用于控制涡轮叶片的系统和方法 相关申请的交叉引用
本申请根据 35 U.S.C§119(e) 要求 2007 年 11 月 1 日提交的美国临时专利申请 No.61/001,443 的优先权， 在美国临时专利申请在此并入作为参考。
技术领域
本发明涉及具有一个或多个叶片的风力或水力涡轮机， 尤其涉及叶片的桨距角 (pitch angel) 的电气致动。更具体地， 本发明涉及对于叶片的桨距角的应急控制。背景技术
叶片桨距角的动态控制在涡轮机上用作总体控制系统的一部分， 以调节转子转速 和转矩。还采用技术以响应于转子扫掠区域内随时间变化的流动速度条件而调节叶片， 以 便减轻各种冲击和疲劳载荷。在涡轮控制和载荷缓和方法中还考虑流体密度的变化、 以及 与涡轮几何形状相关的因素。
测量和控制技术的发展导致相对于改变由涡轮叶片产生的功率和转子转矩的增 强的动态响应能力。 由于增强的响应能力使涡轮功率调节更彻底的优化成为可能并改善各 种冲击和疲劳载荷缓和的效率， 所以利用叶片变桨控制 (pitch control) 的现代涡轮机通 过叶片变桨致动器继续受益于增强动态响应能力。
在风力涡轮机的情况下， 叶片变桨控制通过如下方式提供重要的安全功能 ： 通过 提供装置， 以使叶片移动来用作气动制动器， 从而停止涡轮机。 否则， 不能停止涡轮机， 并且 这样的失控可导致机器的灾难性故障、 并潜在地成为生命和财产的安全隐患。为了安全的 原因， 变桨系统设计必须能够承受住任何可能的单点故障或共模故障， 并且由此没有超过 一个未能达到气动 “安全” 的叶片、 或顺桨 (feather) 位置。
图 1 是现有技术的 DC 叶片控制系统的示意性框图。为了满足该安全要求， 已知利 用机械电刷换向将具有 DC 电机的电气变桨系统用于叶片变桨致动和控制。在图 1 所示的 简化的示例的这些设计中， 诸如 IGBT 或 MOSFET H-Bridge 或图腾柱电路的功率转换电子设 备被用于调节至电机的电压或电流。 通过反馈传感器与电子控制处理器和软件的组合以多 种方式中的一种方式测量和控制叶片位置。目的是， 与调节电机转速和转矩的功率转换元 件相结合的这些控制导致叶片在时间上的各时刻处具有预期的运动状态。
通常， 在变桨系统或涡轮控制系统的电子控制出现故障的情况下启动单独防故障 的安全系统， 以防止系统的继续操作。例如， 该安全系统通过机电装置使包含于 DC 电源中 所储存的能量直接连接至 DC 电机。电机运转， 以使叶片沿气动顺桨位置的方向行进， 并停 止在气动顺桨位置。对于各涡轮叶片存在一个单独的独立安全系统。停止位置由机械联接 在叶片与电机之间的位置指示开关控制。 这些限位开关使所储存的能量与变桨电机在机械 电气上断开， 并从防故障制动器释放功率， 以停止叶片的俯仰运动。
机械换向 DC 电机解决方案至少存在两点限制。在任何电机技术的情况下， 转矩与 惯性之间的关系定义了电机及其驱动的整个系统的最大加速能力。在 DC 电机的情况下， 惯性相对于转矩趋向于更高， 由此系统的加速度实质上由电机惯性本身限制。该加速度限制 为变桨致动器设置了总体动态响应。
DC 电机中的机械电刷是维护项目， 并且可能需要不时更换。变桨致动器动态响应 不断增加的需求趋向于对电机电刷和换向器的长使用寿命产生消极影响。
AC 系统克服以上 DC 机械换向系统的限制中的一个或两者。为了实现作为伺服机 构， 电气地换向 AC 电机， 并且同样地， AC 电机没有电刷。尽管 AC 异步电机具有与 DC 电机 操作的机器相当的系统加速度限制， 但永磁 AC 同步电机消除了电刷， 并且比较起来具有非 常高的转矩惯性比， 并且原则上能够明显增强变桨致动器的动态响应能力。
现有的 AC 系统电机控制需要三相电力桥形式的 IGBT 或 MOSFET 的功率转换、 电子 设备和传感器， 以测量位置， 并对输送至转动或静止的电机的多相功率换向。 微处理器用于 执行换向功能， 并将转换或电流控制命令输送至三相桥， 使得被驱动的电场相对于电机的 磁场具有合适的角度。
图 2 是现有技术的无刷电机叶片控制系统的示意性框图。为简单起见， 在图 2 中 未示出变桨系统的所有功能或元件。用于变桨控制的典型的 AC 电机致动器系统的主要缺 点是其从安全系统立场上的实质弱点。例如， 正常操作和安全操作共用相同的相对复杂的 硬件和软件， 导致下列问题 ：
1. 对于单独的叶片安全系统而言， 用于硬件的非常高的零件数导致固有较低的可靠性 ； 2. 安全电路不合需要的高度复杂性导致可靠性损失 ；
3. 在微处理器功能性、 应用软件实现、 以及第三方编辑器和编译器软件工具中对 于所有的叶片而言潜在的共模故障。
4. 各叶片上的安全系统依赖于在用于正常控制的电子设备中使用的相同数量并 精密的零件和半导体， 从而由 AC 总电源发电机干扰、 电网供应瞬态、 或雷击引起共模故障。 由外部电气瞬态所引起的系统共模故障可导致超过一个叶片以上的安全系统故障。
5. 几乎任意单点故障导致在至少一个叶片上的安全系统的故障。尽管一个叶片 的安全故障不会导致灾难性故障， 但这样的故障导致异乎寻常的冲击和疲劳状态。由于上 述状态的载荷情况必然导致相比于采用 DC 变桨系统而言超出涡轮设计寿命的潜在更高频 率， 所以这些状态可抵消较高载荷缓和能力的益处。
发明内容
本发明广泛地包括一种用于涡轮叶片的控制系统， 包括 ： 操作控制元件， 用于产生 并输出操作控制信号， 该操作控制信号用于电机的非应急操作， 该电机用于对涡轮叶片的 桨距 (pitch) 进行控制 ； 应急控制元件， 与操作控制元件分离并且与操作控制元件不同， 用 于产生并输出用于电机的应急操作的应急控制信号 ； 以及输出级元件， 用于接收操作控制 信号和应急控制信号、 并用于选择操作控制信号或应急控制信号中的一个、 并且具有接收 用于电机的操作的功率的装置、 以及具有根据所选择的操作控制信号或应急控制信号向电 机提供所接收的功率的装置。
在一个实施例中， 输出级元件包括 ： 输出级控制元件， 用于接收操作控制信号和应 急控制信号、 用于选择操作控制信号或应急控制信号中的一个、 并且用于输出所选择的操作控制信号或应急控制信号 ； 以及输出级元件， 用于接收所输出的操作控制信号或应急控 制信号、 并且包括用于接收功率的装置和用于提供所接收的功率的装置。
在另一实施例中， 控制系统包括反馈元件， 用于感测叶片的位置， 用于根据感测的 位置产生反馈信号， 并且用于传输反馈信号。应急控制元件用于接收反馈信号并产生响应 于反馈信号的应急控制信号。
