CN102981014B - 风力发电机组的发电机转速测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开一种风力发电机组的发电机转速测量设备和方法。所述风力发电机组的发电机转速测量设备包括：信号调理电路，接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；处理器，连续地检测第一方波信号的两个相邻上升沿之间的第一时间、第二方波信号的两个相邻上升沿之间的第二时间、第三方波信号的两个相邻上升沿之间的第三时间，并且每当检测到第一时间、第二时间和第三时间中的一个时间时，利用检测到的时间计算发电机转速；数字模拟转换器，输出与计算的发电机转速相应的电压值。

Description

风力发电机组的发电机转速测量设备和方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组发电机转速的测量，更具体地讲，涉及一种能够实现无需传感器的直接精确测量风力发电机组发电机转速的设备和方法。

背景技术

目前，风力发电机组的发电机转速测量方法分为基于外加传感器的测量方法和无传感器的测量方法。

基于外加传感器的方法是使用转速测量专用传感器或者是利用接近开关形成转速脉冲，经过测速仪表二次处理产生转速测量结果。这种方法既增加了风力发电机组发电机转速测量成本又降低了系统的可靠性，给安装、维护使用带来了诸多不便利。无传感器的转速测量方法可有效地避免上述缺点，通过直接测量发电机的三相绕组电压频率，输出转速测量结果。但是，现有的无传感器风力发机组发电机转速测量方法依靠复杂的纯硬件电路来实现，其可靠性、准确性都难以保证；同时，对于不同的转速测量范围需要更换内部电子元器件来完成，无法灵活调整。

公开号为CN101858922A的发明专利申请公开了一种风力发电机组发电机测速及偏航检测方法，其中记载了如下的风力发电机组发电机测速方法：该电路中包含两个Gpusle模块，一个Gspeed模块，通过从电机两套绕组引出的三相电压的接线，进行测速，其结构及工作原理如图1和图2所示。

然而，上述方法虽然实现了对风力发电机转速的测量，但还存在以下问题：（1）电路系统结构复杂，降低了系统的可靠性和稳定性、测量的准确性（2）三相电压中含的转速（频率）信息传递环节太多，影响了测量准确度；（3）转速测量功能的实现依靠纯硬件电路，测速范围无法灵活改变，测量准确性难以保证；（4）1%－10%测速范围，输出纹波大，三阶滤波器滤波频点设计困难，响应缓慢；（5）为提高测速响应速度，需要2个Gpulse，并且要求电机两个绕组有一定的相差，限制了转速测量对电机的适应能力。

发明内容

因此，本发明的一方面在于提供一种测量范围灵活可调、无需变更硬件参数、简单可靠且无需校验就可长期运行的风力发电机组的发电机转速测量设备和方法。

根据本发明的示例性实施例，提供一种风力发电机组的发电机转速测量设备，包括：信号调理电路，接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；处理器，连续地检测第一方波信号的两个相邻上升沿之间的第一时间、第二方波信号的两个相邻上升沿之间的第二时间、第三方波信号的两个相邻上升沿之间的第三时间，并且每当检测到第一时间、第二时间和第三时间中的一个时间时，利用检测到的时间计算发电机转速；数字模拟转换器，输出与计算的发电机转速相应的电压值。

此外，所述发电机转速测量设备还可包括：显示器，显示计算的发电机转速。

此外，所述发电机转速测量设备还可包括：拨码开关，设定处理器计算的发电机转速的范围。

此外，信号调理电路可包括：电压采样电路，对发电机的三相输出电压UA、UB和UC进行采样；滤波网络，消除采样的电压的高频杂波；方波生成电路，分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；电平匹配电路，将生成的第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号的电平匹配到处理器可接受的电压范围。

