Предварительная зарядка конденсаторной батареи Российский патент 2020 года по МПК F03D7/02 H02J7/00 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к ветровым турбинам, в частности, к системам и способам предварительной зарядки конденсаторной батарее в ветровой турбине.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Энергия ветра считается одним из самых «чистых» и экологичных источников энергии из существующих на сегодняшний день, и, соответственно, по этой причине ветровые турбины привлекают все больше внимания.

Современная ветровая турбина, как правило, имеет в своем составе башню, генератор, трансмиссию, гондолу и одну или более лопастей ротора. Лопасти ротора перехватывают кинетическую энергию ветра с использованием общеизвестного принципа крыла и передают эту кинетическую энергию, посредством вращательной энергии, которая вращает вал, связанный с лопастями ротора, на трансмиссию, или, если трансмиссию не используют, непосредственно на генератор. Затем генератор преобразует механическую энергию в электрическую энергию, которая может быть подана в электросеть.

[0003] При работе ветровой турбины различные ее компоненты подвергаются переменным нагрузкам, возникающим в результате аэродинамической нагрузки на лопасти под воздействием ветра. Нагрузка на лопасти зависит от скорости ветра, окружной скорости лопастей и/или угла наклона лопастей. Окружная скорость равна отношению скорости вращения лопасти к скорости ветра. Может быть необходимым управление ветровой турбиной на основе сигналов, отражающих окружную скорость (например, различных показаний скорости), с целью регулировки нагрузки на лопасти ротора ветровой турбины и/или с целью повышения выработки электроэнергии ветровой турбиной.

[0004] Для снижения нагрузки на лопасти ротора были разработаны различные способы и устройства, позволяющие при их помощи снимать часть нагрузки с лопастей ротора. Такие способы и устройства включают например, изменение угла наклона лопастей ротора и/или снижение крутящего момента генератора при его работе. Соответственно, многие ветровые турбины имеют в своем составе контроллер турбины, который позволяет управлять ветровой турбиной различным образом в зависимости от относительной скорости конца лопасти и ветровой нагрузки на турбину. К примеру, в условиях непостоянных условий эксплуатации, ветровая турбина может регулировать крутящий момент генератора и/или угол наклона лопастей ротора с целью регулировки относительной скорости конца лопасти таким образом, чтобы она совпадала с уставкой относительной скорости конца лопасти, в целях увеличения объема энергии, захватываемого ветровой турбиной.

[0005] Управление углом наклона лопастей ротора может выполняться, к примеру, при помощи двигателя для регулировки угла наклона лопастей относительно ветра. Двигатель регулировки угла наклона лопастей относительно ветра может быть двигателем постоянного тока (direct current, DC), запитанным от преобразователя постоянного тока в постоянный. Как правило, двигатель регулировки угла наклона лопастей относительно ветра имеет в своем составе источник постоянного тока, схему управления, инверторный мост и/или конденсаторную батарею, содержащую одно или более конденсаторных устройств. Из-за высокой емкости конденсаторной батареи для ограничения амплитуды бросков тока при включении может применяться схема предварительной зарядки в сочетании с шунтирующим контактором.

[0006] Традиционные схемы предварительной зарядки могут содержать высокомощные резисторы, термисторы с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient, PTC), трансформаторы, источники переключающего тока, источники линейного тока или другие схемные конфигурации для ограничения тока, подаваемого на конденсаторную батарею. Однако такие методы предварительной зарядки могут быть неэффективными, времязатратными и/или сложными в реализации.

[0007] Соответственно, необходимы системы и способы предварительной зарядки конденсаторной батареи простым, эффективным и регулируемым образом.

Краткое описание изобретения

[0008] Некоторые из аспектов и преимуществ вариантов осуществления настоящего изобретения будут рассмотрены в приведенном ниже описании, могут быть найдены на основе этого описания или могут быть найдены при практическом применении вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0009] Один из аспектов настоящего изобретения относится к системе предварительной зарядки конденсаторной батареи. Система содержит силовой ключ, последовательно подключенный к входному источнику постоянного тока, и токоограничивающее устройство, включенное последовательно между силовым ключом и конденсаторной батареей, содержащей одно или более конденсаторных устройств. Система также содержит первое устройство управления, сконфигурированное для управления работой силового ключа при помощи приема одного или более сигналов, указывающих на ток зарядки, связанный с конденсаторной батареей, и для управления работой силового ключа по меньшей мере частично на основе тока зарядки. Система также содержит второе устройство управления, сконфигурированное для измерения напряжения на конденсаторной батарее, а также для управления работой первого устройства управления по меньшей мере частично на основе измеренного напряжения на конденсаторной батарее.

[0010] Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу управления предварительной зарядкой конденсаторной батареи, содержащей одно или более конденсаторных устройств. Конденсаторная батарея включена последовательно силовому ключу и токоограничивающему устройству между источником электроэнергии и конденсаторной батареей. Способ включает подачу, источником электропитания, входного постоянного тока для использования при зарядке конденсаторной батареи. Способ также включает контроль величины постоянного тока, втекающего в токоограничивающее устройство. Способ также включает управление, с возможностью выбора, работой силового ключа таким образом, что когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока, силовой ключ размыкают. Способ также включает контроль напряжения на конденсаторной батарее. Способ также включает, когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, прекращение предварительной зарядки конденсаторной батареи таким образом, чтобы выполнялось шунтирование токоограничивающего устройства.

