CN103036485A - 永磁直流电机启动冲击电流抑制装置及其抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁直流电机启动冲击电流抑制装置及其抑制方法，包括一个限流电阻及一个旁路接触器；所述的限流电阻串联在蓄电池驱动永磁直流电机的电枢回路中，所述的旁路接触器的主触点并联在所述的限流电阻的两端；所述的旁路接触器线圈供电电源由永磁直流电机的反电动势提供。本发明利用限流电阻抑制永磁直流电机蓄电池驱动时启动瞬间的冲击电流，并在电机启动后投入旁路接触器将限流电阻可靠切出。

Description

永磁直流电机启动冲击电流抑制装置及其抑制方法

技术领域

本发明涉及一种变桨距系统蓄电池驱动永磁直流电机启动控制方法。

背景技术

采用变桨距控制的风力发电机组不但可以吸收更多的风能，调节风力发电机组功率，而且使风力发电机组具有更好的起动和制动性能，保证风力发电机组可靠运行。当风力发电机组或电网发生故障时，可以控制变桨距系统使叶片顺桨，从而使叶轮迅速制动；在风速高于安全运行风速时，可以使叶片处于顺桨状态，改善风力发电机组的受力状况，避免大风对风力发电机组的损害。此外，若通过合适的变桨距控制，可以减小传动链上的机械振动，减小阵风对塔架的冲击以及对叶片的载荷，从而达到减小风力发电机组的疲劳度，延长风力发电机组使用寿命的目的。

变桨执行机构类型通常有两种：一种是液压变桨距系统；另一种是电动变桨距系统。电动变桨距系统是利用电机对桨叶进行控制，电动变桨距系统没有液压变桨距系统那么复杂，易于维护，也不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，随着电机控制技术的进步，电动变桨距系统已经受到了许多风力发电机组制造厂商的关注，国内现有的大功率风力发电机组大多均采用电动变桨距系统。

电动变桨距系统根据伺服驱动类型又分为交流变桨距系统和直流变桨距系统。当风力发电机组发生极端故障特别是电网掉电故障时，需要由伺服驱动系统控制变桨电机迅速将叶片拖动到顺桨位置，使风力发电机组快速完成停机制动，保障整个风力发电机组的安全。对于交流变桨距系统，任何工况下均需要由伺服驱动器控制变桨电机完成顺桨，若某一叶片对应的伺服驱动器故障，则该叶片无法执行顺桨动作，而直流变桨距系统可由后备电源蓄电池直接驱动直流电机，即使在伺服驱动器损坏的情况下也可拖动叶片完成顺桨，直流变桨距系统具有启动力矩大，控制简单，可靠性高，响应迅速等优点，具有较为广泛的应用。

直流变桨距系统在风力发电机组发生极端故障特别是电网掉电故障执行紧急顺桨时，需要由伺服驱动器控制变桨电机切换到蓄电池直接控制变桨电机。对于永磁直流电机，由于定子磁场是由永磁体提供，无需蓄电池提供额外的励磁电源，因此直接将蓄电池投切到永磁直流电机电枢两端即可驱动电机，此时电机转速n＝0，反电动势E_a＝0，启动电流（其中U_N为蓄电池端电压，R_a为电枢绕组等效电阻），I_start远远大于电机额定电流I_N，试验数据测得蓄电池直接启动永磁直流电机冲击电流峰值可超过12倍额定电流值，过大的启动冲击电流会加速电机绕组的老化，同时，启动冲击电流过大时永磁直流电机的电动力矩很大，会极大地损害电机的机械轴承，使轴承变形，影响电机使用寿命。