此外，滤波网络可由星型电容滤波电路和三角型电容滤波电路组成。

此外，计算的发电机的转速可为含发电机极对数参数的转速Np，其中，Np=60*1/Tcom，Tcom为检测到的时间。

此外，可根据以下等式计算输出的电压值Vout：

Vout=Np/(2^(12-dm))，

其中，dm表示拨码开关设定计算的发电机转速的范围值，dm的取值范围为大于等于0小于等于5的整数。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种风力发电机组的发电机转速测量方法，包括以下步骤：（a）接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；（b）连续地检测第一方波信号的两个相邻上升沿之间的第一时间、第二方波信号的两个相邻上升沿之间的第二时间、第三方波信号的两个相邻上升沿之间的第三时间；（c）每当检测到第一时间、第二时间和第三时间中的一个时间时，利用检测到的时间计算发电机转速；（d）输出与计算的发电机转速相应的电压值。

此外，所述发电机转速测量方法还可包括以下步骤：显示计算的发电机转速。

此外，可通过拨码开关设定计算的发电机转速的范围。

此外，步骤（a）可包括：对发电机的三相输出电压UA、UB和UC进行采样；消除采样的电压的高频杂波；分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；将生成的第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号的电平匹配到可接受的电压范围。

此外，计算的发电机的转速可为含发电机极对数参数的转速Np，其中，Np=60*1/Tcom，Tcom为检测到的时间。

此外，可根据以下等式计算输出的电压值Vout：

Vout=Np/(2^(12-dm))，

其中，dm表示拨码开关设定计算的发电机转速的范围值，dm的取值范围为大于等于0小于等于5的整数。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出现有技术的风力发电机组发电机测速设备的电路示意图；

图2是示出现有技术的风力发电机组发电机测速方法的原理的示图；

图3是示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量设备的连接示意图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量设备的框图；

图5是示出根据本发明的示例性实施例的图4的发电机转速测量设备的信号调理电路的电路图；

图6是示出根据本发明的示例性实施例的图5的信号调理电路的输出波形图；

图7是示出根据本发明的示例性实施例的图4的发电机转速测量设备的处理器的示意图；

图8是示出根据本发明的示例性实施例的图4的发电机转速测量设备的数字模拟转换器的示意图；

图9是示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量方法的流程图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量设备的连接示意图。

参照图3，只需要将风力发电机组发电机的一套绕组的电压信号接入根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量设备，就可以输出0-10V的电压。通过电压和转速的换算公式，即可得到当前发电机的转速。

图4是出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量设备的框图。

参照图4，根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量设备包括信号调理电路100、处理器200和数字模拟转换器300。

信号调理电路100接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的方波信号SAB、与UB-UC相应的方波信号SBC和与UC-UA相应的方波信号SCA。具体地讲，信号调理部分100的电压采样电路101对接入的发电机三相电压UA、UB、UC进行分压采样，通过电容滤波网络102滤除高频杂波后得到Ua、Ub、Uc，然后通过方波生成电路103进行Ua-Ub、Ub-Uc、Uc-Ua运算生成方波，最后通过电平匹配电路将方波信号的电平匹配到处理器可接受的电压范围，并将匹配后的方波信号Sab、Sbc和Sca送入处理器。这里，信号调理电路100输出的三路方波信号与发电机输出的电压频率同步。

处理器200分别对方波信号Sab的两个相邻上升沿之间的时间t1、方波信号Sbc的两个相邻上升沿之间的时间t2以及方波信号Sca的两个相邻上升沿之间的时间t3进行检测，并且每当检测到时间t1、t2和t3之一时，就利用检测到时间计算发电机转速。这里，可将拨码开关连接到处理器200，从而处理器200可根据通过拨码开关设定的测速范围来计算发电机转速。

数字模拟转换器300可将计算的发电机转速转换为相应的电压值。转换后的电压值可被提供给风力发电机组的控制系统，以便风力发电机组根据与发电机转速相应的电压值进行各种操作。这里，风力发电机组的控制系统可根据电机的极对数从数字模拟转换器300输出的电压得到当前发电机的转速。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的图4的发电机转速测量设备的信号调理电路的电路图。

