风电变桨系统后备电源的充电装置的制作方法

本实用新型涉及充电装置，尤其涉及风电变桨系统后备电源的充电装置。

背景技术：

风力发电作为目前技术趋于成熟的可再生清洁能源，受到各国的广泛重视。变桨控制系统是风力发电系统中重要的组成部分，其主要功能是控制桨叶节距角随风速的大小进行自动调节，使发电机输出功率保持稳定。后备电源是变桨控制系统的重要组成部分，用以在风机发生严重故障时输出直流电直接驱动直流电机快速收回桨叶，从而保证风机安全。

充电装置是变桨控制系统后备电源的关键部件之一，其在很大程度上保证了变桨系统后备电源部分作为变桨系统最后一道安全保障的顺利执行，从现在公开的文献来看，涉及变桨控制系统用后备电源充电装置的专利和资料十分有限，因此有必要设计一种性能优良、功能完善的变桨控制用后备电源充电装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种风电变桨系统后备电源的充电装置。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：

风电变桨系统后备电源的充电装置，包括功率回路及控制所述功率回路的控制回路，所述功率回路包括将输入的交流电转变为直流母线电压的整流滤波电路，所述整流滤波电路连接功率开关电路，所述功率开关电路输出充电电压并与控制其工作的驱动电路的一端耦合，所述驱动电路的另一端与所述控制回路中的微处理器耦合并接收所述微处理器的逻辑控制信号；

所述风电变桨系统后备电源的充电装置还包括

直流母线电压检测电路，用于检测所述整流滤波电路产生的直流母线电压并通过分压电阻将直流母线电压按照比例变换成微处理器可识别的电压信号；直流母线电压检测电路；

充电电压检测电路，用于检测所述功率开关电路输出的充电电压并通过阻容器件将充电电压转变成所述微处理器可识别的信号；

充电电流检测电路，用于检测所述功率开关电路的充电电流并通过阻容器件将充电电流转变成所述微处理器可识别的信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述功率开关电路包括第一功率开关器件、第二功率开关器件及变压器，所述第一功率开关器件的漏极接直流母线电压的正端，所述第一功率开关器件的源极接变压器原边的一端，所述第一功率开关器件的栅极接所述驱动电路；所述第二功率开关器件的漏极接所述变压器原边的另一端，所述第二功率开关器件的源极接直流母线电压的负端，所述第二功率开关器件的栅极接所述驱动电路；所述变压器的副边输出充电电压。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述第一功率开关器件、第二功率开关器件均为N沟道场效应管。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述直流母线电压检测电路包括一端与母线电压输入端连接的第一电阻，所述第一电阻的另一端接二极管的阳极，所述二极管的阴极连接依此串接的第二电阻、第三电阻及第四电阻，所述二极管和第二电阻之间还连接有第一电容，所述第一电容接地；所述第二电阻和第三电阻之间并联连接有第五电阻及第二电容，所述第五电阻及第二电容接地；所述第三电阻和第四电阻之间连接第三电容，所述第三电容接地；所述第四电阻的一端连接到第一运放器的正向输入端，所述第一运放器的反向输入端接所述第一运放器的输出端，所述第一运放器的输出端接第六电阻并从电压信号端输出检测电压信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述充电电压检测电路包括一端与充电电压输入端连接的第七电阻，所述第七电阻的另一端连接依次串接的第八电阻、第九电阻、第十电阻，所述第九电阻及第十电阻之间连接并联的第五电容及第十一电阻，所述第五电容及第十一电阻接地，所述第九电阻连接第二运放器的正向输入端，所述第九电阻与第二运放器的正向输入端之间还连接第四电容，所述第四电容接地，所述第二运放器的反向输入端及输出端连接第十二电阻并从电压输出端输出检测电压信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述充电电流检测电路包括第三运放器，所述第三运放器的正向输入端通过第十四电阻接数字地，所述第三运放器的正向输入端与第十四电阻之间还连接并联的第七电容及第十五电阻，所述第七电容及第十五电阻接地；所述第三运放器的反向输入端通过第十三电阻连接充电电流信号端；所述充电电流信号端及数字地之间还连接有第六电容；所述第三运放器的反向输入端与输出端之间还连接并联的第十六电阻及第八电容；所述第三运放器的输出端通过第十七电阻连接第四运放器的正向输入端，所述第十七电阻与所述第四运放器的正向输入端之间还连接第九电容，所述第九电容接地；所述第四运放器的反向输入端连接其输出端并通过第十八电阻接充电电流信号端。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述控制回路基于所述微处理器，所述微处理器包括