[0011] Еще один из примеров аспектов настоящего изобретения относится к ветротурбинной системе. Ветротурбинная система содержит ротор, статор и двигатель угла наклона одной или более лопастей ротора, связанных с этой системой. Ветротурбинная система также содержит одно или более устройств управления, сконфигурированных для предварительной зарядки конденсаторной батареи, связанной с двигателем регулировки угла наклона, при помощи запуска процесса предварительной зарядки конденсаторной батареи для контроля силы постоянного тока, втекающего в токоограничивающее устройство, которое включено последовательно между конденсаторной батареей и источником электропитания, для избирательного управления работой силового ключа таким образом, что когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока, силовой ключ размыкают, что снижает величину тока, подаваемого на токоограничивающее устройство, контроль напряжения на конденсаторной батарее, и когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, прекращение процесса предварительной зарядки.

[0012] В рассмотренных примерах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены различные изменения и модификации.

[0013] Для более детального понимания этих и других отличительных особенностей, аспектов и преимуществ различных вариантов осуществления настоящего изобретения следует обратиться к приведенному ниже описанию и приложенной формуле изобретения. На приложенных чертежах, которые входят в состав настоящего описания и являются его неотъемлемой частью, проиллюстрированы варианты осуществления настоящего изобретения. Приложенные чертежи, вместе с описанием, служат для разъяснения замысла настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

[0014] Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения, предназначенное для специалистов в данной области техники, приведено ниже на примерах приложенных чертежей, среди которых:

[0015] на фиг. 1 показан перспективный вид примера ветровой турбины в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0016] на фиг. 2 показан внутренний вид типовой гондолы ветровой турбины в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0017] на фиг. 3 показан общий вид примера системы управления двигателем регулировки угла наклона в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0018] на фиг. 4 показана блок-схема типового контроллера в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0019] на фиг. 5 показан общий вид примера системы управления предварительной зарядкой для конденсаторной батареи в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

[0020] на фиг. 6 показан пример графика тока зарядки, подаваемого на конденсаторную батарею, в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения; и

[0021] на фиг. 7 показана блок-схема алгоритма способа предварительной зарядки конденсаторной батареи в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

[0022] Далее настоящее изобретение будет описано более подробно с помощью конкретных вариантов его осуществления, один или более из которых проиллюстрированы на приложенных чертежах. Каждый пример приведен в целях объяснения настоящего изобретения, а не его ограничения. Действительно, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что в пределах сущности и объема настоящего изобретения могут быть выполнены множество различных изменений и модификаций. К примеру, отличительные признаки, проиллюстрированные или описанные в качестве части одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, могут использоваться в комбинации с другим вариантом его осуществления, в результате чего может быть получен еще один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение охватывает все подобные модификации и изменения, попадающие в объем пунктов приложенной формулы изобретения и их эквивалентов.

[0023] Примеры аспектов настоящего изобретения относятся к системам и способам предварительной зарядки конденсаторной батареи. К примеру, силовой ключ и токоограничивающее устройство, например, индуктивное устройство, могут быть включены между источником электропитания постоянного тока и конденсаторной батареей, содержащей одно или более конденсаторных устройств. Может выполняться управление работой силового ключа с целью ограничения пиковой величины тока зарядки, протекающего через токоограничивающее устройство в конденсаторную батарею. Когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, процедура предварительной зарядки может быть прекращена. С этой целью может быть установлен шунтирующий контактор, таким образом, чтобы когда шунтирующий контактор замкнут, ток не протекал через схему предварительной зарядки (например, силовой ключ и токоограничивающее устройство).

[0024] В частности, силовой ключ может быть силовым ключом, управляемым с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), например, полевым транзистором со структурой металл-оксид-полупроводник (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET), биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT), одним или более контактором, силовым реле или другим силовым ключом. Токоограничивающее устройство может быть индуктивным устройством (индуктором). Одно или более устройств управления могут управлять затвором MOSFET-транзистора, который является силовым ключом, по меньшей мере частично на основе величины тока, поданного на индуктор. К примеру, в вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых силовым ключом является MOSFET-транзистор, устройства управления могут управлять затвором MOSFET-транзистора по меньшей мере частично на основе величины тока, поданного на индуктор. Между MOSFET-транзистором и индуктором может быть последовательно включен датчик тока, например, резистор, трансформатор тока, преобразователь тока, устройство на эффекте Холла или другой датчик тока. Датчик тока может быть сконфигурирован для регистрации тока, поданного на индуктор, и для предоставления сигнала, указывающего на величину тока, в устройство управления, которое управляет затвором.

[0025] Как отмечалось выше, устройство управления, которое управляет затвором, может быть сконфигурировано для управления затвором MOSFET-транзистора при помощи метода ШИМ-модуляции. Таким образом, устройство управления, которое управляет затвором, может быть сконфигурировано для регулировки скважности сигнала, подаваемого на затвор MOSFET-транзистора, по меньшей мере частично на основе сигнала, отражающего величину тока. В настоящем документе «скважность» - это отношение времени, когда импульс сигнала находится в активном (например, «высоком») состоянии к полному периоду модуляции сигнала. В частности, для каждого периода модуляции импульсного сигнала устройство управления, которое управляет затвором, может быть сконфигурировано для перевода импульса сигнала в низкое состояние, когда измеряемый ток достигает текущего порога, в результате чего силовой ключ размыкается. В примерах осуществления настоящего изобретения пороговое значение тока может составлять между около 0,7 Ампер и около 1,5 Ампер. В настоящем документе выражение «около», при использовании в связи с числовыми значениями, следует трактовать как подразумевающее нахождение в пределах 30% от указанного численного значения. Когда силовой ключ разомкнут, ток не протекает через токоограничивающее устройство. При этом в момент начала непосредственно следующего периода модуляции импульс сигнала может быть переведен в высокое состояние, в результате чего силовой ключ будет замкнут.Когда силовой ключ замкнут, ток, протекающий через токоограничивающее устройство в конденсаторную батарею, начинает расти. Когда ток вновь достигнет порогового значения тока, импульс сигнала может быть переведен в низкое состояние, в результате чего силовой ключ будет разомнут.

