CN114320743A - 一种一体式风电变桨系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电变桨控制技术领域，具体涉及一种一体式风电变桨系统。其技术方案为：一种一体式风电变桨系统，其特征在于，包括风机主控单元，风机主控单元电连接有滑环，滑环电连接有整流充电模块，整流充电模块分别电连接有若干驱动电机一体机，驱动电机一体机的输出端连接有减速箱，减速箱的输出端通过变桨轴承连接有桨叶；所述驱动电机一体机内部集成有功率模块和交流永磁同步电机。本发明提供了一种布线简单的一体式风电变桨系统。

Description

一种一体式风电变桨系统

技术领域

本发明属于风力发电变桨控制技术领域，具体涉及一种一体式风电变桨系统。

背景技术

变桨系统是风力发电机组的核心控制系统之一，其安全可靠直接关系着整台风机的安全可靠。变桨系统主要功能为：一方面在机组正常状态下根据风机主控系统的目标位置调节风力发电机组桨叶的桨角，改变气流对桨叶的攻角，使风力发电机组的输出功率能够根据风速的大小进行自动调节，保证风力发电机组的输出功率最高，并且输出在额定功率以内；另一方面是在风力发电机组发生严重故障等极端情况下能够完成紧急收桨，保证风机安全停机。

当前变桨系统正朝着集成化方向发展，变桨系统结构越来越简单，现有的风力发电机组变桨系统最重要的核心部件是变桨驱动器和变桨电机，变桨驱动器首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电进行整流，得到相应的直流电，经过整流好的三相电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流电机。驱动器与电机独立分开的变桨系统方案，其一方面会占用较多空间，造成携带运输和安装使用的不便，另一方面驱动器和电机间需要通过电缆进行供电、控制和信号反馈，也使变桨系统布线布局繁琐，故障点多，使用起来极不方便。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种布线简单的一体式风电变桨系统。

本发明所采用的技术方案为：

一种一体式风电变桨系统，其特征在于，包括风机主控单元，风机主控单元电连接有滑环，滑环电连接有整流充电模块，整流充电模块分别电连接有若干驱动电机一体机，驱动电机一体机的输出端连接有减速箱，减速箱的输出端通过变桨轴承连接有桨叶；所述驱动电机一体机内部集成有功率模块和交流永磁同步电机。

本发明的整流充电模块的内部集成有一个AC/DC模块和若干DC/DC模块；所述AC/DC模块将滑环过来的输入三相电进行整流并输出直流电给DC/DC模块，DC/DC模块输出直流电同时给后备电源和驱动电机一体机。通过后备电源对驱动电机一体机供电，避免电网发生故障时驱动电机一体机断电的情况，保障机组能够紧急停机。

本发明的驱动电机一体机内部集成了功率模块和交流永磁同步电机，功率模块将整流充电模块输入的直流电经过脉冲宽度调制成交流电输出给内部集成的交流永磁同步电机；控制模块根据风机主控单元下发的目标位置等控制指令采用从内到外依次为电流、速度、位置的三闭环控制方式，实现转矩、速度、位置的精确定位控制。

在驱动电机一体机内部集成了功率模块和交流永磁同步电机的基础上，整流充电模块可分别连接多个驱动电机一体机，从而减少整流充电模块的数量。本发明结构简单，占用空间较少，运输和安装使用方便，由于采用驱动电机一体机和一个整流充电模块，可简化变桨系统布线布局，从而降低变桨系统故障率，提高变桨系统稳定性。

作为本发明的优选方案，所述整流充电模块中集成了变桨控制器，风机主控单元上的通信线缆经过滑环接入变桨控制器，变桨控制器通过通讯线缆连接其中一个驱动电机一体机，若干驱动电机一体机依次通过通讯线缆连接。变桨控制器控制各驱动电机一体机的动作。

作为本发明的优选方案，所述变桨控制器上设置DI点和DO点，驱动电机一体机上设置急停DI点，风机主控模块的安全链信号经过滑环分别接入整流充电模块内集成的变桨控制器的DI点和驱动电机一体机的急停DI点；其中，DI点为数字量输入信号点，DO点为数字量输出信号点。当风机发生故障时，风机主控模块输出断开安全链信号，急停信号低电平触发，变桨系统开始紧急停机。

作为本发明的优选方案，所述驱动电机一体机中集成有变桨控制器，风机主控单元上的通信线缆经过滑环接入其中一个驱动电机一体机，若干驱动电机一体机内的变桨控制器依次通过通讯线缆连接。变桨控制器直接集成到驱动电机一体机中，变桨控制器控制驱动电机一体机动作。