模拟信号采集单元，用于至少采集所述直流母线电压检测电路、充电电压检测电路及充电电流检测电路的模拟信号；

通信单元，用于与上位机连接通信；

数字信号采集单元，用于至少采集运行命令逻辑数字信号、故障复位逻辑数字信号、直流母线电压超过过压阈值数字信号或低于欠压阈值数字信号以及充电电压超过过压阈值数字信号；

数字信号输出单元，用于根据充电装置的运行情况，输出对应的数字信号；

脉冲宽度调制信号产生单元，用于根据实际后备电源电压以及充电电流，通过配套的软件算法产生控制充电电流及充电电压的调制信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述模拟信号采集单元还采集温度监测设备采集的后备电源的温度，所述脉冲宽度调制信号产生单元还用于根据后备电源的实际温度产生控制温度补偿的调制信号。

优选的，所述的风电变桨系统后备电源的充电装置，其中：所述通信单元通过串行通用接口与所述上位机连接通信。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：

本专利设计精巧，结构合理，充电装置通过采集数字和模拟信号，判断其运行状态是否正常，非正常时充电装置报警并切断充电输出，多种故障逻辑提高装置可靠性，充电输出控制智能、可靠；本实用新型适合采用蓄电池作为后备电源的变桨控制系统，适于安全性、可靠性要求较高的场合应用。

根据蓄电池温度信号实施控制方法实时调节温度补偿调制信号的脉冲宽度，保证了不同环境温度下充电装置输出最适宜的充电电压；

可通过参数设置待充电蓄电池组电压，使充电装置能适配于设计范围和精度内的任一电压值的蓄电池组，提高了应用范围、环境适应性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是微处理器的结构示意图；

图3是本实用新型中功率回路的电路图；

图4是本实用新型中直流母线电压检测电路的电路图；

图5是本实用新型中充电电压检测电路的电路图；

图6是本实用新型中充电电流检测电路的电路图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

本实用新型揭示的风电变桨系统后备电源的充电装置，所述后备电源优选为蓄电池，如附图1所示，包括功率回路及控制所述功率回路的控制回路，所述功率回路包括与市电端连接并将输入的交流电转变为直流母线电压的整流滤波电路1，所述整流滤波电路1连接功率开关电路 3，所述功率开关电路3输出充电电压，所述功率开关电路3与控制其通断的驱动电路4的一端耦合，所述驱动电路4的另一端与所述控制回路中的微处理器5耦合并接收所述微处理器5的逻辑控制信号。

详细的，如附图2所示，所述整流滤波电路1包括四个二极管构成的整流桥T以及与所述整流桥T并联设置的电容C1、C2，交流输入经过整流桥T和母线滤波电容C1、C2得到直流母线电压。

所述功率开关电路3包括第一功率开关器件G1、第二功率开关器件G2及变压器L，所述第一功率开关器件G1、第二功率开关器件G2 均为N沟道场效应管，所述第一功率开关器件G1的漏极接直流母线电压的正端，所述第一功率开关器件G1的源极接变压器L原边的一端，所述第一功率开关器件G1的栅极接所述驱动电路4；所述第二功率开关器件G2的漏极接所述变压器L原边的另一端，所述第二功率开关器件G2的源极接直流母线电压的负端，所述第二功率开关器件G2的栅极接所述驱动电路4；所述变压器L的副边输出充电电压。