本发明还广泛地包括一种用于涡轮叶片的控制系统， 包括 ： 操作控制元件， 用于产 生并输出操作控制信号， 该操作控制信号用于电机的非应急操作， 该电机用于对涡轮叶片 的桨距进行控制 ； 反馈元件， 用于感测电机的位置、 用于根据所感测的位置产生反馈信号、 并且用于传输反馈信号 ； 应急控制元件， 与操作控制元件分离并且与操作控制元件不同， 其 用于 ： 接收反馈信号 ； 产生用于电机的应急操作的、 响应于反馈信号的应急控制信号 ； 以及 产生并输出应急控制信号 ； 输出级控制元件， 用于接收操作控制信号和应急控制信号、 用于 选择操作控制信号或应急控制信号中的一个、 并且用于输出所选择的操作控制信号或应急 控制信号 ； 以及输出级元件， 用于接收所选择的操作控制信号或应急控制信号、 并且包括接 收用于电机的操作的功率的装置和根据所选择的操作控制信号或应急控制信号向电机提 供所接收的功率的装置。 本发明还广泛地包括一种用于控制涡轮叶片的方法， 包括 ： 利用操作控制元件产 生并输出操作控制信号， 该操作控制信号用于电机的非应急操作， 该电机用于对涡轮叶片 的桨距进行控制 ； 利用应急控制元件产生并输出用于电机的应急操作的应急控制信号， 该 应急控制元件与操作控制元件分离并且与操作控制元件不同 ； 以及在输出级元件中 ： 接收 操作控制信号和应急控制信号 ； 选择操作控制信号或应急控制信号中的一个 ； 接收用于电 机的操作的功率 ； 以及根据所选择的操作控制信号或应急控制信号向电机提供所接收的功 率。
在另一实施例中， 输出级元件包括输出级控制元件和输出级元件， 接收和选择操 作控制信号和应急控制信号包括将输出级控制元件用于接收和选择， 并且接收用于电机的 操作的功率以及提供所接收的功率包括将输出级元件用于接收和提供。
在另一实施例中， 该方法包括 ： 利用反馈元件感测电机的位置 ； 利用反馈元件根 据所感测的位置产生反馈信号 ； 利用反馈元件传输反馈信号 ； 以及利用应急控制元件接收 反馈信号。产生应急控制信号包括响应于反馈信号来产生。在另一实施例中， 该方法包括 利用输出级元件接收应急信号， 并且选择操作控制信号或应急控制信号中的一个包括根据 应急信号来选择。
本发明广泛地包括一种用于涡轮叶片的控制系统， 包括 ： 操作控制元件， 用于产生 并输出操作控制信号， 该操作控制信号用于电机的非应急操作， 该电机用于对涡轮叶片的 桨距进行控制 ； 操作输出级元件， 用于接收操作控制信号、 并且具有接收用于电机的非应急 操作的功率的装置、 以及具有根据操作控制信号向电机提供所接收的功率的装置 ； 应急控 制元件， 与操作控制元件分离并且与操作控制元件不同， 用于产生并输出用于电机的应急 操作的应急控制信号 ； 以及应急输出级元件， 用于接收应急控制信号、 并且具有接收用于 电机的应急操作的功率的装置、 以及具有根据应急控制信号向电机提供所接收的功率的装 置。
在一个实施例中， 操作输出级元件包括 ： 操作输出级控制元件， 用于接收操作控制
信号 ； 以及输出级元件， 其包括接收用于电机的非应急操作的功率的装置和提供用于电机 的非应急操作的所接收的功率的装置 ； 或者应急输出级元件包括 ： 应急输出级控制元件， 用于接收应急控制信号 ； 以及应急输出级元件， 包括接收用于电机的应急操作的功率的装 置和提供用于电机的应急操作的所接收的功率的装置。
在一个实施例中， 该系统包括反馈元件， 用于感测电机的位置， 用于根据所感测的 位置产生反馈信号， 并且用于传输反馈信号， 并且应急控制元件用于接收反馈信号并产生 响应于反馈信号的应急控制信号。
本发明广泛地包括一种用于控制涡轮叶片的方法， 包括 ： 响应于非应急状态信号 并利用操作控制元件产生并输出操作控制信号， 该操作控制信号用于电机的非应急操作， 该电机用于对涡轮叶片的桨距进行控制 ； 以及在操作输出级元件中 ： 接收操作控制信号 ； 接收用于电机的非应急操作的功率 ； 以及根据操作控制信号向电机提供用于电机的非应急 操作的所接收的功率 ； 或者， 响应于应急状态信号并利用应急控制元件产生并输出用于电 机的应急操作的应急控制信号， 该应急控制元件与操作控制元件分离并与操作控制元件不 同； 以及在应急输出级元件中 ： 接收应急控制信号 ； 接收用于电机的应急操作的功率 ； 以及 根据应急控制信号向电机提供用于电机的应急操作的所接收的功率。 在一个实施例中， 操作输出级元件包括 ： 操作输出级控制元件和操作输出级元件， 接收操作控制信号包括 ： 使用操作输出级控制元件来接收， 并且接收用于电机的非应急操 作的功率以及提供用于电机的非应急操作的所接收的功率包括 ： 使用操作输出级元件来接 收和提供。在一个实施例中， 应急输出级元件包括 ： 应急输出级控制元件和应急输出级元 件， 接收应急控制信号包括 ： 使用应急输出级控制元件来接收， 并且接收用于电机的应急操 作的功率以及提供用于电机的应急操作的所接收的功率包括 ： 使用应急输出级元件来接收 和提供。在一个实施例中， 该方法包括 ： 利用反馈元件感测电机的位置 ； 利用反馈元件根据 所感测的位置产生反馈信号 ； 利用反馈元件传输反馈信号 ； 以及利用应急控制元件接收反 馈信号。产生应急控制信号包括响应于反馈信号来产生。
本发明总体目的是提供用于控制涡轮叶片的系统和方法。
通过以下本发明优选实施例的说明并通过附图和权利要求可容易地意识到本发 明的这些和其它的目的和优点。
附图说明
在本发明以下接合附图的详细说明中将更充分地描述本发明的性质和操作模式， 图 1 是现有技术的 DC 叶片控制系统的示意性框图 ； 图 2 是现有技术的无刷电机叶片控制系统的示意性框图 ； 图 3 是本发明的用于涡轮叶片的控制系统的示意性框图 ； 图 4 是产生反馈信号的电路的示意图 ； 图 5 是产生用于电机的命令信号的电路的示意图 ； 图 6 是产生用于电机的转矩命令的电路的示意图 ； 图 7 是产生用于电机的应急操作的应急控制信号的电路的示意图 ； 图 8 是选择和输出应急控制信号或操作控制信号的电路的示意图 ；8其中 ：
CN 101918273 A
说明书5/15 页图 9 是使用输出的应急控制信号或操作控制信号以向电机提供功率的电路的示 图 10 是产生一个或多个禁用控制信号以禁用输出级元件的电路的示意图 ； 并且 图 11 是本发明的用于具有全冗余应急控制的涡轮叶片的控制系统的示意性框意图 ；
图。 具体实施方式
首先， 应意识到的是， 不同绘制视图上相同的附图标记标示出本发明相同的、 或功 能上类似的结构元件。 尽管参考目前被认为是优选的方面描述了本发明， 但应理解的是， 要 求保护的本发明不局限于公开的各方面。
此外， 应理解的是， 本发明不局限于描述的特定的方法论、 材料和变型， 并因而当 然可改变。 还应理解的是， 在此所使用的术语仅用于描述特定的方面的用途， 并且不用于限 制本发明的保护范围， 其仅由所附权利要求限制。
