一种小型风电机组实验台控制柜及其工作方法与流程

本发明属于电气控制柜技术领域，具体涉及一种小型风电机组实验台控制柜及其工作方法。

背景技术：

近年来，随着国家对以风电机组为代表的新能源的重视，越来越多的研究者开展了风电机组相关研究，开发了许多相关的实验台及测试装置。目前的许多风电机组实验台，结构上占用空间较大，电气控制方面分布较为松散，结构不紧凑，电力驱动控制、发电输出控制等电路多分散安装。在电气参数测量方面，如电压、电流、功率测量，多采用外部仪器测量，集成度不高。且在实验台的电气控制过程中，难以实现电气参数实时显示，不能对电气设备进行同时的紧急控制，操作不太便利。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种小型风电机组实验台控制柜及其工作方法，解决风电机组实验台控制柜电气参数实时显示、同时紧急控制的问题，同时安装结构紧凑，布局合理，操作便利，能够有效地实现风电机组实验台的电气控制和相关操作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种小型风电机组实验台控制柜，包括通断电控制电路、发电存储电路和放电电路，其中：

所述通断电控制电路包括依次连接的空气开关、交流接触器和变频器，总电源线连接所述空气开关，通过空气开关控制整个控制柜和实验台的电源通断；所述交流接触器连接三个控制按钮和主电路；所述变频器连接实验台的电动机；

所述发电存储电路包括三相数显表及风电机组控制器，所述三相数显表的一端连接外部实验台设置的发电机，另一端通过电线连接所述风电机组控制器，电机组控制器再连接外部实验台设置的蓄电池充电接口；

所述放电电路包括逆变器及蓄电池，所述蓄电池设置在控制柜外部的实验台，通过蓄电池放电接口连接所述逆变器。

进一步的，所述空气开关、交流接触器、变频器与风电机组控制器及逆变器设于控制柜内部，所述控制按钮和三相数显表设于控制柜面板上，所述控制柜面板通过设置其上的开关打开；

其中，所述空气开关和交流接触器通过卡扣固定在导轨上，所述导轨水平固定在控制柜的底座上部位置；

所述风电机组控制器固定在控制柜右侧面板上部位置；所述逆变器固定在控制柜的底座右下部位置；所述三相数显表通过卡扣固定在所述控制柜面板右侧中部位置，位于所述风电机组控制器和逆变器之间；位于所述三相数显表上方，靠近所述交流接触器；

所述变频器固定在控制柜的底座左侧中部位置，在其所对应的所述控制柜面板上开设相应大小的四方孔，凸出控制柜内的变频器；

进一步的，所述控制按钮包括并排均匀设置的按钮A、按钮B、按钮C；其中，按钮A选用圆形绿色帽自复位按钮，实现电气系统的起动控制；按钮B选用圆形红色帽自复位按钮，实现电气系统的停止控制；按钮C选用圆形红色帽不可自复位按钮，实现电气系统的急停控制，需要手动旋转此按钮方可复位。

进一步的，所述逆变器的输入电压为24V直流电，输出为220V交流电，可供工作和家庭用电。

进一步的，所述风电机组控制器的输入为三相交流电，输入电压范围为0-380V，输出为24V直流电。

进一步的，所述交流接触器工作电压380V，工作电源频率50Hz，工作电流12A，自带3对主触点，一对常开辅助触点，一对常闭辅助触点，一个线圈。

进一步的，所述变频器选用三相交流变频调速器，工作电压380V，输出电源频率范围0～50Hz；总电源导线为三相四线电缆，每相均为直径2.5mm的铜线。

根据上述的一种小型风电机组实验台控制柜的工作方法，包括以下步骤：

1)空气开关和交流接触器控制整个实验台电路的通断：总电源线通过总电源引入接口引入到控制柜，连接空气开关，通过空气开关控制整个控制柜和实验台的电源通断；从空气开关输出的电流，通过电线连接到交流接触器上，结合控制按钮实现对整个风电机组实验台的电气通断电控制；

2)变频器实现对电源频率的灵活调节以控制电动机实现不平稳风速的模拟：变频器通过电动机接口连接实验台的电动机，通过调节电源频率实现对电动机转速的调整，以模拟不平稳风速的输入效果；

3)风电机组控制器实现对输出三相电压的整流调节以保存电能：风电机组实验台的发电机发出的三相交流电，通过连接发电机接口输入到三相数显表，三相数显表通过电线连接风电机组控制器，经风电机组控制器整流控制后输出到蓄电池充电接口与蓄电池连接，给蓄电池充电以保存电能，实现风电机组实验台的发电存储功能；

4)逆变器实现直流电和工作用交流电的变换以实现电能的输出利用：风电机组实验台的放电释放功能，通过蓄电池和逆变器实现，蓄电池通过蓄电池放电接口连接到逆变器上，通过逆变器把直流电转变为交流电，通过供电接口输出电能，供用户使用。