参照图5，电压采样电路101包括六个电阻器R1、R2、R3、R4、R5和R6，其中，对于发电机的三相输出电压UA、UB和UC中的每一相，使用两个电阻器来进行电压分压采样。具体地讲，通过串联的电阻器R1和R2对UA进行分压采样，通过串联的电阻器R3和R4对UB进行分压采样，通过串联的电阻器R5和R6对UC进行分压采样。根据本发明的示例性实施例，电阻器R1、R2、R3的阻值相等，电阻器R4、R5、R6阻值相等，R1和R4的取值满足UA*R1/R4<=±15v。此外，对于不同输出电压等级的发电机可灵活地选取不同阻值的R1和R4。滤波网络102由电容器Ca1、Cb1、Cc1、C1、C2、C3组成，其中，电容器Ca1、Cb1、Cc1构成了星型滤波网络，电容器C1、C2、C3构成了三角型滤波网络。这样，滤波网络102可有效地滤除相间和线间的干扰，为后级的运算放大器U2B、U2C和U2D提供纯净的电压信号，即，与A相电压UA对应的正弦波形式的电压信号Ua，与B相电压UB对应的电压信号正弦波形式的Ub，以及与C相电压UC对应的电压信号正弦波形式的Uc。电容器Ca1、Cb1、Cc1的电容值相同，C1、C2、C3的电容值相同，并且Ca1的电容值可以是C1的电容值的三倍。方波生成电路103包括三个运算放大器U2B、U2C和U2D。具体地讲，运算放大器U2B的负输入端接收Ub，正输入端接收Ua，输出与UA-UB相应的方波信号SAB（即，Ua-Ub）。运算放大器U2C的负输入端接收Uc，正输入端接收Ub，输出与UB-UC相应的方波信号SBC（即，Ub-Uc）。运算放大器U2D的负输入端接收Ua，正输入端接收Uc，输出与UC-UA相应的方波信号SCA（即，Uc-Ua）。电平匹配电路104包括三个电阻器R7、R8、R9和三个稳压二极管D1、D2、D3。电阻器R7与稳压二极管D7串联，接收运算放大器U2B输出的方波信号SAB，并将接收的方波信号SAB的电平匹配到处于处理器200可接受的电压范围的方波信号Sab。电阻器R8与稳压二极管D8串联，接收运算放大器U2C输出的方波信号SBC，并将接收的方波信号SBC的电平匹配到处于处理器200可接受的电压范围的方波信号Sbc。电阻器R9与稳压二极管D9串联，接收运算放大器U2D输出的方波信号SCA，并将接收的方波信号SCA的电平匹配到处于处理器200可接受的电压范围的方波信号Sca。这里，电阻器R7、R8、R9的阻值相等，且电阻器R7的阻值满足：（±15V/R7）小于稳压二极管电流吸收能力，可以有效的保证输入处理器200的IO口的信号Sca电压限定在-0.7至5V之间的安全范围内。

进一步参照图5，信号调理电路100执行如下操作。首先，风力发电机组发电机的一套绕组输出电压UA、UB、UC被接入电压采样电路101，以将高电压降低到±15V以内。衰减后的电压信号通过由滤波网络102以滤除电压信号相间和线间的高频干扰杂波，得到三相正弦波信号Ua、Ub、Uc。方波生成电路103对Ua、Ub、Uc信号进行Ua-Ub运算，可得到与Ua和Ub在波形相交处的同步方波信号SAB，同理Ub-Uc可得方波信号SBC，Uc-Ua可得方波信号SCA。这里，在相位上，SAB、SBC、SCA相差120度，SAB、SBC、SCA为运放运算比较后的输出，信号接近±15V。其后，经电平匹配电路104的处理后得到-0.7V到5V的信号，从而可直接送入处理器。

图6是示出根据本发明的示例性实施例的图5的信号调理电路的输出波形图。如图6所示，发电机输出电压UA、UB、UC经过信号调理电路100处理后，输出信号幅度为-0.7V到5V的方波信号Sab、Sbc、Sca。

图7是示出根据本发明的示例性实施例的图4的发电机转速测量设备的处理器的示意图。

参照图7，处理器200由FPGA（现场可编程门阵列）来实现。然而，本发明不限于此，处理器200可以由单片机、DSP、ARM芯片等实现。另一方面，可通过使用PLC对Sab、Sbc、Sca脉冲计数以实现转速测量。图7中还示出了连接到FPGA芯片的复位电路、时钟电路和拨码开关。复位电路和时钟电路可以由本领域技术人员根据现有技术来实现，这里不再详细描述。拨码开关为四路拨码开关的形式。根据本发明的示例性实施例，拨码开关共有六个状态，即，拨码开关取值范围为大于等于0小于等于5的整数。拨码开关独立于FPGA，因此可以在面板上灵活设定发电机转速的测量范围。可选择地，可以将显示装置连接到FPGA，以便输出FPGA计算的发电机转速。此外，FPGA计算的发电机转速值可以通过总线发送到风力发电机组的控制系统。

