一种风机变桨系统的变桨刹车控制器及风力发电机的制作方法

本发明涉及风机变桨系统的，更具体地，涉及一种风机变桨系统的变桨刹车控制器及风力发电机。

背景技术：

1、目前风力发电机组使用电磁式继电器作为变桨电机制动控制k2继电器，制动原理如图1所示，当需要变桨时，变桨驱动器ac2的f9号口输出低电平控制变桨电机制动控制k2继电器动作，变桨电机电磁刹车y1得电松闸；延时1s后，变桨驱动器ac2再控制变桨电机m1旋转，达到变桨驱动的目的；变桨结束后，变桨驱动器ac2停止驱动m1，然后变桨驱动器ac2控制f9号口与公共阴极断开，k2继电器线圈24v高电平无法流至公共阴极，行成断路跳闸，变桨电机电磁刹车y1失电抱闸，变桨电机停止旋转，完成一次变桨动作。

2、目前的制动方式存在以下缺陷：1)当大风天气时，叶片需要调整到适当的角度，以降低对风能的捕捉，确保风力发电机组在额定负荷下运行；由于风速的不稳定性，大风天气时需要频繁变桨来调整对风能的捕捉，此时k2继电器需要频繁的动作；由于电磁继电器存在机械寿命，会造成k2继电器批量的损坏。k2继电器损坏后变桨电机刹车不能打开，会报出变桨位置比较偏差大故障；经故障统计结果显示，变桨位置比较偏差大故障的次数是所有变桨类故障中最多的。2)该制动方式无反馈保护，当k2继电器异常发生触点断路时，变桨电机刹车打不开，叶片无法变桨，报出变桨位置比较偏差大故障；但变桨指令不会停止，直到变桨电机过载发热报出内部故障才停止变桨，对变桨电机造成损耗；当k2继电器异常发生触点短路时，变桨系统失控，叶片完全处于自由旋转状态，对变桨系统齿形带、齿形带固定装置、限位开关、接近开关等零部件造成撞击、拉断等损伤，大风时有飞车风险。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有的风机变桨系统利用电磁式继电器进行制动控制时，机械寿命低、无运行状态监测、无安全保护的缺陷，提供一种风机变桨系统的变桨刹车控制器及风力发电机，提高了使用寿命，降低了故障率；对风机变桨系统运行状态实时监测，监测到故障时及时进行安全保护，提高了风机变桨系统的安全性和可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供了一种风机变桨系统的变桨刹车控制器，所述风机变桨系统包括变桨驱动器、变桨电机电磁刹车和k2继电器；所述变桨刹车控制器包括：第一信号转换单元、电子式刹车执行单元、第二信号转换单元、微控制单元、安全保护单元和供电单元；

4、所述第一信号转换单元的输入端与变桨驱动器连接，第一信号转换单元的输出端分别与电子式刹车执行单元的控制端和微控制单元的第一输入端连接；

5、所述电子式刹车执行单元的输入端与供电单元连接，电子式刹车执行单元的输出端分别与第二信号转换单元的输入端和变桨电机电磁刹车连接；第二信号转换单元的输出端与微控制单元的第二输入端连接；

6、所述微控制单元的第一输出端与安全保护单元的控制端连接，安全保护单元的输入端与供电单元连接，安全保护单元的输出端与k2继电器连接；

7、所述供电单元分别与第一信号转换单元、第二信号转换单元和微控制单元连接；

8、所述微控制单元根据第一输入端和第二输入端接收的输入电平，控制第一输出端输出控制信号。

9、在风机变桨系统在正常状态下，当变桨驱动器发出松闸信号时，第一信号转换单元接收到松闸信号，输出端产生高电平驱动电子式刹车执行单元的控制端，供电单元提供的工作电压经电子式刹车执行单元流向变桨电机电磁刹车，变桨电机电磁刹车得电后松闸；同时工作电压也到达第二信号转换单元，输出端产生高电平输入微控制单元的第二输入端，第一信号转换单元产生的高电平输入微控制单元的第一输入端；当桨驱动器不发出松闸信号时，第一信号转换单元的输出端为低电平，无法驱动电子式刹车执行单元的控制端，则供电单元提供的工作电压无法到达变桨电机电磁刹车，变桨电机电磁刹车失电抱闸，实现刹车；同时工作电压也无法到达第二信号转换单元，输出端为低电平；此时微控制单元的第一输入端和第二输入端输入的均为低电平；风机变桨系统在正常状态下，微控制单元的第一输入端和第二输入端输入的均为高电平或低电平，第一输出端不输出控制信号；

