小型风力发电机自动伺服系统的制作方法

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别涉及一种小型风力发电机自动伺服系统。

背景技术：
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由于风力发电机工作在自然环境中，风向、风速等工作参数完全是随机变化，范围很大。一般大中型并网风力发电机都配备了完善的伺服装置，保证了风力发电机的正常工作和自身的生存安全。这些伺服设备主要有以下几个系统模块组成：第一，同步系统：用于保证风力发电机输出的电压电流与电网的电压电流在频率、相位上保持一致。第二，伺服系统：包括机头水平圆周旋转控制系统、桨叶变角控制系统、圆周旋转刹车系统、主轴刹车系统、桨叶角度保持系统等。第三，传感器系统：包括风向风速一体化传感器、各种机械位置传感器、姿态传感器、压力传感器、液位传感器等。这些装置结构复杂由专用的计算机管控系统管理工作，造价昂贵，占到整个风力发电机造价的一半以上。

一般单独或者离网运行的中小型风力发电机，受限于成本大多是机头后置尾翼用来寻找风向，固定桨叶，发电机主轴转速不可控，输出电压随风速变化而变化。遇到大风或需要停止的时候靠人工或者半自动机械装置改变方向躲避风头。即便是平时在安全环境下工作，如果遇到轻载或风速稍大也会出现飞车输出电压急剧升高，极端情况下还会出现闪络放电击穿整流、逆变器等设备的问题。由于存在以上这些缺陷，限制了风力发电机对风速风力的适用范围，降低了对风能的利用率。同时由共振引起的断桨叶、断塔杆拉线和塔杆倾倒也时有发生。

技术实现要素：
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鉴于此，有必要设计一种能够克服以上缺陷的小型风力发电机自动伺服系统。

一种小型风力发电机自动伺服系统，其特征在于，包括：风向传感器6、风速传感器7、电压传感器2、电流传感器1、机头角度传感模块8以及第一微控制单元MCU4；风向传感器6、风速传感器7、机头角度传感模块8分别通过第一通讯模块5与第一MCU4连接，电压传感器2和电流传感器1通过传感器信号转换模块3与第一MCU4连接；

机头角度传感模块8包括：12个霍尔开关、隔离光耦、第二MCU801、第二通讯模块802以及电源模块803；每个霍尔开关都通过对应的隔离光耦与第二MCU801连接，隔离光耦的发射级皆与电源模块803连接，隔离光耦的集电极皆与第二MCU801连接，隔离光耦的阴极与霍尔开关的输出端连接，隔离光耦的阳极、霍尔开关的两个电源端与电源模块803连接；第二通讯模块802与第二MCU801连接；

第一通讯模块5与第二通讯模块802无线连接；12个霍尔开关安装于塔杆顶部与机头的连接处，位于同一圆周平面上，相邻的霍尔开关的角度间隔相同，机头固定一个磁钢，磁钢随机头联动的轨迹，与霍尔传感器位于同一圆周平面。

采用本实用新型实施例中提供的小型风力发电机自动伺服系统能够在风速达不到可以使发电机正常发电的程度，不调整机头偏航角度，以节约存储能量，风速达到可以使发电机正常发电的程度时跟踪风向；拓宽了风力发电机设计范围，使发动机的设计变得简单灵活。同时也可以使发动机在很宽的风速范围内工作，从而提高了风能利用率。

附图说明：

附图1是本实用新型实施例中的小型风力发电机自动伺服系统的结构示意图；附图2是本实用新型实施例中的机头角度传感模块8的电路连接图。

具体实施方式：

为了给出一种自动调整机头迎风方向的实现方案，本实用新型实施例提供了一种小型风力发电机自动伺服系统，以下结合说明书附图对本实用新型的优选实施例进行说明。

参阅图1和图2所示，本实用新型实施例中提供的一种小型风力发电机自动伺服系统，其特征在于，包括：风向传感器6、风速传感器7、电压传感器2、电流传感器1、机头角度传感模块8以及第一微控制单元MCU；风向传感器6、风速传感器7、机头角度传感模块8分别通过第一通讯模块5与第一MCU4连接，电压传感器2和电流传感器1通过传感器信号转换模块3与第一MCU4连接。传感器信号转换模块3将模拟信号转换为TTL电平。

机头角度传感模块8包括：12个霍尔开关、隔离光耦、第二MCU801、第二通讯模块802以及电源模块803；每个霍尔开关都通过对应的隔离光耦与第二MCU801连接，隔离光耦的发射级皆与电源模块803连接，隔离光耦的集电极皆与第二MCU801连接，隔离光耦的阴极与霍尔开关的输出端连接，隔离光耦的阳极、霍尔开关的两个电源端与电源模块803连接；第二通讯模块802与第二MCU801连接；隔离光耦的阳极连接3K欧的电阻与电源模块803的5V电源模块803的接地端连接。