图8是示出根据本发明的示例性实施例的图4的发电机转速测量设备的数字模拟转换器的示意图。

参照图8，数字模拟转换器300可采用12bit分辨率的DA芯片。数字模拟转换器300可输出与发电机转速相应的0-10V的电压。

参照图7和图8，FPGA和DA芯片执行如下操作。

根据本发明的示例性实施例，输入FPGA端口的方波信号Sab、Sbc、Sca的两个上升沿之间的时间长度的变化与发电机转速变化同步，因此对发电机转速的测频与转速变换算法就是对方波信号Sab、Sbc、Sca的处理算法。这里，假设方波信号Sab、Sbc、Sca的两个上升沿之间的时间变量分别记为Tab、Tbc、Tca，如图6所示。这里，Tab、Tbc、Tbc可依靠FPGA外部时钟脉冲驱动。假设公共计时变量为Tcom，发电机输出电压频率为f，含发电机极对数参数的转速变量记为Np。FPGA上电之后，进行初始化，清零Tab、Tbc、Tca、Tcom。其后，FPGA读取拨码开关设定值。同时，DA芯片初始化。然后，FPGA连续地检测Sab、Sbc、Sca的上升沿。因为Sab、Sbc、Sca在时序上相差120度，所以高速运行的FPGA可以准确地检测到每个上升沿。当检测到Sab的上升沿时计算出Tab的值，送给Tcom，同时Tab被清零重新开始计时；当检测到Sbc的上升沿时计算出Tbc的值，送给Tcom，同时Tbc被清零重新开始计时；当检测到Sca的上升沿时计算出Tca的值，送给Tcom，同时Tca被清零重新开始计时；然而，如果没有检测到任何上升沿，则返回继续进行检测。当Tcom被赋值后，利用f=1/Tcom可以计算出当前发电机输出电压频率。进一步讲，FPGA可利用等式Np=60*1/Tcom计算含发电机极对数参数的转速Np。其后，DA芯片根据以下等式计算输出的电压值Vout：Vout=Np/(2^(12-dm))，其中，dm表示拨码开关设定计算的发电机转速的范围值，dm的取值范围为大于等于0小于等于5的整数。DA芯片的输出电压Vout可被提供给风力发电机组的控制系统，以便风力发电机组根据与发电机转速相应的电压值进行各种操作。由于FPGA计算的发电机转速为含发电机极对数参数的转速Np，因此可根据以下等式计算发电机的转速：

N=Np/p=Vout*2^(12-dm)/p(rpm)

其中，N为发电机当前转速，单位rpm；Vout为DA芯片输出电压，单位V，最大值为10V；dm为拨码开关设定的测速范围值，取值为0-5；p为发电机极对数。

图9是示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的发电机转速测量方法的流程图。

参照图9，在步骤S901，接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的方波信号Sab、与UB-UC相应的方波信号Sbc和与UC-UA相应的方波信号Sca。具体地讲，在步骤S901，对发电机的三相输出电压UA、UB和UC进行采样，消除采样的电压的高频杂波，分别生成与UA-UB相应的方波信号SAB、与UB-UC相应的方波信号SBC和与UC-UA相应的方波信号SCA，并将生成的方波信号SAB、方波信号SBC和方波信号SCA的电平匹配到可接受的电压范围，从而得到方波信号Sab、Sbc和Sca。在步骤S902，连续地检测方波信号Sab的两个相邻上升沿之间的时间Tab、方波信号Sbc的两个相邻上升沿之间的时间Tbc、方波信号Sca的两个相邻上升沿之间的时间Tca。在步骤S903，每当检测到时间Tab、时间Tbc和时间Tca中的一个时间时，就利用检测到的时间计算发电机转速。这里，计算的发电机的转速为含发电机极对数参数的转速Np，其中，Np=60*1/Tcom，Tcom为检测到的时间。在步骤S904，输出与计算的发电机转速相应的电压值。这里，输出的电压值Vout=Np/(2^(12-dm))，其中，dm表示拨码开关设定计算的发电机转速的范围值，dm的取值范围为大于等于0小于等于5的整数。此外，当在步骤S903计算得到发电机转速时，可显示计算的发电机转速。

