CN106224175A - 一种变桨距系统的顺桨驱动检测装置及其顺桨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变桨距系统的顺桨驱动检测装置及其顺桨方法，包括：电流检测装置，用于检测逆变器输出电流值并传输至控制器；电压检测装置，用于检测伺服电机的输入电压值并传输至控制器；旋转变压器，用于检测伺服电机的转速并通过旋变解码装置进行解码后传输至控制器；所述控制器根据测量电流值、电压值和电机转速计算出伺服电机的转矩，所述控制器根据伺服电机的转矩判断伺服电机的故障类型，并为过载故障时进行紧急顺桨模式；本发明可实现变桨系统过载故障时，自动检测风电变桨用伺服驱动器的状态，自动完成顺桨动作，将桨叶转回到顺桨位置，与此同时，将故障报警上报到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全。
Description
技术领域
本发明涉及风电技术领域，具体涉及一种变桨距系统的顺桨驱动检测装置及其顺桨方法。
背景技术
在大功率风电机组中，通常采用电动变桨系统，即由风电变桨伺服驱动器驱动变桨电机，经过减速箱后驱动叶片进行桨距角调整。上位机向风电变桨伺服驱动器给定转速信号和位置信号，风电变桨伺服驱动器向变桨电机输出驱动功率，变桨驱动器配备后备电源，电网突然断电，后备电源为伺服电机顺桨提供电源，使伺服电机顺桨，否则伺服电机无法完成顺桨，风力发电机组会有毁坏的危险，而桨叶在其行程的极限位置，安装了桨叶限位开关，进行可靠性更高的硬件级保护。
目前的风电变桨伺服驱动器中一般集成了对伺服电机转矩异常的监测功能，当监测到伺服电机过载时，将会报警并顺桨停机，该功能对于一台普通的伺服驱动器来说是不具备的，然而在风电行业中，伺服电机长期过载报警制动停机则意味着可能在风电机组迎风风速较高时把其中一片桨叶将停止在一个不安全位置，此种情况将造成风电机组叶片承受过大风力，进而风电机组运行存在很大的安全隐患。
因此，现有的变桨距系统的顺桨驱动检测装置不能满足风电行业的需求，需要一种新型的变桨距系统的顺桨驱动装置及其顺桨方法来更好的满足风电行业的需求。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种变桨距系统的顺桨驱动检测装置及其顺桨方法，本申请的目的是：风电变桨伺服电机长期转矩过载时，且应用顺桨方法的顺桨程序一直保持激活状态，可实现电机过载故障时，自动检测风电变桨伺服驱动器的状态，自动完成顺桨动作，当控制器检测到伺服电机过载故障时，断开变桨安全链，将故障报警上报到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置，包括：
电流检测装置，用于检测逆变器输出电流值并传输至控制器；
电压检测装置，用于检测伺服电机的输入电压值并传输至控制器；
旋转变压器，用于检测伺服电机的转速并通过旋变解码装置进行解码后传输至控制器；
所述控制器根据测量电流值、电压值和电机转速计算出伺服电机的转矩，所述控制器根据伺服电机的转矩将驱动信号通过驱动隔离电路传输至逆变器；
所述控制器根据伺服电机的转矩判断伺服电机的故障类型，并为过载故障时进行紧急顺桨模式，在该模式下根据电机参数模型，以速度Vmax进行紧急顺桨。
进一步的，所述控制器与上位机通信。
进一步的，所述电流检测装置包括依次相连的电流霍尔传感器、I/V转换电路和交直流转换装置，所述电流霍尔传感器连接在逆变器的输出端。
电流霍尔传感器采集逆变器的输出电流信号并传输至I/V转换电路进行电流电压的转换，之后再进行交直流的转换，然后传输至控制器，在控制器中进一步的进行模数转换后进行滤波，最终得到处理后的逆变器的输出电流信号。
进一步的，所述电压检测装置包括分压电路，所述分压电路依次与自动量程转换电路、阻抗变换电路和V/F转换器相连，所述V/F转换器与控制器的计数器相连。
进一步的，所述自动量程转换电路包括与分压电路相连的模拟开关，所述模拟开关和线性放大器相连。
