CN109707564B - 一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其包括驱动部分和电机部分。驱动部分和电机部分之间相互连接；驱动部分集成有驱动电路、开关电源和控制电路；电机部分集成有永磁同步电机、电机制动器、位置/速度传感器以及KTY温度传感器。其中，控制电路的驱动信号输出端连接到驱动电路的驱动信号输入端，驱动电路的驱动信号输出端连接到永磁同步电机的驱动信号输入端，电机制动器连接到控制电路的制动器接口，速度传感器连接到控制电路的编码器接口，KTY温度传感器连接到控制电路的温度传感器接口。
Description
技术领域
本发明属于伺服驱动技术领域，尤其涉及一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机。
背景技术
变桨控制系统是MW级以上风力发电机组控制和保护的重要装置，是风机停机的主刹车系统，对整机的运行安全至关重要。变桨控制系统虽然在整机投资中占比较少，但后续运行维护的费用占比较高。因此，随着近十多年风电市场技术的更新和发展，对降低变桨控制系统的故障率，提高其运行可靠性的要求越来越迫切。
现有风力发电机组变桨系统的伺服驱动器和电机是分开设置的，系统结构复杂，连线较多；风力发电机组桨叶工况复杂，负载变化大，要求驱动器和电机要有较强的过载能力，而现有的驱动电机一体机多为恒定负载工况设计，过载能力低，难以应用于风电变桨控制系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机。
本发明所提供的一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机包括驱动部分和电机部分。所述驱动部分与所述电机部分之间相互连接；所述驱动部分集成有驱动电路、开关电源和控制电路；所述电机部分集成有永磁同步电机、电机制动器、用于记录桨叶的相对位置和变桨速度的位置/速度传感器以及用于检测所述永磁同步电机的运行温度的KTY温度传感器。其中，所述控制电路的驱动信号输出端连接到所述驱动电路的驱动信号输入端，所述驱动电路的驱动信号输出端连接到所述永磁同步电机的驱动信号输入端，所述电机制动器连接到所述控制电路的制动器接口，所述位置/速度传感器配置成连接到所述控制电路的编码器接口，所述KTY温度传感器配置成连接到所述控制电路的温度传感器接口。
优选地，所述驱动部分配置成通过建立IGBT模块损耗及结温的计算模型来估算所述IGBT模块的工作结温，同时配合动态载频调整策略用于提高风力发电变桨系统的过载能力，所述动态载频调整策略配置成基于所述永磁同步电机的电流和/或温度来调整驱动载频。
优选地，所述驱动部分的所述驱动电路配置成接收所述控制电路的控制信号，驱动所述IGBT模块并反馈状态，将所述IGBT模块的通电流能力发挥到最大，同时配合动态载频调整策略来提高系统的过载能力。
优选地，所述驱动部分的所述控制电路内置有控制逻辑，使得能够在通信中断或者安全链信号丢失时把变桨位置设置为安全位置，并通过所述驱动电路驱动所述永磁同步电机运行到所述安全位置后停止。
优选地，所述安全位置为90度的顺桨位置。
优选地，所述驱动部分设置有加热电阻，用于进行预热以便在-40℃环境下运行所述用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机。
优选地，所述驱动部分配置成同时借助有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种控制方式来调节所述永磁同步电机输出电流和转矩，其中所述无速度传感器矢量控制作为所述有速度传感器矢量控制的热备份同时进行，当所述有速度传感器矢量控制失效时，所述驱动部分自动切换到无速度传感器矢量控制模式下运行。
优选地，所述驱动部分设置有分别连接在所述控制电路上的DI接口和DO接口，所述DI接口包括限位开关通道和安全链输入通道，所述DO接口包括安全链反馈通道，所述限位开关通道、所述安全链输入通道和所述安全链反馈通道连接到所述控制电路的安全继电器接口。
优选地，所述驱动部分设置有连接在所述控制电路上的CANopen/EtherCAT接口、以太网接口和RS-485接口，所述CANopen/EtherCAT接口用作与控制器通信的接口，所述以太网接口用作所述驱动电机一体机的控制程序升级、故障诊断和远程维护接口，所述RS-485接口用作所述驱动部分底层程序升级接口。
优选地，所述驱动部分配置成能通过外部直流电源供电，额定直流电压范围为150V～450V，所述驱动电路的电源输入端和所述开关电源的电源输入端分别连接到直流母线上，所述控制电路的电源输入端与所述开关电源的输出端相连。
本发明具有以下有益的技术效果：在需要更换变桨系统的场合，避免了将整个轮毂吊下，减少了施工量和施工费用；同时，驱动部分和电机部分一体化减少了离散控制器之间的外部接线，降低了故障点，提高了产品的可靠性。此外，驱动部分配置成能通过外部直流电源供电，额定直流电压范围为150V～450V，从而可以隔绝风电厂由于电网故障或电网质量差造成的交流400V电源对驱动部分造成损伤进而发生不可顺桨的极端事件。