所述驱动电路4包括与所述控制回路中的UC2845芯片的输出引脚连接的推挽电路，所述推挽电路的输出端连接隔离电路的输入端，所述隔离电路的输出端连接开关电路，当调制信号为高电平，所述开关电路导通，此时，变压器L输出母线经过变比后的电压；反之，开关电路关断，所述变压器L的输出关断。

进一步，如附图1所示，所述风电变桨系统后备电源的充电装置还包括直流母线电压检测电路6、充电电压检测电路7以及充电电流检测电路8。

如附图4所示，所述直流母线电压检测电路6用于检测所述整流滤波电路1产生的直流母线电压并通过分压电阻将直流母线电压按照比例变换成微处理器5可识别的电压信号；所述直流母线电压检测电路6由电压跟随器及外围器件构成，其具体包括一端与母线电压输入端 T_VBUS连接的第一电阻R58，所述第一电阻R58的另一端接二极管 D13的阳极，所述二极管D13的阴极连接依此串接的第二电阻R59、第三电阻R61及第四电阻R35，所述二极管D13和第二电阻R59之间还连接有第一电容C60，所述第一电容C60接地；所述第二电阻R59和第三电阻之间并联连接有第五电阻R63及第二电容C62，所述第五电阻 R63及第二电容C62接地；所述第三电阻R61和第四电阻R35之间连接第三电容C64，所述第三电容C64接地；所述第四电阻R35的一端连接到第一运放器U6-A的正向输入端，所述第一运放器U6-A的反向输入端接所述第一运放器U6-A的输出端，所述第一运放器U6-A的输出端接第六电阻R105并从电压信号端V_BUS输出检测电压信号。

工作时，母线电压输入端T_VBUS的信号经过第一电阻R58、第二电阻R59、第五R63分压处理后，再经所述第一运放器U6-A的电压跟随得到电压V_BUS，送至所述微处理器5中进行采样。

如附图5所示，所述充电电压检测电路7用于检测所述功率开关电路3输出的充电电压并通过阻容器件将充电电压转变成所述微处理器5 可识别的信号；所述充电电压检测电路7由电压跟随器及外围器件构成，其具体包括一端与充电电压输入端VOLT连接的第七电阻R33，所述第七电阻R33的另一端连接依次串接的第八电阻R76、第九电阻R37、第十电阻R157，所述第九电阻R37及第十电阻R157之间连接并联的第五电容C85及第十一电阻R159，所述第五电容C85及第十一电阻R159接地，所述第九电阻R157连接第二运放器U16-A的正向输入端，所述第九电阻R157与第二运放器U16-A的正向输入端之间还连接第四电容C83，所述第四电容C83接地，所述第二运放器U16-A的反向输入端及输出端连接第十二电阻R38并从电压输出端VOLT_1输出检测电压信号。

工作时，母线电压VOLT信号经过第七电阻R33、第八电阻R76、第九电阻R37、第十一电阻R159分压处理后，再经所述第二运放器U16-A 的电压跟随得到电压VOLT_1，送至微处理器5进行采样。

如附图6所示，所述充电电流检测电路8用于检测所述功率开关电路3的充电电流并通过阻容器件将充电电流转变成所述微处理器5可识别的信号；所述充电电流检测电路8由电压跟随器及外围器件构成，其具体包括第三运放器U7-A，所述第三运放器U7-A的正向输入端通过第十四电阻112接数字地，所述第三运放器U7-A的正向输入端与第十四电阻112之间还连接并联的第七电容C52及第十五电阻R114，所述第七电容C52及第十五电阻R114接地；所述第三运放器U7-A的反向输入端通过第十三电阻R40连接充电电流信号端CURRENT-；所述充电电流信号端CURRENT-及数字地之间还连接有第六电容C36；所述第三运放器 U7-A的反向输入端与输出端之间还连接并联的第十六电阻R41及第八电容C61；所述第三运放器U7-A的输出端通过第十七电阻R70连接第四运放器U7-B的正向输入端，所述第十七电阻R70与所述第四运放器U7-B 的正向输入端之间还连接第九电容C45，所述第九电容C45接地；所述第四运放器U7-B的反向输入端连接其输出端并通过第十八电阻R42接充电电流信号端CURRENT_2。

