一种基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器的制造方法
【专利摘要】一种基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，包括永磁同步交流电机、伺服控制驱动器、超级电容模组以及控制继电器，所述伺服控制驱动器外接交流电源，伺服控制驱动器与永磁同步交流电机相连；所述超级电容模组与伺服控制驱动器相连，作为伺服控制驱动器的后备应急电源；所述控制继电器与伺服控制器相连。本实用新型能使得变桨伺服电机控制精确、动态响应能力强、电机效率高。
【专利说明】—种基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种风力发电变桨距控制系统，尤其涉及一种紧凑型设计的高压交流驱动电动变桨控制器。
【背景技术】
[0002]风电变桨控制系统是兆瓦级以上风力发电机组中桨叶角度改变的驱动和控制设备。在风机启动过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现风机依靠风力自行启动；在风机正常运行过程中，变桨系统控制桨叶的角度以实现追踪最大功率曲线或者达到额定风速后维持满负荷运行；在风机正常或紧急停机时，变桨系统控制桨叶收桨至预定安全位置，实现空气动力制动刹车，确保风机安全运行。
[0003]风电变桨控制系统有液压式和电动式两种，电动变桨由于其控制方便，精度高而被广泛采用。目前，主流的电动变桨控制系统在电机的选择方面有以下几种。I)、交流电机和直流电机。直流电机体积大，控制精度高。而交流电机具有成本低廉，维护量小，可靠稳定的优点，已经被大量采用。2)、同步电机和异步电机。异步电机造价低，维护简单。而同步电机具有控制精度高，效率高的优点。3)，高压电机和低压电机。大部分变桨选用低压电机，特点是价格低，维护方便，绝缘等级要求相对较低；而高压电机功率损失小，效率高，扭矩相对较大。
[0004]在伺服控制策略方面，也有转差频率控制和矢量控制两种选择。矢量控制的优点是动态的高速响应，高精度的电力拖动，而转差频率控制虽然算法简单，但是转矩响应慢，低频时输出转矩小，转矩利用率低。
[0005]由于变桨控制系统是整机的保护装置，所以必须配备有后备电源作为主电源的冗余。变桨系统的后备电源有超级电容和蓄电池两种。超级电容相比与蓄电池的优点是功率密度大，同等驱动能力下占用体积小，使用寿命长，在存储、运输、运行等情况下对环境要求相对较低，维护方便。
【发明内容】
[0006]为克服现有变桨控制系统中控制精度不高，效率相对过低和蓄电池作为后备电源的种种不足。本实用新型提供一种高压永磁同步电机变桨控制系统，该系统有效的避免了上述缺点。
[0007]本实用新型采用以下技术方案:
[0008]一种基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，包括永磁同步交流电机、伺服控制驱动器、超级电容模组以及各类控制继电器，其特征是:
[0009]所述伺服控制驱动器外接交流电源，伺服控制驱动器与永磁同步交流电机相连；
[0010]所述超级电容模组与伺服控制驱动器相连，作为伺服控制驱动器的后备应急电源；[0011 ] 所述控制继电器与伺服控制器相连。
[0012]本实用新型还进一步包括以下优选方案:
[0013]三个主要功能相同的变桨控制器通过电缆连接，共同组成风机的变桨控制系统。
[0014]伺服控制驱动器、超级电容模组以及各类控制继电器均安装于轴箱内，后备应急电源单独位于一个柜体内。
[0015]轴箱使用一次浇注成型的密封胶条和锁扣扣紧进行密封。
[0016]本实用新型具有以下有益的技术效果:
[0017]1、本实用新型选用永磁同步电机作为变桨的驱动设备。同步电机高精度的控制输出，能够更好的满足整机对桨叶角度的控制需求。该电机额定输入为3*380VAC，高压输入可以对输出转矩有更好的保证。
[0018]2、本实用新型选用的变频器采用更为先进的矢量控制对同步电机进行精确控制，避免了转差频率控制转矩响应慢，低频时输出转矩小的缺点，大大的提高了控制系统的整体效率。
