專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊。
背景技術(shù)：
隨著人類對能源緊缺和環(huán)境污染問題的持續(xù)關(guān)注，可再生能源的開發(fā)和利用，特 別是對風(fēng)能的開發(fā)利用正受到各國的高度重視。在我國對可再生能源的迫切需求條件下和 國家大力支持下，電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機容量將會持續(xù)增長，并將加強對風(fēng)機入網(wǎng)的要求。在電力系統(tǒng)運行中，發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)起著重要的作用，它不僅控制發(fā)電機的 端電壓，而且還控制發(fā)電機的無功功率、功率因數(shù)、電流等參數(shù)。在電力系統(tǒng)正常運行情況 下，維持發(fā)電機或系統(tǒng)電壓水平，合理分配發(fā)電機間的無功負荷，提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定 性和動態(tài)性能。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也不例外，如何快速、準(zhǔn)確、有效的控制發(fā)電機勵磁，對于風(fēng)力 發(fā)電的電能質(zhì)量起著重要的作用，對電網(wǎng)也起著舉足輕重的作用。目前，市場上的發(fā)電機勵 磁模塊體積偏大，針對風(fēng)力發(fā)電專用的發(fā)電機勵磁模塊比較少見。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種專用于風(fēng)力發(fā)電機組的、體積小的風(fēng)力發(fā)電機勵磁 控制模塊。為達到上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，該風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊集成在單板上，并采 用電磁兼容性模盒結(jié)構(gòu)，其外部端子包括給定勵磁信號輸入端、勵磁使能信號輸入端、三相 電源輸入端和勵磁電壓輸出端，其內(nèi)部包括AC/DC變換電路、調(diào)制波發(fā)生器電路、PWM調(diào)制 電路、功率放大及勵磁輸出電路，其中，所述AC/DC變換電路的第一至第三輸入端分別與所述三相電源輸入端相連，輸出 端與所述功率放大及勵磁輸出電路的直流電源輸入端相連；所述調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端與PWM調(diào)制電路的第一輸入端相連；所述PWM調(diào)制電路的第一輸入端與所述調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端相連，第二輸 入端與所述給定勵磁信號輸入端相連，輸出端與所述功率放大及勵磁輸出電路的驅(qū)動信號 輸入端相連；所述功率放大及勵磁輸出電路的控制端與所述勵磁使能信號輸入端相連，輸出端 與所述勵磁電壓輸出端相連。 進一步地，所述AC/DC變換電路包括三個整流橋，其中，所述三個整流橋的交流輸入端分別與所述三相電源輸入端相連，所述三個整流橋 的正輸出端均與所述功率放大及勵磁輸出電路的直流電源輸入端相連，負輸出端均接地。進一步地，所述調(diào)制波發(fā)生器電路包括方波發(fā)生器和積分運算電路，其中，所述方波發(fā)生器的輸入端與所述積分運算電路的輸出端相連；所述方波發(fā)生器的輸出端與所述積分運算電路的輸入端相連；[0016]所述積分運算電路的輸出端與所述PWM調(diào)制電路的第一輸入端相連。進一步地，所述PWM調(diào)制電路包括第一運算放大器和第二運算放大器，其中，所述第一運算放大器的同相輸入端與所述給定勵磁信號輸入端相連，所述第一運 算放大器的反相輸入端與所述第一運算放大器的輸出端相連；所述第二運算放大器的同相輸入端與所述第一運算放大器的輸出端相連，反相輸 入端與所述調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端相連，輸出端與所述功率放大及勵磁輸出電路的驅(qū) 動信號輸入端相連。