[0026] На протяжении всей процедуры предварительной зарядки напряжение на конденсаторной батарее увеличивается. Может выполняться контроль напряжения на конденсаторной батарее. Когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, процедура предварительной зарядки может быть прекращена. К примеру, значение порога напряжения может составлять между около 60% и около 95% от входного напряжения постоянного тока. Таким образом, когда измеренное значение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, может быть замкнут шунтирующий контактор, чтобы ток не протекал через токоограничивающее устройство.

[0027] Далее, со ссылками на приложенные чертежи, будут более подробно описаны примеры осуществления настоящего изобретения. К примеру, на фиг. 1 показан вид в перспективе одного из вариантов осуществления ветровой турбины 10. В соответствии с иллюстрацией, ветровая турбина 10 включает, в основном, башню 12, стоящую на опорной поверхности 14, гондолу 16, установленную на башне 12, и ротор 18, связанный с гондолой 16. Ротор 18 включает вращающуюся ступицу 20 и по меньшей мере одну лопасть 22 ротора, связанную со ступицей 20 и выходящую из нее наружу. Например, в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения ротор 18 включает три лопасти 22 ротора. Однако в одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения ротор 18 может включать больше или меньше чем три лопасти 22 ротора. Все лопасти 22 ротора могут быть распределены по окружности вокруг ступицы 20 и могут способствовать вращению ротора 18, обеспечивая преобразование кинетической энергии ветра в полезную механическую энергию и затем - в электроэнергию. К примеру, ступица 20 может иметь вращательное соединение с электрическим генератором, размещенным внутри гондолы 16, и обеспечивать выработку электрической энергии.

[0028] Ветровая турбина 10 может также содержать систему управления турбиной, которая имеет в своем составе контроллер турбины 26, размещенный в гондоле 16 или в другом месте и связанный с ветровой турбиной 10. В общем случае контроллер 26 турбины может содержать одно или более процессорных устройств. Так, в некоторых из вариантов осуществления настоящего изобретения, контроллер 26 турбины может включать соответствующие машиночитаемые инструкции, которые, при исполнении одним или более процессорными устройствами, конфигурируют контроллер 26 для выполнения различных функций, таких как прием, передача и/или исполнение сигналов управления ветровой турбиной. При этом сам контроллер 26 турбины может быть в общем случае сконфигурирован для управления различными режимами работы (например, последовательностями операций по пуску или останову) и/или компонентами ветровой турбины 10.

[0029] Например, контроллер 26 может быть сконфигурирован для управления углом наклона, или углом поворота, каждой из лопастей 22 ротора (например, углом, который определяет пространственное положение лопастей 22 ротора относительно направления 28 ветра) для управления нагрузки на лопасти 22 ротора при помощи регулировки углового положения по меньшей мере одной из лопастей 22 ротора относительно ветра. К примеру, контроллер 26 турбины может управлять углом наклона лопастей 22 ротора либо по отдельности, либо одновременно, при помощи передачи соответствующих сигналов, или команд, управления на различные приводы угла наклона или механизмы регулировки угла наклона, например, двигатель 32 регулировки угла наклона (фиг. 2) ветровой турбины 10. В частности, лопасти 22 ротора могут быть шарнирно закреплены на ступице 20 при помощи одного или более подшипников угла наклона (не показаны на чертеже), при этом угол наклона может регулироваться при помощи поворота лопастей 22 вокруг оси 34 лопасти с использованием двигателей 32 регулировки угла наклона.

[0030] При этом, когда направление 28 ветра изменяется, контроллер 26 турбины может быть сконфигурирован для управления направлением гондолы 16 по углу рыскания при помощи поворота вокруг оси 36 рыскания с целью расположения лопастей 22 ротора в соответствии с направлением 28 ветра, что позволяет управлять нагрузками, воздействующими на ветровую турбину 10. Например, контроллер 26 турбины может быть сконфигурирован для передачи сигналов управления или команд на механизм 38 управления рысканием (фиг. 2) ветровой турбины, в результате чего гондола 16 может поворачиваться вокруг оси 30 рыскания.

[0031] Дополнительно, контроллер 26 турбины может быть сконфигурирован для управления крутящим моментом генератора 24 (фиг. 2). К примеру, контроллер 26 турбины может быть сконфигурирован для передачи сигналов или команд в генератор 24 с целью модулирования магнитного потока, формируемого в генераторе 24, что позволяет регулировать требуемый крутящий момент в генераторе 24. Подобное временное снижение мощности генератора 24 позволяет снизить скорость вращения лопастей 22 ротора, и соответственно, снизить воздействующие на них аэродинамические нагрузки, а также реактивные усилия, воздействующие на различные другие компоненты ветровой турбины 10.