目前采用永磁直流电机的变桨距系统，蓄电池驱动电机的方式有三种：第一种是直接将蓄电池投切到永磁直流电机电枢两端，此方法无需增加额外元器件，成本较低，而且不会影响电机轴上的机械功率输出，但是这种方法的缺点是启动冲击电流峰值太大，对电机有一定的损伤；第二种是在蓄电池驱动电机全过程中，始终在电机电枢回路中串联限流电阻，此方法硬件结构简单，易于实现，并且能够很好的抑制启动冲击电流峰值，但是这种方法的缺点是会降低电机轴上的机械功率输出，影响顺桨时的电机转速和转矩输出，需要在电机选型时增大额定功率，无形中又增加了变桨距系统硬件成本；第三种是对第二种方法的改进，即在不增大电机额定功率的前提下，在永磁直流电机启动时电枢回路串入限流电阻，同时启动上电延时时间继电器，当电机完全启动后通过时间继电器与接触器的配合将限流电阻从电机电枢回路中切出，此方法的缺点是需要增加较多的元器件，硬件电路较为复杂，且由于变桨距系统内部空间有限，结构布局实现起来较为困难，同时元器件增多也增加了一定的采购成本。相比于前两种方法，第三种方法性价比相对较高。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组变桨距系统蓄电池驱动永磁直流电机的启动冲击电流峰值抑制装置及其抑制方法。本发明可将蓄电池直接驱动永磁直流电机时的启动冲击电流峰值抑制到合理的范围内，以减少过大的启动冲击电流对电机的损伤，同时结合风力发电机组变桨距系统内部安装空间小的缺点，在不使用上电延时时间继电器的前提下保证电机启动后将限流电阻可靠切出，确保不会降低永磁直流电机稳态时电机轴上的输出机械功率，硬件简单且节约成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种蓄电池驱动永磁直流电机启动冲击电流抑制装置，包括一个限流电阻，此限流电阻串联在蓄电池驱动永磁直流电机的电枢回路中，用于蓄电池驱动电机时抑制启动瞬间的冲击电流。本发明还包括一个旁路接触器，所述旁路接触器的主触点并联在所述的限流电阻的两端，用于电机启动后将限流电阻切出。旁路接触器线圈供电电源由永磁直流电机的反电动势提供。

采用本发明装置抑制蓄电池驱动永磁直流电机启动冲击电流的方法如下：

当蓄电池投切到永磁直流电机电枢两端时，所述的限流电阻串联在电枢回路中，永磁直流电机启动后，转速逐渐升高，反电动势也随之从0逐渐增大，当反电动势电压满足旁路接触器线圈吸合条件时，旁路接触器主触点闭合，此时旁路接触器主触点将限流电阻短路，即限流电阻从永磁直流电机电枢回路中切出，以保证电机轴的机械功率能够满功率输出。旁路接触器主触点闭合后，其线圈供电电源由蓄电池提供，此时即使电机转速发生波动，反电动势发生较大变化，也不会影响旁路接触器线圈吸合情况，当永磁直流电机拖动叶片完成顺桨后，旁路接触器线圈供电回路断开。

上述方法仅仅在变桨距系统内部蓄电池驱动永磁直流电机回路增加硬件电路，并不影响原直流变桨距系统的正常工作逻辑。

附图说明

图1是蓄电池驱动永磁直流电机电路图及启动冲击电流抑制电路图；

图2是蓄电池驱动永磁直流电机启动全过程电机电流、反电动势、电机转速变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明硬件电路包括一个限流电阻R，所述的限流电阻R串联在蓄电池驱动永磁直流电机的电枢回路中。本发明还包括一个旁路接触器Q1，所述的旁路接触器Q1的线圈供电来自永磁直流电机反电动势E_a，图1中C点的电压与反电动势E_a相等，通过测量C点电压，可确定反电动势E_a的大小。旁路接触器Q1的主触点并联在所述的限流电阻R的两端，同时，接触器Q2的辅助常开触点串联在旁路接触器Q1的线圈供电回路中，以保证接触器Q2动作后再启动旁路接触器Q1。

如图1所示，变桨距系统正常工作时，接触器Q2的主触点断开，来自电网的3×400VAC主电源给伺服驱动器提供电源，控制永磁直流电机进行伺服运行。当风力发电机组发生极端故障，特别是电网掉电故障执行紧急顺桨时，即图2中T1时刻，此时永磁直流电机将会由伺服驱动器控制切换到蓄电池直接驱动，接触器Q2的线圈吸合，主触点闭合，切换过程完成后，即图2中T2时刻，永磁直流电机由蓄电池直接驱动。永磁直流电机电枢回路串联有限流电阻R，刚切换到蓄电池驱动永磁直流电机瞬间，电机还未启动，电机轴的机械转速n＝0，反电动势E_a＝C_eΦn＝0，对于永磁直流电机，

