CN107359828A - 一种偏航驱动系统保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机技术领域，具体是涉及偏航齿轮及偏航电机保护装置及方法，适用于风力发电机偏航系统。在四套偏航电机与电源之间串接一个软启动器，所述软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上。解决大的力矩突然加在静止的机械设备上，加速偏航减速机及偏航轴承齿轮磨损甚至打齿等，增加风电机组维护成本，影响风机使用效率的问题。实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。

Description

一种偏航驱动系统保护装置及方法

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，具体是涉及偏航齿轮及偏航电机保护装置及方法，适用于风力发电机偏航系统。

背景技术

为了最大获取风能，叶轮要始终正对着风向，而对准风向需要偏航系统来实现。偏航系统由偏航检测和控制，偏航驱动，偏航制动三部分组成，而偏航驱动由偏航电机、偏航减速箱、偏航轴承组成。为了在偏航过程中均匀受力，一般使用四套偏航电机、偏航减速机。

由于偏航轴承外齿与偏航减速机是刚性连接，偏航电机使用工频690V电源，如果直接工频全压启动电机，会有以下几点坏处：

1、伤害电机绝缘，降低电机寿命

①大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低。

②大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。

③高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压，有时会达到外加电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机绝缘造成极大伤害。

2、电动力对电机的伤害

电机在启动瞬间，电流值会达到额定电流的4-7倍。大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。

3、对机械设备的伤害

全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速偏航减速机及偏航轴承齿轮磨损甚至打齿等，增加风电机组维护成本，影响风机使用效率。

发明内容

为了解决直接采用接工频全压启动电机带来的问题，提供一种偏航驱动系统保护装置及方法，解决大的力矩突然加在静止的机械设备上，加速偏航减速机及偏航轴承齿轮磨损甚至打齿等，增加风电机组维护成本，影响风机使用效率的问题。

本发明是这样实现的，

一种偏航驱动系统保护方法，在四套偏航电机与电源之间串接一个软启动器，所述软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上。

进一步地，软启动器接旁路接触器，由软起动器控制，待电机达到额定转数时，启动过程结束，通过自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压。

进一步地，软启动器同时还提供软停车功能，软启动上连接软停止信号输入，通过继电器连接由PLC控制器控制，软停车时，晶闸管的输出电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

进一步地，所述软起动器的故障反馈信号输出端连接至PLC控制器的输入模块。

进一步地，该方法包括在自动对风过程、手动偏航过程、以及自动解缆过程的软启动，软启动方法包括：

在偏航运行时或偏航停止时，软起动器自检，检测出故障后，触发软起动器故障报警信号，故障信号反馈到PLC控制器，PLC控制器将通知上位机报警；

当软启动器无故障报警时，当偏航检测系统检测到需要偏航启动时，首先PLC控制器控制继电器线圈得电，使软起动器启动，软起动器按照设置时间启动，当达到设置时间后，软起动器控制旁路接触器动作，切换到工频运行；

偏航停止时，首先PLC控制器控制接触器线圈失电，给软起动器软停指令，同时旁路接触器断开，切出工频；

当达到STOP时间后，偏航结束，逆时针偏航同理。

一种偏航驱动系统保护系统，该系统包括：在四套偏航电机与电源之间串接一个软启动器，所述软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上。

进一步地，软启动器接旁路接触器，由软起动器控制，待电机达到额定转数时，启动过程结束，通过自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压。

进一步地，软启动上连接软停止信号输入，通过继电器连接由PLC控制器控制，软停车时，晶闸管的输出电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

进一步地，所述软起动器的故障反馈信号输出端连接至PLC控制器的输入模块。

进一步地，该系统实现软启动方法包括：

在偏航运行时或偏航停止时，软起动器自检，检测出故障后，触发软起动器故障报警信号，故障信号反馈到PLC控制器，PLC控制器将通知上位机报警；

当软启动器无故障报警时，当偏航检测系统检测到需要偏航启动时，首先PLC控制器控制继电器线圈得电，使软起动器启动，软起动器按照设置时间启动，当达到设置时间后，软起动器控制旁路接触器动作，切换到工频运行；