工作时，充电电流CURRENT信号经过第十三电阻R40、第十六电阻 R41以及第三运放器U7-A放大，并进行反向处理后，再经第四运放器U7-B 的电压跟随得到信号CURRENT_2，送至微处理器5进行采样。

更进一步，所述控制回路基于所述微处理器5，如附图2所示，所述微处理器5包括模拟信号采集单元9、通信单元13、数字信号采集单元10、数字信号输出单元11以及脉冲宽度调制信号产生单元12，所述微处理器5接收各种信号后进行逻辑处理、数学运算，所述微处理器5 产生的信号还要经过所述控制回路中相应的外围电路进行放大、调制等处理。

所述模拟信号采集单元9用于至少采集所述直流母线电压检测电路 6、充电电压检测电路7及充电电流检测电路8检测得到的模拟信号以及多个温度监测设备检测得到的温度信号，所述温度信号至少包括蓄电池(后备电源)的温度信号以及功率器件的温度信号，当然还可以包括充电器内部其他重要元件的温度，以为充电装置的故障状态判断提供具体数据。

所述通信单元13与上位机14连接通信，所述上位机14中安装有相应的控制软件，用户可以通过所述上位机14中的控制软件修改、存储、读取充电装置的功能参数等，所述通信单元13采用的通信接口为串行通用接口，优选所述串行通用接口为RS485接口或RS232接口。

所述数字信号采集单元10用于采集上位机14发出的运行命令逻辑数字信号、故障复位逻辑数字信号、直流母线电压超过过压阈值数字信号或低于欠压阈值数字信号、充电电压超过过压阈值数字信号、充电电流超过过流阀值数字信号等，这些数字信号是高电平或者低电平，用于指示有没有相应的运行指令以及有故障还是没有故障，其不关注具体信号大小，只关注有还是没有，数字信号采集单元10采集的是硬件产生的信号，比模拟信号采集单元9的模拟量处理来的更直接和快速，可以快速保护。

所述数字信号输出单元11用于根据充电装置的运行情况及接受的各种参数，输出对应的数字信号，例如系统运行状态信号、启动充电输出信号以及切断充电输出信号等。

具体的，当所述模拟信号采集单元9收到充电装置中功率器件的温度超过规定阀值时，所述数字信号输出单元11发出信号控制为该功率器件降温的风扇运行。

当所述微处理器5根据接收的模拟信号判断充电装置无故障和/或未采集到直流母线电压超过过压阈值数字信号或低于欠压阈值数字信号、充电电压超过过压阈值数字信号、充电电流超过过流阀值数字信号时，所述数字信号输出单元11发出系统运行正常状态信号给用户以指示，具体的指示方式可以通过通信上传到上位机的软件界面或LED灯、显示管等进行指示，也可以通过数字输出端子电平的变化来表征。

并且，当确定充电装置无故障，且所述数字信号采集单元10接收到启动充电输出的运行命令逻辑数字信号后，所述数字信号输出单元11产生启动充电输出命令，具体的，其发出信号控制驱动电路4的控制信号启动变压器T的输出。

当所述微处理器5判断充电装置有故障或采集到直流母线电压超过过压阈值数字信号或低于欠压阈值数字信号、充电电压超过过压阈值数字信号、充电电流超过过流阀值数字信号时，所述数字信号输出单元11发出故障状态指示信号、报警信号以及切断充电输出的信号，所述报警信号可通过数码管显示、LED灯指示、通信上传上位机等方式向用户显示，切断充电输出可以通过关断启动输出控制信号和关断调制信号等方法实现。