除非另有说明， 否则在此使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属于的领域 的普通技术人员通常所理解的相同含意。 尽管在本发明的实践或测试中可使用与在此所描 述的相似或等同的任何方法、 装置或材料， 但目前描述优选的方法、 装置、 和材料。
图 3 是本发明的用于涡轮叶片的控制系统 100 的示意性框图。系统 100 包括应急 控制元件 102、 操作控制元件 104 和输出级元件 106。元件 102 用于为电机 110 的应急操作 产生并输出应急控制信号。元件 104 用于为电机 110 的非应急操作产生并输出操作控制信 号， 即在标准的、 正在进行中的或正常运转状态下的操作。 电机用于控制连接至该电机的叶 片 ( 未示出 ) 的桨距。在一个实施例中， 电机为无刷 AC 电机。有利地， 元件 102 与操作控制 元件分离并不同于操作控制元件。因此， 元件 102 与元件 104 中的故障隔离， 其中如果元件 102 与 104 不分离， 例如如果元件共用电路或部件， 则元件 104 中的故障可能危及元件 102 的操作。元件 102 和 104 接收指示需要应急还是非应急模式的操作的应急状态信号。本领 域已知的任何装置可用于状态信号， 例如由元件 102 和 104 监视电压 S24V IN。 在一个实施 例中， 线上电压指示非应急的操作， 而缺少电压或低于预定阀值的电压则指示操作处于应 急模式。
输出级元件用于接收操作和应急控制信号， 并用于根据应急状态信号选择操作或 应急控制信号中的一个。例如， 对于低于上述阀值的电压 S24V IN， 元件 106 选择应急控制 信号， 而对于高于上述阀值的电压 S24V IN， 元件 106 则选择操作控制信号。能够监视或检 测本领域已知的对于系统 100 的或对于包括系统 100 的涡轮机 ( 未示出 ) 的任何状态， 以 产生应急状态信号。
元件 106 包括 ： 接收用于电机的操作的功率的装置， 例如端子 120 ； 和根据选定的 操作或应急控制信号向电机提供接收的功率的装置， 例如端子 122。 可使用本领域已知的任 何功率接收和传输装置。元件 106 可从本领域已知的任何电源接收和传输功率， 例如用于 正常操作的电源 124 和例如可以是电池或电容器电源的应急电源 126。
在一个实施例中， 输出级元件包括输出级控制元件 128 和输出级元件 130。元件 128 用于接收操作和应急控制信号， 选择操作或应急控制信号中的一个， 并输出选择的操作 或应急控制信号。元件 130 用于接收输出的操作或应急控制信号， 并包括用于接收功率的装置和用于提供接收的功率的装置。
在一个实施例中， 系统 100 包括反馈元件 132， 其用于感测转子的位置、 用于根据 感测的位置产生反馈信号并且用于传输反馈信号。应急控制元件用于接收例如线路 136 上 的反馈信号， 并产生响应于反馈信号的应急控制信号。 也就是说， 产生应急控制信号以说明 转子的位置。或者说， 元件 132 提供用于对电机的电流进行电气换向的转子转角信息。在 一个实施例中， 反馈信号用于控制叶片朝顺桨位置的运动， 而限位开关 138 用于确定叶片 何时到达顺桨位置。然后， 来自限位开关的信号用来使电机停止转动。例如， 当叶片到达顺 桨位置时， 信号从限位开关传输至继电器控制单元 140， 并且单元 140 将信号传到元件 102。 单元 140 还向制动器 142 传输信号， 以将电机制动在顺桨位置。在一个实施例中， 当叶片到 达预期的最终位置时， 反馈信号中的数据描述该位置， 并且元件 102 确定不再需要转动叶 片， 并产生应急控制信号以中止叶片的转动。
应理解的是， 系统 100 可操作为不具有反馈传感器 132。例如， 如果对于系统 100 启动应急操作， 则不管叶片在产生应急控制信号时的位置， 元件 102 能产生应急控制信号， 以将叶片驱动至顺桨位置。在这种情况下， 元件 130 产生预期的电机电流， 并且电机最终与 预期的电流同步。 在另一情况下， 能从电机直接获得关于电机转子位置的数据， 并将该数据 用于产生应急控制信号。 系统 100 可描述成相对于用于叶片的控制信号利用 “异或” 方法。在一个实施例 中， 系统 100 使用 “异或门驱动” 方法。例如， 元件 130 包括 IGBT 或 MOSFET( 未示出 )， 并且 例如以三相功率桥形式操作 IGBT 或 MOSFET 的功率转换的门 (gate) 的元件 128 中的电路 ( 未示出 ) 的控制响应于例如正常控制信号的正常操作控制， 或者在应急情况下响应于例 如应急控制信号的应急操作控制。在应急模式下， 系统 100 控制电机 110， 使得叶片位移至 顺桨或制动位置。因此， 应急操作在例如元件 104 的用于正常的或非应急操作的控制布置 中不依赖于并且不取决于例如电机位置反馈传感器 140 的操作的、 即非应急的伺服控制传 感器、 以及处理硬件或软件 ( 未示出 )。
为了降低系统 100 的尺寸、 成本和复杂度， 在优化应急和非应急控制信号产生的 分离的同时， 元件 106 用于正常的和应急的操作。例如， 元件 106 中的 IGBT 或 MOSFET 以及 附带的栅极驱动电路为正常和应急操作所共用。 有利地， 并如以下进一步描述的， 利用更少 并且更简单的硬件和通过比例如元件 104 中的正常操作所需的少得多的部件实现元件 102 中的应急控制操作。由于应急操作简化的要求， 所以元件 102 中的硬件和部件同样比对于 元件 104 而言典型的硬件和部件更鲁棒。如上所述， 在一个实施例中， 包括单独并且冗余的 电机反馈元件 132， 以增强可靠性， 避免例如与来自传感器 140 的信号相关的软件解码， 并 允许更简单并且更可靠的电路设计。
或者说， 系统 100 包括与正常操作控制系统分离并且比正常操作控制系统简单但 与正常控制系统共用电枢输出级和电机的应急控制系统。有利地， 该布置降低应急通道中 部件的数量、 脆弱性和复杂性， 并且在一个实施例中去除正常操作与应急操作之间的通用 软件。因此， 分别降低了成本和空间要求。
在一个实施例中， 元件 132 是旋转变压器 (resolver) 反馈装置， 一种不包含任何 有源部件的机电装置。 由于缺少有源部件， 所以旋转变压器装置非常坚固耐用， 并且在电机 周围的电气干扰的情况下， 例如雷击， 旋转变压器装置中的部件比有源部件更能够抗故障。
例如， 旋转变压器仅依赖于机械操作， 例如旋转变压器包含绕组线圈并且非常坚固耐用， 而 且不受来自电气干扰或其它耦联瞬态事件的故障影响。此外， 旋转变压器具有比包含电子 设备的常规反馈装置宽得多的操作温度范围。 因此， 在电机具有由热造成的问题的情况下， 旋转变压器不太可能遭受与温度相关的问题并且能够连续提供反馈数据。