根据本发明的示例性实施例，发电机转速测量功能依靠纯硬件电路实现，测速范围通过外置拨码开关可灵活改变，既保证了测量的准确性，又实现了大范围转速测量，测量范围可达0.3-18000rpm。此外，直接利用数字模拟转换器芯片输出转速测量结果，输出无纹波且响应速度快，避免了PWM模式输出电压方式在1%-10%测速范围输出纹波大的缺点以及三阶滤波器滤波频点设计困难响应缓慢的问题。此外，根据本发明的示例性实施例的发电机转速测量设备只需要接入发电机的一套绕组，转速测量对发电机的适应能力强，对发电机绕组无相位差要求。

虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种风力发电机组的发电机转速测量设备，包括：

信号调理电路，接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；

处理器，连续地检测第一方波信号的两个相邻上升沿之间的第一时间、第二方波信号的两个相邻上升沿之间的第二时间、第三方波信号的两个相邻上升沿之间的第三时间，并且每当检测到第一时间、第二时间和第三时间中的一个时间时，利用检测到的时间计算发电机转速；

数字模拟转换器，输出与计算的发电机转速相应的电压值，

其中，计算的发电机的转速为含发电机极对数参数的转速Np，其中，Np＝60*1/Tcom，Tcom为检测到的时间。

2.根据权利要求1所述的发电机转速测量设备，还包括：显示器，显示计算的发电机转速。

3.根据权利要求1所述的发电机转速测量设备，还包括：拨码开关，设定处理器计算的发电机转速的范围。

4.根据权利要求1所述的发电机转速测量设备，其中，信号调理电路包括：

电压采样电路，对发电机的三相输出电压UA、UB和UC进行采样；

滤波网络，消除采样的电压的高频杂波；

方波生成电路，分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；

电平匹配电路，将生成的第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号的电平匹配到处理器可接受的电压范围。

5.根据权利要求4所述的发电机转速测量设备，其中，滤波网络由星型电容滤波电路和三角型电容滤波电路组成。

6.根据权利要求1所述的发电机转速测量设备，其中，根据以下等式计算输出的电压值Vout：

Vout＝Np/(2^(12-dm))，

其中，dm表示拨码开关设定计算的发电机转速的范围值，dm的取值范围为大于等于0小于等于5的整数。

7.一种风力发电机组的发电机转速测量方法，包括以下步骤：

(a)接收发电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；

(b)连续地检测第一方波信号的两个相邻上升沿之间的第一时间、第二方波信号的两个相邻上升沿之间的第二时间、第三方波信号的两个相邻上升沿之间的第三时间；

(c)每当检测到第一时间、第二时间和第三时间中的一个时间时，利用检测到的时间计算发电机转速；

(d)输出与计算的发电机转速相应的电压值，

其中，计算的发电机的转速为含发电机极对数参数的转速Np，其中，Np＝60*1/Tcom，Tcom为检测到的时间。

8.根据权利要求7所述的发电机转速测量方法，还包括以下步骤：

显示计算的发电机转速。

9.根据权利要求7所述的发电机转速测量方法，其中，通过拨码开关设定计算的发电机转速的范围。

10.根据权利要求7所述的发电机转速测量方法，其中，步骤(a)包括：

对发电机的三相输出电压UA、UB和UC进行采样；

消除采样的电压的高频杂波；

分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；

将生成的第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号的电平匹配到可接受的电压范围。

11.根据权利要求7所述的发电机转速测量方法，其中，根据以下等式计算输出的电压值Vout：

Vout＝Np/(2^(12-dm))，

其中，dm表示拨码开关设定计算的发电机转速的范围值，dm的取值范围为大于等于0小于等于5的整数。