来自被测量的输入电压信号经分压电路分压后，由模拟开关和线性放大器组成的自动量程转换电路测量电压的高低，进行自动量程切换，在经阻抗变换电路和V/F转换器，转换成一定比例与之对应的频率信号，由控制器的计数器对频率脉冲进行计数，从而得出被测量电压。
一种基于变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置的顺桨方法，包括以下步骤：
步骤S1:自动变桨模式，启动伺服电机过载故障检测并判断电机是否过载故障，如伺服电机过载故障即进入步骤S2，如驱动器未发生故障，驱动器正常运行；
步骤S2:控制器断开变桨安全链，进入紧急顺桨模式，转入步骤S3，控制器并将故障报警上传到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全；
步骤S3:根据电机故障类型，当伺服电机转矩超过额定转矩的时间超过设定时间时为伺服电机过载故障E，进入步骤S4；
当伺服电机瞬间转矩超过极限转矩时为伺服电机过载故障F，进入步骤S5；
步骤S4:电机使能，变桨系统的模式进入紧急顺桨模式，将该变桨系统的目标位置设定为第一设定位置，速度设为紧急顺桨速度Vmax，控制方式采用位置控制，变桨系统以顺桨速度达到第一设定位置，当到达第一设定位置时，停止伺服电机运行，延时设定时间再次判断桨叶是否到达第一设定位置限位，若未到达第一设定位置限位，即重复步骤S4，若桨叶到达第一设定位置限位，则顺桨完成，制动器抱闸；
步骤S5:电机使能，变桨系统的模式进入紧急顺桨模式，将该变桨系统的目标位置设定为第二设定位置，速度设为紧急顺桨速度-Vmax，控制方式采用位置控制，变桨系统以顺桨速度达到第二设定位置，当到达第二设定位置时，停止伺服电机运行，延时设定时间再次判断桨叶是否到达第二设定位置限位，若未到达第二设定位置限位，即重复步骤S5，若桨叶到达第二设定位置限位，则顺桨完成，制动器抱闸。
进一步的，判断电机是否过载故障时，控制器根据接收到的测量电压、电流及伺服电机的转速来计算伺服电机转矩，根据伺服电机转矩与设定转矩进行比较继而判断该伺服电机是否过载故障；
进一步的，计算伺服电机转矩的公式为：转矩其中为U线与I线间的相位角，U为逆变器的输出电压，I为逆变器的输出电流，n伺服电机的转速。
本发明的有益效果：
本发明一种变桨距系统顺桨方法由变桨系统过载故障触发并进行相应顺桨控制，且该顺桨方法通过集成在风电变桨用伺服驱动器中来实现，本发明变桨距系统顺桨方法可实现变桨系统过载故障时，自动检测风电变桨用伺服驱动器的状态，自动完成顺桨动作，将桨叶转回到顺桨位置，与此同时，将故障报警通过硬件(断开安全链)和软件(通讯)上报到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全。
附图说明
图1为本发明一种变桨距系统的顺桨驱动检测装置硬件连接框图；
图2为本发明一种变桨距系统的顺桨方法流程示意图；
图3(a)-图3(c)为本发明的电压检测装置电路图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明公开了一种变桨距系统的顺桨驱动检测装置，主要部分为伺服电机过载故障检测，故障触发进行相应顺桨控制；伺服电机过载故障检测主要是通过判断伺服电机转矩是否长时间大于额定转矩或者为瞬间转矩超过极限转矩。
伺服电机转矩监测功能用于实时监测伺服电机运行过程中伺服电机负载转矩信号，在负载转矩范围内判断是否偏离预设值来判定并给出伺服电机负载正常、伺服电机负载故障。
如图1为本发明变桨距系统的顺桨驱动检测装置硬件示意图，电流检测装置通过电流霍尔传感器、I/V转换和交直流转换装置检测逆变器输出电流值；图3(a)-图3(c)为本发明电压检测装置示意图所示，通过电压检测装置来检测伺服电机的输入电压值，来自被测量的输入电压信号经分压电路分压后，由模拟开关和线性放大器组成的自动量程转换电路测量电压的高低，进行自动量程切换，在经阻抗变换电路和V/F转换器，转换成一定比例与之对应的频率信号，由DSP56F8346计数器对频率脉冲进行计数，从而得出被测量电压；通过旋转变压器来检测伺服电机的转速。伺服电机功率公式(1)公式(2)转矩其中为U线与I线间的相位角；从公式(2)可看出通过测量电流、电压和电机转速，可以计算出伺服电机的转矩。