[0032] На фиг. 2 показан упрощенный внутренний вид одного из вариантов осуществления гондолы 16 ветровой турбины 10. В соответствии с иллюстрацией, генератор 24 может быть размещен внутри гондолы 16. В общем случае генератор 24 может быть связан с ротором 18 ветровой турбины 10 с целью получения электрический энергии из вращательной энергии, вырабатываемой ротором 18. К примеру, ротор 18 может включать основной вал 40 ротора, связанный со ступицей 20 и вращающийся вместе с ней. Генератор 24 может быть в этом случае связан с валом 40 ротора таким образом, чтобы вращение ротора 40 приводило в движение генератор 24. К примеру, в проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения, генератор содержит вал 42 генератора, вращательно связанный с валом 40 ротора при помощи трансмиссии 44. Однако нужно понимать, что в других вариантах осуществления настоящего изобретения вал 42 генератора может быть вращательно связан непосредственно с валом 40 ротора. Альтернативно, генератор 24 может быть непосредственно вращательно связан с валом 40 ротора (что часто называют «ветровой турбиной с прямым приводом»).

[0033] Нужно понимать, что вал 40 ротора в общем случае может поддерживаться в гондоле опорной рамой или опорной плитой 46, установленной наверху башни 12 ветровой турбины. К примеру, вал 40 может поддерживаться опорной плитой 46 при помощи пары опорных подшипников, установленных на опорной плите 46.

[0034] Также, как уже отмечалось в настоящем документе, внутри гондолы 16 ветровой турбины 10 может быть размещен контроллер 26 турбины. К примеру, в соответствии с проиллюстрированным вариантом осуществления настоящего изобретения, контроллер 26 турбины может быть размещен в стойке 52 управления, установленной в одной из частей гондолы 16. Однако в других вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 26 турбины может быть размещен в любом другом подходящем месте на ветровой турбине 10 и/или внутри нее, или в любом соответствующем местоположении, удаленном относительно ветровой турбины 10. При этом, в соответствии с предшествующим описанием, контроллер 26 турбины может быть соединен, с возможностью связи, с различными компонентами ветровой турбины 10 и может осуществлять общее управление ветровой турбиной и/или ее компонентами. К примеру, контроллер 26 турбины может быть соединен, с возможностью связи, с механизмом (или механизмами) 38 привода рыскания ветровой турбины 10 с целью управления направлением по углу рыскания и/или изменения направления гондолы 16 по углу рыскания относительно направления 28 (фиг. 1) ветра. Аналогично, контроллер 26 турбины может быть также соединен, с возможностью связи, с каждым из двигателей 32 регулировки угла наклона ветровой турбины (один из которых показан на чертеже) с целью управления углом наклона или изменением угла наклона лопастей 22 ротора относительно направления 28 ветра. К примеру, контроллер 26 турбины может быть сконфигурирован для передачи сигнала или команды управления в каждый из двигателей 32 регулировки угла наклона, в результате чего один или более исполнительных механизмов (не показаны на чертеже) двигателя 32 регулировки угла наклона могут использоваться для поворота лопастей 22 относительно ступицы 20.

[0035] На фиг. 3 показан общий вид примера системы управления 100 двигателем 32 регулировки угла наклона в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией, система 100 может иметь в своем составе преобразователь 101 постоянного тока в постоянный. Преобразователь 101 может иметь в своем составе управляющую схему 102. Управляющая схема 102 может содержать машиночитаемые инструкции, которые при исполнении одним или более процессоров обеспечивают реализацию, одним или более процессоров, различных подпрограмм управления, например, реализацию процесса предварительной зарядки конденсаторной батареи 104, связанной с системой 100. В примерах осуществления настоящего изобретения управляющая схема 102 может соответствовать контроллеру 26 турбины или независимому и отдельному устройству (или устройствам) управления.

[0036] Система 100 может дополнительно содержать входной источник 106 постоянного тока, сконфигурированный для подачи напряжения постоянного тока на двигатель 32 регулировки угла наклона через преобразователь 101. В частности, источник 106 может быть сконфигурирован для подачи напряжения постоянного тока через схему 108 предварительной зарядки и через инверторный мост 110 на двигатель 32 регулировки угла наклона. Как отмечалось выше, схема 108 предварительной зарядки может быть сконфигурирована для ограничения величины тока, втекающего в конденсаторную батарею 104. Конденсаторная батарея 104 может быть сконфигурирована для снижения пульсаций напряжения постоянного тока на двигателе 32 регулировки угла наклона во время его работы. В соответствии с последующим более подробным описанием, схема 108 предварительной зарядки может содержать один или более токоограничивающих элементов или устройств, сконфигурированных для препятствования протеканию тока через схему 108 предварительной зарядки. Схема 108 предварительной зарядки может также содержать одно или более устройств управления, сконфигурированных для управления работой схемы 108 предварительной зарядки. Таким образом, одно или более устройств управления могут быть независимыми и отдельными от управляющей схемы 102 устройствами или могут входить в ее состав или быть иным образом связанными с управляющей схемой 102.

[0037] Преобразователь 101 может быть сконфигурирован для направления тока через схему 108 предварительной зарядки в ходе выполнения одной или более процедур предварительной зарядки. Так, преобразователь 101 может дополнительно содержать шунтирующий контактор 112 для отвода тока в обход схемы 108 предварительной зарядки, когда процедура предварительной зарядки завершена. К примеру, управляющая схема 102 может быть сконфигурирована для прекращения процесса предварительной зарядки при помощи подачи команды управления на замыкание шунтирующего контактора 112, когда напряжение на конденсаторной батарее 104 достигает порогового значения напряжения, в результате чего выполняется отвод тока через шунтирующий контактор 112.

