基于PLC變槳系統(tǒng)的研究

1、摘 要隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，人類正面臨著能源利用和環(huán)境保護(hù)兩方面的壓力。風(fēng)能作為一種蘊(yùn)藏量豐富的自然資源因其使用便捷，可再生、成本低、無污染等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了較為廣泛的使用和迅速發(fā)展，發(fā)展?jié)摿薮?。特別是隨著風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)和伺服控制技術(shù)的迅猛發(fā)展。風(fēng)能作為清潔的可再生資源受到全世界的重視，同時(shí)各國對(duì)變槳距風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)行已有完整的理論和方法，目前兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)已經(jīng)是國際風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化，智能化的發(fā)展，風(fēng)力機(jī)必須具有較高的可靠性、風(fēng)能利用系數(shù)和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線，變槳距技術(shù)隨之產(chǎn)生。與定槳距控制技術(shù)相比，變槳距控制的優(yōu)點(diǎn)是槳葉較為輕巧，槳

2、距角可以隨風(fēng)速的大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能更多的吸收風(fēng)能，同時(shí)在高風(fēng)速段保持平穩(wěn)的功率輸出。關(guān)鍵詞:電動(dòng)變槳系統(tǒng)；MotionPLC；交流伺服電機(jī)；CAN總線AbstractWith the global economic development and population growth , humanity is facing pressure on energy utilization and environmental protection in two ways. Wind power as an abundant reserves of natural resources fo

3、r its ease of use , renewable, low- cost , no pollution, in the world has been more widely used and the rapid development and huge development potential. Especially with the rapid development of wind power control technology and servo control technology. Wind energy as a clean and renewable resource

4、 attention of the world, while the countries of the variable pitch wind turbine design, control and operation of the existing complete theory and methods currently megawatt wind turbine has been the mainstream products in the international wind power market . With large-scale wind turbine , intellig

5、ent development , wind turbine must have a high reliability , wind energy utilization factor and the continuous optimization of the output power curve , pitch technology follow. Compared with fixed pitch control technology , the advantages of variable blade pitch control is relatively lightweight, w

6、ind speed pitch angle can automatically adjust the size , and thus able to absorb more wind as much as possible , while maintaining high wind segment smooth power output.  Keywords : electric pitch system ; MotionPLC; AC servo motor ; CAN bus目 錄第1章 緒論11.1.選題背景和意義11.1.1環(huán)境的保護(hù)和新能源的發(fā)展能源11.1.2風(fēng)

7、力資源的利用和系統(tǒng)的國產(chǎn)化11.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展過程21.3風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2第2章 風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)32.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理32.1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)42.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的原理62.2.1定槳距系統(tǒng)62.2.2變槳距系統(tǒng)62.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)92.3.1變槳伺服系統(tǒng)102.3.2減速機(jī)142.3.3變槳控制器152.3.4編碼器15第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求及選型163.1變槳驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的要求和選型173.2變槳控制器的要求和選型183.3編碼器的要求和選型193.4備用電源的要求和選型203.5其他附件的要求和選型20第4

8、章 基于西門子 S7-300 PLC 的風(fēng)電機(jī)組專用變槳距控制系統(tǒng)計(jì)224.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)224.2系統(tǒng)硬件組成234.3軟件設(shè)計(jì)244.4本章小節(jié)25第5章 總結(jié)與展望265.1總結(jié)265.2展望26致 謝28參考文獻(xiàn)29IV湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒 論1.1.選題背景和意義1.1.1環(huán)境的保護(hù)和新能源的發(fā)展能源 環(huán)境是人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題,常規(guī)能源以煤，石油，天然氣為主它不僅資源有限,而且造成了嚴(yán)重的大氣污染因此,對(duì)可再生能源開發(fā)利用受到世界各國的高度重視。日前風(fēng)能是具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源之一。從全球范圍來看,風(fēng)力發(fā)電己經(jīng)從試驗(yàn)研究迅速發(fā)展為

9、一項(xiàng)成熟技術(shù)?，F(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要包括進(jìn)一步提高效率提高可靠性和降低成本 。變槳距控制系統(tǒng)(variabzeitCheontrolSystem).是提高風(fēng)電系統(tǒng)效率和可靠性的重要手段之一,對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)全可靠運(yùn)行有極其重要的作用。變槳距控制是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術(shù)改其槳距角的大小,從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性,使槳葉和整機(jī)的受力得到調(diào)整,從而保證風(fēng)機(jī)恒功率輸出和在特殊情況下安全順槳。1.1.2風(fēng)力資源的利用和系統(tǒng)的國產(chǎn)化 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多的優(yōu)越性,變槳趴風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會(huì)成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的主流。而變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心之一便是變槳距系統(tǒng),其中的變槳距控制器也是非常重要,合

10、理控制槳葉角度,在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)與變速恒頻技術(shù)結(jié)合能夠最大限度的獲取能量,在額定風(fēng)速以上運(yùn)行時(shí)能夠得到穩(wěn)定的功率輸出?？刂破髟O(shè)計(jì)的是否合理直接關(guān)系到變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能夠安全的運(yùn)行。 我國幅員遼闊,蘊(yùn)藏這豐富的風(fēng)力資源為了開發(fā)利用我國的風(fēng)力資源,進(jìn)一步掌握人型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心技術(shù),擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是必要的。木課題對(duì)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,希望對(duì)我國變槳距控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化提供有益參考,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展過程 人類很早就開始利用風(fēng)能,風(fēng)力機(jī)最早出現(xiàn)在3000年前,人們用來碾米和提水第1臺(tái)水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生于十二世紀(jì)早期的風(fēng)力發(fā)