進一步地，所述功率放大及勵磁輸出電路包括驅(qū)動芯片、第一 N溝道MOS場效應(yīng) 管、第二 N溝道MOS場效應(yīng)管、第一電感和第二電感，其中，所述驅(qū)動芯片的信號輸入端與所述PWM調(diào)制電路的輸出端相連，輸出端與所述第 一 N溝道MOS場效應(yīng)管的柵極相連；所述第一 N溝道MOS場效應(yīng)管的源極接地，漏極與所述第二 N溝道MOS場效應(yīng)管 的源極相連；所述第二 N溝道MOS場效應(yīng)管的柵極和源極相連，漏極與所述AC/DC變換電路的 輸出端相連；所述第二 N溝道MOS場效應(yīng)管的漏極通過所述第一電感與所述勵磁電壓輸出端中 的正端相連；所述第一 N溝道MOS場效應(yīng)管的漏極通過所述第二電感與所述勵磁電壓輸出端中 的負端相連。進一步地，所述功率放大及勵磁輸出電路還包括勵磁輸出保護電路，所述勵磁輸 出保護電路包括第三N溝道MOS場效應(yīng)管和保護電阻，其中，所述第三N溝道MOS場效應(yīng)管的漏極與所述勵磁電壓輸出端中的正端相連；所述第三N溝道MOS場效應(yīng)管的柵極與源極相連，源極還經(jīng)所述保護電阻后與所 述勵磁電壓輸出端中的負端相連。進一步地，所述功率放大及勵磁輸出電路還包括勵磁使能控制電路，所述勵磁使 能控制電路包括常開繼電器，其中，所述常開繼電器的開關(guān)設(shè)置在與所述第一 N溝道MOS場效應(yīng)管漏極相連的第二電 感輸出端以及所述勵磁電壓輸出端中的負端之間；所述常開繼電器的控制端與所述勵磁使能信號輸入端相連。本實用新型提供的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊專用于風(fēng)力發(fā)電機組，電磁兼容性 好，體積小，工作穩(wěn)定，性能良好。

圖1為本實用新型的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊的原理框圖；圖2為圖1所示風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊中AC/DC變換電路的電路圖；圖3為圖1所示風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊中調(diào)制波發(fā)生器電路的電路圖；圖4為圖3所示調(diào)制波發(fā)生器電路中電壓輸出的波形圖；圖5為圖1所示風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊中PWM調(diào)制電路的電路圖；圖6為圖1所示風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊中功率放大及勵磁輸出電路的電路圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本 實用新型，并不用于限定本實用新型。如圖1所示，本實用新型提供一種風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，該風(fēng)力發(fā)電機勵磁 控制模塊集成在單板上，并采用EMC(Electro Magnetic Compatibility,電磁兼容性)模盒 結(jié)構(gòu)，其外部端子包括給定勵磁信號U/輸入端、勵磁使能信號輸入端、三相電源輸入端和 勵磁電壓輸出端，其內(nèi)部包括AC/DC變換電路11、調(diào)制波發(fā)生器電路12、PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)調(diào)制電路13、功率放大及勵磁輸出電路14，其中，AC/DC變換電路11的第一至第三輸入端分別與三相電源輸入端(U1、U2和U3)相 連，輸出端與功率放大及勵磁輸出電路14的直流電源輸入端相連；調(diào)制波發(fā)生器電路12的輸出端與PWM調(diào)制電路13的第一輸入端相連。此電路是 自激振蕩電路，上電后即有三角波輸出。PWM調(diào)制電路13的第一輸入端與調(diào)制波發(fā)生器電路12的輸出端相連，第二輸入端 與給定勵磁信號U/輸入端相連，輸出端與功率放大及勵磁輸出電路14的驅(qū)動信號輸入端 相連；功率放大及勵磁輸出電路14的控制端與勵磁使能信號輸入端相連，輸出端與勵 磁電壓輸出端相連。本實用新型的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊集成在一個單片印制板上，體積小，并采 用EMC模盒結(jié)構(gòu)，具有很好的電磁兼容性。產(chǎn)品可以安裝在變頻控制系統(tǒng)內(nèi)，也可以安裝在 客戶相應(yīng)的控制柜內(nèi)。風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊主要對控制系統(tǒng)發(fā)出的給定勵磁信號U/進行隔離放大 處理，采用PWM方式控制輸出電壓，使輸出信號的電壓高，帶驅(qū)動能力強，適合風(fēng)力發(fā)電機 勵磁機構(gòu)直接使用。