[0038] На фиг. 4 показана блок-схема одного из вариантов осуществления соответствующих компонентов, которые могут входить в состав управляющей схемы 102 и/или одного или более устройств управления 108 в схеме 108 предварительной зарядки в соответствии с примерами аспектов настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией, управляющая схема 102 может содержать один или более процессоров 212 и соответствующих запоминающих устройств 214, сконфигурированных для исполнения реализуемых при помощи программного обеспечения функций (например, выполнения описанных в настоящем документе способов, шагов, вычислений и т.п.)

[0039] В настоящем документе под термином «процессор» понимаются не только интегральные схемы, которые в данной области техники подразумеваются как входящие состав компьютеров, но также и контроллеры, микроконтроллеры, микро-ЭВМ, логические программируемые контроллеры (programmable logic controller, PLC), заказные интегральные схемы и другие программируемые схемы. При этом запоминающее устройство (или устройства) 214 в общем случае может включать запоминающий элемент (или элементы), включающие, без ограничения перечисленным, машиночитаемые энергонезависимые носители (например, флэш-память), гибкие диски, память «только для чтения» на компакт-дисках (compact disc-read only memory, CD-ROM), магнитооптические диски (magneto-optical disk, MOD), цифровые универсальные диски (digital versatile disc, DVD) и/или другие подходящие запоминающие элементы.

[0040] Такое запоминающее устройство (или устройства) 214 может быть в общем случае сконфигурировано для хранения соответствующих машиночитаемых инструкций, которые при исполнении процессором (или процессорами) 212 конфигурируют управляющую схему 102 для выполнения различных функций, включающих, без ограничения перечисленным, непосредственный или опосредованный прием сигналов от одного или более датчиков (например, датчиков тока, датчиков скорости ветра, датчиков частоты вращения турбины), отражающих различные условия на входе, измерение напряжения на конденсаторной батарее, управление процедурой предварительной зарядки конденсаторной батареи и/или различные другие соответствующие функции, реализуемые при помощи программного обеспечения.

[0041] Дополнительно, управляющая схема 102 может также содержать интерфейс 247 связи для обеспечения связи между управляющей схемой 102 и различными компонентами ветровой турбины 10. Интерфейс может содержать одну или более схем, разъемов, выводов, контактов, проводников или других компонентов для передачи и приема сигналов управления. При этом, также, управляющая схема 102 может содержать интерфейс 244 датчиков (например, один или более аналогово-цифровых преобразователей) для обеспечения преобразования сигналов, переданных с датчиков (например, датчиков 120, 122 и 124), в сигналы, которые могут быть восприняты и обработаны процессорами 212.

[0042] На фиг. 5 показан общий вид примера системы 200 управления схемой предварительной зарядки для конденсаторной батареи в приводе регулировки угла наклона лопасти в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. Так, в частности, система 300 может соответствовать, по меньшей мере частично, схеме 108 предварительной зарядки, показанной на фиг. 3. Как отмечалось выше, система 300 может иметь в своем составе токоограничивающее устройство, например, индуктор 302, подключенный к силовому ключу 304. Силовой ключ 304 может управляться сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), подаваемым устройством 306 управления. Устройство 306 управления может иметь в своем составе различные подходящие компоненты, например, один или более компонентов, показанных как относящиеся к управляющей схеме 102 на фиг. 4. Нужно понимать, что силовой ключ 304 может управляться при помощи различных других методов. Система 300 может также иметь в своем составе изолированный источник электропитания 308 постоянного тока и/или преобразователь постоянного тока в постоянный для приема напряжения из входного источника 106 постоянного тока и для формирования изолированного сигнала напряжения (например, IP15) для устройства 306 управления. Изолированный ключ 310 может быть установлен между устройством 306 управления и источником 308 питания. Ключ 310 может представлять собой оптопару, фотореле или любой другой подходящий изолированный ключ. Ключ 310 может быть по выбору переведен в разомкнутое состояние или в замкнутое состояние, и может быть управляем или иным образом приводиться в действие управляющей схемой 102 в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения.

[0043] В частности, управляющая схема 102 может быть сконфигурирована для управления состоянием ключа 310 по меньшей мере частично на основе напряжения 314 на конденсаторной батарее. К примеру, может выполняться контроль напряжения на конденсаторной батарее 104 и/или может выполняться его измерение иным образом, а сигнал, указывающий на напряжение, может подаваться в управляющую схему 102. Когда напряжение 314 на конденсаторной батарее 104 достигает порогового значения напряжения, управляющая схема 102 может быть сконфигурирована для подачи одного или более командных сигналов на ключ 310, которые обеспечивают перевод ключа 310 в разомкнутое состояние, что размыкает цепь между источником 308 питания и устройством 306 управления. Управляющая схема 102 может быть дополнительно сконфигурирована для подачи управляющей команды на шунтирующий контактор 112 (например, в соответствии с иллюстрацией фиг. 3) для обеспечения перевода шунтирующего контактора 112 в замкнутое состояние.

[0044] Управляющая схема 102 может быть также сконфигурирована для определения емкости конденсаторной батареи 104. Таким образом, управляющая схема может также принимать сигнал, отражающий ток зарядки 316, поданный на конденсаторную батарею 104. В примерах осуществления настоящего изобретения сигнал, отражающий ток 316 зарядки, может представлять собой среднее значение тока зарядки, подаваемого на конденсаторную батарею 104. В соответствии с иллюстрацией, ток зарядки, подаваемый на конденсаторную батарею 104, может быть измерен при помощи датчика 318 тока. Датчик 318 тока может иметь в своем составе любое походящее устройство для измерения тока, такое как резистор, трансформатор тока, преобразователь тока, устройство на эффекте Холла или любой другой подходящий датчик тока. Сигнал, отражающий ток зарядки, может быть подан в управляющую схему 102 через дифференциальный усилитель, например, дифференциальный операционный усилитель 320. Таким образом, дифференциальный операционный усилитель 320 может быть сконфигурирован для преобразования дифференциального сигнала напряжения, поданного датчиком 318 тока, в однополярный сигнал 316 и для подачи однополярного сигнала 316 в управляющую схему 102. Управляющая схема 102 затем может определять емкость конденсаторной батареи 104 по меньшей мере на основе среднего значения сигнала 316 тока и/или напряжения 314.

