一种电动风帆可控驱动发电机系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种电动风帆可控驱动发电机系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的构思是：本专利技术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，本专利技术采用下述技术方案：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。本专利技术与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性和技术进步：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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为本专利技术的系统原理示意图。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专利技术的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。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。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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（...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐国卿，张杨，许昂，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31