圖1中的AC/DC變換電路具體實施如圖2所示，包括三個整流橋(GL1、GL2和GL3)， 其中，三個整流橋的交流輸入端分別與三相電源輸入端相連，三個整流橋的正輸出端均與 功率放大及勵磁輸出電路的直流電源輸入端(+180VDC)相連，負輸出端均接地(pgnd)。三 相125VAC交流電源輸入由變壓器提供，交流電源經(jīng)過濾波，由整流橋KBU4G整流，電容C11、 C12濾波后變成本產(chǎn)品所需的180VDC直流電源輸出。圖1中的調(diào)制波發(fā)生器是一個自激振蕩電路，上電后即可以產(chǎn)生三角形調(diào)制波輸 出，其具體實現(xiàn)方式如圖3所示，圖3虛線左邊是方波發(fā)生器，右邊是積分運算電路，兩電路 的輸出互為對方電路的輸入，U是方波發(fā)生器的輸出，也是積分運算電路的輸入信號，U。是 積分運算電路的輸出，同時也是方波發(fā)生器的輸入信號。電路上電后的電壓輸出波形如圖 4所示。在圖1中，風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊的輸入為三相125VAC電源、給定勵磁信號Uf* 和勵磁使能信號，模塊的輸出為直流勵磁電壓，直接驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機的勵磁機構(gòu)。輸入信號U/是控制系統(tǒng)發(fā)出的給定勵磁信號，電壓范圍只有0-10V，無法直接驅(qū) 動風(fēng)力發(fā)電機的勵磁機構(gòu)，所以勵磁控制模塊采用PWM調(diào)制方式進行放大處理，將給定勵磁信號U/與三角形調(diào)制波進行比較，得到MOSFET(M0S場效應(yīng)管)的驅(qū)動信號，然后通過 MOSFET驅(qū)動芯片驅(qū)動高速MOSFET管，實現(xiàn)勵磁信號的功率放大。輸入信號的PWM調(diào)制電路如圖5所示，輸入信號U/經(jīng)過R8、C2、UlB的隔離、濾波 作用后，與三角形調(diào)制波通過運算放大器UlA實現(xiàn)PWM調(diào)制比較。即當(dāng)U/的值大于三角形 調(diào)制波的值時，UlA輸出高電平；反之，UlA輸出低電平(三角形調(diào)制波由圖2電路產(chǎn)生)。在圖5中，PWM調(diào)制電路包括第一運算放大器UlB和第二運算放大器U1A，其中，第一運算放大器UlB的同相輸入端5與給定勵磁信號Uf*輸入端相連，反相輸入端 6與輸出端7相連；第二運算放大器UlA的同相輸入端3與第一運算放大器UlB的輸出端7相連，反 相輸入端2與調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端相連，輸出端1與功率放大及勵磁輸出電路的驅(qū) 動信號輸入端相連。本實用新型中，功率放大及勵磁輸出電路如圖6所示，它包括驅(qū)動芯片U2、第一 N 溝道MOS場效應(yīng)管Tl、第二 N溝道MOS場效應(yīng)管T3、第一電感和第二電感(參見圖6中的 Ll，該兩個電感封裝在一起)，其中，驅(qū)動芯片U2的信號輸入端A與PWM調(diào)制電路的輸出端相連，輸出端out與第一 N 溝道MOS場效應(yīng)管Tl的柵極相連；第一 N溝道MOS場效應(yīng)管Tl的源極接地，漏極與第二 N溝道MOS場效應(yīng)管T3的 源極相連；第二 N溝道MOS場效應(yīng)管T3的柵極和源極相連，漏極與AC/DC變換電路的輸出端 相連；第一電感的2端與第二 N溝道MOS場效應(yīng)管T3的漏極相連，1端與勵磁電壓輸出 端中的正端(即勵磁輸出+)相連；第二電感的3端與第一 N溝道MOS場效應(yīng)管Tl的漏極相連，4端與勵磁電壓輸出 端中的負端(即勵磁輸出_)相連。該功率放大及勵磁輸出電路還包括勵磁輸出保護電路，所述勵磁輸出保護電路包 括第三N溝道MOS場效應(yīng)管T4和保護電阻R18，其中，第三N溝道MOS場效應(yīng)管T4的漏極與勵磁電壓輸出端中的正端(即勵磁輸出+) 相連；第三N溝道MOS場效應(yīng)管T4的柵極與源極相連，源極還經(jīng)保護電阻R18后與勵磁 電壓輸出端中的負端(即勵磁輸出_)相連。該功率放大及勵磁輸出電路還包括勵磁使能控制電路，所述勵磁使能控制電路包 括常開繼電器RE-03024，其中，常開繼電器RE-03024的開關(guān)設(shè)置在第二電感的4端與勵磁電壓輸出端中的負端 (即勵磁輸出_)之間；該常開繼電器RE-03024的控制端與勵磁使能信號輸入端相連。