[0045] Как отмечалось выше, устройство 306 управления может быть сконфигурировано для ограничения силы тока, втекающего в индуктор 302, во время процесса предварительной зарядки. Таким образом, датчик 322 тока может быть сконфигурирован для контроля, измерения и/или регистрации тока, втекающего в индуктор 302 и для предоставления сигнала, отражающего этот ток, в устройство 306 управления. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения сигнал 324 может быть подан через фильтр, например, КС-фильтр, для снижения уровня помех, связанных с сигналом 324. Устройство 306 управления может формировать последовательность импульсов и передавать эту последовательность импульсов на силовой ключ, обеспечивая таким образом его замыкание или размыкание в соответствии с последовательностью импульсов. В примерах осуществления настоящего изобретения устройство 306 может быть сконфигурировано для регулирования скважности последовательности импульсов, по меньшей мере частично на основе сигнала 324 тока. В частности, устройство 306 управления может быть сконфигурировано для перевода сигнала импульса в низкое состояние, когда сигнал 324 тока достигает порогового значения тока, обеспечивая тем самым выключение силового ключа 304, или перевод его в разомкнутое состояние иным образом. В начале непосредственно следующего периода модуляции сигнал импульса может быть переведен в высокое состояние до тех пор, пока сигнал 324 тока снова не достигнет порогового значения тока. Таким образом, для каждого периода модуляции последовательности импульсов, сформированной устройством 306 управления, силовой ключ 304 может быть замнут до тех пор, пока ток, протекающий через силовой ключ 340, не достигает порогового значения тока. В соответствии с приведенным ниже более подробным описанием на примере фиг. 6, в вариантах осуществления настоящего изобретения, где токоограничивающее устройство схемы предварительной зарядки представляет собой индуктивное устройство (например, индуктор 302), когда силовой ключ 304 размыкают, индуктор 302 может отдавать ток, что позволяет сделать ток зарядки, приложенный к конденсаторной батарее 104, приблизительно равным среднему значению тока, протекающего через индуктор 302. В подобных вариантах осуществления настоящего изобретения схема предварительной зарядки может также иметь в своем составе шунтирующий диод 326, включенный между индуктором 302 и землей. Диод 326 может быть использован для пропускания тока зарядки, когда силовой ключ 304 разомкнут.

[0046] На фиг. 6 показан график для примера сигнала 324 тока в индуктивном токоограничивающем устройстве в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. В частности, сигнал 324 тока может иметь период 402 накопления энергии и период 404 вывода энергии. Период 402 накопления энергии и период 404 вывода энергии могут возникать, по меньшей мере частично, в течение каждого периода 406 модуляции последовательности импульсов, формируемой, к примеру, устройством 306 управления. Нужно понимать, что период 406 модуляции может иметь любую подходящую длительность. В одной конкретной реализации длительность периода 406 модуляции может быть выбрана, по меньшей мере частично, в зависимости от значения индуктивности индуктора 302.

[0047] В соответствии с иллюстрацией, период 402 накопления энергии может иметь место в течение первой части периода 406 модуляции. В частности, период 402 накопления энергии может наступать при отпирании силового ключа 304, после чего обеспечивается протекание тока через индуктор 302. Индуктивные свойства индуктора 302 обеспечивают сопротивление индуктора 302 протеканию тока, что обеспечивает постепенный рост тока через индуктор 302 по мере накопления им энергии. Как отмечалось выше, когда сигнал 324 тока достигает порогового значения тока (например, 1 Ампер), устройство 306 управления может обеспечивать размыкание силового ключа 304, прерывая таким образом ток через индуктор 302. Это приводит к отдаче тока индуктором 302 в соответствии с сигналом 324 тока в течение периода 404 вывода энергии. В соответствии с иллюстрацией, индуктор 302 может отдавать ток до тех пор, пока сигнал 324 не достигнет 0. Затем сигнал 324 может оставаться на значении 0 до начала следующего периода модуляции, когда силовой ключ 304 замыкают и индуктор 302 снова начинает накапливать энергию. Таким образом, ток нагрузки (например, среднее значение тока, приложенного к конденсаторной батарее 104) может быть равным приблизительно половине значения порогового тока.

[0048] Однако нужно понимать, что к концу периода 406 модуляции сигнал 324 тока может и не достигать 0. В таком случае, в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, силовой ключ 304 может оставаться открытым в начале следующего периода модуляции.

[0049] На фиг. 7 показана блок-схема алгоритма способа (500) предварительной зарядки конденсаторной батареи в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. Способ (500) может быть реализован, по меньшей мере частично, с использованием одного или более устройств управления, например, одного или более из контроллеров, показанных на фиг. 5. При этом, в целях иллюстрации и описания, на фиг. 7 шаги показаны как выполняемые в конкретном порядке. Однако специалисты в данной области техники при использовании настоящего описания должны понимать, что шаги всех способов, рассмотренных в настоящем документе, в пределах объема настоящего изобретения, могут быть модифицированы, расширены, опущены, переупорядочены и/или адаптированы различными путями.