应理解的是， 可使用其它的位置反馈装置并且其包括在要求保护的本发明的精神 和范围中。例如， 可使用霍尔 (Hall) 反馈装置。例如， 在一个实施例 ( 未示出 ) 中， 霍尔反 馈装置与六步电流调制方案一起使用。
在以下的说明中， 假定电机 110 为三相电机。然而， 应理解的是， 除三相以外的电 机可与系统 100 一起使用， 并且以下的说明适用于除三相以外的电机。
有利地， 由于元件 102 与元件 104 分离， 所以在正常操作与应急操作之间共用较少 的部件， 并因此使共模故障点的数量最小化。 在一个实施例中， 能在各元件中优化相应栅极 驱动特性的设计， 以在应急控制中优化操作的性能和鲁棒强力的可靠性。
能够开发监视方案 ( 未示出 )， 以在正常操作期间监视并指示元件 102 的准备就 绪。例如， 如果该监视确定了元件 102 准备就绪丧失， 则元件 104 自动使叶片返回至顺桨位 置。 有利地， 将系统 100 中例如用于电机功率转换的半导体的数量保持为该用途所需 的最小数量， 并且基于正常操作要求， 为鲁棒可靠的安全操作能够独立地设计优化该数量。 这些半导体也能被保持隔离， 并且被更有力地保护以免受上述共模瞬变状态影响。
以下应根据图 3 来考虑。以下描述本发明的用于控制涡轮叶片的方法。尽管为清 楚起见， 该方法以步骤的次序来介绍， 但除非明确声明， 否则不应从该次序推定顺序。第一 步骤利用操作控制元件， 产生并输出用于电机的非应急操作的操作控制信号， 以控制涡轮 叶片的桨距 ； 第二步骤利用与操作控制元件分离并不同于操作控制元件的应急控制元件， 产生并输出用于电机的应急操作的应急控制信号 ； 以及， 在输出级元件中 ： 第三步骤接收 操作和应急控制信号 ； 第四步骤选择操作或应急控制信号中的一个 ； 第五步骤接收用于电 机的操作的功率 ； 并且第六步骤根据选择的操作或应急控制信号向电机提供接收的功率。
在一个实施例中， 输出级元件包括输出级控制元件和输出级元件， 接收和选择操 作和应急控制信号包括将输出级控制元件用于接收和选择， 并且接收用于电机的操作的功 率和提供接收的功率包括将输出级元件用于接收和提供。在一个实施例中， 第七步骤利用 反馈元件感测电机的位置 ； 第八步骤利用反馈元件根据感测的位置产生反馈信号 ； 第九步 骤利用反馈元件传输反馈信号 ； 而第十步骤利用应急控制元件接收反馈信号， 并且产生应 急控制信号包括响应于反馈信号来产生。
图 4 是产生反馈信号的电路 200 的示意图。以下应根据图 3 至 4 来考虑。在一个 实施例中， 系统 100 包括元件 132， 其是旋转变压器。 电路 200 是示例性电路， 其用于为旋转 变压器位置反馈装置产生基准驱动， 并处理来自旋转变压器的反馈信号， 以便为叶片产生 角度电机转子位置。然而， 应理解的是， 系统 100 不局限于图 4 所示的布置， 用于产生例如 基准驱动的反馈信号并处理反馈信号的其它电路布置包括在要求保护的本发明的精神和 范围中。
以下是图 4 所示部件的简要说明 ：
U1 ： 该电路是反馈到数字位置转换器 (R/D) 的旋转变压器。其为旋转变压器反馈
装置产生正弦基准信号 (Ref Out)， 并从旋转变压器接收将基准信号输出用作载波信号的 正弦反馈 (Sin、 Sin Lo 以及 Cos、 Cos Lo)。R/D 转换器将基准和反馈信号用于计算数字位 置输出， 并将数字信息置于数据输出 DB0 至 DB11 ；
C1、 C2、 C5、 C6、 Y1 ： 这些部件用于为 R/D 转换器产生时钟频率 ；
J1、 J2、 R2、 R3 ： 这些部件用于选择基准信号的频率。
R1、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 R10、 U2A、 U3、 C3、 C4、 C7、 C8、 C9、 D1、 D2、 Q1、 Q2 ： 这些部 件用于放大基准信号， 以适当地驱动旋转变压器的基准线圈 (reference coil) ；
R11、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 C10、 C12、 C13、 D3、 D4、 U4B ： 这些部件缓冲旋转 变压器正弦反馈信号， 并将其定标至 R/D 转换器集成电路 U1 使用的合适的范围 ；
R18、 R19、 R20、 R21、 R22、 R23、 R24、 C11、 C15、 C16、 D5、 D6、 U5A ： 这些部件缓冲旋转 变压器余弦反馈信号， 并将其定标至 R/D 转换器集成电路 U1 使用的合适的范围 ；
C14、 U4A ： 这些部件用于缓冲来自 R/D 转换器的 Ref Out 信号。然后， 该缓冲的信 号用于使正弦和余弦反馈信号偏移， 以将它们从双极信号改变成 R/D 转换器使用的单极信 号； 以及
R25、 R26、 R27、 R28、 D7、 D8、 Q3、 Q4、 U6A、 U6B ： 这些部件用于产生正负 8 伏的基准信 号。这些信号由速度控制电路使用。 图 5 是产生用于电机的命令信号的电路 300 的示意图。以下应根据图 3 至 5 来考 虑。电路 300 是基于例如在来自元件 132 的反馈信号中所包括的转子转角来产生电枢电流 命令的示例性电路。然而， 应理解的是， 系统 100 不局限于图 5 所示的布置， 用于产生电流 命令的其它电路布置包括在要求保护的本发明的精神和范围中。 电流命令用于电机的三相 中的两相。 在一个实施例中， 反馈信号由速度控制回路使用， 而电流命令至少部分地由速度 控制回路产生。
以下是图 5 所示部件的简要说明 ：
U3 ： 该电路被操作为只读存储器 (ROM) 装置， 其用于基于来自由 R/D 转换器产生的 数字转子转角的输入、 来自速度控制回路的转矩方向信号和用于为电机的相 1 或相 2 选择 角度的 sin(θ)/sin(θ+120) 信号为电机 110 的相 1 和相 2 输出数字电机换向角。这些数 字相位换向角度置于信号 DQ0 至 DQ11。 来自 R/D 转换器的数字转子角度在信号 DB0 至 DB11 上输入该装置。
通过查询 U3 内的表产生电机换向角。信号 DB0 至 DB11 帮助确定到 U3 内选定的 表中的偏移。当 U3 的控制信号正确时， 则将内部表中该偏移处的数据置于输出信号 DQ0 至 DQ11。 U3 包含多个表， 所述多个表具有来自 R/D 转换器的数字旋转变压器角度到置于 U3 的 输出上的数字换向角之间的各种转化比率。 这对能够容易地适应具有因应用而改变的不同 极数 (pole count) 的电机有用 ；