偏航停止时，首先PLC控制器控制接触器线圈失电，给软起动器软停指令，同时旁路接触器断开，切出工频；

当达到STOP时间后，偏航结束。

本发明在偏航电机与电源之间加装一台软起动器。当风力发电机组需要对风时，启动偏航系统。首先电源加载到软起动器上，同时PLC给软起动器一个启动指令。这时，如果软起动器的检测装置检测软起动器无故障(如过流，过载，缺相等)，软起动器的控制回路CPU根据PLC控制器或面板设置的指令经过电压计算，控制晶闸管的导通角，使输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全部导通，电源电压全部加载到偏航电机上。这时，控制回路CPU控制旁路接触器闭合，使用工频电源，避免软起动器的晶闸管一直工作，这样即增加软启动的使用寿命，又避免对电网的谐波污染。当偏航对风结束时，PLC给软起动器一个停机指令，首先软起动器的旁路断开，同时软起动器的控制回路CPU控制晶闸管的导通角逐渐减小，直到全部关闭，加载到偏航电机的电压关断。偏航结束。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明在四套偏航电机与电源之间串接一个软起动器。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，先断开旁路接触器，然后通过软起动器使电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

传统减压起动方式的不同之处是：

(1)无冲击电流。软启动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。

(2)有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。

(3)起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。

附图说明

图1.本发明实施例提供的软起动器参数设置；

图2.本发明实施例提供的偏航流程图；

图3.本发明实施例提供的软启动器控制偏航电机回路；

图4.本发明实施例提供的PLC偏航控制回路；

图5.本发明实施例提供的和平HPS2D75软起动器端子接线图。

图6本发明实施例提供的软起动器电气原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中实施例中将软启动器安装到电源与偏航电机之间，软启动器接线端子及偏航控制主回路按照图3进行接线。

软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

参见图3结合图5所示，本发明采用的软启动器的型号为和平软起动器HPS2D75(本发明中不仅限于使用该型号软启动器)，HPS2D75软启动的各个端子的连接关系如图5：

1)软起动器端子L1、端子L2、端子L3接三相690V电源，端子T1、端子T2、端子T3通过继电器K23.5与继电器K23.6接偏航电机的输入端。

2)端子1,2接230V交流电，软起动器供电，端子3接地。

3)端子4接软起动器启动信号。由PLC控制器控制继电器K37.5实现。

4)端子5接软起动器软停止信号。由PLC控制器控制继电器K37.7实现。

5)端子6为公共端。

6)端子7，端子8是软起动器故障反馈信号，如电源缺相，过流，过温，过载，可控硅故障等都会触发软起故障信号，并反馈到PLC输入模块。

7)端子9，10接旁路接触器线圈K44，由软起动器控制。

8)端子11,端子12是过流信号反馈，当出现过流时，软起动器将会发出故障报警。

本实施例中，参见图6结合图3，软起动器端子L1、端子L2、端子L3接三相690V电源，端子T1、端子T2、端子T3通过继电器K23.5与继电器K23.6接偏航电机的输入端。软起动器的主回路为三相反并联晶闸管作为调压器连接在三相690V电源与偏航电机的输入端。软起动器具有CPU为核心电路的控制回路，通过所述控制回路接受PLC控制器的控制指令以及根据检测的三相反并联晶闸管的电流值去触发驱动三相反并联晶闸管。控制回路包括：根据同步电源检测、按键命令以及PLC控制器的PLC命令、以及检测的主回路上的电流反馈选择控制方式，CPU根据模拟电压计算后，触发角度计算，从而触发驱动控制三相反并联晶闸管的控制极。

本实施例中软起动器参数设置：

软起动器参数按照图1进行设置，但具体设置的参数根据不同偏航电机功率而有所变化，图1仅供参考。

1)启动时电压上升时间START。

2)停止斜坡时间STOP。

3)初始电压UINI-软起动器启动电压占全电压的百分比。

4)级落电压USD-软起动器停止时电压占全电压的百分比。

5)启动电流限制ILIM-从200％-500％的电动机额定电流，在电动机启动过程中，电流限制将起作用。

6)电动机额定电流Ir为软起动器额定电流Ie的的百分比。

7)节能功能PF-No。

8)脉冲突跳启动Kick-No。

9)大电流开断SC-Yes。当起动结束后，如果电流仍大于电流限制ILIM200ms,软起动器切断并报警。

10)节能功能反应时间TPF-No。

软启动器接旁路接触器，由软起动器控制，待电机达到额定转数时，启动过程结束，通过自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压。