[0019]3、本实用新型选用旋转变压编码器作为电机的速度和位置反馈信号装置，代替了传统的光电编码器。旋转变压编码器结构简单，抗干扰能力强。非接触式结构使其比光电编码器更加的坚固耐用，节省了维护成本。
[0020]4、本实用新型选用超级电容作为后备电源。超级电容相对与蓄电池体积小，使变桨系统三柜式设计成为可能。充电时间仅需十五分钟，存储能量满足至少2次安全停机动作的要求。超级电容对存储和运输环境要求相对较低，能更好的满足风电的施工工况。另外超级电容充放电次数多，将后备电源维护周期从2年提高到10年左右，大大降低了运行维护成本。
[0021]5、系统采用模块化设计，将控制柜内部空间划分为独立的两个区域。由于超级电容具有耐寒、发热小的特性，将其与发热量大的伺服模块分区安装，有利于系统各模块的稳定运行。本实用新型对超级电容进行了背靠背式的安装设计。该设计方案不仅很好解决了柜内空间不足的问题，还在保证稳固安装的前提下，使得更换和维护超级电容更加方便。该紧凑型设计很好的利于了内部空间，集成化程度高，附属线路少，设备整体抗干扰能力强。
[0022]6、选用高集成的伺服驱动器。该伺服驱动器集成了变频驱动功能、可自由编程PLC程序功能、超级电容/蓄电池充电和检测、数字输入输出、继电器输出、刹车控制和刹车供电、KTY或PTC输入、PT100输入、编码器接口、总线接口(CANopen/Profibus)等等，使得柜内接线大大减少，抗干扰能力增强。该设计将柜内的主要发热设备集中在一起，同时还集成了大功率的嵌入式安装散热板和温控风扇，使设备对环境温度的适应性更强，系统可靠性大为提闻。
[0023]7、在密封设计上，控制柜采用一次浇注成型的密封胶条和锁扣扣紧的密封方式，密封胶条压缩度超过5mm,密封效果良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的变桨控制器的结构示意图；
[0025]图2为本实用新型的变桨控制器中单个轴箱内部布置图；
[0026]图3为本实用新型的变桨控制器系统主要部件简图。
【具体实施方式】
[0027]本实用新型的变桨控制器结构如图1所示，基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，包括三个变桨轴箱，分别编号为轴箱A、轴箱B和轴箱C，以及与各轴箱连接的伺服电机I (含电机编码器2，电机制动器3)、位置传感器4和限位开关5。每个轴箱单独控制一个桨叶，轴箱与轴箱、轴箱与电机之间通过电缆连接。电机的扭矩通过减速箱联结至桨叶法兰齿轮，来驱动桨叶转动。
[0028]系统外部进线经滑环R接入系统，其进线有3*400V+N+PE三相供电电源回路P、CAN通讯回路C、安全链回路S、24V信号线回路等。主电源供电由机舱柜引出连接至A柜，再由A柜分别连接至B柜和C柜。CAN通讯回路C、安全链回路S、24V信号线回路由机舱柜引出连接至A柜,再由A柜连接B柜，B柜再连接C柜。
[0029]轴箱内部布置如图2所示，箱体内部分为A、B两个区域。其中右侧A区装有超级电容-13(:1、-1302、-1303、-1304、-1305、-1306，3个电容串联为一组，3个电容串联为另外一组，然后两组电容并联保持正常工作电压为450V，同时扩大电容容量，其能量能满足2次顺桨需求。以及安装有进线三相主电源空开-1Q4、接线端子-1X0.1、防雷保护模块-1F2，手动自动转换开关-12S1，手动正反转旋钮-12S2。左侧B区安装有伺服驱动器-5T0，伺服驱动器自带嵌入式安装散热板，箱体侧部开孔安装固定伺服驱动器，使散热板位于箱体外部便于散热。伺服进线前端装有电抗器-2R4，另外还有加热器-2E1，加热器空开-2F1，润滑油泵空开-4F6，安全链回路进A轴箱有电涌保护模块-8R5，A轴箱装有给油泵供电的230VAC转24VDC电源模块-4T7，另外还有继电器组以及接线端子-2X1，-2X4，-3X2，-3X7，-4X3，-4X8，-5X6，-8X0.1,-8X0.2，-8X6，，-11X1。轴箱外部为外部接线插头，进A轴箱连接线额外装有过压保护装置。轴箱外部还装有柜体总电源开关和模式转换开关。