本申请的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机可自主完成紧急顺桨，即驱动电机一体机的驱动系统在与主控通信中断或者安全链信号丢失后，该系统可以自主完成把桨叶拖动到顺桨位置。此外，当位置/速度传感器信号丢失时，驱动电机一体机的驱动系统可自主无缝切换到无速度反馈的矢量控制模式运行，无需停机。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机的总体结构示意图；
图2是示出图1的驱动电机一体机各组成部分之间连接关系的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。附图和具体实施方式仅用于说明本发明，并不用来限制本发明和权利要求的范围。
图1示出了本申请具体实施方式中的一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机(下文简称为驱动电机一体机)的总体结构示意图，图2示出了该驱动电机一体机中各组成部分之间连接关系的示意图。如图所示，该驱动电机一体机包括驱动部分1和电机部分2，其中驱动部分1骑跨在电机部分2之上，且驱动部分1与电机部分2之间以能拆卸的方式相互连接。
例如，驱动部分1的本体可以构造成盒子或箱子形状，电机部分2具有预设的螺钉，将驱动部分1与电机部分2进行安装时，电机部分2上的各个螺钉嵌入或插入到驱动部分1本体上的适当位置，例如可以是盒子或箱子形状本体的四个角处，然后进一步通过螺母进行固定。电机部分2中的永磁同步电机21的驱动电流输入端通过螺栓固定到驱动电路11的驱动电流输出端；电机制动器22、位置/速度传感器23、KTY温度传感器24分别通过接线端子连接到相应的接口。
驱动部分1集成有驱动电路11、开关电源12和控制电路13。驱动部分1还可以包括加热电阻(未示出)和散热风扇(未示出)。
电机部分2集成有永磁同步电机21、电机制动器22、位置/速度传感器23以及KTY温度传感器24。
本申请的驱动电机一体机的驱动部分1配置成通过外部直流电源101供电，供电的额定直流电压范围为150V～450V，从而可以隔绝风电厂由于电网故障或电网质量差造成的交流400V电源对驱动部分1造成损伤进而发生不可顺桨的极端事件。
驱动电路11的电源输入端连接到直流母线上，输出端连接到电机部分2的永磁同步电机21的电源输入端。控制电路13的驱动信号输出端连接到驱动电路11的驱动信号输入端，控制电路13通过控制驱动电路11中IGBT的开关来控制驱动电路11的输出，以驱动永磁同步电机21的旋转。
开关电源12的电源输入端连接到直流母线上，输出端连接到控制电路13的电源输入端，为控制电路13提供电源。
电机部分2的电机制动器22安装在永磁同步电机21尾端，连接到驱动部分1的控制电路13的制动器接口，根据驱动电机一体机的驱动系统的控制需要对永磁同步电机21进行制动。
位置/速度传感器23可以是旋转变压器也可以是光电编码器，但至少包含一个，另外的作为冗余。位置/速度传感器23用于记录桨叶的相对位置和变桨速度，配置成连接到驱动部分1的控制电路13的编码器接口。
KTY温度传感器24用于检测永磁同步电机21的运行温度，安装在永磁同步电机21定子线圈内并配置成连接到驱动部分1的控制电路13的温度传感器接口。
驱动部分1设置有DI接口102和DO接口103，它们分别连接在控制电路13上。DI接口102包括两个固定通道，即限位开关通道和安全链输入通道，还包括若干个用户可自定义的通道；DO接口103包括一个固定通道，即安全链反馈通道，还包括若干个用户可自定义的通道。以上各个固定通道，即限位开关通道、安全链输入通道和安全链反馈通道，分别连接到控制电路13的安全继电器接口。
驱动部分1设置有CANopen/EtherCAT接口104、以太网接口105和RS-485接口106，它们分别连接在控制电路13上，CANopen/EtherCAT接口104作为与控制器通信的接口，以太网接口105作为所述风力发电变桨系统用驱动电机一体机的控制程序升级、故障诊断和远程维护接口，RS-485接口106作为驱动部分1底层程序升级接口。
驱动电路11接收控制电路13的控制信号，驱动IGBT并反馈状态，提供电压隔离以及保护。控制电路13建立IGBT模块损耗及结温的计算模型，利用IGBT热特性等效为RC电路来进行热损耗的动态解析，解析结果输入到热电耦合模型中，并配合IGBT模块内置测温热电阻的数据来进行动态估算的IGBT模块工作结温。控制电路13还在通过IGBT模块损耗及结温的计算模型估算IGBT模块工作结温的基础上，同时配合动态载频调整策略来限制IGBT模块最高结温，从而将IGBT的通流能力发挥到最大，提高系统的过载能力，满足变桨运行特定工况。
IGBT模块温升的大小与载波频率的高低和输出电流的大小正相关，为限制IGBT温升，在电流变大或温度升高时适当降低载波频率，例如温度超过100摄氏度或输出电流超过2倍额定电流开始降低载波频率。因此，动态载频调整策略基于IGBT的电流和温度中的一个或多个来调整驱动载频。电流越大，越降低驱动载频，温度越高，越降低驱动载频，反之在性能范围内提高驱动载频。
电机部分2的永磁同步电机21转子轴上安装有轴向散热风轮，用于加速电机部分2外表面的空气流动，提高其自散热能力。
驱动部分1的控制电路13内置有控制逻辑，使得能够在通信中断或者安全链信号丢失时，在内部把变桨位置设置为安全位置，一般为90度，即顺桨位置，并通过驱动电路11驱动永磁同步电机21运行到安全位置后停止。也就是说，驱动电机一体机能够自主完成紧急顺桨，即驱动电机一体机的驱动系统与主控通信中断或者安全链信号丢失时，该系统可以自主完成把桨叶拖动到顺桨位置。