软启动器同时还提供软停车功能，软启动上连接软停止信号输入，通过继电器连接由PLC控制器控制，软停车时，晶闸管的输出电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

软起动器的故障反馈信号输出端连接至PLC控制器的输入模块。

本发明采用旁路控制，TPF要预先关闭。在下列几种情况下，偏航系统会启动：

1)自动对风过程。

2)手动偏航过程。

3)自动解缆过程。

下面以自动对风过程为例(见图2结合图4所示)，软启动器是如何工作的。

无论在偏航运行时还是偏航停止时，软起动器都在自检，一旦检测出故障，如电源缺相，过流，过载，可控硅故障，都会触发软起动器故障报警信号，故障信号反馈到PLC控制器，PLC控制器将通知上位机报警，维修人员将对软起动器进行故障排查，直至故障消除。

当软启动器无故障报警时，当偏航检测系统检测到机舱与风向夹角大于12°且时间大于60s时，顺时针偏航启动。首先PLC控制器控制继电器K37.5线圈得电，使软起动器启动，同时顺时针偏航接触器K23.5闭合。软起动器按照START设置时间启动。当达到设置时间后，软起动器控制旁路接触器K44动作，切换到工频运行。

当机舱与风向夹角小于+/-2°时，偏航将停止。首先PLC控制K37.5线圈失电，给软起动器软停指令，同时旁路接触器K44断开，切出工频。当达到STOP时间后，顺时针偏航结束。同理，逆时针偏航也是这个过程。

本发明通过在偏航电机前端加装一个软起动器，在启动时使电压及扭矩按照一定的斜率加载到偏航电机上，避免直接工频启动对偏航电机、偏航减速机及偏航轴承外齿的机械冲击；软启动器同时还提供软停车功能，在软停车时，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击延长偏航电机、偏航减速机及偏航轴承外齿的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏航驱动系统保护方法，其特征在于，在四套偏航电机与电源之间串接一个软启动器，所述软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，软启动器接旁路接触器，由软起动器控制，待电机达到额定转数时，启动过程结束，通过自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，软启动器上连接软停止信号输入，通过继电器连接由PLC控制器控制，软停车时，晶闸管的输出电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软起动器的故障反馈信号输出端连接至PLC控制器的输入模块。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括在自动对风过程、手动偏航过程、以及自动解缆过程的软启动，软启动方法包括：

在偏航运行时或偏航停止时，软起动器自检，检测出故障后，触发软起动器故障报警信号，故障信号反馈到PLC控制器，PLC控制器将通知上位机报警；

当软启动器无故障报警时，当偏航检测系统检测到需要偏航启动时，首先PLC控制器控制继电器线圈得电，使软起动器启动，软起动器按照设置时间启动，当达到设置时间后，软起动器控制旁路接触器动作，切换到工频运行；

偏航停止时，首先PLC控制器控制接触器线圈失电，给软起动器软停指令，同时旁路接触器断开，切出工频；

当达到STOP时间后，偏航结束，逆时针偏航同理。

6.一种偏航驱动系统保护系统，其特征在于，该系统包括：在四套偏航电机与电源之间串接一个软启动器，所述软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上。

7.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，软启动器接旁路接触器，由软起动器控制，待电机达到额定转数时，启动过程结束，通过自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压。

8.按照权利要求6所述的系统，其特征在于，软启动上连接软停止信号输入，通过继电器连接由PLC控制器控制，软停车时，晶闸管的输出电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

9.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，所述软起动器的故障反馈信号输出端连接至PLC控制器的输入模块。

10.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统实现软启动方法包括：

在偏航运行时或偏航停止时，软起动器自检，检测出故障后，触发软起动器故障报警信号，故障信号反馈到PLC控制器，PLC控制器将通知上位机报警；

当软启动器无故障报警时，当偏航检测系统检测到需要偏航启动时，首先PLC控制器控制继电器线圈得电，使软起动器启动，软起动器按照设置时间启动，当达到设置时间后，软起动器控制旁路接触器动作，切换到工频运行；

偏航停止时，首先PLC控制器控制接触器线圈失电，给软起动器软停指令，同时旁路接触器断开，切出工频；

当达到STOP时间后，偏航结束。