直流电机变桨距系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术属于风力发电装置范围，尤其是一种直流电机变桨距系统。本系统包括电机驱动器、直流电机、超级电容组、升压直流变换器和充电机。充电机的输入端与三相或单相交流电源相连接。超级电容组的一端与充电机的输出端相连接，另一端与升压直流变换器的输入端相连接。升压直流变换器的输出端口通过导线与直流电机的输入端口相连接。当系统出现断电情况时，超级电容支路可瞬间替代三相交流电源为电机系统供电，系统的可靠性得到有效提高。同时由于超级电容的能量利用率高，所以减少了其实际使用容量，降低了系统成本。该系统具备直流变换器和驱动桥双重控制装置，提高了紧急变桨的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电装置范围，尤其是一种直流电机变桨距系统及其控 制方法。
技术介绍
变桨距系统作为大型风电机组的技术核心，可改善桨叶受力状况、获取 最大风量、提高机组的发电效率和电能质量，并可在超高风速下紧急顺桨以 保证风机安全运行。电动变桨距系统采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节，结构简单，不 存在漏油、卡塞等现象，因而受到广泛关注，而直流电机是电动变桨距系统 中的重要执行机构。电动变桨距系统采用三相四线制380V电源供电，为实现故障或断电后的 紧急变桨功能，需要储能装置作为系统后备电源供给电机将桨叶调为顺桨位 置。储能装置一般采用蓄电池，但近期超级电容已成为更具竞争力的选择。 超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高 等特点使其在风电领域很有发展前景。专利CN2736554Y和CN101083404A公布了采用超级电容作为储能装置的 电动变桨距系统，且超级电容与直流母线直接连接。考虑超级电容供电时电 压快速降低的因素，上述方法必须选择容量很大的超级电容才能满足使用要 求，因而超级电容的能量利用率低，经济性差。专利CN201050444Y公布了基于蓄电池和直流电机的变桨距系统，紧急变桨时，蓄电池通过简单电路给电机供电，而不经过电机驱动器。这种方案使 得电机可控性变差，而且一旦控制装置出现故障，将难以有效控制电机。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了现有电动变桨距系统的上述缺陷，提供了一种 新型的直流电机变桨距系统。该系统采用了超级电容组，由于超级电容的能 量利用率高，所以减少了其实际使用容量，降低了系统成本；该系统具备直流变换器和驱动桥双重控制装置，不但使直流电机的可控性更好，而且提高 了系统的可靠性。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。本专利技术包括超级电容组l、升压直流变换器2、直流电机3、电机驱动器4和充电机5。充电机5的输入端可根据需要选择连接三相或单相交流电源。超级电容组1的一端与充电机5的输出端相连接，另一端与升压直流变换器2的输入端相连接。升压直流变换器2的输出端口通过开关K2、开关K3以及导线L4、导线L5与直流电机3的输入端口相连接。电机驱动器4包括整流桥6、由电阻R2和开关K1构成的缓冲电路、支撑电容、由电阻R1与功率开关器件T串接构成的过压保护装置、以及驱动桥7。驱动桥7的输入、输出端分别与直流母线P与N、直流电机3相连接。 电机驱动器4的输入端即整流桥6输入端接三相交流电源A、 B、 C，三相交 流电源A、 B、 C经整流桥6和缓冲电路接至直流母线P、直流母线N上，支 撑电容C并接至直流母线P、直流母线N上。过压保护装置并接至直流母线 P、直流母线N上。当直流母线电压过高时，功率开关器件T导通，使部分电 能消耗在电阻R1上，从而降低直流母线电压，提高系统安全性。驱动桥7由四个功率开关器件T1 T4构成，其输入与直流母线相连接， 输出与直流电机3相连。升压直流变换器2的输出经二极管D连接至直流母线。二极管D保证了 电能由超级电容组1经升压直流变换器2流向直流母线。升压直流变换器2 的应用使超级电容可以释放更多的储能，高能量利用率降低了其实际使用容 量，从而使系统成本降低。系统正常工作时，电机驱动器4接收的电能来自三相交流电源；电源断 电需要紧急变桨时，电机驱动器4接收的电能来自超级电容组1。由于超级电 容经升压直流变换器实现了与直流母线的无缝连接，故网压波动时直流母线 电压的稳定性好；当出现断电情况时，超级电容支路可瞬间替代三相交流电 源为电机系统供电，因此，变桨距系统的可靠性得到有效提高。