CN103899479A - 一种风电机组的变桨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电机组的变桨系统，包括变桨驱动器、变桨电机变桨减速器，以及风机机舱中的信号滑环、发电机定子和超级电容，具有转换开关，转换开关将来自超级电容和外部电源的供电进行切换，然后连接信号滑环；超级电容还具有充电器，充电器包括功率因子变换电路单元、DC/DC开关电路单元和超级电容电池均压保护单元；外部电源和转换开关之间还具有预警设备；超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号。本发明所述系统，可实现机舱、桨叶、机座和控制基站间的联动，在主电丢失情况发生时，快速反应实现顺桨，并且优化了信号滑环和超级电容，保证备电的无故障切换和持续使用，系统安全、故障率低、成本低。

Description

一种风电机组的变桨系统
技术领域
本发明涉及风力发电用设备领域，特别是风电机组机舱内的的变桨系统。
背景技术
目前我国风电发电事业不断发展，分布地域越来越广泛，风机应用环境越来越恶劣，如沙漠、海边、高温或低温，甚至会遭受雷电的破坏，所以对风力发电机上的配件及安装提出更高的要求。
风力发电要求有较强的环境适应能力，而变桨系统则是风力发电的核心部什之一。目前，风力发电机组的变桨系统从执行硬件角度可以分为电动变桨系统和液压变桨系统两大类，其中，电动变桨系统实质上是一种位置跟踪的传动系统。变桨系统的作用主要有两点：第一、当风速大于额定风速，桨叶转速无法通过发电机电磁转矩控制时，通过变桨系统维持风机的功率输出恒定；第二、当风机发生安全链故障时，变桨系统需要立即顺桨来保证风机安全。顺桨是指不论桨矩角处丁什么位置，都将桨叶以固定的速度转动至某一固定顺桨位置，根据桨叶的不同气动特性，顺桨位置将略有差异。
当外部安全链发生故障时，风力发电机组的控制装置发出顺桨命令以实现风机的顺桨。而当内部安全链发生故障时，变桨系统需要立即顺桨以实现风机的停机。
目前，变桨系统所需的能量来自两个方而，第一是由外部电源提供的主电，第二是备电。由于风机运行环境恶劣，时有主电断电情况发生。现一般将超级电容作为备电，可以保证桨叶在内部安全链发生故障等主电丢失突发事故中能短时间工作，使桨叶受力最小，尽快进入顺桨位置，保证桨叶的安全。
但同时，超级电容使用时间短，成为机舱内需要经常检修的部件，增加风机运行成本。
鉴于以上诸多原因，迫切需要一种联动的风电机组变桨系统，可以在发生故障时快速反应，并且需要此系统安全、低故障率和低成本。
发明内容
本发明的目的是针对以上产品的诉求，提供一种风电机组的变桨系统，可以实现机舱、桨叶、机座和控制基站间的联动，在主电丢失情况发生时，快速反应实现顺桨，并且优化了信号滑环和超级电容，保证备电的无故障切换和持续使用，系统安全、故障率低、成本低。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种风电机组的变桨系统，包括发电机组轮毂中的变桨驱动器、变桨电机变桨减速器，以及风机机舱中的信号滑环、发电机定子和超级电容，信号滑环将电能和信号传递给变桨驱动器，变桨驱动器通过变桨电机连接变桨减速器，最终将桨叶转动到顺桨位置，还具有转换开关，转换开关将来自超级电容和外部电源的供电进行切换，然后连接信号滑环；
超级电容还具有充电器，所述充电器包括功率因子变换电路单元、DC/DC开关电路单元和超级电容电池均压保护单元；
所述外部电源和转换开关之间还具有预警设备；
超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号。
所述转换开关在外部电源断电时切换到超级电容供电模式，在外部电源通电时切换回外部电源供电模式。
充电器中，所述功率因子变换电路单元的功率校正电路直流主回路输出端与DC/DC开关电路单元的输入端连接，所述DC/DC开关电路单元输出端与超级电容电池均压保护单元中的超级电容电池的输入端连接；
所述功率因子变换电路单元中，功率校正电路控制回路单元控制功率校正电路直流主回路单元；
所述DC/DC开关电路单元中，DC/DC变换控制回路单元控制DC/DC变换直流主回路单元；
所述超级电容电池均压保护单元中具有超级电容电池以及均压保护电路。
超级电容电池均压保护单元内部实现对单个超级电容充电过压保护，使单个超级电容工作于正常电压范围之内。
所述信号滑环卡接有测速装置，所述测速装置由沿转子转动轴线套设在固定定子刷架上的测速码盘以及固定于信号滑环转子一侧的接近开关传感器组成, 测速码盘和接近开关传感器相互配合用于测速。
滑环，也称做旋转电气接口、电气旋转关节，可用于任一要求无限制连续旋转时从固定结构到旋转结构传输电源和数据信号的电力系统中。滑环常常被使用在要求无限制、连续或者间断旋转，传输电源和数据信号的机电系统中，能简化和改进系统性能，并且不损坏导线，是实现对旋转动态实现信号和功率传输的主要电器装置。