[0030]系统原理结构如图3所示，桨叶的位置由电机I内置的旋转变压编码器2送出信号经伺服驱动器-5T0的编码器和桨距位置校验接口 -X3A送至伺服驱动器运算获得。为了校准和监视桨叶位置7，桨叶上装有两只接近开关，一个负责3° -5°桨叶位置监视与校准，另外一个负责85°桨叶位置监视与校准。正常情况下，桨叶运行区间为0°到89°。当系统顺桨时，桨叶收回至89°。若控制系统故障，收桨超过91°，触发91°限位开关，此时伺服断软件使能信号，伺服驱动器刹车控制B不输出，电机制动器3抱闸。I/O模块主要监控限位开关动作、安全链和温度信息等-X2A，其中95°限位开关作为变桨系统最后一条安全措施，断硬件使能信号，与91°限位开关形成冗余关系，保证了系统的安全运行。
[0031]系统每个变桨控制柜X均由独立的变桨控制系统控制。该控制器的主要控制任务有:1、轴箱作为风机主控的从站接受主控的CAN通讯-X6C发出的指令信号，并且回传本站的运行状态，三个轴箱的CAN通讯站号分别设置为51、52和53。2、监视变桨系统的运行状态，当出现异常情况时断开安全链，使风机进入紧急运行模式。3、程序逻辑控制系统将执行电机三环控制中的位置环控制和速度环控制，保证精确、迅速的响应主控的指令。
[0032]由于变桨系统工作环境温度范围大，当温度较低时，为了保证伺服正常的工作环境，系统安装有轴箱加热装置-2E1。当温度低于-10°时，由程序控制继电器动作来控制启动加热器-2E1进行加热，温度达到5°加热停止。
[0033]本设计选用超级电容模组T参数规格为6F，160V。3个模组串联，工作电压为450V，最大持续放电电流可达13A。伺服驱动器的充电/放电模块及电容监视模块BT管理超级电容的充放电和电容的电压监测。备用电源只有在主电源掉电的时候才启用。备用电源可实现紧急模式下的无延时切换，保障系统的安全运行。
[0034]正常工作时变桨系统控制变桨电机I运行，通过减速箱6和传动齿轮使桨叶跟踪主控下发的位置指令。当风机系统报安全链故障，安全链断开时，变桨系统进入紧急模式，桨叶以5° /s迅速顺桨至安全位置。若变桨系统交流供电故障，则整个系统由备用超级电容供电，3s后变桨系统进入紧急模式，顺桨至安全位置。主电源供电故障变桨系统延时进入紧急运行模式，这样的设计满足了风机低电压穿越的要求。另外，由于本实用新型三个轴箱均由独立的伺服系统控制，若一个轴箱报安全链故障，另外两个接收到安全链断开信号后紧急收桨，可保证风机安全停机。
【权利要求】
1.一种基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，包括永磁同步交流电机、伺服控制驱动器、超级电容模组以及各类控制继电器，其特征是: 所述伺服控制驱动器外接交流电源，伺服控制驱动器与永磁同步交流电机相连； 所述超级电容模组与伺服控制驱动器相连，作为伺服控制驱动器的后备应急电源； 所述控制继电器与伺服控制器相连。
2.根据权利要求1所述的基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，其特征在于:三个主要功能相同的变桨控制器通过电缆连接，共同组成风机的变桨控制系统。
3.根据权利要求1所述的基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，其特征在于:伺服控制驱动器、超级电容模组以及各类控制继电器均安装于轴箱内，后备应急电源单独位于一个柜体内。
4.根据权利要求1所述的基于永磁同步电机交流驱动技术的紧凑型风电变桨控制器，其特征在于:轴箱使用一次浇注成型的密封胶条和锁扣扣紧进行密封。
【文档编号】F03D7/00GK203835621SQ201420156758
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】陈曦, 王 华, 严博涛 申请人:北京华电天仁电力控制技术有限公司