11、電機(jī)采用多槳葉,后來發(fā)展成了典型的三葉式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)最旱是采川定槳距控制,到后期人們?yōu)榱诉m應(yīng)風(fēng)速的小斷變化和提高風(fēng)能的利川率,研制出了變槳距控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)。對(duì)于功率而言,早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是以小功率為主,后來風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐漸往兆瓦級(jí)發(fā)展,目前國內(nèi)研制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率可達(dá)5兆瓦。早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于安裝的原因,都是建造于陸地上的。隨著科技的進(jìn)步,人們開始把風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架建在了海上,稱之為離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī),把儲(chǔ)量豐富的海上風(fēng)能利用起來。與此同時(shí),離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)于風(fēng)機(jī)的維護(hù)來講無疑是增大了難度,所以要求內(nèi)部元件的有高的可靠性和壽命,同時(shí)也在風(fēng)機(jī)中增加了冗余系統(tǒng)。1.3風(fēng)力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

12、世界上的風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況如下: 世界風(fēng)電廠家VestaS,EnerCon,Gamesa,AeCiona,Dewind,GE,三菱重工等vestas所占份額最大,超過百分之三十,他連同Gamesa都主要采用液壓變槳系統(tǒng)多采用電動(dòng)變槳系統(tǒng)。我國早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,但直到90年代,風(fēng)力發(fā)電才真正從科研走向市場(chǎng)初期研制成功的主要是額定功率為60OKW以下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,近年來開始研制兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,并且已經(jīng)取得成功,其制造技術(shù)已基本掌握。雖然我國近幾年風(fēng)電發(fā)展快,但是相比國外,我國在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)上的研究比較落后。主要是工藝技術(shù)落后,零部件以及大容量的風(fēng)力發(fā)電裝置大多數(shù)依靠進(jìn)

13、口,因此我國風(fēng)電行業(yè)有很長的路要走。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用變槳系統(tǒng)主要采用電動(dòng)變槳系統(tǒng)。主要有兩力面原因: 1、國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)主要是引進(jìn)德國Repower,Nordex等少一家的技術(shù)這些公司主要采用的是電動(dòng)變槳控制系統(tǒng)。 2、電動(dòng)變槳系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)簡單,而且維護(hù)方便。國內(nèi)的主要風(fēng)電制造廠家有:金風(fēng),華銳,聯(lián)合動(dòng)力,廣東明陽,上海電氣,浙江運(yùn)達(dá)等。第2章 風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu) 2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械,又把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源,是清潔能源。但由于風(fēng)能受到季節(jié)和地理環(huán)境的影響.供電的穩(wěn)定性不如火力發(fā)電,所以風(fēng)力發(fā)電有時(shí)視

14、為備用電源,但是現(xiàn)在可以把風(fēng)力發(fā)電和其他能源如太陽能發(fā)電一起互相補(bǔ)充,或者把風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建立在風(fēng)能豐富的海上,可克服其供電不穩(wěn)的缺陷。 發(fā)電機(jī)組按照傳動(dòng)方式可分為直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組和雙饋發(fā)電機(jī)組直驅(qū)發(fā)電機(jī)技術(shù)近年來取得了較快的發(fā)展,但是目前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在行業(yè)中占有大部分市場(chǎng)裝機(jī)容量以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例,如圖2-2 風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源已經(jīng)在世界形成一股熱潮,因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題,也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入到我們的生活當(dāng)中,除了在風(fēng)電場(chǎng),馬路邊和公園里的路燈上,部分居民房頂上都能看到風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 圖2-2雙饋發(fā)電機(jī)原理圖2.1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)以有齒輪箱雙饋大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電

15、機(jī)組為例,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的組成有風(fēng)輪,發(fā)電機(jī)與增速齒輪箱,偏航系統(tǒng),變槳系統(tǒng),變流系統(tǒng),塔架。 1、風(fēng)輪風(fēng)輪一般由葉片,輪毅,連接螺栓組件,蓋板和導(dǎo)流罩組成.。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)鍵的部件,是它把風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。目前大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪由三個(gè)葉片組成,雖然早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是有很多葉片,荷蘭典型的風(fēng)車也有4個(gè)葉片,到了后期,3葉片結(jié)構(gòu)成為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)。葉片的材料有木質(zhì),鋁合金,玻璃鋼等,現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)葉片都選用玻璃鋼。風(fēng)輪在出廠前經(jīng)過試裝和靜平衡試驗(yàn),風(fēng)輪的葉片不能互換,所以有的廠家在葉片與輪毅之問做了安裝標(biāo)記,組裝時(shí)按標(biāo)記固定葉片，在組裝風(fēng)輪時(shí)要注意葉片的旋轉(zhuǎn)方向,一般都是順時(shí)針方向，固

16、定扭矩要嚴(yán)格按照廠商說明書的要求。風(fēng)輪的工作原理:風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí),風(fēng)輪產(chǎn)生的功率與空氣的密度成正比,與風(fēng)輪直徑的平方成正比,與風(fēng)速的立方成正比。通常,風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)的實(shí)際效率一般在O.35至0.45之間。2、發(fā)電機(jī)與齒輪箱雙饋發(fā)電機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似十繞線式感應(yīng)電機(jī),定子繞組也山具有固定頻率的對(duì)稱三相電源激勵(lì),所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì),一般采用交一交變頻器或交一直一交變頻器供以低頻電流。齒輪箱雙饋發(fā)電機(jī)和直驅(qū)發(fā)電機(jī)最大的區(qū)別在于雙饋發(fā)電機(jī)有齒輪箱而直驅(qū)發(fā)電機(jī)沒有雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中,風(fēng)輪軸通常要通過彈性聯(lián)軸節(jié)和增速齒輪箱相連。因?yàn)橥ǔＧ闆r,風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低時(shí),不足以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,所以要

17、加一個(gè)增速環(huán)節(jié)。 3、偏航控制系統(tǒng) 風(fēng)力機(jī)的偏航系統(tǒng)也稱對(duì)風(fēng)裝置。其作用在于當(dāng)風(fēng)能方向發(fā)生變化時(shí),能夠旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī),快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向,以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用電動(dòng)偏航系統(tǒng)來調(diào)整風(fēng)輪并使其對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo),偏航伺服電機(jī),行星齒輪減速器,軸承和制動(dòng)裝置，解纜裝置。大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)輸出功率的同軸電纜在風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航時(shí)和風(fēng)掃同時(shí)旋轉(zhuǎn),為了防止偏航超出位移過大引起的電纜擰在一起或者拉斷電纜,都要設(shè)置解纜裝置,并增加扭纜傳感器以監(jiān)視電纜的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。通常我們使用編碼器和齒輪限位開關(guān)的串聯(lián)工作來解決該問題。4、變槳控制系統(tǒng)通過調(diào)整風(fēng)輪槳葉的節(jié)距角來提高風(fēng)能的