滑环主要由环体和电刷以接触的方式、并做相对旋转运动实现对旋转体上进行信号和功率的传输，他的主要构造是由导电轴(含引线)、电刷(含电刷引线)、滑环支架、轴承、轴承端盖组合而成，导电轴与旋转物体机械连接，导线和需要提供功率和信号的接口一一对应连接，滑环支架固定在静止物体上，把电刷引线接入需要输入的信号和功率端口，这样导电轴和电刷之间接触式相对旋转，实现信号和功率的传输。
滑环的工作速度在8~18rpm，一般需要有一个测速装置测试并监控滑环在工作状态下的转速。超出其工作要求范围，导致信号滑环工作状态不稳定，信号丢失。
测速码盘测速原理采用接近开关传感器方式。接近开关传感器即位移传感器，它不需要接触到被检测物体，当有物体移向位移传感器，并接近到一定距离时，位移传感器就有“感知”。利用位移传感器对接近物体的敏感特性制作的开关，就是接近开关。所述测速码盘固定于定子刷架，接近开关传感器固定于转子部分,通过滑环转子与滑环定子的相对位置测速。
同时，卡接结构，安装方便。
所述信号滑环的电刷板包括线路板及安装在线路板上的电刷,所述电刷板为π型结构，所述线路板具有通孔，电刷弯曲一端穿过通孔套装在线路板上，通孔孔径大于电刷直径，使得电刷可以根据应力在一定角度内摆动，电刷另一端与信号滑环的环道接触，所述环道为V槽形。
风机信号滑环负责转动设备与固定设备之间的数据与电传输，在滑环转子内部需要电刷板将信号由定子传递到转子部分，所以目前在风机信号滑环上设计上大多还存在该装配方式：即电刷与线路板的装配方式为焊接方式，电刷多采用紧固导电丝的方式，且采用弯曲型导电丝。将电刷一端焊接在线路板上，这种设计虽然表面上将电刷固定在了线路板上，但其缺点也很明显：即焊接改变了电刷的自由的应力，在滑环振动工作状况下，电刷受外力影响易断裂。信号滑环的工作环境比较特殊，必须考虑其振动频率，电刷焊接容易在振动的工作状态下发生断裂，从而导致滑环环路中断，导致信号滑环工作信号丢失。
电刷可以根据应力在一定角度内摆动，在滑环振动工作状况下，电刷会受轴向外力影响，通孔孔径大于电刷直径的设计，给予了电刷相对自由的应力，大大减少了电刷断裂的情况。
同时，目前在风机信号滑环电刷与环道设计上大多采用单点接触的方式，这种设计缺点明显：在工作时已丢失信号。信号滑环的工作环境比较特殊，且单点接触的不可靠性显而易见，在点与面的滑动接触过程中，遇到环道接触面上有杂质或表面不平整时，接触断开，信号丢失，导致信号滑环工作状态不稳定，或者杂质引起相邻环道短路。相对于传统的环道面的平面设计，环道采用V型的凹槽设计后，在电刷与环道相对运动中，电刷刷头扫过环道，与环道的接触面及接触作用力均增加，极大的提高了信号滑环的工作可靠性，安装方式简单，便于后期维护。
所述预警设备在外部供电切断时发出信号，超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号；所述风机控制基站的系统主机配有继电器，系统可联动控制。
当发生主电供电丢失时，预警设备在第一时间即通知超级电容的充电器向超级电容供电，同时风机控制基站的电脑系统也进行报警，使得故障可以及时发现，及时维修。风机控制基站的系统主机配有继电器，系统可联动控制。
本申请所述技术的有益效果是：
本发明所述风电机组的变桨系统，可以实现机舱、桨叶、机座和控制基站间的联动，在主电丢失情况发生时，快速反应实现顺桨，并且优化了信号滑环和超级电容，保证备电的无故障切换和持续使用，系统安全、故障率低、成本低。
附图说明
图1为本发明所述风电机组变桨系统连接示意图；
图2为本发明所述超级电容充电器模块框图；
图3为本发明所述信号滑环的测速码盘结构图；
图4为本发明所述信号滑环的电刷结构图；
图5为本发明所述信号滑环的电刷环道剖面结构示意图；
图中标记：1为信号滑环本体，2为测速码盘，3为固定定子刷架，4为接近开关传感器，5为滑环定子，6为滑环转子，7为电刷，8为环道，9为电刷板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
本实施方式所述的风电机组的变桨系统，包括发电机组轮毂中的变桨驱动器、变桨电机变桨减速器，以及风机机舱中的信号滑环、发电机定子和超级电容，信号滑环将电能和信号传递给变桨驱动器，变桨驱动器通过变桨电机连接变桨减速器，最终将桨叶转动到顺桨位置，还具有转换开关，转换开关将来自超级电容和外部电源的供电进行切换，然后连接信号滑环；
超级电容还具有充电器，所述充电器包括功率因子变换电路单元、DC/DC开关电路单元和超级电容电池均压保护单元；
所述功率因子变换电路单元的功率校正电路直流主回路输出端与DC/DC开关电路单元的输入端连接，所述DC/DC开关电路单元输出端与超级电容电池均压保护单元中的超级电容电池的输入端连接；