进一步的，所述步骤1)中通断电控制的方法为：

所述交流接触器包括线圈KM线、主触点KM主、辅助常开触点KM辅、辅助常闭触点几个部分，当通电启动控制柜时，闭合空气开关，按下控制的按钮A即SB3，KM线通电，常开触点KM辅闭合形成自锁，主触点KM主通电，给实验台电气系统供电；

断电时，按下按钮B即SB1或者按钮C即SB2，KM线断电，常开触点KM辅断开失去自锁，主触点KM主断电，实验台电气系统失电。

进一步的，三相数显表实现对实验台中风力发电机输出电量参数的测量及实时显示。

有益效果：本发明提供的小型风电机组实验台控制柜及其工作方法，其有益效果在于，解决风电机组实验台控制柜电气参数实时显示、电气设备同时紧急控制的问题，同时安装结构紧凑，布局合理，操作便利，能够有效地实现风电机组实验台的电气控制和相关操作。另一方面，所述控制柜采用的设备，均属于工业中常用的电气设备，运行安全，成本低廉，易于大规模推广，具有较大的市场前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例的风电机组实验台控制柜面板结构示意图；

图2是本发明实施例的风电机组实验台控制柜内部结构示意图，其中图2(a)是控制柜面板后侧结构示意图，图2(b)是控制柜内部结构示意图；

图3是本发明实施例的风电机组实验台风电机组发电充电放电示意图；

图4是本发明实施例的风电机组实验台通断电控制电路；

图5是本发明实施例的风电机组实验台试验测试风力发电机输出电流和电源频率的关系曲线。图5(a)是风力发电机A相输出电流值和电源频率的关系曲线；图5(b)是风力发电机B相输出电流值和电源频率的关系曲线；图5(c)是风力发电机C相输出电流值和电源频率的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种小型风电机组实验台控制柜及其工作方法，它包括空气开关、交流接触器、变频器、三相数显表、风电机组控制器、逆变器及连接导线等附属部件。空气开关和交流接触器控制整个实验台电路的通断；变频器实现对电源频率的灵活调节以控制电动机实现不平稳风速的模拟；三相数显表实现对实验台中风力发电机输出电量参数的测量及实时显示；风电机组控制器实现对输出三相电压的整流调节以保存电能；逆变器实现直流电和工作用交流电的变换以实现电能的输出利用。该控制柜可以有效地实现风电机组实验台的发电系统控制及电能输出控制，紧急情况下可以实现对全部部件的同时断电保护，并且结构紧凑，成本低廉，值得大规模推广。

实施例

本实施例适用于一般小型风电机组实验台的电气控制，控制柜尺寸参数为宽40cm，高50cm，厚15cm。工作电压为三相四线制380V工业用电，输出配套蓄电池为直流24V。其他类型风电机组实验台可根据具体条件调整部分参数以实现电气控制功能。

参照附图1和附图2，本实施例的小型风电机组实验台控制柜，它包括空气开关8、交流接触器7、变频器12、三相数显表5、风电机组控制器10、逆变器11及按钮A1、按钮B2、按钮C3、导轨9、连接导线等附属部件。按钮A1、按钮B2、按钮C3通过旋钮固定在控制柜面板上，三相数显表5通过卡扣固定在控制柜面板上，四方孔6用以显露出控制柜内的变频器12。控制柜面板通过开关4打开，导轨9、变频器12、逆变器11通过螺栓固定在控制器底板上。空气开关8、交流接触器7通过卡扣固定在导轨9上，可以沿着导轨平行滑动以调整左右位置，防止和控制面板后面的按钮ABC碰撞、及方便控制柜内部布线。风电机组控制器10通过螺栓固定在控制柜侧面板上。

本实施例中，定义控制柜左上角为坐标零点建立坐标系，单位cm，则面板上各部件的位置及尺寸可以得出：按钮1圆孔中心点位置(10,10)，圆孔直径2.2cm；按钮2圆孔中心点位置(20,10)，圆孔直径2.2cm；按钮3圆孔中心点位置(30,10)，圆孔直径2.2cm；开关4圆孔中心点位置(36,25)，直径2.4cm；三相数显表5左上角位置(22,20)，尺寸宽9cm，高9cm；四方孔6的左上角位置(5,20)，尺寸宽13cm，高15cm。控制柜内部各部件位置及尺寸：导轨9中心线左侧位置(2,8.5)，长30cm，宽度3.5cm；风电机组控制器10左上角位置(34,8)，宽14cm，高15cm，厚6cm；逆变器11左上角位于(20,22)，宽15cm，高16cm，厚6cm；变频器12位置和四方孔6重合，宽13cm，高15cm，厚15cm，安装后略突出于控制柜面板。