10、当电子式刹车执行单元短路故障时，即变桨驱动器没有发出松闸信号，第一信号转换单元的输出端为低电平，但由于电子式刹车执行单元短路，供电单元提供的工作电压仍经电子式刹车执行单元流向变桨电机电磁刹车和第二信号转换单元，变桨电机电磁刹车得电松闸，第二信号转换单元的输出端产生高电平；此时微控制单元的第一输入端输入的为低电平，第二输入端输入的为高电平，判断为短路故障，控制第一输出端输出控制信号，驱动安全保护单元的控制端，供电单元提供的工作电压经安全保护单元流向k2继电器的线圈，k2继电器的线圈得电后，k2继电器的触点断开，切断变桨电机电磁刹车的回路，变桨电机电磁刹车失电抱闸，实现刹车制动；

11、本发明利用电子式刹车执行单元代替电磁继电器进行刹车控制，避免了电磁继电器机械寿命低的影响；设置了安全保护单元应对电子式刹车执行单元出现短路故障，避免变桨系统失控，叶片出现自由旋转撞伤其他部件的情况。本发明的变桨刹车控制器寿命长，可靠性高，能够实现对变桨系统的状态监测，及时处理短路故障，大大提高了风机变桨系统的安全性和可靠性。

12、优选地，所述供电单元包括第一正电压输出端、第一负电压输出端、第二正电压输出端和第二负电压输出端。

13、所述第一正电压输出端分别与第一信号转换单元、电子式刹车执行单元的输入端、安全保护单元的输入端连接，所述第一负电压输出端与第二信号转换单元连接。

14、所述第二负电压输出端与微控制单元连接，第二正电压输出端分别与第一信号转换单元、第二信号转换单元和微控制单元连接；

15、变桨电机刹车的工作电压为24v，故设置第一正电压输出端、第一负电压输出端用于产生+24v和-24v的工作电压；电子式刹车执行单元、安全保护单元的驱动电压和微控制单元的工作电压为5v，故设置第二正电压输出端和第二负电压输出端产生+5v和-5v的驱动电压。

16、优选地，所述第一信号转换单元包括电阻r1和光电耦合器u2；

17、所述变桨驱动器与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与光电耦合器u2的2号端连接；所述光电耦合器u2的1号端与第一正电压输出端连接，光电耦合器u2的3号端分别与电子式刹车执行单元的控制端和微控制单元的第一输入端连接，光电耦合器u2的4号端与第二正电压输出端连接。

18、光电耦合器u2实现了光电隔离，使变桨刹车控制器抗干扰能力更强，更加稳定。

19、优选地，所述电子式刹车执行单元包括电阻r2、三极管u3和三极管u4；

20、所述电阻r2的输入端与光电耦合器u2的3号端连接，电阻r2的输出端分别与三极管u3的1号端和三极管u4的1号端连接；

21、所述三极管u3的2号端与第一正电压输出端连接，三极管u3的3号端分别与第二信号转换单元的输入端和变桨电机电磁刹车连接；

22、所述三极管u4的2号端与第一正电压输出端连接，三极管u3的3号端分别与第二信号转换单元的输入端和变桨电机电磁刹车连接。

23、电子式刹车执行单元由电阻r2、三极管u3和三极管u4组成，机械寿命高，以应对频繁开关的需要。

24、优选地，所述第二信号转换单元包括电阻r3和光电耦合器u5；

25、所述第一负电压输出端与电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与光电耦合器u5的2号端连接；所述光电耦合器u5的1号端分别与三极管u3的3号端和三极管u4的3号端连接，光电耦合器u5的3号端与微控制单元的第二输入端连接，光电耦合器u5的4号端与第二正电压输出端连接。

