CN207380502U - 一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，涉及空气密度参数的装置，具体涉及一种为风力发电机组提供空气密度参数的装置。包括壳体、防尘网、集成传感器电路板、螺栓固定结构、线缆接头、屏蔽线缆、微处理器模块、信号输出模块、电源模块、防雷模块。本实用新型测量范围和精度能满足风力发电机组系统的要求，在数据采集的过程中，加入分线段差值拟合对传感器的数据采集误差，进行修正。其信号输出模块包括RS485串口、CAN‑BUS总线和以太网，能兼容当下任何风力发电机组的控制系统。而且，还加入防雷模块保护装置、微处理器模块、信号输出模块，能符合各种风力发电机组的，使用环境的安全要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及空气密度参数的装置，具体涉及一种为风力发电机组提供空气密度参数的装置。
背景技术
空气密度是指在一定的温度和压力下，单位体积空气所具有的质量。在标准条件下即：0℃，1个标准大气压(1atm)，空气密度约为1.29Kg/m3。所述空气密度监测仪就是监测在不同条件下的空气密度。
本实用新型所述的空气密度监测仪，是为在线监测变桨风力发电系统周边环境的空气密度，便于提高风力发电机的工作效率。
现有技术中，风电机组制造商基本忽略了空气密度的变化，对风电机组输出功率所产生的影响。由于我国地形环境复杂，不同海拔的高度，以及空气湿度的波动，对空气密度的影响特别大。另外，季节的变化，昼夜温差的变化，都会使同一地区的空气密度产生波动。因此，上述几种情况，都会导致风电机组的运行偏离最优状态。即：实际输出功率低于设计输出功率。然而，现有技术中，利用温湿压法研制的产品，其通信协议单一不能通用，而且未做防雷保护，不能直接应用在风力发电机组系统上。
现有技术中，所述空气密度的测量方法有：浮力法、声学法和温湿压法。其中，浮力测量密度的方法以及装置不适合用于风力发电机组上；声学法是利用声场与空气压力的关系来测定空气密度的方法，该方法不能满足风力发电机组的精度要求；温湿压法通过测量空气的温度、湿度、压力计算出空气密度，其精度能满足要求，能适用于风力发电机组的自动控制系统。
本实用新型的目的是：首先，提供一种能实时为风力发电机组的控制系统，提供空气密度数据，用于微调风力发电桨叶的方向，来提高风力发电机组的发电效率。同时，提供一种其信号输出模块具有多功能接口，能够兼容变桨风力发电系统的数据通信协议。第三，提供一种防雷模块能够保证雷击的情况下密度监测仪正常工作，实现数据处理的自动化和测量高精度目的，提高风力发电机组的发电功率。
发明内容
为解决现有技术中，利用温湿压法研制的产品，其通信协议单一不能通用，而且未做防雷保护，不能直接应用在风力发电机组系统上的问题，本实用新型提供如下技术方案：一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，包括壳体1、防尘网2、集成传感器电路板3、螺栓固定结构4、线缆接头5、屏蔽线缆6、微处理器模块、信号输出模块、电源模块、防雷模块；其特征在于：
所述集成传感器电路板3用于测量空气温度、湿度和大气压；
所述微处理器模块用于获取传感器信号数据和空气密度函数计算；
所述信号输出模块用于连接风力发电机组控制系统，其输出的数据信号通过屏蔽线缆连接风力发电机组控制系统；
所述电源模块用于为集成传感器和微处理器供电；
所述防雷模块用于电源模块、微处理模块和信号输出模块的雷击保护。
所述外壳1开有通气孔，以便于集成传感器3与空气充分接触，采集空气中空气密度参数。
所述外壳1通气孔位置的内部，贴上防尘网2，以阻挡固体小颗粒粉尘的进入。
所述线缆接头5具有防水功能，对屏蔽线缆6起保护和防水作用。
所述屏蔽线缆6连接至风力发电机组的控制系统的工控机上。
所述集成传感器能同时采集空气中的温度、湿度和大气压强，并输出温度、湿度和大气压强的数字信息。
所述集成传感器电路板3上通过PCB板的布线连接数字式集成传感器、电源模块、主控芯片、防雷模块以及信号输出模块，其与主控芯片通过I2C的方式进行数据通信。
所述主控芯片将处理好的数据通过信号输出模块发送至风力发电机组控制系统。
所述信号输出模块设有RS485串口总线模块、CAN—BUS总线模块、以太网网口模块。
本实用新型的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪装置，其优点在于：测量范围和精度能满足风力发电机组系统的要求，在数据采集的过程中，加入分线段差值拟合对传感器的数据采集误差，进行修正。其信号输出模块包括RS485串口、CAN-BUS总线和以太网，能兼容当下任何风力发电机组的控制系统。而且，还加入防雷模块保护装置、微处理器模块、信号输出模块，能符合各种风力发电机组的，使用环境的安全要求。
附图说明
图1为本实用新型一种实施方式的壳体结构示意图
图2为本实用新型一种实施方式的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪结构框图