18、利用率,保證發(fā)電機(jī)以穩(wěn)定功率輸出,在切入風(fēng)時(shí)能夠迅速順槳。主要應(yīng)用的變槳系統(tǒng)主要有一兩種,一種是液壓變槳,另一種是電機(jī)驅(qū)動(dòng)變槳，液壓變槳系統(tǒng)(HydrauliCPitChControlSysteln)的結(jié)構(gòu)原理:液壓變槳系統(tǒng)由液壓水泵站,控制閥塊,液壓油缸,蓄能器，和管路構(gòu)成。變槳控制器根據(jù)功率或者轉(zhuǎn)速信號(hào)給出一個(gè)電壓信號(hào),再通過比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號(hào),控制比例閥輸出流量的大小和方向。變槳距液壓缸按比例閥輸出的方向和流量操縱槳葉槳距角通常在-5到+88之間變化液壓變槳系統(tǒng)的特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,元器件壽命長,但是容易存在漏油的情況,所以要求定期對(duì)液壓油和濾清器進(jìn)行更換。電動(dòng)變槳系統(tǒng)(E

19、lectricPitchControlSystem)的結(jié)構(gòu)原理:電動(dòng)變槳系統(tǒng)由伺服系統(tǒng)(ServoSystem)(包括伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器),減速機(jī)(gearboX),變槳控制器,編碼器和備用電源等構(gòu)成。電動(dòng)變槳系統(tǒng)的特點(diǎn):電動(dòng)變槳適用溫度范圍),響應(yīng)速度快,而且維護(hù)方便國內(nèi)主要的風(fēng)機(jī)制造)家大都采用電動(dòng)變槳系統(tǒng)。5、變流器 變流器通過雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁,使得雙饋發(fā)電機(jī)的定子側(cè)輸出電壓的幅值,頻率和相位與電網(wǎng)相同,并且可根據(jù)需要進(jìn)行有功和無功的獨(dú)立解拙控制。6、塔架 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架牢固的和基礎(chǔ)相連,內(nèi)部通常配有升降機(jī)或者助爬器。2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的原理2.2.1定槳距系統(tǒng) 定

20、槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:槳葉與輪毅的連接是固定的,當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。這個(gè)特點(diǎn)給定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提出了兩個(gè)必須解決的問題.首先是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪的額定風(fēng)速時(shí),槳葉必須能夠自動(dòng)的將功率限制在額定值附近。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的所有材料的物理特性是有限度的。槳葉的這一特性被稱為自動(dòng)失速性能，其次是運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突然失去電網(wǎng)的情況下,也就是突甩負(fù)載的情況下,槳葉自身必須具備足夠的制動(dòng)能力,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下安全停機(jī)然而早期的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪并不具備制動(dòng)能力,脫網(wǎng)時(shí)完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機(jī)械剎車裝置進(jìn)行制動(dòng)停機(jī)。這對(duì)以數(shù)十千瓦級(jí)的機(jī)組來說問

21、題不大,但對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,特別是兆瓦級(jí)以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,如果只使用機(jī)械剎車,就會(huì)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)有很高的要求針對(duì)上述問題,槳葉制造商在20世紀(jì)70年代用玻璃鋼復(fù)合材料研制成功了失速性能良好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉,解決了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的功率控制問題;20世紀(jì)80年代又將葉尖擾流器成功的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上,解決了在突甩電網(wǎng)負(fù)載情況下的安全停機(jī)問題,使定槳即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在近20年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終占據(jù)主導(dǎo)地位,直而月最新推出的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電組仍有機(jī)型采用該項(xiàng)技術(shù)。但是,定槳距系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的利用效率較低。2.2.2變槳距系統(tǒng) 變槳距控制系統(tǒng)的通常由變槳控制器通

22、過CAN總線控制伺服電機(jī)從而帶動(dòng)減速機(jī)調(diào)整槳轉(zhuǎn)動(dòng),編碼器把當(dāng)前的位置反饋給控制器進(jìn)行閉環(huán)控制,如圖2-3。變槳系統(tǒng)的工作原理變槳控制系統(tǒng)是通過改變風(fēng)機(jī)葉片的迎風(fēng)角,實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)的。通過在葉片和輪毅之間安裝的變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)槳葉軸承轉(zhuǎn)動(dòng)從而改變?nèi)~片節(jié)距角,由此控制葉片的升力,以達(dá)到控制作用在風(fēng)輪葉片上的扭矩和功率的目的。圖2-3變槳系統(tǒng)原理圖（單槳片） 風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的工作過程由以下幾個(gè)階段組成: l)起動(dòng)階段當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速時(shí)（不同家的風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速不同),風(fēng)機(jī)開始起動(dòng)。起動(dòng)時(shí),風(fēng)機(jī)槳葉處于順槳,節(jié)距角90度位置變槳控制系統(tǒng)開始工作,變槳控制器通過伺服電機(jī)把槳民十節(jié)距角

23、調(diào)到0度,此時(shí)槳葉的受風(fēng)面積最大,風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng),并且隨之風(fēng)速的增大,風(fēng)輪速度逐漸上升. 2)運(yùn)行階段當(dāng)風(fēng)速不斷增大,風(fēng)輪的速度也隨之增大,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)要求的轉(zhuǎn)速時(shí),開始并網(wǎng)發(fā)電。額定功率運(yùn)行狀態(tài).當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入額定風(fēng)速時(shí),發(fā)電機(jī)也達(dá)到額定功率,此時(shí)風(fēng)機(jī)開始并網(wǎng)發(fā)電隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增大,風(fēng)輪的速度也不斷增大,風(fēng)機(jī)功率繼續(xù)增大。此時(shí)變槳系統(tǒng)開始動(dòng)作,變槳控制器控制槳葉向90度節(jié)距角方向轉(zhuǎn)動(dòng),從而降低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率維持在額定功率。功率狀態(tài)在風(fēng)機(jī)進(jìn)入額定發(fā)電狀態(tài)之后,風(fēng)速也是不斷變化的,當(dāng)風(fēng)速降低,低十額定風(fēng)速時(shí),變槳控制系統(tǒng)調(diào)小槳距角,直至調(diào)到O度此時(shí)風(fēng)機(jī)仍然在額足功率以下運(yùn)行