圖6中的電路工作時，圖5中第二運算放大器UlA輸出的PWM調(diào)制信號作為MOSFET 管的驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動芯片TLP251隔離保護放大后驅(qū)動MOSFET管Tl，通過PWM方式輸出 勵磁輸出，此時的輸出電壓范圍可以達到0-180VDC，帶負載能力也加大，可以直接驅(qū)動風(fēng)力 發(fā)電機的勵磁機構(gòu)，使之正常勵磁。并且，由于勵磁控制模塊直接輸出直流電壓給風(fēng)力發(fā)電機的勵磁機構(gòu)，在停止勵磁的瞬間，風(fēng)力發(fā)電機勵磁機構(gòu)中的感性元件將產(chǎn)生很高的反向電動勢，可能會擊穿勵磁 模塊中的電子元件。為了對勵磁模塊進行保護，在本產(chǎn)品中加入了 T4和R18 (見圖6)，在勵 磁停止工作的瞬間時，用來吸收消耗風(fēng)力發(fā)電機勵磁機構(gòu)的感性反電動勢，保護勵磁控制 模塊。輸出信號在勵磁輸出時，通過勵磁使能信號(由控制系統(tǒng)發(fā)出)使能，如圖6所 示，只有當(dāng)勵磁使能信號有效時，通過光耦4N33才能啟動芯片TLP251工作，也只有當(dāng)勵磁 使能信號有效時，才能驅(qū)動繼電器RE-03024工作，使其觸點Kl閉合，使此產(chǎn)品勵磁輸出有 效。本實用新型的有益效果如下本產(chǎn)品采用EMC模盒結(jié)構(gòu)，電磁兼容性好，體積小。用較少較簡單的器件實現(xiàn)了風(fēng) 力發(fā)電機勵磁功能，模塊工作穩(wěn)定，性能良好。本產(chǎn)品將控制系統(tǒng)發(fā)出的小電壓信號放大為大電壓信號，并增加了信號的驅(qū)動能 力，可以直接驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機勵磁機構(gòu)工作。并加入勵磁使能信號，防止了勵磁機構(gòu)誤動 作，并可以在調(diào)試情況下進行手動勵磁給定。此產(chǎn)品采用TLP251驅(qū)動芯片驅(qū)動MOSFET管，相比PWM信號直接驅(qū)動MOSFET管而 言，電路穩(wěn)定性好，帶驅(qū)動能力強，對MOSFET及整個電路具有很好的保護作用。此產(chǎn)品充分考慮到風(fēng)力發(fā)電機勵磁機構(gòu)反電動勢對直流勵磁控制模塊的影響，采 用保護電路對其進行了有效保護，提高了模塊的安全性和穩(wěn)定性。水力、煤炭蒸汽發(fā)電的發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對恒定，發(fā)電機勵磁電壓也相對恒定，可是風(fēng) 力發(fā)電不同，受風(fēng)力大小的影響，風(fēng)速實時變化，風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也實時變化，其勵磁電 壓也要隨轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化。風(fēng)力發(fā)電機勵磁模塊就必須要具有快速的處理能力，才能滿 足要求。此產(chǎn)品采用高速MOSFET管等快速反應(yīng)的器件，動態(tài)響應(yīng)快，非常適合于風(fēng)力發(fā)電。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并非用來限定本實用新型的實施范圍； 如果不脫離本實用新型的精神和范圍，對本實用新型進行修改或者等同替換，均應(yīng)涵蓋在 本實用新型權(quán)利要求的保護范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求一種風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于，該風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊集成在單板上，并采用電磁兼容性模盒結(jié)構(gòu)，其外部端子包括給定勵磁信號輸入端、勵磁使能信號輸入端、三相電源輸入端和勵磁電壓輸出端，其內(nèi)部包括AC/DC變換電路、調(diào)制波發(fā)生器電路、PWM調(diào)制電路、功率放大及勵磁輸出電路，其中，所述AC/DC變換電路的第一至第三輸入端分別與所述三相電源輸入端相連，輸出端與所述功率放大及勵磁輸出電路的直流電源輸入端相連；所述PWM調(diào)制電路的第一輸入端與所述調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端相連，第二輸入端與所述給定勵磁信號輸入端相連，輸出端與所述功率放大及勵磁輸出電路的驅(qū)動信號輸入端相連；所述功率放大及勵磁輸出電路的控制端與所述勵磁使能信號輸入端相連，輸出端與所述勵磁電壓輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于，所述AC/DC變換電路 