作为本发明的优选方案，所述驱动电机一体机内集成的变桨控制器上设置DI点和DO点，风机主控单元的安全链信号经过滑环分别进入若干驱动电机一体机内集成的变桨控制器的急停DI点；其中，DI点为数字量输入信号点，DO点为数字量输出信号点。当风机发生故障时，风机主控模块输出断开安全链信号，急停信号低电平触发，变桨系统开始紧急停机。

作为本发明的优选方案，所述驱动电机一体机内部还集成有控制模块、开关电源、电机制动器、转速和位置反馈器件以及温度传感器。

作为本发明的优选方案，还包括限位开关，限位开关的常开触点串联在驱动电机一体机的DI点，限位开关常闭触点串联在驱动电机一体机的使能上，变桨轴承上连接有用于触发限位开关的撞杆。当桨叶转到极限位置时，变桨轴承上的撞杆触发限位开关，桨叶停止转动，保障机组安全。

作为本发明的优选方案，还包括接近开关，接近开关的探头安装在轮毂外壁特定角度位置上。接近开关探头安装在变桨轴承特定位置，当变桨轴承上的撞杆扫过接近开关探头，采集到的角度信号输入到驱动电机一体机的DI点，用于校验驱动电机一体机内部集成的转速和位置反馈器件的角度值。

作为本发明的优选方案，所述整流充电模块的功率选型根据P=K•3•Pi，Pi为驱动电机一体机的额定功率，K＜1，K和Pi根据机型具体载荷确定。

本发明的有益效果为：

本发明的驱动电机一体机内部集成了功率模块和交流永磁同步电机的基础上，整流充电模块可分别连接多个驱动电机一体机，从而减少整流充电模块的数量。本发明结构简单，占用空间较少，运输和安装使用方便，由于采用驱动电机一体机和一个整流充电模块，可简化变桨系统布线布局，从而降低变桨系统故障率，提高变桨系统稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例1中变桨系统通讯回路和安全链信号回路示意图；

图3是实施例1中整流充电模块电气输入输出示意图；

图4是实施例1中驱动电机一体机电气输入输出示意图；

图5是实施例2中变桨系统通讯回路和安全链信号回路示意图；

图6是实施例2中整流充电模块电气输入输出示意图；

图7是实施例2中驱动电机一体机电气输入输出示意图。

图中，1-风机主控单元；2-滑环；3-整流充电模块；4-驱动电机一体机；5-减速箱；6-桨叶；7-限位开关；8-接近开关；9-后备电源。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一体式风电变桨系统，风机主控单元1与滑环2电连接，滑环2与整流充电模块3电连接，整流充电模块3分别电连接有三个驱动电机一体机4，减速箱5与驱动电机一体机4的输出端连接，减速箱5的输出端通过变桨轴承与桨叶6连接；所述驱动电机一体机4内部集成有功率模块和交流永磁同步电机。

所述整流充电模块3内部集成有一个AC/DC模块、三个DC/DC模块、两个开关电源以及多个电抗模块等。AC/DC模块将滑环2过来的输入三相电进行整流，输出的直流电并联给三个DC/DC模块，DC/DC模块输出直流电同时给后备电源9和驱动电机一体机4。当电网发生故障时，后备电源9可为变桨系统提供稳定能量，保障机组能够紧急停机。

其中，所述整流充电模块3的功率选型根据P=K•3•Pi，Pi为驱动电机一体机4的额定功率，K＜1，K和Pi根据机型具体载荷确定。

驱动电机一体机4内部集成有功率模块、控制模块、交流永磁同步电机、开关电源、电机制动器、转速和位置反馈器件以及温度传感器等。其中，功率模块将整流充电模块3输入的直流电经过脉冲宽度调制成交流电输出给内部集成的交流永磁同步电机。控制模块根据风机主控单元1下发的目标位置等控制指令采用从内到外依次为电流、速度、位置的三闭环控制方式，实现转矩、速度、位置的精确定位控制。驱动电机一体机4的电机轴承连接减速箱5，减速箱5通过变桨轴承连接桨叶6，从而变桨系统带动桨叶6进行调桨。

限位开关7安装在变桨轴承内侧的轮毂壁上，变桨轴承内侧安装有撞杆，限位开关7常开触点串联在驱动电机一体机4的DI点，限位开关7常闭触点串联在驱动电机一体机4的使能上。当桨叶6转到极限位置时，变桨轴承上的撞杆触发限位开关7，叶片停止转动，保障机组安全。接近开关8探头安装在变桨轴承内侧的轮毂壁上特定位置，当变桨轴承上的撞杆扫过接近开关8探头，采集的角度信号输入到驱动电机一体机4的DI点，用于校验驱动电机一体机4上集成的转速和位置反馈器件的角度值。