24、由于此時(shí)風(fēng)機(jī)依然在并網(wǎng)發(fā)電在發(fā)電機(jī)側(cè)采用變速恒頻技術(shù)保證發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送恒定頻率的電能 。 大風(fēng)狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速上升到遠(yuǎn)大于額定風(fēng)速的狀態(tài)時(shí),變槳控制器控制風(fēng)機(jī)槳葉安全順槳。國內(nèi)外風(fēng)機(jī)制造商都會(huì)提供一個(gè)切出風(fēng)速。故障狀態(tài)。在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí),需要緊急停機(jī),一般應(yīng)先使葉片順槳,這樣機(jī)組結(jié)構(gòu)中受力小,可以保證機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性變槳控制系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)槳葉安全順槳。變槳距風(fēng)機(jī)葉片一般寬小,片輕,機(jī)頭質(zhì)量比定槳失速機(jī)組小,啟動(dòng)性能好但由于增加了一套變槳距機(jī)構(gòu),從而增加了故障發(fā)生的機(jī)率,而且處理變槳距機(jī)構(gòu)葉了軸承故障難度大變槳距機(jī)組比較適合于高原空氣密度低的地區(qū)運(yùn)行,避免了當(dāng)定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝角確定后,有可能

25、夏季發(fā)電低,而冬季又超發(fā)電的問題變槳距機(jī)組更適合于額定風(fēng)速以上風(fēng)速較多的地區(qū),這樣發(fā)電量的提高相對(duì)定槳距風(fēng)機(jī)比較顯著。從今后的發(fā)展趨勢(shì)看,在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中會(huì)普遍采用。 變槳控制器系統(tǒng)安裝在風(fēng)機(jī)的輪毅之中,伺服電機(jī)連接減速機(jī),減速機(jī)通過法蘭固定在輪毅內(nèi)側(cè)支持板上,減速機(jī)齒輪和槳葉的軸承內(nèi)齒圈相咬合,如圖2-4。 圖2-4變槳系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理變槳控制系統(tǒng)有三個(gè)主要任務(wù): 1)通過調(diào)整葉片節(jié)距角把風(fēng)機(jī)的發(fā)電速度控制在額定風(fēng)速之上的一個(gè)恒定速度,維持發(fā)電機(jī)恒功率輸出. 2)調(diào)整葉片節(jié)距角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)從低速風(fēng)中獲得適當(dāng)?shù)碾娏Α?3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)順槳保證風(fēng)機(jī)的安全。變槳距風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。 變槳

26、距控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要在于風(fēng)能的利用效率更高,如圖2-5。定槳距風(fēng)機(jī)在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后,風(fēng)速增人時(shí),電機(jī)輸出功率反而下降。而變槳距風(fēng)機(jī)的在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后,功率會(huì)一直維持在額定功率。特別是在風(fēng)速頻繁變化的地區(qū).風(fēng)能的利用效率較高。特殊情況下的可以隨時(shí)順槳,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體安全性。圖2-5變槳距和定將距控制發(fā)電機(jī)功率比較2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)的組成有:伺服系統(tǒng),包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī);減速器編碼器變槳控制器備用電源還包括限位開關(guān),溫度傳感器.低壓電器如圖 圖2-6變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.1變槳伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī).伺服驅(qū)動(dòng)器把來自上位機(jī),也就是

27、變槳控制器的控制信號(hào)進(jìn)行放大控制伺服電機(jī)運(yùn)行,同時(shí)伺服電機(jī)上的絕對(duì)值編碼器(absoluteenCoder)-20把電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際位置信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)器,形成閉環(huán),準(zhǔn)確的控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位移伺服系統(tǒng)也可以進(jìn)行精確的速度和扭矩控制,在變槳控制系統(tǒng)中主要應(yīng)用的是位置控制。一、伺服驅(qū)動(dòng) 伺服驅(qū)動(dòng)器是一種控制伺服電機(jī)的控制器。它類似于變頻器控制普通交流馬達(dá),屬于伺服系統(tǒng)的一部分伺服驅(qū)動(dòng)器主要有兩種功能,一種是控制功能,通過控制單元和的結(jié)合控制伺服電機(jī)和顯示伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的狀態(tài);另一種是驅(qū)動(dòng)功能,它把上位機(jī)也就是變槳控制器的小信號(hào)放大在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部進(jìn)行配置,之后輸出給伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。目前主流的伺服驅(qū)

28、動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。作為控制核心,可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法功能。功率器件普遍采用以智能功率模塊為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過電壓過電流過熱欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路和過載保護(hù)電路在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊功率驅(qū)動(dòng)單元通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流,得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或單相電,再通過三相正弦PWM逆變器變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程簡單的說就是交流一直流一交流的過程。 伺服驅(qū)動(dòng)器可以采用位置速度和力矩三種控制方式,內(nèi)部有三個(gè)環(huán),即位置環(huán),速度環(huán)和電流環(huán),如圖2-7伺

29、服系統(tǒng)主要應(yīng)適用高精度定位,目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端。隨著伺服系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用,伺服驅(qū)動(dòng)器使用伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)試，伺服驅(qū)動(dòng)器維修都是伺服驅(qū)動(dòng)器都是現(xiàn)在比較熱門的話題,也有著廣闊的市場(chǎng)。以前伺服系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口,現(xiàn)在不少國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)掌握了伺服系統(tǒng)的技術(shù),國產(chǎn)的伺服也有著較好的質(zhì)量。圖2-7伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把從上位機(jī)所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸的角位移或角速度輸出分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩人類,其主要特點(diǎn)是與信號(hào)壓為零時(shí)電機(jī)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著軸轉(zhuǎn)知(的增加而勻速下降。二、原理 1、伺服主要靠脈沖來定位,基本下可以這樣理解,當(dāng)伺服電機(jī)接收到1個(gè)

