CN208138089U - 一种电动风帆可控驱动发电机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动风帆可控驱动发电机系统，该系统包括蓄电池、双向DC/DC变换模块、电机系统、风机、风帆、风帆检测模块、集成控制器和能量监测模块等。本实用新型将电机和风机叶轮集成在一起，设计了一种新型风电机组结构。本实用新型在不同风况下控制电机工作在电动/发电状态，实现电动风帆助航、转向和发电的功能。电机与风机叶轮集成的一体化结构不仅可以降低成本，而且节约风帆上的空间；同时通过控制系统实现整个系统驱动性能的优化。

Description

一种电动风帆可控驱动发电机系统

技术领域

本实用新型涉及一种综合利用太阳能、风能的驱动/发电装置，尤其是一种电动风帆可控驱动发电机系统。

背景技术

随着能源紧缺和环境污染问题的日益严重，人们在各行各业中推行绿色环保的理念。在船舶航行方面，目前的小型船舶多设计为流线型结构，采用柴油机、电池堆等驱动，摒弃了传统船舶的风帆结构，忽视了船舶在航行过程中对风能的利用，造成了资源的浪费。目前世界各国在能源危机的压力下，借鉴传统风帆船相继研究并开发多功能风帆在现代船舶上的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对目前船舶上风帆对风能利用的不足，提供了一种电动风帆可控驱动发电机系统，使得电机在复杂的风况下能够自主工作在电动/发电状态，实现电动风帆的助航、转向和发电的功能。

为达到上述目的，本实用新型的构思是：

本实用新型一种电动风帆可控驱动发电机系统，将电机和风机叶轮集成在一起，在不同风况下控制电机工作在电动/发电状态，实现电动风帆助航、转向和发电的功能。电机和风机叶轮集成的一体化结构不仅可以降低成本，而且节约风帆上的空间；同时通过控制系统实现整个系统驱动性能的优化。这种对风能进行有效利用的可控驱动—发电机系统，无论对于船舶本身驱动及续航性能的优化，还是提高能量的利用效率，都具有重要的学术价值和应用价值。

根据上述构思，本实用新型采用下述技术方案：

一种电动风帆可控驱动发电机系统，包括蓄电池、双向DC/DC变换模块、电机系统、风机、风帆、风帆检测模块、集成控制器和能量监测模块，所述电机系统和风机组成风电机组，所述双向DC/DC变换模块分别与蓄电池以及风电机组连接，所述风帆两侧对称分布风电机组阵列，所述风帆检测模块与风帆以及集成控制器连接；所述集成控制器与风电机组、风帆检测模块以及能量监测模块连接；所述能量监测模块与蓄电池以及风电机组连接；其中，

所述蓄电池为整个系统提供电能，同时也储存电机系统转化的电能；

所述双向DC/DC变换模块用于对蓄电池的充放电电压进行升压、降压；

所述电机系统用于根据集成控制器发出的控制信号控制电机的运行，并根据能量监测模块反馈的过压、过流、短路信号，判断系统当前的运转状态和健康状态，并在系统异常或故障发生时及时硬件保护；

所述风机用于改变风帆帆面上的空气流速，并将进入的气流方向转变为轴向；

所述风帆的两侧对称分布风电机组阵列；

所述风帆检测模块用于检测风帆上风向、风速以及风帆与其轴心间的倾角信号；

所述集成控制器用于接收外界风速、风向、风帆倾角信号并控制电机工作在电动或发电状态，根据能量监测模块获取的蓄电池电压、剩余电量、逆变驱动模块的直流电压、直流电流的电气参数，控制电机系统当前的工作状态；

所述能量监测模块用于实时监测蓄电池电压、剩余电量、逆变驱动模块的直流电压、直流电流和逆变器散热器温度信号。

所述电机系统包括电机、位置检测模块、驱动控制模块、逆变驱动模块和制动保护模块，所述位置检测模块用于检测电机的转子位置信息，所述驱动控制模块通过采样电路和传感器获取电机的三相电流信号、三相电压信号、电机输出转矩、转速的电气参数，输出PWM脉宽调制信号，所述逆变驱动模块用于将驱动控制模块输出的六路PWM脉宽调制信号转化为相应MOSFET管驱动信号，MOSFET管反并联二极管，并根据所述驱动信号导通和关断，所述制动保护模块用于根据能量监测模块反馈的逆变驱动模块的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度信号，判断逆变电路是否异常或故障，并在电路发生异常或故障时及时硬件保护。