本发明还公开了一种变桨距系统的顺桨方法，如图2所示，该变桨距系统的顺桨方法应；用在伺服电机过载故障时，包括:
步骤S1:在变桨系统的模式2：自动变桨模式，启动伺服电机过载故障检测，并判断电机是否过载故障，如伺服电机过载故障，即进入步骤S2，如驱动器未发生故障，驱动器正常运行。
步骤S2:DSP56F8346记录驱动器故障，方便记录和界面显示，与此同时，DSP56F8346断开变桨安全链，进入紧急顺桨模式。通过硬件(断开安全链)和软件(通讯)将故障报警上传到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全。即进入步骤S3，
步骤S3:变桨系统中发生伺服电机过载故障E时，将该变桨系统的目标位置设定为91°位置，速度设为紧急顺桨速度Vmax，控制方式采用位置控制。即进入步骤S4。变桨系统中发生伺服电机过载故障F时，将该变桨系统的目标位置设定为-270°位置，速度设为紧急顺桨速度-Vmax，控制方式采用位置控制。即进入步骤S5。
步骤S4:电机使能，变桨系统的模式进入变桨模式3：紧急顺桨模式，变桨系统以顺桨速度达到91°位置，当到达91°位置时，停止伺服电机运行，延时200MS再次判断桨叶是否到达91°限位，若未到达91°限位，即进入步骤S3，若桨叶到达91°限位，则顺桨完成，制动器抱闸。
步骤S5:电机使能，变桨系统的模式进入变桨模式3：紧急顺桨模式，变桨系统以顺桨速度达到-270°位置，当到达-270°位置时，停止伺服电机运行，延时200MS再次判断桨叶是否到达91°限位，若未到达91°限位，即进入步骤S3，若桨叶到达91°限位，则顺桨完成，制动器抱闸。
本申请的实施例子中，伺服电机过载故障E是伺服电机转矩超过额定转矩的时间为1分钟；伺服电机过载故障F为瞬间转矩超过极限转矩。伺服电机过载故障E时，伺服电机还能在顺桨的方向转动。伺服电机过载故障F时，伺服电机已无法按照顺桨的方向发生转动。
变桨的模式包括三种模式：模式一，待机模式：变桨系统未运行，电机抱闸，驱动装置未输出。驱动器模式二：自动变桨模式：电机松闸，电机使能，驱动装置接收位置和速度指令，驱动装置按照要求输出，伺服电机运行。模式三：紧急顺桨模式：伺服电机过载故障时，驱动装置控制伺服电机以Vmax速度顺时针或者逆时针回到91°位置。
紧急顺桨模式根据电机参数模型，以速度Vmax进行紧急顺桨，且速度Vmax由电机参数模型决定。
综上所述，本发明一种变桨距系统顺桨方法由伺服电机过载故障触发并进行相应顺桨控制，且该顺桨方法通过集成在风电变桨用控制器控制策略实现(该控制策略为：变桨系统中发生伺服电机过载故障E时，将该变桨系统的目标位置设定为91°位置，速度设为紧急顺桨速度，控制方式采用位置控制。即进入步骤S4。变桨系统中发生伺服电机过载故障F时，将该变桨系统的目标位置设定为-270°位置，速度设为负的紧急顺桨速度，控制方式采用位置控制。即进入步骤S5。)，实现本发明变桨距系统顺桨方法的相应控制策略一直保持激活状态，可实现伺服电机过载故障时，自动检测风电变桨用伺服驱动器的状态，自动完成顺桨动作，将桨叶转回到91°限位位置，与此同时，将故障报警上报到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置，其特征是，包括：
电流检测装置，用于检测逆变器输出电流值并传输至控制器；
电压检测装置，用于检测伺服电机的输入电压值并传输至控制器；
旋转变压器，用于检测伺服电机的转速并通过旋变解码装置进行解码后传输至控制器；
所述控制器根据测量电流值、电压值和电机转速计算出伺服电机的转矩，所述控制器根据伺服电机的转矩将驱动信号通过驱动隔离电路传输至逆变器；
所述控制器根据伺服电机的转矩判断伺服电机的故障类型，并为过载故障时进行紧急顺桨模式，在该模式下根据电机参数模型，以速度Vmax进行紧急顺桨。