30、脈沖,就會(huì)旋轉(zhuǎn)l個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度,從而實(shí)現(xiàn)定位。同時(shí),伺服電機(jī)尾部的編碼器本身具備發(fā)出脈沖的功能,所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,編碼器都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖,這樣,伺服驅(qū)動(dòng)器接收了伺服電機(jī)編碼器的脈沖信號(hào)形成閉環(huán),如此一來,系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī),同時(shí)又收了多少脈沖回來,兩者相互比較,就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)維護(hù),要換碳刷,容易產(chǎn)生電磁干擾,對(duì)環(huán)境有一定的要求。因此，它動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)精確的定位. 直流伺服電機(jī)可分為有刷和無刷電機(jī).有刷電機(jī)成本比較低,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,調(diào)速范圍寬,控制容易,但需要可以用于對(duì)比較在意成木的民用工業(yè)。無刷電機(jī)體積小,重量較輕,出力大,響應(yīng)較快,速

31、度高,慣量小,轉(zhuǎn)動(dòng)平滑,力矩穩(wěn)定但是控制復(fù)雜,容易實(shí)現(xiàn)智能化,采用電子換相方式,可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù),使用效率很高,運(yùn)行溫度相對(duì)較低低,電磁輻射很小,壽命一長,適用于各種環(huán)境。 2、交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī),分為同步電機(jī)和異步電機(jī),目前運(yùn)動(dòng)控制中般都用同步電機(jī),它的功率范圍大,而且可以做到很大的功率大慣量的電機(jī),額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度較低,且電機(jī)隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的場(chǎng)合。3、永磁伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動(dòng)器控制的三相電形成定子電磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)電機(jī)末端的編碼器把電機(jī)的位移信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)

32、子轉(zhuǎn)動(dòng)的位移，因此伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度. 4、伺服電機(jī)的PID控制伺服電機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)在于它的PID控制,如圖2-7例(P)控制比例控制是一種簡單.的控制方式控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系系統(tǒng)中,當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady一Stateerror).積分(1)在積分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中,如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)(SystemwithSteady一stateError)。目前,為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必須引入積分項(xiàng)，積分項(xiàng)取決于誤差對(duì)時(shí)間的積分,隨著

33、時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大這樣一來,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零。因此,比例積分(Pl)控制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差PI控制器是較為常用的一種控制器。圖2-7伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 在微分控制中,控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系通常,自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)。在控制器中加入微分項(xiàng),能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì),比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。但是微分控制通常和上兩種控制器配合使用,不能單獨(dú)使用。 5

34、)PID控制器的參數(shù)整定，PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類:一是理論計(jì)算整定法主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)但是這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行,不斷調(diào)試,這個(gè)方式方法簡單，易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采PID控制器參數(shù)的工程整定方法.主要有臨界比例法。反應(yīng)曲線法和衰減法三種三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)

35、控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但是無論我們采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后試與完善。現(xiàn)在,一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下:(l)首先預(yù)選擇個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)上科:(2)僅加入比例控制環(huán)自到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期.的數(shù)值:(3)通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。變槳交流伺服和直流伺服的優(yōu)缺點(diǎn)：變槳伺服電機(jī)可分為直流伺服和交流伺服,又可細(xì)分為直流串勵(lì)同步電機(jī)和直流永磁同步電機(jī),和交流串勵(lì)同步電機(jī).和交流永磁同步電機(jī)。目前在風(fēng)電場(chǎng)變槳系統(tǒng)上主要使用的是直流永磁同步伺服電機(jī)和交流永磁同步伺服電機(jī)

36、。直流永磁同步伺服電機(jī)。體積大,重量大,有換向器和電刷,安裝和維護(hù)較為不便,但是在外部電源掉電的情況和變槳驅(qū)動(dòng)器故障時(shí)可以直接使用后備電源供電及時(shí)順槳保證風(fēng)機(jī)的安全。交流永磁同步電機(jī),體積較小,功率較大,重量輕,無電刷,安裝維護(hù)方便。但是在外部掉電的情況下,后備電源要通過驅(qū)動(dòng)器逆變之后才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)順槳,有可能由幾種區(qū)動(dòng)器故障而不能及時(shí)順槳導(dǎo)致風(fēng)機(jī)事故。2.3.2減速機(jī)減速機(jī)通常也齒輪箱,是一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu),利用不同大小齒輪的嚙合,將電機(jī)的轉(zhuǎn)速減到所要的轉(zhuǎn)速,并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械裝置在目前用于傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中,減速機(jī)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,幾乎在各式機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中都能用到從交通工具的船舶汽車機(jī)車

37、,建筑用的重型機(jī)具到機(jī)械工業(yè)所用的加工機(jī)具及自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備其應(yīng)用從大動(dòng)力的傳輸工作,到小負(fù)荷,精確的角度傳輸都可以見到減速機(jī)的應(yīng)用,目前在工業(yè)應(yīng)用上,減速機(jī)具有減速及增加轉(zhuǎn)矩功能,因此廣泛應(yīng)用在速度與扭矩的轉(zhuǎn)換場(chǎng)合。減速機(jī)的作用 l)降速同時(shí)提高輸出扭矩,扭矩輸出比例按電機(jī)輸出乘減速比,但要注意不能超出減速機(jī)額定扭矩。 2)減速同時(shí)降低了負(fù)載的慣量,慣量的減少為減速比的平方， 以上公式是減速機(jī)的輸出扭矩計(jì)算方法,但是選擇電機(jī),要選擇減速器負(fù)載能力相匹配的電機(jī)功率才行,不同速比應(yīng)選擇不同功率的電機(jī),功率過大,會(huì)增加減速機(jī)的噪音井且降低減速機(jī)的壽命。2.3.3變槳控制器 通常是用Mot1onPLC