所述风帆检测模块包括检测风帆上风向的风向检测模块、检测风帆上风速的风速检测模块以及检测风帆与轴心间倾角的风帆倾角检测模块。

所述集成控制器包括信号接收模块、信号解析模块、监测保护模块和控制模块，所述信号接收模块与风向检测模块、风速检测模块、风帆倾角检测模块以及位置检测模块相连，所述信号解析模块与所述的信号接收模块相连，用于解析风向、风速、风速变化率和风帆倾角信号；所述监测保护模块与能量监测模块相连，用于监测所述能量监测模块反馈的逆变驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度信号的异常情况，并在系统异常或故障时及时软件保护；所述控制模块与信号解析模块以及监测保护模块相连，用于根据风帆检测模块采集的外界风速、风向、风帆倾角信号控制电机工作在电动/发电状态，通过对计算出的风速变化率进行模糊化和解模糊化处理，自主调节风电机组阵列的运转组数和电机转速。

所述能量监测模块包括蓄电池监测模块、逆变器异常监测模块和温度监测模块，所述蓄电池监测模块用于实时监测蓄电池的电压和电量信息，所述逆变器异常监测模块用于实时监测逆变驱动器的直流电压和直流电流信息，并在逆变驱动器发生过压、过流或短路异常或故障时，向集成控制器发出报警信号，所述温度监测模块用于实时监测逆变器散热器的温度，并在温度过高时向集成控制器发出报警信号。

在所述风电机组中，风机的叶轮的叶尾端固定在电机的空心转子的内表面，叶尖指向圆心，空心转子的外表面和轴承的内圈连接，轴承的外圈与定子连接，轴承的半径比空心转子的半径略大，比定子的半径略小。

本实用新型与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性和技术进步：

本实用新型有效地将风机叶轮捕获的风能转换为电能，提高了系统的续航能力，具有实用性。

本实用新型利用传感器和采样电路获取外界风速、风向、风帆倾角、电池电压、逆变驱动器的直流电压、直流电流等参数信息，检测方法简单且能够实时监测，易于实现数字控制，具有可行性。

本实用新型通过集成控制器对外界风速信息进行模糊化和解模糊化处理，自适应地调节帆面两侧工作的风电机组数目和电机转速，进而实现风帆的自主转向和助航功能，具有先进性。

本实用新型通过将电机和风机叶轮集成在一起，提供了一种新型的体积小、材料节省的风电机组的设计方案，同时实现了风电机组既作为电力驱动的执行部件，又作为电能的产生部件，具有创新性。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理示意图。

图2为电机系统示意图。

图3为逆变驱动模块电路图。

图4为能量监测模块示意图。

图5为风电机组的设计示意图。

图6为风电机组阵列结构示意图。

图7为风电机组阵列的模糊控制软件流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种电动风帆可控驱动发电机系统，包括蓄电池10、双向DC/DC变换模块20、电机系统30、风机40、风帆50、风帆检测模块60、集成控制器70和能量监测模块80等8个模块。所述电机系统30和风机40组成风电机组，所述双向DC/DC变换模块20分别与蓄电池10以及风电机组连接，所述风帆50两侧对称分布风电机组阵列，所述风帆检测模块60与风帆50以及集成控制器70连接；所述集成控制器70与风电机组、风帆检测模块60以及能量监测模块80连接；所述能量监测模块80与蓄电池10以及风电机组连接；其中，所述蓄电池10为整个系统提供电能同时也储存电机所转化的电能。所述双向DC/DC变换模块20用于对蓄电池的充放电电压进行升、降压。所述电机系统30用于根据集成控制器发出的控制信号控制电机的运行，并根据能量监测模块反馈的过压、过流、短路等信号，判断系统当前的运转状态和健康状态，并在系统异常或故障发生时及时硬件保护。所述风机40用于改变帆面上的空气流速，并将进入的气流方向转变为轴向。所述风帆50用于在两侧对称分布风机、电机阵列。所述风帆检测模块60用于检测风帆上风向、风速以及风帆与轴心间倾角等信号。所述集成控制器70用于接收外界风速、风向、风帆倾角等信号并控制电机工作在电动和发电状态，根据能量监测模块获取的蓄电池电池电压、剩余电量、逆变驱动器的直流电压、直流电流等电气参数控制电机系统30当前的工作状态。所述能量监测模块80用于实时监测蓄电池电压、剩余电量、逆变驱动器的直流电压、直流电流和逆变器散热器温度等信号。

如图2所示，所述电机系统30包括电机31、位置检测模块32、驱动控制模块33、逆变驱动模块34和制动保护模块35。所述位置检测模块32用于检测电机转子位置信息。驱动控制模块33通过采样电路和传感器获取电机三相电流信号、三相电压信号、电机输出转矩、转速等电气参数，输出PWM脉宽调制信号。逆变驱动模块34用于将驱动控制模块33输出的6路PWM调制信号转化为相应MOSFET管驱动信号，MOSFET管反并联二极管，并根据所述驱动信号导通和关断。制动保护模块35用于根据能量监测模块反馈的逆变驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度等信号，判断逆变电路是否异常或故障，并在电路发生异常或故障时及时硬件保护。