2.如权利要求1所述的一种变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置，其特征是，所述控制器与上位机通信，控制器并将故障报警上传到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全。
3.如权利要求1所述的一种变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置，其特征是，所述电流检测装置包括电流依次相连的电流霍尔传感器、I/V转换电路和交直流转换装置，所述电流霍尔传感器连接在逆变器的输出端；
电流霍尔传感器采集逆变器的输出电流信号并传输至I/V转换电路进行电流电压的转换，之后再进行交直流的转换，然后传输至控制器，在控制器中进一步的进行模数转换后进行滤波，最终得到处理后的逆变器的输出电流信号。
4.如权利要求1所述的一种变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置，其特征是，所述电压检测装置包括分压电路，所述分压电路依次与自动量程转换电路、阻抗变换电路和V/F转换器相连，所述V/F转换器与控制器的计数器相连。
5.如权利要求4所述的一种变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置，其特征是，所述自动量程转换电路包括与分压电路相连的模拟开关，所述模拟开关和线性放大器相连；
来自被测量的输入电压信号经分压电路分压后，由模拟开关和线性放大器组成的自动量程转换电路测量电压的高低，进行自动量程切换，在经阻抗变换电路和V/F转换器，转换成一定比例与之对应的频率信号，由控制器的计数器对频率脉冲进行计数，从而得出被测量电压。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置的顺桨方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1:自动变桨模式，启动伺服电机过载故障检测并判断电机是否过载故障，如伺服电机过载故障即进入步骤S2，如驱动器未发生故障，驱动器正常运行；
步骤S2:控制器断开变桨安全链，进入紧急顺桨模式，转入步骤S3，控制器并将故障报警 上传到上位机，上位机可指令其他桨叶进行顺桨，从而保护风电机组的安全；
步骤S3:根据电机故障类型，当伺服电机转矩超过额定转矩的时间超过设定时间时为伺服电机过载故障E，进入步骤S4；
当伺服电机瞬间转矩超过极限转矩时为伺服电机过载故障F，进入步骤S5；
步骤S4:电机使能，变桨系统的模式进入紧急顺桨模式，将该变桨系统的目标位置设定为第一设定位置，速度设为紧急顺桨速度Vmax，控制方式采用位置控制，变桨系统以顺桨速度达到第一设定位置，当到达第一设定位置时，停止伺服电机运行，延时设定时间再次判断桨叶是否到达第一设定位置限位，若未到达第一设定位置限位，即重复步骤S4，若桨叶到达第一设定位置限位，则顺桨完成，制动器抱闸；
步骤S5:电机使能，变桨系统的模式进入紧急顺桨模式，将该变桨系统的目标位置设定为第二设定位置，速度设为紧急顺桨速度-Vmax，控制方式采用位置控制，变桨系统以顺桨速度达到第二设定位置，当到达第二设定位置时，停止伺服电机运行，延时设定时间再次判断桨叶是否到达第二设定位置限位，若未到达第二设定位置限位，即重复步骤S5，若桨叶到达第二设定位置限位，则顺桨完成，制动器抱闸。
7.一种如权利要求6所述的变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置的顺桨方法，其特征是，判断电机是否过载故障时，控制器根据接收到的测量电压、电流及伺服电机的转速来计算伺服电机转矩，根据伺服电机转矩与设定转矩进行比较继而判断该伺服电机是否过载故障。
8.一种如权利要求7所述的变桨距系统的顺桨伺服驱动检测装置的顺桨方法，其特征是，计算伺服电机转矩的公式为：转矩其中为U线与I线间的相位角，U为逆变器的输出电压，I为逆变器的输出电流，n伺服电机的转速。
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