38、或者是控機(jī)作為變槳控制器,該控制器主要負(fù)責(zé)變槳控制系統(tǒng)的傳感器信號(hào)監(jiān)控和控制伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行,根據(jù)主控系統(tǒng)傳遞過來的風(fēng)速信號(hào)和功率信號(hào),通過變槳減速機(jī)帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)整槳趾角,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)有穩(wěn)定的輸出功率這里用的Mot1onPLC,是集成了PLC強(qiáng)大的邏輯功能和運(yùn)動(dòng)控制器位控功能,要既能夠控制和處理多點(diǎn)模擬量和數(shù)字量的輸入輸出,也能夠輸出高精度的電壓或者電流信號(hào)并接收編碼器或者光柵尺的反饋構(gòu)成閉環(huán)進(jìn)行伺服電機(jī)控制。并且要要兼容多種通訊接口,如CAN總線,Rs232,RS485以太網(wǎng)和主控系統(tǒng)以及觸摸屏,編碼器進(jìn)行通訊。同時(shí)也要距要對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力而工控機(jī)通常的優(yōu)勢(shì)在于強(qiáng)大的CPU,高速的

39、總線控制或者工業(yè)以太網(wǎng)通訊控制方式。2.3.4編碼器編碼器是將角度,位移,速度等物理量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)等電信號(hào),用于顯示或者進(jìn)行閉環(huán)控制,并且可以通訊和儲(chǔ)存的信號(hào)形式的電子元件。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào),按照物理結(jié)構(gòu)編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式編碼器采用電刷輸出,一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是1還是O;非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件,采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是1還是O,或者通過磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化來表示O還是1,通過1和O的二進(jìn)制編碼來將采集的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為上位機(jī)可讀的電信號(hào)用以通訊,傳輸和儲(chǔ)存。 變槳系統(tǒng)中的編碼器

40、有兩個(gè),一個(gè)裝在伺服電機(jī)的尾部反饋信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成系統(tǒng)半閉環(huán),還有一個(gè)安裝在槳葉軸承上,通過小齒輪和齒圈咬合,直接測(cè)出槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的位移,把位置信號(hào)傳送給變槳控制器,形成變槳系統(tǒng)的全閉環(huán),在伺服系統(tǒng)半閉環(huán)內(nèi)出現(xiàn)誤差時(shí),能準(zhǔn)確的反映槳葉位置。第3章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求及選型參考國內(nèi)外變槳系統(tǒng),根據(jù)要求設(shè)計(jì)出硬件連接圖,如圖3-1 圖3-1變槳系統(tǒng)硬件連接圖 由圖3-l可知變槳控制系統(tǒng)主要電氣部件如下:變槳控制控制器；伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)；編碼器；備用電源；此外還包括限位開關(guān),溫度傳感器,低壓電器,電纜,觸摸屏(有的集成在控制器上)參考國內(nèi)外風(fēng)電變槳系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家包括LUST和SSB

41、,以及國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)如東營風(fēng)電場(chǎng)的具體情況,總結(jié)出風(fēng)力發(fā)電變槳系統(tǒng)對(duì)各個(gè)組成硬件的大致要求,并根據(jù)要求選出主要硬件的型號(hào)。3.1變槳驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的要求和選型3.1.1伺服電機(jī)1、要求: 根據(jù)驅(qū)動(dòng)器指令運(yùn)轉(zhuǎn),井通過減速機(jī)帶動(dòng)槳葉回轉(zhuǎn)軸承旋轉(zhuǎn),從而調(diào)節(jié)槳葉上的槳距角;通過編碼器將電機(jī)的位置信號(hào)反饋至驅(qū)動(dòng)器。額定轉(zhuǎn)速:和減速機(jī)配合能夠以較快的速度轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉,在迅速順槳時(shí)是槳葉以每秒的速度順槳,以確保風(fēng)機(jī)安全。轉(zhuǎn)矩:和減速機(jī)配合之后足以驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)。慣量:和減速機(jī)配合在風(fēng)機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)能夠滿足慣量要求。 額定功率:要和伺服驅(qū)動(dòng)器相匹配。通常驅(qū)動(dòng)器的功率略大于電機(jī)功率帶制動(dòng)器。由于幾輪毅內(nèi)空間限制,安裝法蘭至

42、軸端尺應(yīng)滿足空間要求。2)選型 根據(jù)上述要求,進(jìn)行計(jì)算:負(fù)載轉(zhuǎn)矩J是負(fù)載慣量,p負(fù)載,加速度v負(fù)載角速度轉(zhuǎn)矩T多負(fù)載轉(zhuǎn)矩(減速機(jī)速比軸承齒數(shù)和減速機(jī)端齒數(shù)比)電機(jī)轉(zhuǎn)速=槳葉角速度/軸承齒數(shù)和減速機(jī)端齒數(shù)比結(jié)合減速機(jī),選用星辰伺服電機(jī)190J5K02一24YZll,如圖3-2. 選用該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn):在國內(nèi)如華銳風(fēng)電有應(yīng)用案例,品質(zhì)有保證國內(nèi)制造,節(jié)省成本電機(jī)反饋選用絕對(duì)冗余編碼器GEL2035,該編碼器同時(shí)輸出王余弦信號(hào)和絕對(duì)位置信號(hào)(見3.4編碼器的要求和選型),其中正余弦信號(hào)作為電機(jī)速度反饋,551絕對(duì)位置信號(hào)作為電機(jī)的位置信號(hào)反饋。 圖3-2變槳伺服電機(jī)以15MW風(fēng)機(jī)為例,伺服電機(jī)參數(shù)如下:

43、額定轉(zhuǎn)矩、額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、過載額定效率，勵(lì)磁方式鉚鐵硼永磁絕緣等級(jí)，失電制動(dòng)器，靜態(tài)最人制動(dòng)力矩反饋元件:絕對(duì)編碼器(選用冗余絕對(duì)編碼器GELZO35)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)重量3.2變槳控制器的要求和選型1、要求: 與風(fēng)機(jī)主控制之間以CAN叩en實(shí)現(xiàn)雙向通訊;檢測(cè)3個(gè)驅(qū)動(dòng)器狀態(tài),同時(shí)用于驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行信息傳遞;對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行處理;有手動(dòng)信號(hào)輸入。在惡劣的環(huán)境下長期無人職守運(yùn)行。處理器能進(jìn)行算法處理,狀態(tài)監(jiān)控,遠(yuǎn)程通訊等任務(wù)?？删S護(hù)性要求,調(diào)試,故障排除,系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)換代的方便。 開發(fā)調(diào)試友好度,縮短代碼編寫和算法調(diào)試的時(shí)間,便于產(chǎn)品的升級(jí)和更新。2、選型根據(jù).述要求,選用德國公

44、司的Mot10nPI:CGEL825O,如圖3-5。 圖3-5變槳控制器 選用該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例,性能可靠。8250是的升級(jí)版本,功能比8230系列更強(qiáng)大。GEL8230YOOI曾經(jīng)應(yīng)用于LUST和SSB的變槳控制系統(tǒng)中,該系統(tǒng)安裝在Repower生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)中,被我國整機(jī)引進(jìn)。該產(chǎn)品在全世界裝機(jī)量約1.3萬臺(tái)(該數(shù)據(jù)由控制器廠家提供)CPU功能強(qiáng)大,主頻可達(dá)SOOMHz。該產(chǎn)品集成顯示器和按鍵于一體,結(jié)構(gòu)緊湊.節(jié)省安裝空間。比倍福采用的嵌入式PC加觸摸屏的結(jié)構(gòu)省空間。 3.3編碼器的要求和選型1、要求: 安裝在槳葉軸承內(nèi)齒圈上,獨(dú)立于電機(jī)編碼器的旋轉(zhuǎn)編碼器準(zhǔn)確反饋槳葉位置信息給變槳控制

45、器,確保變槳控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行。要求如下:數(shù)據(jù)傳輸方式:551或CANopen,用于準(zhǔn)確定位的場(chǎng)合,絕對(duì)信號(hào)優(yōu)于脈沖增量信號(hào)適用溫度范圍廣徑向承受的載荷大抗沖擊振動(dòng)分辨率精度高2、選型根據(jù)上述要求,選用絕對(duì)值編碼器GELZO35選用該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)滿足風(fēng)電場(chǎng)對(duì)編碼器的功能要求和環(huán)境要求,在德國了商用案例。可以完全代替Repower變槳系統(tǒng)早期使用的BaumerGM400系列編碼器。GELZO35內(nèi)部是雙信號(hào)輸出構(gòu)成了位置信號(hào)反饋的冗余結(jié)構(gòu)。GEL2035內(nèi)部由兩部分組成,一個(gè)551輸出的絕對(duì)編碼器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器串聯(lián),所以GELZO35同時(shí)輸出一組551絕對(duì)信號(hào)和一組正余弦信號(hào),正余弦信號(hào)是兀余信號(hào)

46、,控制器接收該信號(hào)需另加一個(gè)解碼芯片把正余弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)給控制器。當(dāng)551絕對(duì)編碼器故障時(shí),系統(tǒng)讀取旋變信號(hào)反饋,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.4備用電源的要求和選型 當(dāng)動(dòng)力電出現(xiàn)異常跌落或遭遇其他意外情況時(shí),備用電源儲(chǔ)備的電能可保證變槳控制系統(tǒng)正常收槳,保證風(fēng)機(jī)的安全。要求:變槳過程中,備用電源電壓不低于驅(qū)動(dòng)器正常工作的最低母線電壓值(250V)變槳過程中可釋放能量滿足變槳需求。壽命長,維護(hù)成本低。選用國產(chǎn)超級(jí)電容HeeHCAP一MRS4745,如圖3-6。 選用該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn):該產(chǎn)品滿足以上的要求,同時(shí)也是專門為變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。在華銳風(fēng)電上有應(yīng)用案例。超級(jí)電容雖然價(jià)格比蓄電池高,但蓄電池維

47、護(hù)成本高,通常2年需更換一次,而蓄電池壽命長維護(hù)成本低,因此重長遠(yuǎn)來看,反而節(jié)省了成本。 圖3-6國產(chǎn)超級(jí)電容HeeHCAP一MRS47453.5其他附件的要求和選型1、限位傳感器 變槳過程中,通過限位開關(guān)及回轉(zhuǎn)軸承觸點(diǎn)的配合實(shí)現(xiàn)軟件控制之的硬件控制,確保變槳控制系統(tǒng)正常收槳。要求:雙限位開關(guān)的冗余設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)的安全。安裝時(shí)需要考慮限位開關(guān)與觸點(diǎn)的安裝尺如圖3-7,槳葉軸承上通常安裝2個(gè)限位開關(guān),后一個(gè)作冗余。以SSB為例,前一個(gè)裝在槳距角92位置,后一個(gè)在95位置。圖3-7限位開關(guān)2.溫度傳感器 溫度傳感器把變槳距系統(tǒng)柜內(nèi)的溫度采集并轉(zhuǎn)換成不同的電阻值,通過溫度變送器轉(zhuǎn)化成不同的電壓信號(hào)輸

48、入驅(qū)動(dòng)器或控制器,使得系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變槳柜內(nèi)溫度的變化值。要求:可檢測(cè)范圍:一50e一十150e引出一導(dǎo)線規(guī)格:或四線制安裝方式:金屬支架配合法蘭頭安裝，低壓電器在電路中的用途是根據(jù)外界信號(hào)或要求,自動(dòng)或手動(dòng)接通,分?jǐn)嚯娐?連續(xù)或斷續(xù)地改變電路狀態(tài),對(duì)電路進(jìn)行切換,控制,保護(hù),檢測(cè)和調(diào)節(jié)用于低壓電力網(wǎng)的配電電器 變槳跟系統(tǒng)中的配電電器設(shè)計(jì)要求:包括負(fù)荷開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān),空氣短路器和熔斷器等。斷流能力強(qiáng),限流效果在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確,工作可靠有足夠的熱穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。山于以上附件中,國內(nèi)制造的產(chǎn)品都完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求,因此都選用國內(nèi)產(chǎn)品。第4章 基于西門子 S7-300 PLC