如图3所示，所述逆变驱动模块34采用了6个MOSFET管。（1）在逆变驱动模块34中，下桥臂的MOSFET管Q4/Q5/Q6由驱动控制模块的PWM输出口直接驱动，当上桥臂的驱动电路有效时，MOSFET管Q1/Q2/Q3的栅极电压必须不低于27V，通过倍压整流电路提供2倍电源电压，保证功率管充分导通。（2）MOSFET管栅源极间的电阻值是很大的，只要少量的静电作用就能使栅源极间的等效电容两端产生很高的电压，此电压会将很薄的栅源氧化层击穿。因此，在栅源间并联电阻将结电容的电放掉，并联稳压管控制栅源间电压不超过20V。本实施例中，驱动电路中的电阻R3、R7、R11、R14、R17、R20为保护电阻，15V稳压管DZ1、DZ2、DZ3、DZ4、DZ5、DZ6为保护二极管。（3）若直接驱动MOSFET管会引起功率管快速地开通和关断，可能会使功率管承受过高的而引起误导通，因此在MOSFET管的栅极和驱动芯片间串联一个电阻。驱动电路中的R13、R16、R19为栅极限流电阻。（4）虽然MOSFET漏源击穿电压一般都很大，但如果漏源间不加保护电路，也有可能在器件开关瞬间电流突变产生漏极尖峰电压，进而损坏MOSFET管。因此，在功率管的漏极和源极间增加一个RC电路对其进行保护。

如图4所示，所述能量监测模块80包括蓄电池监测模块81、逆变器异常监测模块82和温度监测模块83。蓄电池监测模块81用于实时监测蓄电池电压和电量等信息。逆变器异常监测模块82用于实时监测逆变驱动器的直流电压和直流电流等信息，并在逆变驱动器发生过压、过流和短路等异常或故障时向集成控制器发出报警信号。温度监测模块83用于实时监测逆变器散热器的温度，并在温度过高时向集成控制器发出报警信号。

如图5所示，所述风电机组包括电机定子100、轴承200、空心转子300和叶轮400，叶轮400的叶尾端固定在电机31的空心转子300的内表面，叶尖指向圆心。空心转子300的外表面和轴承200的内圈连接，轴承200的外圈与定子100连接。轴承200的半径比空心转子300的半径略大，比定子100的半径略小。

如图6所示，风电机组阵列对称分布在风帆帆面两侧，并将电机系统30和风机40集成在一起。集成控制器70根据接收的外界风速、风向、风帆倾角等信号控制电机工作在电动/发电状态。在风向易变或风速较低时，集成控制器70控制电机工作在电动状态，通过蓄电池供电控制电机带动叶轮旋转，同时集成控制器70根据接收的外界风速、风向、风帆倾角等信号可自主调节电机阵列的运转组数和电机转速；在风况良好时，集成控制器70控制电机工作在发电状态，通过叶轮带动电机旋转，实现将风能转化成电能。

如图7所示，风电机组阵列的智能模糊控制由集成控制器完成，并采用规则自整定PID控制算法进行过程控制。风帆检测模块实时监测风向、风速和风帆倾角等信号，并输入到集成控制器中。集成控制器根据风速、风速变化率、风帆倾角、风帆倾角变化率等信号建立模糊规则表，通过模糊规则表计算控制量，并将控制信号送给风机、电机阵列，控制风帆两侧电机阵列的运转组数和电机转速。软件的主要流程图是：利用风帆检测模块以获得风速和风帆倾角的模拟信号，经A/D转换后输入到集成控制器，集成控制器对输入的信号进行标度转换、变化率计算以得到风速、风速变化率、风帆倾角、风帆倾角变化率等数字信号。然后根据偏差和偏差变化率的隶属度函数计算输入量，再由模糊PID自整定控制算法得到输出控制量，并将控制信号送给风机、电机阵列，实现风机、电机阵列的智能模糊控制。

应当理解的是，本实用新型在实施例中使用了6个风电机组，依此类推使用2、4、8、10等2n个风电机组都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。本实用新型在实施例中使用了24V蓄电池供电的逆变驱动模块，依此类推使用8V、12V、48V、96V等蓄电池电压的逆变驱动模块都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种电动风帆可控驱动发电机系统，其特征在于，包括蓄电池（10）、双向DC/DC变换模块（20）、电机系统（30）、风机（40）、风帆（50）、风帆检测模块（60）、集成控制器（70）和能量监测模块（80），所述电机系统（30）和风机（40）组成风电机组，所述双向DC/DC变换模块（20）分别与蓄电池（10）以及风电机组连接，所述风帆（50）两侧对称分布风电机组阵列，所述风帆检测模块（60）与风帆（50）以及集成控制器（70）连接；所述集成控制器（70）与风电机组、风帆检测模块（60）以及能量监测模块（80）连接；所述能量监测模块（80）与蓄电池（10）以及风电机组连接；其中，