图3为本实用新型的信号处处模块的多功能接口原理图
图4为本实用新型的电源防雷保护电路
图5为本实用新型的RS485防雷保护电路
图6为本实用新型的CAN-BUS防雷保护电路
图7为本实用新型的网口防雷保护电路
具体实施方式
本实用新型最佳实施案例，参见附图所示。如图1所示，一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，由壳体1、用于测量温度、湿度和大气压的集成传感器、用于获取传感器数据信息和进行空气密度函数计算的微处理器模块、用于连接风力发电机组控制系统的信号输出模块、电源模块和防雷模块。集成传感器、微处理模块、电源模块和防雷模块集成在一块电路板上，安装于壳体1内。上述壳体1采用抗震设计、防雨淋设计、防沙尘的封装，能够防腐抗老化以及芯片失效。上述防沙尘的封装技术在外壳1通气孔位置的内部，贴上防尘网2，以阻挡固体小颗粒粉尘的进入。
信号输出模块的通过屏蔽线缆6连接风力发电机组的控制系统，安装于壳体1外部。电源模块为集成传感器和微处理器供电；微处理器的输入端连接集成传感器，其输出端连接信号输出模块。防雷模块保护电源模块、微处理器模块和信号输出模块。上述传感器、微处理模块、电源模块和防雷模块集成在一块电路板上，位于壳体内部；微处理器的输入端连接集成传感器，其输出端连接输出模块。
本实用新型实施案例中，集成传感器的型号采用BME280，微处理器的型号采用32位ARM芯片NXP1768，信号输出模块中的RS485转换芯片的型号采用SP3485，CAN-BUS 转换芯片的型号采用SN65HVD230，网口芯片的型号采用DP83848。
由于我国风力发电机组投入建设的周期比较长，而且技术标准的制定比较晚。因此，风力发电机组的控制系统的接口各不相同，综合调研发现，在可变桨风力发电系统中的信号的传输系统中，通讯接口主要采用三种：RS485、CAN-BUS、以太网口。在控制系统中，RS485接口主要采用的是MODBUS-RTU通信协议；CAN-BUS接口主要采用canopen 通讯协议；以太网口主要采用MODBUS-TCP协议。
为满足本实用新型装置的信号输出模块中的多功能接口的技术功能，上述多功能接口的硬件设计的原理图，如附图3所示。上述主控芯片采用的LPC1768的32位RAM芯片，该芯片内部集成UART(通用异步接收/发送器)、CAN(控制局域网)、以太网模块。上述 RS485接口芯片的信号输入端为：DI、RO引脚，分别连接主控芯片的TXD1、RXD1引脚。上述主控芯片的DTR1引脚，为信号状态控制引脚；该芯片的信号输出端有A、B端，是RS485差分电平信号；上述主控芯片内部，植入了MODBUS-RTU协议，可以实现与早期的只有RS485端口的，风力发电控制系统中的通信。上述主控芯片的SDA1、SCL1引脚，与CAN转换芯片SN65HVD230连接，具体连接方式见附图3。上述主控芯片还植入 canopen协议程序，可以与目前主流风力发电系统的CAN端口进行通信。对于大功率风力发电机组，为了提供通信的稳定性，通信端口主要采用以太网端口。对于上述主控芯片的 ENET_CRS、ENET_RXD0、ENET_RXDI、ENET_TX_EN、ENET_TXDO、ENET_TXDI、 ENET_REF_CLK、ENET_MDC、ENET_MDIO引脚，与以太网口转换芯片DP83848连接，该DP83848芯片的最小系统见附图3；上述主控芯片LPC1768的内部，还植入MODBUS-TCP协议，以便于大功率风力发电机组数据通信。
由于风力发电机组容易受到雷电袭击，故需要对本实用新型的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，进行雷电防护。本实用新型实施案例上述的主控芯片，还可配置风力发电机组系统中的防雷结构。如附图4所示的电路图，是为电源模块提供的防护。本实用新型的风力发电机组控制系统，其电源电压为24V的直流恒压电源。若电源的电压，受到超过40V的电压扰动，则电源防护电路中的压敏电阻(TVM1)和气体放电管(GD52R090)，会对大地短路，来泄放雷击电流，保护微处理器模块和集成传感器模块。雷击过后，电源防护电路中压敏电阻(TVM1)和气体放电管(GD52R090)恢复对大地形成的开路，电源供电电路恢复正常电压。
一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，在正常工作过程，信号输出模块的RS485防雷保护电路，参见附图5所示。其工作原理是：利用静电阻抗器(ESD)、自恢复保险丝(PPTC)和气体放电管的组合，实现其防雷保护功能。附图6是CAN-BUS防雷保护电路，其主要依靠气体放电管和瞬变抑制二极管，来达到雷电防护功能。对于以太网口的雷电防护，参见附图7所示的电路原理图。上述以太网口的雷电防护电路，主要保护的是网口芯片DP83848和以及RJ45端口。上述网口芯片DP83848的信号输出引脚：TD+、TD- 、RD+、RD-，则通过气体放电管(T83-A90X)对地短路保护；RJ45端口则通过静电阻抗器(ESD)对地保护；通过压敏电阻(mov1、mov2、mov3、mov4)对于3.3V与GND断开保护。