R4、 R5、 R6、 J1、 J2、 J3 ： 这些部件用于在存储于 U3 中的表之间选择， 所述表包含用 于电气换向的电机到旋转变压器极数的各种比率。这些表在 R/D 转子转角与合适的电机电 枢换向角之间转化。在没有合适的电机换向角的情况下， 即使转动， 电机也不会有效地转 动。如所示， 跳线 J1、 J2、 和 J3 可用于在包含于 U3 内的八种不同换向比率表之间选择。
作为示例， 如果元件 132 是附连至具有 2 个转子极的电机 (1 电周期 / 电机转数 ) 的单速旋转变压器 (1 旋转变压器信号的电周期 / 电机转子转数 )， 则需要 1 电机转子周期
/ 转数对 1 旋转变压器周期 / 转数 (1 ∶ 1) 的比率， 以合适地电气换向电机电枢电流。如果 电机具有 8 个转子极 (4 电周期 / 电机转数 )， 则需要 4 转子周期 / 转数对 1 旋转变压器周 期 / 转数的比率 (4 ∶ 1)， 以合适地电气换向电枢电流。
在 U3 中的各表内是用于电机的相 1 和相 2 电流的正负电机转矩的四部分。这些 根据 TORQUE_DIR 和 SIN_SIN120/ 信号选择 ；
R1、 R2、 R3、 U1A、 U1B、 U2 ： 这些部件用于产生电机电枢的相 1 电流命令。U2 在其 DB0 至 DB11 输入上接收表示电机换向角的大小的数字输入， 并用其 VREF 输入上的模拟电压 乘以该大小。VREF 输入具有表示由电机需要的转矩的信号 (TQ_REF)， 以提供给速度控制回 路的速度基准驱动电机。该 TQ_REF 是单极信号， 并且乘以从信号 DB0 至 DB11 锁存的用于 相 1 的数字换向角。数字信息的锁存由 WR 和 CS 信号控制 ； 以及
R7、 R8、 R9、 U4A、 U4B、 U5 ： 这些部件用于以与对于相 1 电流命令的在先说明的相同 方式产生电机电枢的相 2 电流命令。
图 6 是产生用于电机的转矩命令的电路 400 的示意图。以下应根据图 3 至 6 来考 虑。 电路 400 是基于速度命令基准和速度反馈产生电机转矩命令基准的示例性电路。 然而， 应理解的是， 系统 100 不局限于图 6 所示的布置， 用于产生电机转矩命令基准的其它电路布 置包括在要求保护的本发明的精神和范围中。速度命令基准由电路 400 中的部件设定， 并 且速度反馈信号从 R/D 转换器的输出取得的比特而导出。
以下是图 6 所示部件的简要说明 ：
R1、 R2、 R5、 R6、 R7、 R8、 R10、 C 1、 C2、 C3、 C4、 D1、 U1A、 U2A、 U3A ： 这些部件根据到 数字转换输出的旋转变压器的被选比特的脉冲序列信号 (DB2) 产生单极速度反馈信号 (U1A-1)。取决于预期的速度控制范围， 可将来自 R/D 的各种输出比特用于该功能。DB2 的 频率随电机转动的速度而变化。DB2 上的上升沿产生电流脉冲， 以对 C3 充电。随着 DB2 的 频率升高， 进入 C3 的脉冲率升高， 使得 C3 两端的电压升高。C3 两端的电压由放大器 U1A 缓 冲并出现在 U1A-1 上。
R3、 R4、 R9、 U1B ： 这些部件与连接至信号 TACH_SW1 和 TACH_SW2 的模拟开关一起将 TACH_SW2 上的单极速度信号转化成 U1B-7 上的双极信号。在 TACH_SW1 与 TACH_SW2 信号之 间打开和闭合的模拟开关由来自 R/D 转换器的方向指示比特来控制。当方向比特改变极性 时， 该网络的增益在正单位增益到负单位增益之间改变， 因此将 TACH_SW2 上的正单极电压 改变成 U1B-7 上的双极信号 ；
R11、 R12、 R15、 R17、 R19、 R20、 R21、 R25、 R26、 R27、 C5、 C6、 C7、 D2、 D3、 U5A、 U5B ： 这 些部件用于在应急移动到顺桨位置期间调节电机的速度。该电路使速度回路闭合， 并且该 电路在 U5B-7 上的输出是也称为电机转矩基准命令的速度误差。R19、 R20 和 R26 产生到顺 桨位置的受控运动的速度基准。该基准与通过 C5、 R11 和 R15 的滤波网络的速度反馈求和。 R12、 R27、 C6 和 C7 提供控制回路补偿和增益调整。D2 和 D3 钳位由 U5A 产生的最大速度误 差信号。R25 用于定标速度误差 ( 电流命令 )， 该速度误差继而定标在电机中形成的电流。 U5B 用于缓冲从 R25 取得的信号。
信号 VEL_CLAMP 和 VEL_CLAMP_RET 去往在应急运动控制无效时闭合的模拟开关。 这对来自 U5B-7 的电流命令钳位， 并对储存在 C6 和 C7 中的所有电压放电 ；
R13、 R14、 R16、 R18、 C8、 U4 ： 这些部件用于产生与提供给 R18 的速度误差的极性对应的数字信号。该数字信号由 TORQUE_DIR 信号表示。然后， TORQUE_DIR 信号由保存换向查 询表的存储装置使用， 以产生相 1 和相 2 换向角大小信号。 取决于其为高值或低值， TORQUE_ DIR 信号的极性使得选择表的不同部分。在对诸如电动回转或再生操作区域的电机操作的 不同区域控制电机转速的同时， 需要该表查询差异以提供电机合适的换向 ； 以及
R22、 R23、 R24、 R28、 R29、 D4、 U6A、 U6B ： 这些部件用于形成绝对值电路。该电路将 进入 R29 的双极转矩命令信号转化成从 U6A-1 输出的单极 TQ_REF 信号。然后， TQ_REF 信 号被馈送至电机换向电路， 以产生电机电流命令。
图 7 是产生用于电机的应急操作的应急控制信号的电路 500 的示意图。以下应根 据图 3 至 7 来考虑。电路 500 是用于产生信号 108 的示例性电路， 例如， 产生根据相 1 和相 2 电枢电流命令基准的用于所有三个电机相的应急操作的基准脉宽调制 (PWM) 晶体管输出 级控制信号。例如， 输出控制信号从元件 102 传输至元件 126。应理解的是， 其它的输出级 控制部件和布置包括在要求保护的本发明的精神和范围中。还应理解的是， 系统 100 不局 限于图 7 所示的布置， 产生用于电机的应急操作的输出控制信号的其它电路布置包括在要 求保护的本发明的精神和范围中。
以下是图 7 所示部件的简要说明 ：
R6、 R9、 R12、 R14、 C4、 U3、 U5A、 D3、 D4 ： 这些部件将相 1 电枢电流命令 (P1_CMD) 和 相 1 电枢电流反馈 (P1_FDBK) 求和， 以产生在 U5A-1 放大并由 D3 和 D4 钳位的相 1 电枢电 流误差信号。此外， U3 包含由 CLAMP 信号控制的模拟开关， 以便在应急移动到顺桨位置无 效时将该网络在 U5A-1 处的输出钳位在零伏。启动模拟开关放电储存在反馈电容 C4 中的 所有电压 ；