第一通讯模块5与第二通讯模块802无线连接；12个霍尔开关安装于塔杆顶部与机头的连接处，位于同一圆周平面上，相邻的霍尔开关的角度间隔相同，机头固定一个磁钢，所述磁钢随机头联动的轨迹，与霍尔传感器位于同一圆周平面。

图2中只给出了4个隔离光耦和4个霍尔开关与第二MCU801连接的关系，其他8个隔离光耦和8个隔离开关与其连接相同，不再一一赘述。霍尔开关和隔离光耦的连接部分为机头位置接收单元804其中第二MCU801采用型号为89C52的单片机，其引脚的定义皆与现有技术相同，在此不再一一赘述，隔离光耦旁标注1的引脚为集电极，标注2的引脚为发射极，标注3的引脚为阳极，标注4的引脚为阴极；第二MCU801的引脚P00、P01、P02和P03分别与隔离光耦的集电极连接；霍尔开关标注1的引脚和标注3的引脚为霍尔开关的两个电源端，分别连接在电源模块803电源模块803803的12V电源模块803电源模块803803的两个输出端。霍尔开关标注2的引脚为霍尔开关的输出端。第二通讯模块802与第二MCU801的引脚RXD和引脚TXD连接。

小型风力发电机自动伺服系统的工作原理为：将风向传感器6和机头角度传感模块8的0刻度设置为相同的角度，通过风向传感器6和风速传感器7接收到的信息，得知风向此时与风向传感器6的0刻度的角度差，即得知风向角度，通过与机头联动的磁钢，在转动时启动了某个与磁钢接近的霍尔开关，第二MCU801获知该霍尔开关与机头角度传感模块8的0刻度的角度差，即得知机头角度，通过风向角度和机头角度，调整机头转动。

具体的，方向感知由第二MCU801接收机头角度传感模块8的传感器信号、风向传感器6信号、风速传感器7信号、发电机输出的电压电流信号。第二MCU801综合这些传感器的信息自动控制设备的工作状态。这个装置也可以用于其他需要同步方向或者风向的场合。

机头角度传感模块8，在机头水平旋转圆周上每隔30度放置一个霍尔磁感应传感器。分度越细同步方向越准，但对于风力发电机来说过细的分度意义不大。实践证明每隔30度放置一个传感器，再结合第二MCU801的算法判断已足够准确。当和机头联动的磁钢移动到离霍尔开关正负1厘米范围内，霍尔开关输出信号，表示桨叶迎风面在这个霍尔开关所表示的位置上。将圆周上放置的所有霍尔开关都连接到第二MCU801上，第二MCU801就可以检测到桨叶迎风面在圆周上的任意位置。同时连接在控制板上的风向传感器6提供即时的风向信号。安装设备时，只要把机头角度传感模块8和风向传感器6的0刻度朝向一致性调好，第二MCU801就可以计算出两套传感器之间的差值，通过偏航电机调整机头的偏航角度，从而使风力发电机的桨叶迎风面和风向传感器6输入的风向保持一致，实现风向跟踪。

采用这种两套传感器分别设置的好处是：可以使用市场上常见的风向风速检测组合套装，价格便宜。可以安装在塔杆合适的高度上避免了桨叶紊流干扰。不但大大降低了采购成本，也降低了冰雪天气对传感器的维护难度。

第二MCU801的作用以及功能：正常工作时，第二MCU801根据风速传感器7输入的信号决定是否调整桨叶朝向：如果风速达不到可以使发电机正常发电的程度，则不会调整机头偏航角度，以节约存储能量，只有风速达到可以使发电机正常发电的程度才会跟踪风向。

当蓄电池已满或者负载很轻，则改变桨叶迎风角度降低风力输入功率，防止飞车输出电压过高击穿后级设备、蓄电池过充等问题，在一定范围内起到了稳定输出电压的作用。

当风速超过发电机的正常工作范围，控制板调整桨叶迎风面与风向平行，使桨叶侧对风向，同时接入主轴桨叶制动电阻使桨叶还可以缓慢转动，消除由风力引起的共振。避免由于共振引起的断桨叶、断塔杆拉线、倒塔杆等问题。

拓宽了风力发电机设计范围，使发动机的设计变得简单灵活。同时也可以使发动机在很宽的风速范围内工作，从而提高了风能利用率。

第二MCU801板载的第二通讯模块802，方便在由多台发电机组成的孤岛供电系统中进行调度控制。

综上所述，本实用新型实施例中提供的小型风力发电机自动伺服系统能够在风速达不到可以使发电机正常发电的程度，不调整机头偏航角度，以节约存储能量，风速达到可以使发电机正常发电的程度时跟踪风向；拓宽了风力发电机设计范围，使发动机的设计变得简单灵活。同时也可以使发动机在很宽的风速范围内工作，从而提高了风能利用率。