26、光电耦合器u5实现了光电隔离，使变桨刹车控制器抗干扰能力更强，更加稳定。

27、优选地，所述变桨刹车控制器还包括备投旁路单元；

28、所述微控制单元的第二输出端与备投旁路单元的控制端连接，备投旁路单元的输入端与供电单元连接，备投旁路单元的输出端与变桨电机电磁刹车连接；

29、所述微控制单元根据第一输入端和第二输入端接收的输入电平，控制第二输出端输出控制信号。

30、当电子式刹车执行单元出现断路故障时，即变桨驱动器发出松闸信号，第一信号转换单元接收到松闸信号，输出端产生高电平驱动电子式刹车执行单元的控制端，但由于电子式刹车执行单元断路，供电单元提供的工作电压无法到达变桨电机电磁刹车和第二信号转换单元，变桨电机电磁刹车仍失电抱闸，第二信号转换单元的输出端仍为低电平；此时微控制单元的第一输入端输入的为高电平，第二输入端输入的为低电平，判断为断路故障，控制第二输出端输出控制信号，驱动备投旁路单元的控制端，供电单元提供的工作电压经备投旁路单元流向变桨电机电磁刹车，变桨电机电磁刹车得电后松闸；由备投旁路单元取代电子式刹车执行单元控制风机变桨系统的运行。

31、优选地，所述备投旁路单元包括电阻r4、电阻r5、三极管u7和三极管u8；

32、所述微控制单元的第二输出端分别与电阻r4的一端和电阻r5的一端连接；

33、所述电阻r4的另一端与三极管u7的1号端连接，三极管u7的2号端与第一正电压输出端连接，三极管u7的3号端与变桨电机电磁刹车连接；

34、所述电阻r5的另一端与三极管u8的1号端连接，三极管u8的2号端与第一正电压输出端连接，三极管u8的3号端与变桨电机电磁刹车连接。

35、优选地，所述安全保护单元包括电阻r6和三极管u6；

36、所述微控制单元的第一输出端与电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端与三极管u6的1号端连接，三极管u6的2号端与第一正电压输出端连接，三极管u6的3号端与k2继电器连接。

37、优选地，微控制单元根据第一输入端和第二输入端接收的输入电平，控制第一输出端或第二输出端输出控制信号，具体为：

38、当微控制单元的第一输入端和第二输入端接收的输入电平均为高电平时，第一输出端和第二输出端均不输出控制信号；

39、当微控制单元的第一输入端和第二输入端接收的输入电平均为低电平时，第一输出端和第二输出端均不输出控制信号；

40、当微控制单元的第一输入端接收的输入电平为高电平、第二输入端接收的输入电平为低电平时，第二输出端输出控制信号；

41、当微控制单元的第一输入端接收的输入电平为低电平、第二输入端接收的输入电平为高电平时，第一输出端输出控制信号。

42、优选地，所述三极管u3、三极管u4、三极管u6、三极管u7和三极管u8均为达林顿功率三极管。

43、优选地，所述三极管u3、三极管u4、三极管u6、三极管u7和三极管u8均为npn型三极管，型号均为tip142t_c480191。

44、优选地，所述光电耦合器u2和光电耦合器u5的型号均为el817mb。

45、优选地，所述微控制单元的型号为stc89c52。

46、本发明还提供了一种风力发电机，包括上述的变桨刹车控制器，利用所述变桨刹车控制器对风机变桨系统进行刹车控制。

47、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

48、本发明通过设置电子式刹车执行单元代替电磁继电器，在风机变桨系统正常工作状态下实现刹车控制，避免了电磁继电器机械寿命低的影响；设置了安全保护单元应对电子式刹车执行单元出现短路故障，即变桨驱动器没有发出松闸信号，第一信号转换单元的输出端为低电平，但由于电子式刹车执行单元短路，供电单元提供的工作电压仍经电子式刹车执行单元流向变桨电机电磁刹车和第二信号转换单元，变桨电机电磁刹车得电松闸，第二信号转换单元的输出端产生高电平；此时控制第一输出端输出控制信号，驱动安全保护单元的控制端，供电单元提供的工作电压经安全保护单元流向k2继电器的线圈，k2继电器的线圈得电后，k2继电器的触点断开，切断变桨电机电磁刹车的回路，变桨电机电磁刹车失电抱闸，避免变桨系统失控，叶片出现自由旋转撞伤其他部件的情况。本发明的变桨刹车控制器寿命长，可靠性高，能够实现对变桨系统的状态监测，及时处理短路故障，大大提高了风机变桨系统的安全性和可靠性。