本实用新型实施案例的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，上述主控芯片通过I2C电平形式，与集成传感器通信，获取空气中的温度、湿度、大气压数据信息，并且通过分段线性化修正所获得数据。修正后的数据，根据空气密度公式获得空气密度，分别通过RS485串口、CAN-BUS总线端口、以太网端口对应的modbus RTU协议、canopen 协议、modbus TCP协议，将空气的温度、湿度、大气压数据，以及计算所得的空气密度数据，传输给风力发电机组的控制系统的上位机。
上述电源模块主要为24V转5V的直流转换模块，以及5V转3.3V模块，为数字式集成传感器、主控芯片、防雷模块，以及信号输出模块提供电源。
装置工作过程如下：
本实用新型的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪的装置上电，上述集成传感器与上述主控芯片进行时钟初始化；首先进行自检，判断获得传感器信号数据是否正常。若数据信号不正常，自动丢弃数据，无法进入下一阶段，目的是：防止为风力发电机组提供错误的数据，造成经济损失。若数据信号正常，则利用分段线性化修正所获得的温度、湿度、大气压数据信号，将所修正的值，输入空气密度计算公式，计算出空气密度值。利用modbus RTU协议、canopen协议、modbus TCP协议，将空气密度值通过RS485串口、CAN-BUS总线、以太网端口，发送至风力发电机组的控制系统上位机，提高风力发电机组的发电功率。
Claims (9)
1.一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，包括壳体(1)、防尘网(2)、集成传感器电路板(3)、螺栓固定结构(4)、线缆接头(5)、屏蔽线缆(6)、微处理器模块、信号输出模块、电源模块、防雷模块；其特征在于：集成传感器、微处理模块、电源模块和防雷模块集成在同一块电路板上，安装于壳体(1)内；
所述集成传感器电路板(3)用于测量空气温度、湿度和大气压；
所述微处理器模块用于获取传感器信号数据和空气密度函数计算；
所述信号输出模块用于连接风力发电机组控制系统，其输出的数据信号通过屏蔽线缆连接风力发电机组控制系统；
所述电源模块用于为集成传感器和微处理器供电；
所述防雷模块用于电源模块、微处理模块和信号输出模块的雷击保护。
2.根据权利要求1所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述壳体(1)开有通气孔，以便于集成传感器电路板(3)与空气充分接触，采集空气中空气密度参数。
3.根据权利要求2所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述壳体(1)通气孔位置的内部，贴上防尘网(2)，以阻挡固体小颗粒粉尘的进入。
4.根据权利要求1所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述线缆接头(5)具有防水功能，对屏蔽线缆(6)起保护和防水作用。
5.根据权利要求1所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述屏蔽线缆(6)连接至风力发电机组的控制系统的工控机上。
6.根据权利要求1所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述集成传感器能同时采集空气中的温度、湿度和大气压强，并输出温度、湿度和大气压强的数字信息。
7.根据权利要求1所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述集成传感器电路板(3)上通过PCB板的布线连接数字式集成传感器、电源模块、主控芯片、防雷模块以及信号输出模块，其与主控芯片通过I2C的方式进行数据通信。
8.根据权利要求7所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述主控芯片将处理好的数据通过信号输出模块发送至风力发电机组控制系统。
9.根据权利要求1所述的一种变桨风力发电系统的在线式空气密度监测仪，其特征在于，所述信号输出模块设有RS485串口总线模块、CAN—BUS总线模块、以太网网口模块。
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|---|---|---|---|---|
| CN112444288A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-05 | 宁波九荣环保科技有限公司 | 一种基于以太网供电和数据传输的传感器系统 |
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