏、实训接线线路不当导致控制装置局部漏电甚至整体出现漏电的情况，并在第一时间切断电路，避免学生在操作过程中接触可编程逻辑控制器11、风向传感器1等仪器时发生触电，确保教学过程中学生和老师的人身的安全，并且上述漏电保护结构电路简单、反应快、成本低、效果好。

本实施例中设有两组伺服模块5，该两组伺服模块5并联设置，其接线和设置均相同。伺服模块5由驱动器51、伺服电机52和编码器53组成，驱动器51的控制端与伺服电机52的三相电源输入端连接，编码器53的电源端、接地端和两个数据输出均连接至驱动器51。驱动器51、伺服电机52之间通过插孔和插线插拔连接。

驱动器51的can总线连接端与可编程逻辑控制器11的can总线及422通讯模块4连接端压紧连接，实现驱动器51与可编程逻辑控制器11之间的can总线通讯。驱动器51将偏航变化通过can总线传递给可编程逻辑控制器11，可编程逻辑控制器11通过can总线给驱动器51下达偏转角度。结合图所示，图3与图2的区别仅在于在两组伺服模块5之间构成主、从级交流伺服模块5。图4中可编程逻辑控制器11采用脉冲方式向驱动器51下达偏航角度和方向。

本实施例设置有两个伺服电机52及其驱动器51，可以通过改变驱动器51与驱动器51之间连接关系和驱动器51与可编程逻辑控制器11之间的信息传递，能够实现多种不同的接线方式，教师可根据不同的接线方式设置不同方式的偏航控制、编程、故障排故的不同难度进行循序渐进的教学。

本实用新型适用于普通高等院校实训教学，也可用于小功率实际风力发电机组7。利用一组可编程逻辑控制器11和两个伺服模块5、风向传感器1、偏航角度检测编码器53等构成一种偏航控制电路，实现风力发电机组7的偏航控制。本实用新型结构简单、稳定性高，控制性强，能在基本的控制电路上实现多种多样的接线方式、通讯方式和控制方式，并使教学与实训更加安全、方便、有效。