自主侧偏风机的控制装置论文和设计-倪浩宏

全文摘要

本实用新型涉及一种自主侧偏风机的控制装置。本实用新型使用可控硅技术，将传统的二极管整流改为二极管加可控硅整流，利用可控硅的耐受电压较高的特点(最高可以达到1600V)。系统增加风速计，当系统检测到当前风速超过设定风速时，控制电路切断整流用的可控硅，此时直流电路中的电压被控制在元器件的安全范围之内，由可控硅耐受发电机产生的高电压。此时由于负载转矩的消失，发电机的自主侧偏保护会加速动作，实现风机尾梁组件的侧偏功能，风轮吸收的风功率下降，风机转速下降，使得风机进入安全的运行区间。

主设计要求

1.一种自主侧偏风机的控制装置，包括三相整流电路，风机输出的三相交流电压(U、V、W)经由三相整流电路转换为直流母线电压(DC_BUS+、DC_BUS-)，三相整流电路的下管为二极管D1、D2、D3，其特征在于，三相整流电路的上管为可控硅Q1、Q3、Q5，可控硅Q2、Q4、Q6分别反并联在Q1、Q3、Q5可控硅的两端；微处理器的控制信号端一(WORK)分别经由三片光电隔离芯片一(U4、U5、U6)产生三路控制信号一(KA1、KA2、KA3)，三路控制信号一(KA1、KA2、KA3)分别与可控硅Q1、Q3、Q5的控制端相连，控制信号端一(WORK)给出12V电压信号时，光电隔离芯片一(U4、U5、U6)导通，控制信号端一(WORK)给出0V电压信号时，光电隔离芯片一(U4、U5、U6)截止；微处理器的控制信号端二(SHORT)分别经由三片光电隔离芯片二(U1、U2、U3)产生三路控制信号二(KB1、KB2、KB3)，三路控制信号二(KB1、KB2、KB3)分别与可控硅Q2、Q4、Q6的控制端相连，控制信号端二(SHORT)给出12V电压信号时，光电隔离芯片二(U1、U2、U3)截止，控制信号端二(SHORT)给出0V电压信号时，光电隔离芯片二(U1、U2、U3)导通；还包括用于测量风速的风速计，风速计与微处理器的采集信号输入端相连。

设计方案

还包括用于测量风速的风速计，风速计与微处理器的采集信号输入端相连。

2.如权利要求1所述的一种自主侧偏风机的控制装置，其特征在于，还包括隔离电路，所述直流母线电压(DC_BUS+、DC_BUS-)经由隔离电路后为所述微处理器供电。

3.如权利要求1所述的一种自主侧偏风机的控制装置，其特征在于，还包括差分采样电路，差分采样电路的输入端与所述直流母线电压(DC_BUS+、DC_BUS-)相连，差分采样电路输出等比缩小的直流电压信号Vdc至所述微处理器。

4.如权利要求1所述的一种自主侧偏风机的控制装置，其特征在于，还包括霍尔电流器件，由霍尔电流器件(U7)采集所述三相整流电路输出的电流信号I_in，并将该电流信号I_in送至所述微处理器。

5.如权利要求1所述的一种自主侧偏风机的控制装置，其特征在于，还包括风机转速测量电路，该风机转速测量电路包括对风机输出的三相交流电压(U、V、W)的U相和V相的进行取样的取样电阻、与取样电阻相连的整形电路、与整形电路相连的隔离电路，两路隔离电路产生的方波信号FINUV和方波信号FINUW送到所述微处理器。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种中小型自主侧偏型风机的电气控制装置。

背景技术

自主侧偏风机的一个重要特点，当风速达到设计侧偏保护转速时，风机的风轮力矩会大于侧偏力矩，风机的尾梁组件发生侧偏动作，风机吸收的功率下降，风机转速下降，实现风机的自主侧偏保护功能。

风机实现侧偏功能时，需要考虑风轮转矩、发电机转矩、负载转矩之间的平衡；风轮力矩和侧偏力矩之间的平衡，二者存在一定的矛盾。在传统的控制策略中，由于负载转矩的存在，会抵消一部分风轮力矩，在风机转速达到设计侧偏转速时，风轮力矩不能大于侧偏力矩，不能实现侧偏保护。负载转矩一旦撤销，发电机进入空载状态，发电机转速上升，直流电压上升，会造成控制系统元器件损坏。

在现在中小型风机的控制技术中，普遍采用风机输入通过整流桥直接整流得到直流电压，然后接入后续的电解电容储能，后级通过DC\/DC模块转换成直流电压给直流负载使用，或是DC\/AC模块转变成交流电压给交流负载使用。电路中电解电容耐压为450VDC，功率器件一般最高为600～650VDC。

电路无法实现交流和直流之间隔断。为了确保系统中元器件的安全，必须控制直流电压小于450VDC，在控制策略上要求利用负载转矩控制模式，电路中不能脱离负载，才能确保电路的安全。

发明内容

本实用新型的目的是：使得风机在自主侧偏时，侧偏保护可靠动作。更进一步，实现保护风力发电机，保护控制系统的功能。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种自主侧偏风机的控制装置，包括三相整流电路，风机输出的三相交流电压经由三相整流电路转换为直流母线电压，三相整流电路的下管为二极管D1、D2、D3，其特征在于，三相整流电路的上管为可控硅Q1、Q3、Q5，可控硅Q2、Q4、Q6分别反并联在Q1、Q3、Q5可控硅的两端；微处理器的控制信号端一分别经由三片光电隔离芯片一产生三路控制信号一，三路控制信号一分别与可控硅Q1、Q3、Q5的控制端相连，控制信号端一给出12V电压信号时，光电隔离芯片一导通，控制信号端一给出0V电压信号时，光电隔离芯片一截止；微处理器的控制信号端二分别经由三片光电隔离芯片二产生三路控制信号二，三路控制信号二分别与可控硅Q2、Q4、Q6的控制端相连，控制信号端二给出12V电压信号时，光电隔离芯片二截止，控制信号端二给出0V电压信号时，光电隔离芯片二导通；