本申请的驱动电机一体机的驱动部分1设置有加热电阻，因此可以利用加热电阻进行预热，从而可在-40℃环境下直接启动运行。
驱动部分1同时借助有速度传感器矢量控制(FVC)和无速度传感器矢量控制(SVC)两种控制方式来调节永磁同步电机21输出电流和转矩，其中SVC作为FVC的热备份同时进行。在位置/速度传感器23信号丢失时，即FVC失效时，驱动部分1自动切换到SVC模式下运行。也就是说，当位置/速度传感器23信号丢失时，驱动电机一体机的驱动系统可自主无缝切换到无位置/速度反馈的矢量控制模式运行，无需停机。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其包括驱动部分(1)和电机部分(2)，其特征在于：
所述驱动部分(1)骑跨在所述电机部分(2)之上，且驱动部分(1)与电机部分(2)之间以能拆卸的方式相互连接；所述驱动部分(1)集成有驱动电路(11)、开关电源(12)和控制电路(13)；所述电机部分(2)集成有永磁同步电机(21)、电机制动器(22)、用于记录桨叶的相对位置和变桨速度的位置/速度传感器(23)以及用于检测所述永磁同步电机(21)的运行温度的KTY温度传感器(24)，电机部分(2)中的永磁同步电机(21)的驱动电流输入端通过螺栓固定到驱动电路(11)的驱动电流输出端；电机制动器(22)、位置/速度传感器(23)、KTY温度传感器(24)分别通过接线端子连接到驱动部分(1)控制电路(13)相应的接口；
其中，所述控制电路(13)的驱动信号输出端连接到所述驱动电路(11)的驱动信号输入端，所述驱动电路(11)的驱动信号输出端连接到所述永磁同步电机(21)的驱动信号输入端，所述电机制动器(22)连接到所述控制电路(13)的制动器接口，所述位置/速度传感器(23)配置成连接到所述控制电路(13)的编码器接口，所述KTY温度传感器(24)配置成连接到所述控制电路(13)的温度传感器接口；
驱动电路(11)接收控制电路(13)的控制信号，驱动IGBT并反馈状态，提供电压隔离以及保护；
控制电路(13)建立IGBT模块损耗及结温的计算模型，利用IGBT热特性等效为RC电路来进行热损耗的动态解析，并配合IGBT模块内置测温热电阻的数据动态估算GBT模块工作结温；同时配合动态载频调整策略来限制IGBT模块最高结温，提高风电变桨系统的过载能力，满足变桨运行特定工况。
2.如权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：
所述驱动部分(1)的所述控制电路(13)内置有控制逻辑，使得能够在通信中断或者安全链信号丢失时把变桨位置设置为安全位置，并通过所述驱动电路(11)驱动所述永磁同步电机(21)运行到所述安全位置后停止。
3.如权利要求2所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：所述安全位置为90度的顺桨位置。
4.如权利要求2所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：所述驱动部分(1)设置有加热电阻，用于进行预热以便在-40℃环境下运行所述用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机。
5.如权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：
所述驱动部分(1)配置成同时借助有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种控制方式来调节所述永磁同步电机(21)输出电流和转矩，其中所述无速度传感器矢量控制作为所述有速度传感器矢量控制的热备份同时进行，当所述有速度传感器矢量控制失效时，所述驱动部分(1)自动切换到无速度传感器矢量控制模式下运行。
6.如权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：
所述驱动部分(1)设置有分别连接在所述控制电路(13)上的DI接口(102)和DO接口(103)，所述DI接口(102)包括限位开关通道和安全链输入通道，所述DO接口(103)包括安全链反馈通道，所述限位开关通道、所述安全链输入通道和所述安全链反馈通道连接到所述控制电路(13)的安全继电器接口。
7.如权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：
所述驱动部分(1)设置有连接在所述控制电路(13)上的CANopen/EtherCAT接口(104)、以太网接口(105)和RS-485接口(106)，所述CANopen/EtherCAT接口(104)用作与控制器通信的接口，所述以太网接口(105)用作所述驱动电机一体机的控制程序升级、故障诊断和远程维护接口，所述RS-485接口(106)用作所述驱动部分(1)底层程序升级接口。
8.如权利要求1所述的用于风力发电变桨系统的驱动电机一体机，其特征在于：
所述驱动部分(1)配置成能通过外部直流电源(101)供电，额定直流电压范围为150V～450V，所述驱动电路(11)的电源输入端和所述开关电源(12)的电源输入端分别连接到直流母线上，所述控制电路(13)的电源输入端与所述开关电源(12)的输出端相连。
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