所述控制回路为专用控制IC, 功率校正电路控制回路单元使用专用功率因子校正芯片UCC3817，DC/DC变换控制回路单元使用电流模式控制芯片UC2844；
所述功率因子变换电路单元中，功率校正电路控制回路单元控制功率校正电路直流主回路单元；
所述DC/DC开关电路单元中，DC/DC变换控制回路单元控制DC/DC变换直流主回路单元；
功率因子变换电路单元和DC/DC开关电路单元中的执行单元为MOS管Q1，Q2和高频隔离变换器T1；
所述超级电容电池均压保护单元中具有超级电容电池以及均压保护电路，采用TL431稳压保护。使单个超级电容工作于正常电压范围之内。当超过电容电压2.7V时，TL431工作于放大状态，使两级三极管迅速导通流过电流，将电容两端的电压钳制在电容允许电压范围2.7V之内。
所述外部电源和转换开关之间还具有预警设备；
超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号。
所述转换开关在外部电源断电时切换到超级电容供电模式，在外部电源通电时切换回外部电源供电模式。
所述信号滑环本体1上卡接有测速装置，所述测速装置由沿转子转动轴线套设在滑环定子5的固定定子刷架3上的测速码盘2以及固定于信号滑环转子6一侧的接近开关传感器4组成, 测速码盘2和接近开关传感器4相互配合用于测速。
所述信号滑环的电刷板9包括线路板及安装在线路板上的电刷7,所述电刷板9为π型结构，所述线路板具有通孔，电刷7弯曲一端穿过通孔套装在线路板上，通孔孔径大于电刷直径，使得电刷7可以根据应力在一定角度内摆动，电刷7另一端与信号滑环的环道8接触，所述环道8为V槽形。
所述预警设备在外部供电切断时发出信号，超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号；所述风机控制基站的系统主机配有继电器，系统可联动控制。
当发生主电供电丢失时，预警设备在第一时间即通知超级电容的充电器向超级电容供电，同时风机控制基站的电脑系统也进行报警，使得故障可以及时发现，及时维修。风机控制基站的系统主机配有继电器，系统可联动控制。
综上所述，本发明所述的风电机组的变桨系统，可以实现机舱、桨叶、机座和控制基站间的联动，在主电丢失情况发生时，快速反应实现顺桨，并且优化了信号滑环和超级电容，保证备电的无故障切换和持续使用，系统安全、故障率低、成本低。

Claims (6)

1.一种风电机组的变桨系统，包括发电机组轮毂中的变桨驱动器、变桨电机变桨减速器，以及风机机舱中的信号滑环、发电机定子和超级电容，信号滑环将电能和信号传递给变桨驱动器，变桨驱动器通过变桨电机连接变桨减速器，最终将桨叶转动到顺桨位置，其特征在于：
还具有转换开关，转换开关将来自超级电容和外部电源的供电进行切换，然后连接信号滑环；
超级电容还具有充电器，所述充电器包括功率因子变换电路单元、DC/DC开关电路单元和超级电容电池均压保护单元；
所述外部电源和转换开关之间还具有预警设备；
超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号。
2.根据权利要求1所述的风电机组的变桨系统，其特征在于：所述转换开关在外部电源断电时切换到超级电容供电模式，在外部电源通电时切换回外部电源供电模式。
3.根据权利要求1所述的风电机组的变桨系统，其特征在于：充电器中，所述功率因子变换电路单元的功率校正电路直流主回路输出端与DC/DC开关电路单元的输入端连接，所述DC/DC开关电路单元输出端与超级电容电池均压保护单元中的超级电容电池的输入端连接；
所述功率因子变换电路单元中，功率校正电路控制回路单元控制功率校正电路直流主回路单元；
所述DC/DC开关电路单元中，DC/DC变换控制回路单元控制DC/DC变换直流主回路单元；
所述超级电容电池均压保护单元中具有超级电容电池以及均压保护电路。
4.根据权利要求1所述的风电机组的变桨系统，其特征在于：所述信号滑环卡接有测速装置，所述测速装置由沿转子转动轴线套设在固定定子刷架上的测速码盘以及固定于信号滑环转子一侧的接近开关传感器组成, 测速码盘和接近开关传感器相互配合用于测速。
5.根据权利要求1所述的风电机组的变桨系统，其特征在于：所述信号滑环的电刷板包括线路板及安装在线路板上的电刷,所述电刷板为π型结构，所述线路板具有通孔，电刷弯曲一端穿过通孔套装在线路板上，通孔孔径大于电刷直径，使得电刷可以根据应力在一定角度内摆动，电刷另一端与信号滑环的环道接触，所述环道为V槽形。
6.根据权利要求1所述的风电机组的变桨系统，其特征在于：所述预警设备在外部供电切断时发出信号，超级电容的充电器和风机控制基站具有接收设备，接收预警设备传来的信号；所述风机控制基站的系统主机配有继电器，系统可联动控制。
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