R19、 R23、 R24、 R27、 C9、 U3、 U5B、 D8、 D9 ： 这些部件对电机的相 2 执行与在先说明的 适用于电机的相 1 的相同的功能 ；
U3 ： 除了用于控制相 1 和相 2 电枢电流误差信号的模拟开关之外， U3 还包含钳位 速度控制回路的增益并放电该控制回路中的积分增益电容器的模拟开关。 这通过信号 VEL_ CLAMP、 VEL_CLAMP_RET 和 CLAMP 来实现。
另外， U3 包含用于根据单极信号产生速度反馈信号的双极信号的模拟开关。这通 过 TACH_SW1、 TACH_SW2 和 DIR 实现。
R31、 R35、 R36、 U8A ： 这些部件求和并反转相 1 和相 2 电枢电流误差信号， 以产生相 3 电枢电流误差信号 ；
R30、 R32、 R33、 R34、 R37、 C12、 D11、 D12、 U8B、 U9A、 U10A ： 这些部件产生由 PWM 比较 电路使用的基准三角波。三角波产生于 U8B-7 并由 U10A 缓冲 ；
R1、 R3、 R4、 R7、 R8、 C2、 U4 ： 这些部件基于相 1 误差信号和基准三角波在 U4-7 处产 生相 1 基准脉宽调制 (PWM) 信号。频率由进入 R8 的三角波的频率决定。占空比由三角波 与误差信号的比较电平决定。该 PWM 信号用于在应急运动到顺桨期间控制相 1 输出级晶体 管；
R10、 R13、 R15、 R17、 R18、 C7、 U6 ： 这些部件以与用于相 1 的在先部分相同的方式产 生相 2 基准脉宽调制 (PWM) 信号 ； 以及
R20、 R22、 R25、 R28、 R29、 C10、 U7 ： 这些部件以与用于相 2 的在先部分相同的方式 产生相 3 基准脉宽调制 (PWM) 信号。图 8 是选择和输出应急控制信号或操作控制信号的电路 600 的示意图。以下应根 据图 3 至 8 来考虑。电路 600 是用于通过选择信号 112 或信号 108 为电枢输出晶体管产生 栅极驱动信号的示例性电路， 例如， 产生非应急的伺服控制产生的 PWM 信号或应急操作 PWM 信号。也就是说， 电路 600 用于产生从元件 128 传输至元件 130 的、 关于元件 130 中的部件 的控制的信号。然而， 应理解的是， 系统 100 不局限于图 8 所示的布置， 用于产生栅极驱动 信号的其它电路布置包括在要求保护的本发明的精神和范围中。
在一个实施例中， 元件 126 的操作， 例如对于上述选择操作的控制， 基于叶片变桨 系统的安全回路的状态。例如， 安全回路检测到系统 100 所位于的主系统 ( 未示出 ) 中的 故障。 例如， 在安全回路检测到有必要停止主系统的故障的情况下， 如果叶片不在顺桨位置 ( 叶片在应急停止中的预期位置 )， 则来自安全回路的信号触发元件 102。 也就是说， 启动元 件 102 以将叶片移动至顺桨位置。应理解的是， 附图所示的逻辑电路能通过一个或多个可 编程逻辑器件来实现。
以下是图 8 所示部件的简要说明 ：
R4、 R5、 C2、 C3、 D3、 U3 ： 这些部件使用于相 1 的非应急伺服控制产生的基准 PWM 信 号 (P1_PWM_SER) 与应急操作控制回路和 PWM 选择逻辑隔离 ； R11、 R13、 C5、 C7、 D8、 U4 ： 这些部件使用于相 2 的非应急伺服控制产生的基准 PWM 信号 (P2_PWM_SER) 与应急操作控制回路和 PWM 选择逻辑隔离 ；
R17、 R18、 C9、 C12、 D11、 U7 ： 这些部件使用于相 3 的非应急伺服控制产生的基准 PWM 信号 (P3_PWM_SER) 与应急操作控制回路和 PWM 选择逻辑隔离 ；
R22、 R23、 R24、 C11、 C13、 D14、 U9 ： 这些部件使安全回路状态信号 (SAFETY) 与应急 操作控制回路和 PWM 选择逻辑隔离 ；
U1C、 U2A、 U2B、 U2C、 U10E ： 这些逻辑部件用于在用于电机的相 1 的非应急伺服控制 产生的基准 PWM 信号与用于电机的相 1 的应急操作产生的 PWM 信号之间选择。该转换由进 入 U10E-11 的信号控制。如果安全回路状态信号指示非应急状态， 则 U10E-11 具有高逻辑 电平。这使非应急 PWM 源被选择为通过盲时插入电路 (deadtime insertion circuitry) 的信号。如果安全回路状态信号指示应急状态， 则应急操作电路产生的 PWM 信号被选择为 通过盲时插入电路的信号 ；
U2D、 U5A、 U5B、 U6C、 U10E ： 这些逻辑部件用于以与在图 7 中对于相 1 描述的相同的 方式在用于电机的相 2 的非应急伺服控制产生的基准 PWM 信号与用于电机的相 2 的应急操 作产生的 PWM 信号之间选择 ；
U5C、 U5D、 U8A、 U10C、 U10E ： 这些逻辑部件用于以与在图 7 中对于相 1 描述的相同 的方式在用于电机的相 3 的非应急伺服控制产生的基准 PWM 信号与用于电机的相 3 的应急 操作产生的 PWM 信号之间选择 ；
R1、 R2、 R3、 R6、 R7、 R8、 C1、 C4、 D1、 D2、 D4、 D5、 Q1、 Q2、 U1A、 U1B、 U1D ： 这些部件取 得选定的相 1 的 PWM 信号， 并将其分成驱动上和下相 1 的电枢输出晶体管栅极驱动电路的 PWM 信号。输出晶体管以图腾柱电路的方式连接。信号 P1_TOP 用于控制相 1 的上晶体管， 而信号 P1_BOT 用于控制相 1 的下晶体管。由于 U1D 反转用于 P1_BOT 的信号， 所以 P1_TOP 和 P1_BOT 实质上具有相反极性。
然而， 存在插入到 P1_TOP 和 P1_BOT 信号的延迟 P1_TOP 和 P1_BOT 信号导通它们
相关的晶体管时刻的盲时， 以使得两晶体管能在一个导通之前同时截止。这防止破坏性电 流流过两个输出晶体管。 为了通过信号 P1_TOP 在导通上相 1 的晶体管中插入延迟， 部件 R1 和 C1 使进入 U1A-3 的信号的下降沿变平缓。在 U1A-3 的输入上到达下阀值电平的该延迟 导致 U1A-2 上输出的转换的延迟。D1 通过允许通过 D1 迅速充电 C1 而防止该延迟出现在进 入 U1A-3 的上升沿。R6、 C4、 和 D4 对于 P1_BOT 执行相同的延迟功能。在 PWM 信号源选择电 路之后插入盲时， 以防止在使输出晶体管处于不合需要的状态中的转换过程期间产生的可 能狭窄的 PWM 脉冲。