为常数，其中C_e为电动势常数，Φ为主磁通，U_N为蓄电池端电压，I_N为电机额定电流，R_a为电枢绕组等效电阻，n_N为电机额定转速，此时永磁直流电机内阻与限流电阻R均串联在蓄电池回路中，旁路接触器Q1的线圈由永磁直流电机内阻与限流电阻R的分压供电，所述的分压即图1中C点电压，C点电压可以按照公式计算得到，其中R为限流电阻，由于永磁直流电机内阻阻值相比于限流电阻R的阻值很小，图1中C点电压不足以使旁路接触器Q1的线圈吸合，此时永磁直流电机的启动冲击电流最大值I_start可以按照公式

计算得到，通过调整电阻R的阻值，可抑制启动冲击电流最大值到合理的范围内。永磁直流电机启动后，电机轴的机械转速n逐渐增大，启动冲击电流减小，电动力矩冲击减小，反电动势E_a随之升高，即图2中T2～T3时间段。当永磁直流电机反电动势E_a使得图1中C点电压升高至满足旁路接触器Q1线圈吸合条件时，即图2中T3时刻，此时旁路接触器Q1线圈吸合，主触点闭合，由于旁路接触器Q1的主触点并联在限流电阻R两端，当旁路接触器Q1的主触点闭合后，可将限流电阻R从永磁直流电机电枢供电回路中短路，成功实现限流电阻切出。由于限流电阻切出时，整个电枢回路电阻会突然减小，永磁直流电机电枢电流还会有一个较小的升高过程，即图2中T3～T4时间段，到达图2中T4时刻之后，永磁直流电机完成启动过程，进入蓄电池驱动永磁直流电机拖动叶片顺桨稳态阶段，此阶段直至叶片完成顺桨后结束。

本发明通过在永磁直流电机电枢回路串联电阻，并且转速提升后将限流电阻可靠切出，可将启动冲击电流最大值很好的抑制在合理的范围内，不会对电机造成损伤，并且不会影响稳态时永磁直流电机轴上的输出机械功率，同时硬件电路实现简单，器件使用较少，节省安装空间的同时，成本相对较低。

Claims (3)

1.一种永磁直流电机启动冲击电流抑制装置，其特征在于，所述的装置包括一个限流电阻（R）及一个旁路接触器（Q1）；所述的限流电阻（R）串联在蓄电池驱动永磁直流电机的电枢回路中，所述的旁路接触器（Q1）的主触点并联在所述的限流电阻的两端；所述的旁路接触器（Q1）线圈供电电源由永磁直流电机的反电动势提供。

2.采用权利要求1所述的永磁直流电机启动冲击电流抑制装置的抑制启动冲击电流的方法，其特征在于，所述的永磁直流电机启动后，转速逐渐升高，反电动势也随之从0逐渐增大，当反电动势电压满足旁路接触器（Q1）线圈吸合条件时，所述的旁路接触器（Q1）主触点闭合，此时旁路接触器（Q1）主触点将限流电阻（R）短路，即限流电阻（R）从永磁直流电机电枢回路中切出，以保证电机轴的机械功率能够满功率输出；所述的旁路接触器（Q1）主触点闭合后，旁路接触器（Q1）线圈供电电源由蓄电池提供，此时即使电机转速发生波动，反电动势发生较大变化，不会影响旁路接触器线圈吸合情况，当永磁直流电机拖动风力发电机组的叶片完成顺桨后，旁路接触器线圈供电回路断开。

3.根据权利要求2所述的抑制启动冲击电流的方法，其特征在于，当风力发电机组发生极端故障，特别是电网掉电故障执行紧急顺桨时，所述的永磁直流电机切换到蓄电池直接驱动，此时永磁直流电机内阻与限流电阻R均串联在蓄电池回路中，旁路接触器（Q1）的线圈由永磁直流电机内阻与限流电阻R的分压供电；串联在永磁直流电机电枢回路中的限流电阻R的启动冲击电流最大值按照公式

计算得到，通过调整电阻R的阻值，能够抑制启动冲击电流最大值到合理的范围内；永磁直流电机启动后，电机轴的机械转速n逐渐增大，启动冲击电流减小，电动力矩冲击减小，反电动势E_a随之升高；当永磁直流电机反电动势E_a升高至满足旁路接触器（Q1）线圈吸合条件时，旁路接触器（Q1）线圈吸合，主触点闭合，将限流电阻（R）从永磁直流电机电枢供电回路中短路，实现限流电阻（R）切出；永磁直流电机完成启动过程后，进入蓄电池驱动永磁直流电机拖动风力发电机组的叶片顺桨稳态阶段，此阶段直至风力发电机叶片完成顺桨后结束。

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