还包括用于测量风速的风速计，风速计与微处理器的采集信号输入端相连。

优选地，还包括隔离电路，所述直流母线电压经由隔离电路后为所述微处理器供电。

优选地，还包括差分采样电路，差分采样电路的输入端与所述直流母线电压相连，差分采样电路输出等比缩小的直流电压信号Vdc至所述微处理器。

优选地，还包括霍尔电流器件，由霍尔电流器件采集所述三相整流电路输出的电流信号I_in，并将该电流信号I_in送至所述微处理器。

优选地，还包括风机转速测量电路，该风机转速测量电路包括对风机输出的三相交流电压的U相和V相的进行取样整形的取样电阻、与取样电阻相连的整形电路、与整形电路相连的隔离电路，两路隔离电路产生的方波信号FINUV和方波信号FINUW送到所述微处理器。

本实用新型使用可控硅技术，将传统的二极管整流改为二极管加可控硅整流，利用可控硅的耐受电压较高的特点(最高可以达到1600V)。系统增加风速计，当系统检测到当前风速超过设定风速时，控制电路切断整流用的可控硅，此时直流电路中的电压被控制在元器件的安全范围之内，由可控硅耐受发电机产生的高电压。此时由于负载转矩的消失，发电机的自主侧偏保护会加速动作，实现风机尾梁组件的侧偏功能，风轮吸收的风功率下降，风机转速下降，使得风机进入安全的运行区间。

附图说明

图1为本实用新型的整体电路示意图；

图2为本实用新型的供电电路；

图3为风机转速测量电路；

图4为电流采样电路；

图5为电压采样电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本实用新型一种自主侧偏风机的控制装置，包括三相整流电路，风机输出的三相交流电压U、V、W经由三相整流电路转换为直流母线电压DC_BUS+、DC_BUS-，三相整流电路的下管为二极管D1、D2、D3，三相整流电路的上管为可控硅Q1、Q3、Q5，可控硅Q2、Q4、Q6分别反并联在Q1、Q3、Q5可控硅的两端；微处理器的控制信号端一WORK分别经由三片光电隔离芯片一U4、U5、U6产生三路控制信号一KA1、KA2、KA3，三路控制信号一KA1、KA2、KA3分别与可控硅Q1、Q3、Q5的控制端相连。控制信号端一WORK给出12V电压信号时，光电隔离芯片一U4、U5、U6导通，当可控硅Q1、Q3、Q5两端加的电压过零为正时导通，电压为负时截止，从而实现过零导通设计功能。控制信号端一WORK给出0V电压信号时，光电隔离芯片一U4、U5、U6截止，可控硅Q1、Q3、Q5截止，断开三相整流电路。微处理器的控制信号端二SHORT分别经由三片光电隔离芯片二U1、U2、U3产生三路控制信号二KB1、KB2、KB3，三路控制信号二KB1、KB2、KB3分别与可控硅Q2、Q4、Q6的控制端相连。控制信号端二SHORT给出12V电压信号时，光电隔离芯片二U1、U2、U3截止，可控硅Q2、Q4、Q6截止。控制信号端二SHORT给出0V电压信号时，光电隔离芯片二U1、U2、U3导通，可控硅Q2、Q4、Q6导通。为了保护可控硅的安全，本实用新型的电路中设计有过压控制电路，当风机转速达到过压保护动作转速时，控制三相整流电路的下管双向导通，实现风机的输出短路，利用电磁力矩实现风机减速。当风机转速没有达到侧偏动作要求时，微处理器控制可控硅Q1、Q3、Q5导通，实现风机输入的三相全波整流功能，给后级DC\/DC或是DC\/AC电路提供电源。当风机转速达到侧偏动作要求时，微处理器控制可控硅Q1、Q3、Q5断开，切断风机输出和直流电路之间的联系。风机加速进入侧偏保护状态。

本实用新型还包括用于测量风速的风速计，风速计与微处理器的采集信号输入端相连，当微处理器通过风速计检测到当前风速超过预先设定的风速时，微处理器的控制信号端一WORK给出0V电压信号，光电隔离芯片一U4、U5、U6截止，使得可控硅Q1、Q3、Q5截止，将三相整流电路切断。

电路中设计有专门辅助供电电路，利用风机转动产生的电能产生辅助电源，不依赖于外部供电电源。具体如图2所示，风机输出的三相交流电压U、V、W和整流后的DC_BUS+信号，经过二极管隔离后，通过如图所示电路产生+12V电压，供电路使用。只要风机在转动，就可以有持续电源供应。

本实用新型可以检测风机转速，直流母线电压，直流母线电流等信号。如图3所示，风机转速测量电路测量U和W相的频率，信号经过电阻取样，随后整形，再隔离后得到方波信号FINUV和方波信号FINUW，方波信号FINUV和方波信号FINUW送到微处理器读取处理。

如图4所示，通过霍尔电流器件U7得到等比缩小的直流电流信号I_in，送到微处理器读取处理。

如图5所示，直流母线电压DC_BUS+、DC_BUS-通过差分采样电路，得到等比缩小的直流电压信号Vdc，送到微处理器读取处理。微处理器获得所述直流电压信号Vdc后，若所述直流电压信号Vdc超过设定值之后，所述控制信号端二SHORT给出0V电压信号，所述控制信号端一WORK给出12V电压信号，所述三相整流电路短路，实现风机的刹车功能。

设计图

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