R9、 R10、 R12、 R14、 R15、 R16、 C6、 C8、 D6、 D7、 D9、 D10、 Q3、 Q4、 U6A、 U6B、 U6D ： 这些部 件以与对于相 1 输出晶体管栅极驱动信号 P1_TOP 和 P1_BOT 所描述的相同的方式产生用于 相 2 输出晶体管栅极驱动的控制信号 (P2_TOP 和 P2_BOT) ； 以及
R19、 R20、 R21、 R25、 R26、 R27、 C10、 C14、 D12、 D13、 D15、 D16、 Q5、 Q6、 U10A、 U10B、 U10D ： 这些部件以与对于相 1 输出晶体管栅极驱动信号 P1_TOP 和 P1_BOT 所描述的相同的 方式产生用于相 3 输出晶体管栅极驱动的控制信号 (P3_TOP 和 P3_BOT)。
图 9 是使用输出的应急控制信号或操作控制信号以向电机提供功率的电路 700 的 示意图。以下应根据图 3 至 9 来考虑。电路 700 是用于产生信号以驱动元件 130 中的功率 器件的示例性电路。例如， 电路 700 产生信号， 以基于 PWM 栅极驱动输入信号和输出的桥使 能信号来驱动电枢输出晶体管的栅极。然而， 应理解的是， 系统 100 不局限于图 9 所示的布 置， 用于产生驱动信号的其它电路布置包括在要求保护的本发明的精神和范围中。在一个 实施例中， 输出晶体管仅在其相关的 PWM 栅极驱动输入信号为低并且桥使能信号 (BRIDGE_ EN) 驱动为高的情况下被门控启动。
以下是图 9 所示部件的简要说明 ：
R1、 R2、 R6、 R7、 D1、 Q1、 Q2 ： 这些部件用于通过将桥使能信号 BRIDGE_EN 设定为低 电平截止 Q1 来截止所有的输出晶体管。在 Q1 截止的情况下， 使 +5V 源与各个栅极驱动电 路断开。在 Q1 导通的情况下， 各栅极驱动电路由其相关的栅极驱动信号控制 ；
R3、 R8、 D2、 Q1、 U1 ： 这些部件用于直接驱动用于相 1 电枢输出级的上晶体管的栅 极。U1-5 上的栅极驱动输出 (P1_TOP_GATE) 相对于 U1-6(P1_TOP_EMITTER) 上升至足够 的水平， 使得如果 U1-2 上的输入信号 (P1_TOP) 被驱动为低并且 BRIDGE_EN 信号导通 Q1， 则相关的电枢输出晶体管导通。U1-5 上的栅极驱动输出 (P1_TOP_GATE) 相对于 U1-6(P1_ TOP_EMITTER) 下降至足够的水平， 使得如果 U1-2 上的输入信号 (P1_TOP) 被驱动为高或者 BRIDGE_EN 信号截止 Q1， 则相关的电枢输出晶体管截止 ；
R4、 R9、 D3、 Q1、 U2 ： 这些部件用于以与用于相 1 电枢的上晶体管的相同方式直接驱 动用于相 2 电枢输出级的上晶体管的栅极 ；
R5、 R10、 D4、 Q1、 U3 ： 这些部件用于以与用于相 1 电枢的上晶体管的相同方式直接 驱动用于相 3 电枢输出级的上晶体管的栅极 ；
R11、 R14、 D5、 Q1、 U4 ： 这些部件用于以与用于相 1 电枢的上晶体管的相同方式直接 驱动用于相 1 电枢输出级的下晶体管的栅极 ；
R12、 R15、 D6、 Q1、 U5 ： 这些部件用于以与用于相 1 电枢的上晶体管的相同方式直接 驱动用于相 2 电枢输出级的下晶体管的栅极 ； 以及
R13、 R16、 D7、 Q1、 U6 ： 这些部件用于以与用于相 1 电枢的上晶体管的相同方式直接驱动用于相 3 电枢输出级的下晶体管的栅极。
图 10 是产生一个或多个禁用控制信号以禁用输出级元件的电路 800 的示意图。 以下应根据图 3 至 10 来考虑。电路 800 是用于为元件 106 产生禁用信号的示例性电路。 然而， 应理解的是， 系统 100 不局限于图 10 所示的布置， 用于产生反馈信号的其它电路布 置包括在要求保护的本发明的精神和范围中。在一个实施例中， 电路 800 选择桥使能信号 (BRIDGE_EN) 的源， 并产生控制信号 CLAMP， 该 CLAMP 用于将速度回路和电流回路误差钳位 至零伏， 并使应急操作 PWM 信号为 50％的占空比。例如， 当叶片到达顺桨位置时。
以下是图 10 所示部件的简要说明 ：
R1、 R2、 C1、 D1、 U1 ： 这些部件将非应急伺服控制操作桥使能信号 (ENABLE_S) 与应 急操作控制电路和桥使能选择逻辑隔离 ；
R3、 R4、 R5、 C2、 C3、 D2、 U3 ： 这些部件将安全回路状态信号 (SAFETY) 与应急操作控 制电路和桥使能选择逻辑隔离 ；
R6、 R7、 R8、 C4、 C5、 D3、 U6 ： 这些部件将应急操作限位开关信号 (LIMIT_SWITCH) 与 应急操作控制电路和桥使能选择逻辑隔离。 LIMIT_SWITCH 信号由安装在涡轮叶片上的限位 开关产生， 并提供叶片何时到达顺桨位置的状态指示， 在该顺桨位置的点， 由于叶片位于其 安全顺桨位置， 所以不再需要叶片的应急移动 ；
U2A、 U2B、 U4A、 U5A、 U5B ： 这些部件提供用于选择桥使能信号 BRIDGE_EN 的源的逻 辑。 BRIDGE_EN 信号是单信号， 其能用于禁用所有的输出晶体管栅极驱动信号并截止所有的 电枢输出晶体管。这在 BRIDGE_EN 为低时完成。当 BRIDGE_EN 为高时， 其使得输出晶体管 能够由用于输出晶体管的各个栅极驱动信号控制。
尽管这些逻辑部件示出为离散元件， 但应理解的是， 这些部件的功能能够在可编 程逻辑器件 ( 未示出 ) 中实现。
如果变桨系统的安全回路通过将信号 SAFETY 相对于 +24VSAFE 驱动为低而处于非 应急状态， 则 BRIDGE_EN 信号源自 ENABLE_S 信号。 如果变桨系统处于应急状态， 则 BRIDGE_ EN 的源来自于信号 LIMIT_SWITCH ； 以及
U2B、 U5B ： 这些部件提供用于产生钳位信号 CLAMP 的逻辑。尽管这些逻辑部件示 出为离散元件， 但应理解的是， 这些部件的功能能够在可编程逻辑器件 ( 未示出 ) 中实现。 CLAMP 信号用于使速度回路和电流回路误差等于零伏， 以及复位储存在积分电容器上的所 有电压。此外， CLAMP 信号将所有的应急电路产生的基准 PWM 信号设定为 50％的占空比。 能够增加电路， 其监视处于非应急状态的这些 PWM 信号以帮助检测在启动电路之前是否存 在应急电路故障， 并且如果检测到故障， 则非应急伺服操作电路可用于将叶片变桨到顺桨 位置， 以确保涡轮机的适当停机。