详细的，当所述微处理器5判断接收到的直流母线电压超过过压阀值和/或当所述微处理器5判断接收到的直流母线电压低于欠压阀值和/ 或当所述微处理器5判断接收到的充电电压超过过压阀值时和/或当所述微处理器5判断接收到的充电电流超过过流阀值和/或当所述微处理器5 判断存在过温状态时，认定存在故障，所述数字信号输出单元11发出报警并切断充电输出的信号。

在故障状态下，当接收到故障复位逻辑数字信号后，所述数字信号输出单元11产生故障复位命令，故障复位是通过微处理器5自身配置的软件起作用，软件程序接收到该命令后，自动清除故障命令，重新启动充电输出。

当然除了通过外部控制系统(上位机或其他中央控制模块)发出运行命令逻辑数字信号和故障复位逻辑数字信号外，在其他实施例中，也可以由充电装置根据自身的状态是否满足充电条件以及是否存在故障状态的情况，自动发出相应信号。

另外，在充电装置的实际运行过程中，有些故障的严重程度没有到必须断开充电输出的地步，在发生这种故障以后，所述微处理器通过自动纠正功能，经过一定时间和外围条件判断，可以做重启处理，如果重启成功，充电装置可以继续正常运行。

所述脉冲宽度调制信号产生单元12用于根据实际需要的充电电流、实际后备电源电压、后备电源的实际温度，通过配套的软件算法产生控制充电电流、充电电压以及温度补偿的调制信号，用以控制所述驱动电路4的工作。

该风电变桨系统后备电源的充电装置的工作过程如下：

S1，所述微处理器5实时接收所述直流母线电压检测电路6、充电电压检测电路7、充电电流检测电路8所采集的直流母线电压、充电电流、充电电压模拟信号，多个温度监测装置检测得到的多个温度模拟信号以及上位机输出的实际后备电源电压、实际需要的充电电流的信号等信号；同时，所述微处理器5实时采集上位机发出的直流母线电压超过过压阈值数字信号或低于欠压阈值数字信号、充电电压超过过压阈值数字信号、充电电流超过过流阀值数字信号、运行命令逻辑数字信号、故障复位逻辑数字信号等数字信号。

S2，确认充电装置有无故障，具体的，当所述微处理器5判断母线电压超过过压阀值或者低于欠压阀值、当充电电压超过过压阀值、当充电电流超过过流阀值、当判断存在过温状态时和/或当所述微处理器5采集到直流母线电压超过过压阈值数字信号或低于欠压阈值数字信号、充电电压超过过压阈值数字信号、充电电流超过过流阀值数字信号时，则认定为存在故障。

S3，若确认无故障，且采集到运行命令逻辑数字信号时，发出启动充电输出的控制信号，并根据实际需要的充电电流、实际后备电源电压和实时采集的温度信息，得到充电电流、充电电压以及温度补偿的调制信号，并发送给驱动电路以控制功率开关电路输出充电电压。

S4，若确认有故障，根据故障等级判断是否发出报警及切断充电输出的信号，对于一般类型的故障，会报警并切断充电输出，当然，在一些情况下，如果故障很轻微，不会损坏相关部件，则不切断充电输出。

切断充电输后，在采集到故障复位逻辑数字信号时，根据故障类型进行复位处理；

详细的，在对由重大故障引起的充电输出关断的复位处理时，所述微处理器5以十秒为时间间隔自动重启充电输出，重启三次后，若故障仍未消除，则永久关断充电输出；所述重大故障包括充电电压超过过压阀值、充电电流超过过流阀值。

在对由其他故障引起的充电输出关断的复位处理时，待接收到故障消除的信号后，此处的故障消除，即指充电装置的其他故障实际已不存在，则自动恢复充电输出，所述其他故障包括过存在过温状态、母线电压低于欠压阀值及母线电压超过过压阀值。

本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。