后备电源9可以使用超级电容、蓄电池或其他储能设备。当驱动电机一体机4直流母线过压时可以采用将能量反充给后备电源9的方式泄能，也可以采用制动电阻泄能方式。驱动电机一体机4使用风冷的散热方式。

本发明的驱动电机一体机4内部集成了功率模块和交流永磁同步电机，功率模块将整流充电模块3输入的直流电经过脉冲宽度调制成交流电输出给内部集成的交流永磁同步电机；控制模块根据风机主控单元1下发的目标位置等控制指令采用从内到外依次为电流、速度、位置的三闭环控制方式，实现转矩、速度、位置的精确定位控制。

在驱动电机一体机4内部集成了功率模块和交流永磁同步电机的基础上，整流充电模块3可分别连接多个驱动电机一体机4，从而减少整流充电模块3的数量。本发明结构简单，占用空间较少，运输和安装使用方便，由于采用驱动电机一体机4和一个整流充电模块3，可简化变桨系统布线布局。

如图2、图3、图4所示，整流充电模块3中集成了变桨控制器，风机主控过来的通信线缆经过滑环2接入整流充电模块3，通讯线缆从整流充电模块3出来接入其中一个驱动电机一体机4，通讯线缆从该驱动电机一体机4出来接入第二个驱动电机一体机4，通讯线缆从第二个驱动电机一体机4出来接入第三个驱动电机一体机4，通过手拉手的总线通讯方式实现风机主控与变桨系统的通讯。风机主控单元1过来的24V安全链信号，经过滑环2分别接入整流充电模块3内集成的变桨控制器的DI点和三个轴的驱动电机一体机4的急停DI点。当风机发生故障时，风机主控单元1输出断开24V安全链信号，急停信号低电平触发，变桨系统开始紧急停机。可根据具体需求自定义整流充电模块3内部集成的变桨控制器的DI和DO点等；其中，DI点为数字量输入信号点，DO点为数字量输出信号点。

实施例2：

如图1所示，本实施例的一体式风电变桨系统，包括整流充电模块3，风机主控单元1与滑环2电连接，滑环2与整流充电模块3电连接，整流充电模块3分别电连接有三个驱动电机一体机4，减速箱5与驱动电机一体机4的输出端连接，减速箱5的输出端通过变桨轴承与桨叶6连接；所述驱动电机一体机4内部集成有功率模块和交流永磁同步电机。

所述整流充电模块3内部集成有一个AC/DC模块、三个DC/DC模块、两个开关电源以及多个电抗模块等。AC/DC模块将滑环2过来的输入三相电进行整流，输出的直流电并联给三个DC/DC模块，DC/DC模块输出直流电同时给后备电源9和驱动电机一体机4。当电网发生故障时，后备电源9可为变桨系统提供稳定能量，保障机组能够紧急停机。

其中，所述整流充电模块3的功率选型根据P=K•3•Pi，Pi为驱动电机一体机4的额定功率，K＜1，K和Pi根据机型具体载荷确定。

驱动电机一体机4内部集成有功率模块、控制模块、交流永磁同步电机、开关电源、电机制动器、转速和位置反馈器件以及温度传感器等。其中，功率模块将整流充电模块3输入的直流电经过脉冲宽度调制成交流电输出给内部集成的交流永磁同步电机。控制模块根据风机主控单元1下发的目标位置等控制指令采用从内到外依次为电流、速度、位置的三闭环控制方式，实现转矩、速度、位置的精确定位控制。驱动电机一体机4的电机轴承连接减速箱5，减速箱5通过变桨轴承连接桨叶6，从而变桨系统带动桨叶6进行调桨。

限位开关7安装在变桨轴承内侧的轮毂壁上，变桨轴承内侧安装有撞杆，限位开关7常开触点串联在驱动电机一体机4的DI点，限位开关7常闭触点串联在驱动电机一体机4的使能上。当桨叶6转到极限位置时，变桨轴承上的撞杆触发限位开关7，叶片停止转动，保障机组安全。接近开关8探头安装在变桨轴承内侧的轮毂壁上特定位置，当变桨轴承上的撞杆扫过接近开关8探头，采集的角度信号输入到驱动电机一体机4的DI点，用于校验驱动电机一体机4上集成的转速和位置反馈器件的角度值。