49、的風(fēng)電機(jī)組專用變槳距控制系統(tǒng)計(jì) 在變槳距控制系統(tǒng)中, 需要具有高可靠性的控制器,本文采用西門子公司的 S7-300 系列可編程控制器作為系統(tǒng)控制器,介紹了系統(tǒng)硬件組成及程序模塊塊架構(gòu), 并在上位機(jī)調(diào)試環(huán)境和整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明, 該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定, 能滿足風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下始終保持最佳轉(zhuǎn)換效率、輸出功率維持最大或恒定的要求。4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)要求 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成如圖 4-1 所示。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí), 變槳距控制系統(tǒng)動(dòng)作, 即通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風(fēng)能利用系數(shù),使得發(fā)電機(jī)輸出功率基本上等于額定功率。當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí),變槳距控制系統(tǒng)動(dòng)作使風(fēng)力機(jī)槳葉順槳,

50、保護(hù)風(fēng)力機(jī)不受到損壞以增加風(fēng)機(jī)的使用壽命。 圖4-1變槳距風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)構(gòu)成圖4.2系統(tǒng)硬件組成 變槳距控制系統(tǒng)一般包括變槳距伺服電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PLC 控制器、不間斷電源(UPS)、減速箱、位置和速度傳感器、后備電源等。本文所設(shè)計(jì)的變槳距控制系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖 4-2 所示。圖中只畫出了一個(gè)槳葉的變槳距伺服系統(tǒng), 其它兩個(gè)槳葉與此完全相同。 圖4-2變槳距控制系統(tǒng)硬件框圖機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)機(jī)主控制器到輪轂的電源、通信、控制等信號(hào)均通過滑環(huán)進(jìn)行連接。主控制器根據(jù)風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電功率等通過通信發(fā)出槳距角參數(shù)命令,經(jīng)接口模塊后送至 PLC 控制器,并通過變槳電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片槳距角的調(diào)整;同時(shí) PL

51、C 控制器還將輪轂內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行的情況反饋給風(fēng)機(jī)主控制器。 控制信號(hào)是主控制器直接到變槳系統(tǒng)的硬線控制信號(hào),主要包括手動(dòng)變槳信號(hào)、安全鏈信號(hào)等。安全鏈?zhǔn)仟?dú)立于軟件系統(tǒng)建立在硬件連接基礎(chǔ)上的安全控制信號(hào)鏈路,在系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下能保證槳葉運(yùn)行到安全停機(jī)位置。 機(jī)艙內(nèi)的 380 V 電源經(jīng)滑環(huán)連接到 UPS 和電源管理模塊上, 實(shí)現(xiàn)變槳距系統(tǒng)內(nèi)部的電源分配與監(jiān)控。UPS 把 380V 交流電轉(zhuǎn)換為 24V 直流電,作為槳距控制器的電源和驅(qū)動(dòng)器的控制電源,同時(shí)對(duì)電池充電控制提供電源。 該系統(tǒng)選用具有多種功能的模塊化可編程控制器SIEMENS S7-300,選用 CPU 315、CP340 通訊模塊構(gòu)成

52、變槳距系統(tǒng)內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度、驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)的監(jiān)控;選用數(shù)字量輸入模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各回路工作狀態(tài)、系統(tǒng)工作狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)、電機(jī)工作狀態(tài)、充電故障、系統(tǒng)電源狀態(tài)等數(shù)字量的監(jiān)控;選用數(shù)字量輸出模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部充電功能、電機(jī)加熱、電機(jī)吹風(fēng)、油泵驅(qū)動(dòng)、手動(dòng)變槳、低電壓穿越等功能控制;選用模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫度、輪轂溫度、系統(tǒng)內(nèi)部溫度、電池電壓等變量的監(jiān)控;選用模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度命令的控制;選用位置輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器位置量的檢測(cè)。4.3軟件設(shè)計(jì) 變槳距控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于西門子SIMATIC S7-300 系列 PLC 進(jìn)行編程,軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)為用于對(duì)西門子

53、SIMATIC PLC 進(jìn)行組態(tài)和編程的軟件包 STEP7。S7-300 CPU 中的程序由兩部分組成,即系統(tǒng)程序和用戶程序。系統(tǒng)程序固化在 CPU 模塊EPROM 中,完成系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和監(jiān)控功能。用戶程序是用戶自己編寫的完成特定自動(dòng)化任務(wù)的程序。在本系統(tǒng)中用戶程序由啟動(dòng)程序、主程序和各種中斷響應(yīng)程序等不同的程序模塊構(gòu)成。主要包括:1) 啟動(dòng)模塊 初始化程序模塊, 完成初始化狀態(tài)檢查。2) 主模塊 循環(huán)執(zhí)行的程序塊,是用戶程序的主干。調(diào)用 FB 完成故障管理、IO 處理、系統(tǒng)保障等功能。3) 循環(huán)中斷模塊 定時(shí)中斷執(zhí)行的程序塊,調(diào)用 FB 完成速度計(jì)算、位置控制及通訊處理等功能。4) 通訊中斷響應(yīng)模塊 通訊中斷按照通訊協(xié)議處理通訊數(shù)據(jù), 完成與上位機(jī)的通訊。5) 錯(cuò)誤處理模塊 對(duì)來自硬件和軟件的異常和報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分級(jí)別處理, 包括指示、報(bào)警、存儲(chǔ)、停機(jī)、復(fù)位等。6) 位置控制模塊 控制變槳角度, 輸入為上位機(jī)角度命令, 處理位置環(huán)計(jì)算, 輸出為速度命令。7) IO 處理模塊 采集傳感器和通訊信號(hào), 輸入程序功能和功能塊進(jìn)行處理,輸出并刷新 IO 映像區(qū)等處理。8) 系統(tǒng)保障模塊 完成溫度、電壓、角度、速度等信號(hào)的判斷, 給出相應(yīng)處理方案。9) 故障管理模塊 系統(tǒng)