图 11 是本发明的用于具有全冗余应急控制的涡轮叶片的控制系统 900 的示意性 框图。系统 900 包括应急控制元件 902 和输出级元件 904。元件 902 用于为电机 906 的应 急操作产生并输出应急控制信号。电机用于控制连接至该电机的叶片 ( 未示出 ) 的桨距。 在一个实施例中， 电机为无刷 AC 电机。在一个实施例中， 系统 900 包括以三相电气桥方式 利用电源开关的全冗余部分的无刷变桨系统的实现。在该方法中， 与 DC 变桨系统一样， 机 电控制 ( 在这些技术当中 ) 用于应急顺桨操作的控制。通过为应急操作提供全冗余的功率 输出和控制， 系统 900 提供与 DC 电机实现相关的所有安全优点， 同时提供与 AC 电机控制系统相关的性能和服务持续时间的优点。使用单独的冗余电机位置反馈装置以提高可靠性， 避免软件解码， 以及允许简单可靠的电路设计。
元件 907 用于为电机 906 的非应急操作产生并输出操作控制信号。 元件 902 和 907 接收指示需要应急还是非应急模式的操作的应急状态信号。 本领域已知的任何装置可用于 状态信号， 例如由元件 902 和 907 监视电压 S24V IN。在一个实施例中， 线上电压指示非应 急的操作， 而缺少电压或低于预定阀值的电压则指示操作处于应急模式。 例如， 对于低于上 述阀值的电压 S24V IN， 系统 900 启动以操作电机， 而对于高于上述阀值的电压 S24V IN， 元 件 907 控制电机。能够监视或检测本领域已知的对于系统 900 的或对于包括系统 900 的涡 轮机 ( 未示出 ) 的任何状态， 以产生应急状态信号。
元件 904 包括 ： 接收用于电机的操作的功率的装置， 例如端子 908 ； 和在应急操作 期间向电机提供接收的功率的装置， 例如端子 910。 可使用本领域已知的任何功率接收和传 输装置。元件 904 可从本领域已知的任何电源接收和传输功率， 例如用于正常操作的电源 912 和例如可以是电池或电容器电源的应急电源 914。
在一个实施例中， 输出级元件包括输出级控制元件 916 和输出级元件 918。元件 916 用于接收应急控制信号， 并向元件 918 输出合适的控制信号。元件 918 用于接收信号， 并包括用于接收功率的装置和用于提供接收的功率的装置。
在一个实施例中， 系统 900 包括反馈元件 920， 其用于感测转子的位置、 用于根据 感测的位置产生反馈信号并且用于传输反馈信号。应急控制元件用于接收例如线路 922 上 的反馈信号， 并产生响应于反馈信号的应急控制信号。 也就是说， 产生应急控制信号以说明 转子的位置。或者说， 元件 920 提供用于对电机的电流进行电气换向的转子转角信息。在 一个实施例中， 反馈信号用于控制叶片朝顺桨位置的移动， 而限位开关 924 用于确定叶片 何时到达顺桨位置。然后， 来自限位开关的信号被用于停止电机转动。例如， 当叶片到达顺 桨位置时， 信号从限位开关传输至继电器控制单元 926， 并且单元 926 将信号传到元件 902。 单元 926 还向制动器 928 传输信号， 以将电机制动在顺桨位置。在一个实施例中， 当叶片到 达预期的最终位置时， 反馈信号中的数据描述该位置， 并且元件 902 确定不再需要转动叶 片， 并产生应急控制信号以中止叶片的转动。
应理解的是， 系统 900 可操作为不具有反馈传感器 920。例如， 如果对于系统 900 启动应急操作， 则不管叶片在产生应急控制信号时的位置， 元件 902 能产生应急控制信号， 以将叶片驱动至顺桨位置。在这种情况下， 元件 918 产生预期的电机电流， 并且电机最终与 预期的电流同步。 在另一情况下， 能从电机直接获得关于叶片位置的数据， 并将该数据用于 产生应急控制信号。
在一个实施例中， 元件 920 是旋转变压器反馈装置， 一种不包含任何有源部件的 机电装置。 由于缺少有源部件， 所以旋转变压器装置非常坚固耐用， 并且在电机周围的电气 干扰的情况下， 例如雷击， 旋转变压器装置中的部件比有源部件更能够抗故障。例如， 旋转 变压器仅依赖于机械操作， 例如旋转变压器包含绕组线圈并且非常坚固耐用， 和不受来自 电气干扰或其它耦联瞬态事件的故障影响。此外， 旋转变压器具有比包含电子设备的常规 反馈装置宽得多的操作温度范围。 因此， 在电机具有由热造成的问题的情况下， 旋转变压器 不太可能遭受与温度相关的问题并且能够连续提供反馈数据。
应理解的是， 可使用其它的位置反馈装置并且其包括在要求保护的本发明的精神和范围中。例如， 可使用霍尔反馈装置。例如， 在一个实施例 ( 未示出 ) 中， 霍尔反馈装置 与六步电流调制方案一起使用。
以下应根据图 11 来考虑。以下描述本发明的用于控制涡轮叶片的方法。尽管为 清楚起见， 该方法以步骤的次序来介绍， 但除非明确声明， 否则不应从该次序推定顺序。第 一步骤响应于应急状态信号并利用操作控制元件产生并输出操作控制信号， 该操作控制信 号用于电机的非应急操作， 该电机用于对涡轮叶片的桨距进行控制 ； 第二步骤， 在操作输出 级元件中 ： 接收操作控制信号 ； 第三步骤接收用于电机的非应急操作的功率 ； 以及第四步 骤根据操作控制信号向电机提供接收的用于电机的非应急操作的功率。 第五步骤响应于应 急状态信号并利用应急控制元件产生并输出用于电机的应急操作的应急控制信号， 该应急 控制元件与操作控制元件分离并与操作控制元件不同 ； 在应急输出级元件中， 第六步骤接 收应急控制信号 ； 第七步骤接收用于电机的应急操作的功率 ； 以及第八步骤根据应急控制 信号向电机提供接收的用于电机的应急操作的功率。
在一个实施例中， 操作输出级元件包括操作输出级控制元件和操作输出级元件， 接收操作控制信号包括 ： 使用操作输出级控制元件来接收， 并且接收用于电机的非应急操 作的功率并为电机的非应急操作提供接收的功率包括 ： 使用操作输出级元件来接收和提 供。 在一个实施例中， 应急输出级元件包括应急输出级控制元件和应急输出级元件， 接收应 急控制信号包括 ： 使用应急输出级控制元件来接收， 并且接收用于电机的应急操作的功率 并为电机的应急操作提供接收的功率包括 ： 使用应急输出级元件来接收和提供。
在一个实施例中， 一个步骤利用反馈元件感测电机的位置 ； 另一步骤利用反馈元 件根据感测的位置产生反馈信号 ； 又一步骤利用反馈元件传输反馈信号 ； 以及再一步骤利 用应急控制元件接收反馈信号， 并且产生应急控制信号包括响应于反馈信号来产生。
因此， 尽管在不偏离要求保护的本发明的精神和范围的情况下， 本发明的改变和 变型对本领域的技术人员是显而易见的， 但仍可有效实现本发明的目的。尽管参考特定的 优选实施例描述了本发明， 但显然能在不偏离要求保护的本发明的范围和精神的情况下作 出变化。