总电源线通过总电源引入接口13引入到控制柜，通过控制柜左侧边缘布线，连接到空气开关8的上方，通过空气开关8控制整个控制柜和实验台的电源通断。

本实施例中，总电源导线为三相四线电缆，每相均为直径2.5mm的铜线。空气开关8选用四相开关，额定电流20A，自带保护断电功能。安装时通过卡扣卡在导轨9上，可以沿着导轨9平滑移动。导轨9通过两个直径4mm的螺栓固定在控制柜的底座上。

从空气开关8输出的电流，通过电线连接到交流接触器7上，结合按钮A1、按钮B2、按钮C3实现对整个风电机组实验台的电气通断电控制。

本实施例中，按钮A1选用圆形绿色帽自复位按钮，实现电气系统的起动控制；按钮B2选用圆形红色帽自复位按钮，实现电气系统的停止控制；按钮C3选用圆形红色帽不可自复位按钮，实现电气系统的急停控制，需要手动旋转此按钮方可复位。按钮A1、按钮B2、按钮C3通过自带螺帽固定于控制柜面板相应的安装孔两侧，旋紧，导线在控制柜内侧连接。交流接触器7选用型号CJX2-1210，工作电压380V，工作电源频率50Hz，工作电流12A，自带3对主触点，一对常开辅助触点，一对常闭辅助触点，一个线圈。交流接触器7通过卡扣固定在导轨9上，可以沿着导轨9平滑。

参照附图3、4，本实施例的小型风电机组实验台控制柜通断电控制，通电起动控制柜时，闭合空气开关8(QS)，按下按钮1(SB3)，交流接触器7的线圈(KM线)通电，常开触点KM辅闭合形成自锁，主触点KM主通电，给实验台电气系统供电。断电时，按下按钮2(SB1)或者按钮3(SB2)，交流接触器7的线圈(KM线)断电，常开触点KM辅断开失去自锁，主触点KM主断电，实验台电气系统失电。

本实施例中，变频器12选用三相交流变频调速器，工作电压380V，输出电源频率范围0～50Hz。变频器12通过四个直径4mm的螺栓固定在控制柜的底座上。

变频器12通过连接电动机接口14连接实验台的电动机，通过调节电源频率实现对电动机转速的调整，以模拟不平稳风速的输入效果。

风电机组实验台的发电机发出的三相交流电，通过连接发电机接口18输入到三相数显表5。

本实施例中，三相数显表5工作电压220V，可以实时显示实验台运行时的电气参数，包括电压、电流、功率等。三相数显表5通过卡扣固定在控制柜面板上，连接导线在控制柜面板内侧连接，显示屏安装在控制柜面板外侧。

三相数显表5通过电线连接到风电机组控制器10上，经风电机组控制器10整流控制后输出到连接蓄电池充电接口15，给蓄电池充电以保存电能，实现风电机组实验台的发电存储功能。

本实施例中，风电机组控制器10的输入为三相交流电，输入电压范围为0-380V，输出为24V直流电。风电机组控制器10通过四个直径4mm的螺栓固定在控制柜的侧面。

风电机组实验台的放电释放功能，通过蓄电池和逆变器11实现，蓄电池通过连接蓄电池放电接口17连接到逆变器11上，通过逆变器11把直流电转变为交流电。通过供电接口16输出电能，供用户使用。

蓄电池有正负极2根线与外界接口相连，蓄电池充电接口15负责充电连接，蓄电池放电接口17负责放电连接，在本控制柜之外的实际连接方式不同。两个接口各有开关控制与蓄电池的断开闭合。

本发明由三个电气过程组成，一个是总通断电控制，一个是发电机发电充电存储，一个是蓄电池放电使用。后两个过程的连接点在蓄电池，又相互独立，互成系统。

本实施例中，逆变器11的输入电压为24V直流电，输出为220V交流电，可供工作和家庭用电。逆变器11通过四个直径4mm的螺栓固定在控制柜的底座上。

参照附图5，本实施例试验测试过程中，调节变频器12的输出电源频率，就可以调节风电机组实验台发电机的输入转速，进而调节发电机发出的三相交流电，通过三相数显表5可以实时显示输出的电压电流信息。当电源频率低于6Hz时，发电机输入转速过低，A、B、C三相输出电流数值较低，三相数显表5不显示相关数据；当电源频率大于6Hz时，三相输出电流数值增大，三相数显表5开始显示数据，A、B、C三相输出电流分别是0.071A、0.069A、0.065A；当电源频率到达最高值50Hz时，A、B、C三相输出电流分别是3.230A、2.961A、3.037A，达到最大值。亦即，电源频率低，则发电机发出的电流低，电源频率高，则发电机发出的电流高，其规律符合发电机功率曲线趋势，验证了风电机组实验台控制柜设计和运行的可靠性。风电机组实验台的电能存储和释放测试均较为平稳，能够满足设计需要。同时，风电机组实验台控制柜结构紧凑，占用空间小，具有多部件同时急停的保护功能，成本低廉，值得大规模推广。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。