5升压直流变换器2的输出除了经二极管D连接至直流母线外，同时与直 流电机输入端口通过开关K2、开关K3相连接。发生电源断电故障需要紧急 变桨时，可通过两种方式控制电机 一是升压直流变换器2和驱动桥7实现 能量由超级电容组1经升压直流变换器2、驱动桥7流向直流电机3; 二是控 制升压直流变换器2和驱动桥7实现能量由超级电容组1经升压直流变换器2 直接流向直流电机3。两种控制方式均能有效控制电机，而且当一路装置出现 故障时，另一路装置仍可有效控制电机，因此提高了系统的可靠性。本专利技术所述控制方法的特征在于根据三相电源"a、 "b、 "c能否正常供 电控制该系统分别运行于自动变桨或紧急变桨状态。其中自动变桨控制方法如下1) 当三相交流电源"a、 Wb、 "c正常供电时，断开开关K2、开关K3;2) 充电机5将超级电容组1充电至其额定电压，控制升压直流变换器2 的输出电压低于直流母线电压；3) 通过驱动桥7控制直流电机3，此时直流电机的能量来源于三相交流 电源；4) 判断直流母线电压C/pN是否达到最大允许值，若达到则开通功率开关器件T使f/pw恢复至正常，否则继续判断"a、 WB、 "c的供电状态。紧急变桨控制方法如下1) 当三相交流电源"a、 "b、 "c没有正常供电时，断开开关K2、开关K3;2) 若驱动桥7能够正常工作，则通过驱动桥7控制直流电机3旋转，直 至直流电机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机3的能量通过驱动桥7 和升压直流变换器2来源于超级电容组1，之后继续判断三相交流电源wa、 wb、 Mc的状态；3) 若驱动桥7不能正常工作，则送入驱动桥7中的开关器件的控制信号 全部为关断信号，此时驱动桥7处于关断状态；4) 闭合开关K2、开关K3;5) 调节升压直流变换器2的输出电压控制直流电机3旋转，直至直流电 机拖动的桨叶达到顺浆位置，此时直流电机3的能量通过升压直流变换器26来源于超级电容组l;6)继续判断三相交流电源"A、 "B、 "c的供电状态。 本专利技术具有以下优点1) 超级电容的能量利用率高，减少了其实际使用容量，降低了系统成本;超级电容的充电电源可以根据需要选择单相或三相交流电源。2) 过压保护装置可有效避免直流母线电压过高，提高了系统安全性。3) 直流母线电压稳定性好，电网电压波动对变桨距系统性能的影响小，系统可靠性高。4) 直流电机具备直流变换器和驱动桥双重控制装置，且二者互为备用， 不仅使电机的可控性更好，而且提高了系统的可靠性。附图说明图1是直流电机变桨距系统结构图图2是直流电机变桨距系统控制方法。 具体实施例方式下面结合图l、图2对本专利技术作进一步说明如图1所示，本实施例包括有超级电容组l、升压直流变换器2、直流电 机3、电机驱动器4和充电机5。超级电容组1分别与升压直流变换器2的输入端、充电机5的输出端连 接，充电机5的输入端可根据需要选择连接三相或单相交流电源。系统正常 工作时，充电机5将超级电容组充电至额定电压值。电机驱动器4包括整流桥6、缓冲电路、支撑电容、过压保护装置、驱动 桥7及相应的连接。驱动桥7的输入、输出端分别与直流母线P与N、直流 电机3相连接。电机驱动器4的输入接三相交流电源A、 B、 C,经整流桥6 和电阻R2、开关K1构成的缓冲电路接至直流母线P、 N上，支撑电容C并 接至直流母线，整流桥6由6个二极管构成。电阻Rl与功率开关器件T串接构成过压保护装置并接至直流母线。当直 流母线电压过高时，功率开关器件T以脉宽调制控制方式通断，使部分电能 消耗在电阻R1上。驱动桥7由四个功率开关器件T1 T4本文档来自技高网...

【技术保护点】
直流电机变桨距系统，包括电机驱动器（４）和与电机驱动器（４）相连接的直流电机（３），其特征在于：还包括超级电容组（１）、升压直流变换器（２）和充电机（５）；充电机（５）的输入端与三相或单相交流电源相连接；超级电容组（１）的一端与充电机（５）的输出端相连接，另一端与升压直流变换器（２）的输入端相连接；升压直流变换器（２）的输出端口通过导线（Ｌ４）、导线（Ｌ５）与直流电机（３）的输入端口相连接，开关（Ｋ２）串联在导线（Ｌ４）上、开关（Ｋ３）串联在导线（Ｌ５）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许家群，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]