所述蓄电池（10）为整个系统提供电能，同时也储存电机系统（30）转化的电能；

所述双向DC/DC变换模块（20）用于对蓄电池（10）的充放电电压进行升压、降压；

所述电机系统（30）用于根据集成控制器（70）发出的控制信号控制电机的运行，并根据能量监测模块（80）反馈的过压、过流、短路信号，判断系统当前的运转状态和健康状态，并在系统异常或故障发生时及时硬件保护；

所述风机（40）用于改变风帆（50）帆面上的空气流速，并将进入的气流方向转变为轴向；

所述风帆（50）的两侧对称分布风电机组阵列；

所述风帆检测模块（60）用于检测风帆（50）上风向、风速以及风帆与其轴心间倾角信号；

所述集成控制器（70）用于接收外界风速、风向、风帆倾角信号并控制电机（31）工作在电动或发电状态，根据能量监测模块（80）获取的蓄电池（10）电压、剩余电量、逆变驱动模块（34）的直流电压、直流电流的电气参数，控制电机系统（30）当前的工作状态；

所述能量监测模块（80）用于实时监测蓄电池（10）电压、剩余电量、逆变驱动模块（34）的直流电压、直流电流和逆变器散热器温度信号。

2.根据权利要求1所述的电动风帆可控驱动发电机系统，其特征在于，所述电机系统（30）包括电机（31）、位置检测模块（32）、驱动控制模块（33）、逆变驱动模块（34）和制动保护模块（35），所述位置检测模块（32）用于检测电机（31）的转子位置信息，所述驱动控制模块（33）通过采样电路和传感器获取电机（31）的三相电流信号、三相电压信号、电机输出转矩、转速的电气参数，输出PWM脉宽调制信号，所述逆变驱动模块（34）用于将驱动控制模块（33）输出的六路PWM脉宽调制信号转化为相应MOSFET管驱动信号，MOSFET管反并联二极管，并根据所述驱动信号导通和关断，所述制动保护模块（35）用于根据能量监测模块（80）反馈的逆变驱动模块（34）的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度信号，判断逆变电路是否异常或故障，并在电路发生异常或故障时及时硬件保护。

3.根据权利要求1所述的电动风帆可控驱动发电机系统，其特征在于，所述风帆检测模块（60）包括检测风帆上风向的风向检测模块（61）、检测风帆上风速的风速检测模块（62）以及检测风帆与轴心间倾角的风帆倾角检测模块（63）。

4.根据权利要求1所述的电动风帆可控驱动发电机系统，其特征在于，所述集成控制器（70）包括信号接收模块（71）、信号解析模块（72）、监测保护模块（73）和控制模块（74），所述信号接收模块（71）与风向检测模块（61）、风速检测模块（62）、风帆倾角检测模块（63）以及位置检测模块（32）相连，所述信号解析模块（72）与所述的信号接收模块（71）相连，用于解析风向、风速、风速变化率和风帆倾角信号；所述监测保护模块（73）与能量监测模块（80）相连，用于监测所述能量监测模块（80）反馈的逆变驱动器的直流电压、直流电流、逆变器散热器温度信号的异常情况，并在系统异常或故障时及时软件保护；所述控制模块（74）与信号解析模块（72）以及监测保护模块（73）相连，用于根据风帆检测模块（60）采集的外界风速、风向、风帆倾角信号控制电机（31）工作在电动/发电状态，通过对计算出的风速变化率进行模糊化和解模糊化处理，自主调节风电机组阵列的运转组数和电机转速。

5.根据权利要求1所述的电动风帆可控驱动发电机系统，其特征在于，所述能量监测模块（80）包括蓄电池监测模块（81）、逆变器异常监测模块（82）和温度监测模块（83），所述蓄电池监测模块（81）用于实时监测蓄电池（10）的电压和电量信息，所述逆变器异常监测模块（82）用于实时监测逆变驱动器的直流电压和直流电流信息，并在逆变驱动器发生过压、过流或短路异常或故障时，向集成控制器（70）发出报警信号，所述温度监测模块（83）用于实时监测逆变器散热器的温度，并在温度过高时向集成控制器（70）发出报警信号。

6.根据权利要求1所述的电动风帆可控驱动发电机系统，其特征在于，所述风电机组包括电机定子（100）、轴承（200）、空心转子（300）和叶轮（400），所述的叶轮（400）的叶尾端固定在电机（31）的空心转子（300）的内表面，叶尖指向圆心；所述的空心转子（300）的外表面和轴承（200）的内圈连接，轴承（200）的外圈与定子（100）连接；所述的轴承（200）的半径比空心转子（300）的半径略大，比定子（100）的半径略小。