[0050] На шаге (502) способ (500) может включать запуск процесса предварительной зарядки конденсаторной батареи. Конденсаторная батарея может содержать одно или более емкостных конденсаторных устройств, соединенных последовательно и/или параллельно. Конденсаторная батарея может быть подключена к силовому ключу и токоограничивающему устройству. В частности, силовой ключ и токоограничивающее устройство могут быть включены последовательно между источником электропитания и конденсаторной батареей. Как отмечалось выше, силовой ключ и токоограничивающее устройство могут быть сконфигурированы для ограничения пиковой силы тока, приложенного к конденсаторной батарее.

[0051] На шаге (504) способ (500) может включать приложение напряжения постоянного тока для использования при предварительной зарядке конденсаторной батареи. Напряжение постоянного тока может быть подано при помощи источника электроэнергии постоянного тока и может иметь любой подходящий уровень напряжения.

[0052] На шаге (506) способ (500) может включать контроль силы тока, втекающего в токоограничивающее устройство. В частности, в тех вариантах осуществления настоящего изобретения, где токоограничивающее устройство является индуктивным устройством, ток через индуктивное устройство может расти со временем, по меньшей мере в начальный период времени. К примеру, ток через индуктор может расти во времени линейно. Контроль тока может выполняться по меньшей мере частично с использованием датчика тока, например, резистора для измерения тока или другого токоизмерительного устройства. В частности, датчик тока может быть подключен последовательно между силовым ключом и токоограничивающим устройством. Токоограничивающее устройство может подавать сигнал, указывающий на ток, который приложен к токоограничивающему устройству, в одно или более устройств управления, например, в одно или более устройств управления, показанных на фиг. 5.

[0053] На шаге (508) способ (500) может включать управление, по выбору, работой силового ключа по меньшей мере частично на основе контролируемого тока. В частности, может обеспечиваться размыкание силового ключа, когда сила контролируемого тока достигает порогового значения тока. К примеру, пороговое значение тока может составлять между около 0,7 Ампер и около 1,5 Ампер. В примерах осуществления настоящего изобретения управление силовым ключом может осуществляться при помощи метода ШИМ-модуляции. Так, может регулироваться скважность ШИМ-сигнала, приложенного к силовому ключу, когда контролируемый ток достигает порогового значения тока.

[0054] На шаге (510) способ (500) может включать контроль напряжения на конденсаторной батарее. К примеру, напряжение на конденсаторной батарее может расти во времени в течение процесса предварительной зарядки, когда на конденсаторную батарею подан ток. Это напряжение может контролироваться, а сигнал, указывающий на контролируемое напряжение, может подаваться в одно или более устройств управления.

[0055] На шаге (512) способ (500) может включать прекращение процесса предварительной зарядки конденсаторной батареи, когда напряжение достигает порогового значения напряжения. В примерах осуществления настоящего изобретения пороговое значение напряжения может быть определено как составляющее между около 60% и 95% напряжения постоянного тока, приложенного источником электропитания постоянного тока. Таким образом, когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, сигнал управления силовым ключом может быть отключен. В дополнение, или альтернативно, когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, может быть замкнут шунтирующий контактор, в результате чего электрический ток может быть отведен от схемы предварительной зарядки (например, силового ключа и токоограничивающего устройства). К примеру, шунтирующий контактор может быть подключен параллельно схеме предварительной зарядки. Таким образом, ток может протекать в конденсаторную батарею через шунтирующий контактор.

[0056] Примеры аспектов настоящего изобретения рассмотрены на примере предварительной зарядки конденсаторной батареи, которую применяют в системе ветровой турбины, однако нужно понимать, что это рассмотрение выполнено исключительно для иллюстрации. В частности, специалисты в данной области техники при использовании описания, приведенного в настоящем документе, должны понимать, что в пределах объема настоящего изобретения рассмотренные здесь способы предварительной зарядки могут использоваться и в различных других соответствующих применениях. К примеру, рассмотренные в настоящем документе способы предварительной зарядки могут использоваться в применениях электрических транспортных средств на аккумуляторных батареях, в системах электрических приводных устройств, для велосипедов с двигателями и/или в различных других соответствующих применениях.

[0057] В данном документе для описания изобретения использованы конкретные примеры, включая лучший вариант его осуществления. Цель приведенных примеров - обеспечить возможность практического применения настоящего изобретения специалистами в данной области техники, что может включать создание и использование любых устройств или систем, или выполнение любых способов согласно изобретению. Объем настоящего изобретения задан формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут быть найдены специалистами в данной области техники. Все такие дополнительные примеры попадают в объем формулы изобретения, если они включают структурные элементы, не отличающиеся от буквального описания в пунктах формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с незначительными отличиями от буквального описания в пунктах формулы изобретения.

Предложены системы и способы предварительной зарядки конденсаторной батареи. Силовой ключ и токоограничивающее устройство включены последовательно между источником электропитания и конденсаторной батареей. Выполняется управление силовым ключом с целью ограничения пикового тока зарядки, приложенного к конденсаторной батарее в течение процесса предварительной зарядки. Скважность импульсного сигнала может быть модифицирована на основе измеренного тока, втекающего в токоограничивающее устройство. При этом может также выполняться контроль напряжения на конденсаторной батарее, и процедура предварительной зарядки может быть прекращена, когда контролируемое напряжение достигает порогового значения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система предварительной зарядки конденсаторной батареи, включающая: силовой ключ, включенный последовательно с входным источником постоянного тока;

токоограничивающее устройство, включенное последовательно между силовым ключом и конденсаторной батареей, содержащей одно или более конденсаторных устройств;

первое устройство управления, сконфигурированное для управления работой силового ключа путем:

приема одного или более сигналов, указывающих на ток зарядки, связанный с конденсаторной батареей; и

управления работой силового ключа по меньшей мере частично на основе тока зарядки; и

второе устройство управления, сконфигурированное для измерения напряжения на конденсаторной батарее, а также для управления работой первого устройства управления по меньшей мере частично на основе измеренного напряжения на конденсаторной батарее.