包括三個整流橋，其中，所述三個整流橋的交流輸入端分別與所述三相電源輸入端相連，所述三個整流橋的正 輸出端均與所述功率放大及勵磁輸出電路的直流電源輸入端相連，負輸出端均接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于，所述調(diào)制波發(fā)生器 電路包括方波發(fā)生器和積分運算電路，其中，所述方波發(fā)生器的輸入端與所述積分運算電路的輸出端相連；所述方波發(fā)生器的輸出端與所述積分運算電路的輸入端相連；所述積分運算電路的輸出端與所述PWM調(diào)制電路的第一輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于，所述PWM調(diào)制電路包 括第一運算放大器和第二運算放大器，其中，所述第一運算放大器的同相輸入端與所述給定勵磁信號輸入端相連，所述第一運算放 大器的反相輸入端與所述第一運算放大器的輸出端相連；所述第二運算放大器的同相輸入端與所述第一運算放大器的輸出端相連，反相輸入端 與所述調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端相連，輸出端與所述功率放大及勵磁輸出電路的驅(qū)動信 號輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于， 所述功率放大及勵磁輸出電路包括驅(qū)動芯片、第一 N溝道MOS場效應(yīng)管、第二 N溝道MOS場 效應(yīng)管、第一電感和第二電感，其中，所述驅(qū)動芯片的信號輸入端與所述PWM調(diào)制電路的輸出端相連，輸出端與所述第一 N 溝道MOS場效應(yīng)管的柵極相連；所述第一 N溝道MOS場效應(yīng)管的源極接地，漏極與所述第二 N溝道MOS場效應(yīng)管的源 極相連；所述第二 N溝道MOS場效應(yīng)管的柵極和源極相連，漏極與所述AC/DC變換電路的輸出 端相連；所述第二 N溝道MOS場效應(yīng)管的漏極通過所述第一電感與所述勵磁電壓輸出端中的正 端相連；所述第一 N溝道MOS場效應(yīng)管的漏極通過所述第二電感與所述勵磁電壓輸出端中的負端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于，所述功率放大及勵 磁輸出電路還包括勵磁輸出保護電路，所述勵磁輸出保護電路包括第三N溝道MOS場效應(yīng) 管和保護電阻，其中，所述第三N溝道MOS場效應(yīng)管的漏極與所述勵磁電壓輸出端中的正端相連； 所述第三N溝道MOS場效應(yīng)管的柵極與源極相連，源極還經(jīng)所述保護電阻后與所述勵 磁電壓輸出端中的負端相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其特征在于，所述功率放大及勵 磁輸出電路還包括勵磁使能控制電路，所述勵磁使能控制電路包括常開繼電器，其中，所述常開繼電器的開關(guān)設(shè)置在與所述第一 N溝道MOS場效應(yīng)管漏極相連的第二電感輸 出端以及所述勵磁電壓輸出端中的負端之間；所述常開繼電器的控制端與所述勵磁使能信號輸入端相連。
專利摘要本實用新型公開了一種風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制模塊，其集成在單板上，并采用電磁兼容性模盒結(jié)構(gòu)，其外部端子包括給定勵磁信號輸入端、勵磁使能信號輸入端、三相電源輸入端和勵磁電壓輸出端，其內(nèi)部AC/DC變換電路的輸入端與三相電源輸入端相連，輸出端與功率放大及勵磁輸出電路的直流電源輸入端相連；PWM調(diào)制電路的第一輸入端與調(diào)制波發(fā)生器電路的輸出端相連，第二輸入端與所述給定勵磁信號輸入端相連，輸出端與功率放大及勵磁輸出電路的驅(qū)動信號輸入端相連；功率放大及勵磁輸出電路的控制端與勵磁使能信號輸入端相連，輸出端與勵磁電壓輸出端相連。本實用新型專用于風(fēng)力發(fā)電機組，電磁兼容性好，體積小，工作穩(wěn)定，性能良好。
文檔編號H02P9/14GK201750395SQ201020285549
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者夏桂森, 易炯燕, 梁媛媛, 王科, 王金鎖, 黃曉燕 申請人:重慶科凱前衛(wèi)風(fēng)電設(shè)備有限責(zé)任公司