后备电源9可以使用超级电容、蓄电池或其他储能设备。当驱动电机一体机4直流母线过压时可以采用将能量反充给后备电源9的方式泄能，也可以采用制动电阻泄能方式。驱动电机一体机4使用风冷的散热方式。

本发明的驱动电机一体机4内部集成了功率模块和交流永磁同步电机，功率模块将整流充电模块3输入的直流电经过脉冲宽度调制成交流电输出给内部集成的交流永磁同步电机；控制模块根据风机主控单元1下发的目标位置等控制指令采用从内到外依次为电流、速度、位置的三闭环控制方式，实现转矩、速度、位置的精确定位控制。

在驱动电机一体机4内部集成了功率模块和交流永磁同步电机的基础上，整流充电模块3可分别连接多个驱动电机一体机4，从而减少整流充电模块3的数量。本发明结构简单，占用空间较少，运输和安装使用方便，由于采用驱动电机一体机4和一个整流充电模块3，可简化变桨系统布线布局。

如图5、图6、图7所示，变桨控制器集成在驱动电机一体机4中。风机主控单元1过来的通讯线缆经过滑环2接入其中一个驱动电机一体机4，通讯线缆从该驱动电机一体机4出来接入第二个驱动电机一体机4，通讯线缆从第二个驱动电机一体机4出来接入第三个驱动电机一体机4，通过手拉手的总线通讯方式实现风机主控与变桨系统的通讯。风机主控单元1过来的24V安全链信号，经过滑环2分别进入三个驱动电机一体机4的急停DI点。当风机发生故障时，风机主控单元1输出断开24V安全链信号，急停信号低电平触发，变桨系统开始紧急停机。可根据具体需求自定义驱动电机一体机4内部集成的变桨控制器的DI和DO点等；其中，DI点为数字量输入信号点，DO点为数字量输出信号点。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体式风电变桨系统，其特征在于，包括风机主控单元（1），风机主控单元（1）电连接有滑环（2），滑环（2）电连接有整流充电模块（3），整流充电模块（3）分别电连接有若干驱动电机一体机（4），驱动电机一体机（4）的输出端连接有减速箱（5），减速箱（5）的输出端通过变桨轴承连接有桨叶（6）；所述驱动电机一体机（4）内部集成有功率模块和交流永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，所述整流充电模块（3）的内部集成有一个AC/DC模块和若干DC/DC模块；所述AC/DC模块将滑环过来的输入三相电进行整流并输出直流电给DC/DC模块。

3.根据权利要求2所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，还包括后备电源（9），整流充电模块（3）内部集成的DC/DC模块同时输出直流电到后备电源（9）和驱动电机一体机（4）。

4.根据权利要求1所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，所述整流充电模块（3）中集成了变桨控制器，风机主控单元（1）上的通信线缆经过滑环（2）接入变桨控制器，变桨控制器通过通讯线缆连接其中一个驱动电机一体机（4），若干驱动电机一体机（4）依次通过通讯线缆连接。

5.根据权利要求4所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，所述变桨控制器上设置DI点和DO点，驱动电机一体机（4）上设置急停DI点，风机主控模块的安全链信号经过滑环（2）分别接入整流充电模块（3）内集成的变桨控制器的DI点和驱动电机一体机（4）的急停DI点；其中，DI点为数字量输入信号点，DO点为数字量输出信号点。

6.根据权利要求1所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，所述驱动电机一体机（4）中集成有变桨控制器，风机主控单元（1）上的通信线缆经过滑环（2）接入其中一个驱动电机一体机（4）内集成的变桨控制器，若干驱动电机一体机（4）内的变桨控制器依次通过通讯线缆连接。

7.根据权利要求6所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，所述驱动电机一体机（4）内集成的变桨控制器上设置DI点和DO点，风机主控单元（1）的安全链信号经过滑环（2）分别进入若干驱动电机一体机（4）内集成的变桨控制器的急停DI点；其中，DI点为数字量输入信号点，DO点为数字量输出信号点。

8.根据权利要求1所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，所述驱动电机一体机（4）内部还集成有控制模块、开关电源、电机制动器、转速和位置反馈器件以及温度传感器。

9.根据权利要求1所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，还包括限位开关（7），限位开关（7）的常开触点串联在驱动电机一体机（4）的DI点，限位开关（7）常闭触点串联在驱动电机一体机（4）的使能上，变桨轴承上连接有用于触发限位开关（7）的撞杆。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的一种一体式风电变桨系统，其特征在于，还包括接近开关（8），接近开关（8）的探头安装在轮毂外壁设定角度位置上。

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