2. Система по п. 1, в которой силовой ключ содержит полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник.

3. Система по п. 1, в которой токоограничивающее устройство содержит индуктивное устройство.

4. Система по п. 3, также содержащая шунтирующий диод, включенный между силовым ключом и землей.

5. Система по п. 1, в которой первое устройство управления представляет собой контроллер широтно-импульсной модуляции, при этом управление работой силового ключа по меньшей мере частично на основе тока зарядки включает:

сравнение принятых одного или более сигналов, указывающих на ток зарядки, с пороговым значением тока; и

размыкание силового ключа, когда сигнал, указывающий на ток зарядки, достигает порогового значения тока.

6. Система по п. 1, также включающая преобразователь постоянного тока в постоянный, сконфигурированный для подачи входной электрической энергии на первое устройство управления.

7. Система по п. 6, также включающая изолированный ключ, включенный между преобразователем постоянного тока в постоянный и первым устройством управления, при этом второе устройство управления управляет работой первого устройства управления при помощи подачи одной или более команд управления на изолированный ключ.

8. Система по п. 1, в которой второе устройство управления сконфигурировано также для определения емкости конденсаторной батареи по меньшей мере частично на основе среднего значения тока зарядки и измеренного напряжения на конденсаторной батарее.

9. Система по п. 8, в которой среднее значение тока зарядки определяют с использованием токоизмерительного элемента, подключенного к дифференциальному операционному усилителю.

10. Система по п. 1, в которой второе устройство управления сконфигурировано для управления работой первого устройства управления по меньшей мере частично на основе измеренного напряжения на конденсаторной батарее, путем:

сравнения измеренного напряжения на конденсаторной батарее с пороговым значением напряжения; и

прекращения работы первого устройства управления, когда измеренное напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения.

11. Система по п. 10, в которой пороговое значение напряжения является процентной долей от величины напряжения, поданного входным источником постоянного тока.

12. Система по п. 10, также включающая шунтирующий контактор, подключенный параллельно силовому ключу и токоограничивающему устройству, так что когда шунтирующий контактор находится в замкнутом состоянии, ток из входного источника постоянного тока направляется через шунтирующий контактор.

13. Система по п. 12, в которой второе устройство управления дополнительно сконфигурировано для управления работой шунтирующего контактора таким образом, чтобы шунтирующий контактор находился в замкнутом состоянии, когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения.

14. Система по п. 1, в которой один или более сигналов, указывающих на ток зарядки, определяют с использованием токоизмерительного элемента.

15. Способ управления предварительной зарядкой конденсаторной батареи, содержащей одно или более конденсаторных устройств, причем конденсаторная батарея включена последовательно с силовым ключом и токоограничивающим устройством, включенными между источником электропитания и конденсаторной батареей, при этом способ включает:

подачу источником электропитания входного постоянного тока для использования его при предварительной зарядке конденсаторной батареи;

контроль величины постоянного тока, втекающего в токоограничивающее устройство;

избирательное управление работой силового ключа так, что когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока, силовой ключ размыкают;

контроль напряжения на конденсаторной батарее; и

когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, прекращение предварительной зарядки конденсаторной батареи таким образом, чтобы шунтировать токоограничивающее устройство.

16. Способ по п. 15, в котором избирательное управление работой силового ключа таким образом, что когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока, силовой ключ размыкают, включает регулировку скважности последовательности импульсов, связанной с силовым ключом, когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока.

17. Способ по п. 15, в котором прекращение предварительной зарядки конденсаторной батареи включает подачу на шунтирующий контактор одной или более команд управления, обеспечивающих работу шунтирующего контактора в замкнутом состоянии.

18. Ветротурбинная система, включающая:

ротор;

статор;

двигатель регулировки угла наклона одной или более лопастей ротора, связанных с ветротурбинной системой; и

одно или более устройств управления, сконфигурированных для предварительной зарядки конденсаторной батареи, связанной с двигателем регулировки угла наклона, путем:

запуска процесса предварительной зарядки конденсаторной батареи;

контроля величины постоянного тока, втекающего в токоограничивающее устройство, включенное последовательно между конденсаторной батареей и источником электропитания,

избирательного управления работой силового ключа таким образом, что когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока, силовой ключ размыкают, что снижает величину тока, воздействующего на токоограничивающее устройство;

контроля напряжения на конденсаторной батарее; и

когда напряжение на конденсаторной батарее достигает порогового значения напряжения, прекращения процесса предварительной зарядки.

19. Ветротурбинная система по п. 18, в которой избирательное управление работой силового ключа таким образом, что когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока, силовой ключ размыкают, включает регулировку скважности последовательности импульсов, связанной с силовым ключом, когда величина постоянного тока достигает порогового значения тока.

20. Ветротурбинная система по п. 18, в которой прекращение процесса предварительной зарядки включает подачу одной или более команд управления на шунтирующий контактор, включенный параллельно токоограничивающему устройству, что обеспечивает работу шунтирующего контактора в замкнутом состоянии, так что токоограничивающее устройство шунтируется.