《風(fēng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計綜述》3700字

風(fēng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u13460風(fēng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計綜述 1254271.1變槳系統(tǒng)的控制原理 2320621.1.1變矩控制 2311581.1.2轉(zhuǎn)速控制 2121781.1.3功率控制 3118771.2PLC的設(shè)計 410790（1）輸入輸出點數(shù)的估算 4486（2）控制功能選擇 516010（3）PLC的結(jié)構(gòu)形式 536231.3單片機(jī)程序設(shè)計 6233344、至停機(jī)狀態(tài) 869961.1正常停機(jī) 854321.2快速停機(jī) 8103551.3緊急停機(jī) 870421.4設(shè)計準(zhǔn)則 8280971.5設(shè)計步驟 981061.6結(jié)構(gòu)設(shè)計 9202691-輪轂；2-交流電機(jī)；3-變槳軸承；4-齒輪箱 9295321.6.1輪轂的設(shè)計 10100761.6.2軸承的設(shè)計 10關(guān)鍵技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電站的控制和伺服驅(qū)動技術(shù)。主要控制技術(shù)是由風(fēng)輪機(jī)變槳系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的設(shè)計主要討論了變槳系統(tǒng)。1.1變槳系統(tǒng)的控制原理變槳系統(tǒng)的控制風(fēng)速原理是通過兩個速度控制器來實現(xiàn)的，速度的變化會引起電路中電流的變化，電流的變化反饋給速度控制器就會實現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出，原理如圖4-1所示：圖4－1控制系統(tǒng)分布圖1.1.1變矩控制變距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，其控制過程如圖4－2所示。變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制電機(jī)即上章所選的交流永磁伺服電動機(jī)，節(jié)距控制器的輸出信號給S7-200后變成脈沖信號控制電動機(jī)，驅(qū)動齒輪箱，推動變槳軸承，使槳葉節(jié)距角變化。軸承轉(zhuǎn)動的角度反饋信號由磁電式編碼器測量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。與電機(jī)上的光電編碼器的輸出信號進(jìn)行比較以確定系統(tǒng)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性。1.1.2轉(zhuǎn)速控制控制系統(tǒng)的目的是在發(fā)電機(jī)開始啟動的三分鐘內(nèi)，進(jìn)行速度提升，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速時，連接用電器。 圖4-3轉(zhuǎn)速控制控控制系統(tǒng)主要通過PD控制器、PI控制器，對節(jié)距進(jìn)行非線性化轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)節(jié)距角增大而增益減少的現(xiàn)象。1.1.3功率控制功率控制的實現(xiàn)是通過發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流的控制技術(shù)實現(xiàn)的，通過控制控制電流來實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而互補(bǔ)由于風(fēng)速的改變引起輸出功率的變化。（1）功率控制系統(tǒng)如圖4-4所示，功率控制系統(tǒng)的作用關(guān)鍵是兩個電流回路。外部的回路以檢測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速而形成的輸出功率為目的，內(nèi)部的小回路是通過電流的變化來控制伺服電機(jī)，從而改變風(fēng)扇葉輪的轉(zhuǎn)速。這樣就可以確保實現(xiàn)輸出的功率穩(wěn)定。圖4－4功率控制系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理轉(zhuǎn)子電流控制器的實質(zhì)是通過改變滑動電阻的電阻值來改變電流。在額定功率下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率可以從百分之一到百分之十變化，相應(yīng)的平均轉(zhuǎn)子電阻從百分之零到百分之百變化。具體是通過檢測電路中的電流變化，從而增大或減小滑動變器的阻值，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，因此保證電路中的電流一直穩(wěn)定不變。圖4-5轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)由電流與電機(jī)的轉(zhuǎn)差率計算關(guān)系式可知發(fā)心機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：（18）式中P———電機(jī)極對數(shù)；———電機(jī)定子相數(shù)；———定子角頻率，即電網(wǎng)角頻率；———定子額定相電壓；s———轉(zhuǎn)差率；———定子繞組的電阻；———定子繞組的漏抗；———折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；———折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗。根據(jù)式4-1，如果/s保持一定，就是一個定值。若風(fēng)速v變化，通過調(diào)整的值，可以實現(xiàn)/s不發(fā)生變化，這樣發(fā)電的功率就不會發(fā)生變化。1.2PLC的設(shè)計根據(jù)風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)的特定環(huán)境、工藝流程以及應(yīng)用要求估算出輸入輸出點數(shù)、所需存儲容量、進(jìn)行PLC機(jī)型進(jìn)行選型并由此大體規(guī)劃實現(xiàn)控制要求的程序流程圖。當(dāng)然對PLC的選型不可能兼顧到問題的方方面面，本文只需抓住主要矛盾，從大處著手即可，而對其他的旁枝末節(jié)可以不予特別考慮。（1）輸入輸出點數(shù)的估算風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)數(shù)字輸入點數(shù)有8個，均為常開開關(guān)，其中I0.0為高速計數(shù)器HSC0的計數(shù)進(jìn)口，HSC0采集磁電式傳感器的輸出脈沖；I0.2為正常停機(jī)開關(guān)；I0.3為快速停機(jī)開關(guān)；I0.4為緊急停機(jī)開關(guān)；I0.6為高速計數(shù)器HSC1的計數(shù)進(jìn)口，HSC1采集伺服電機(jī)上光電編碼器的輸出脈沖；I1.0為90°處的行程開關(guān)；I1.1為93°處的行程開關(guān)；I1.2為高速計數(shù)器HSC2的計數(shù)進(jìn)口，HSC2采集葉輪上光電編碼器的輸出脈沖。風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)模擬輸入點數(shù)有1個，采集風(fēng)速，存入AIW0中。風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)數(shù)字輸出點數(shù)有6個，其中Q0.0輸出高速脈沖串，驅(qū)動伺服電機(jī)實現(xiàn)精確控制；Q0.2控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)Q0.2為高電平時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Q0.2為低電平時，電機(jī)反轉(zhuǎn)；Q0.3為并網(wǎng)開關(guān)，Q0.3閉合后，發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)中；Q0.4為切入變頻系統(tǒng)開關(guān)；Q0,5為切入功率控制開關(guān)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，進(jìn)行變槳和功率聯(lián)合控制；Q0.6為液壓剎車開關(guān)，當(dāng)緊急停機(jī)時，葉輪轉(zhuǎn)速小于5r/min時，啟動液壓剎車，使葉輪停止轉(zhuǎn)動。（2）控制功能選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能等特性的選擇。運算功能：在控制煤炭運輸?shù)募⒖刂葡到y(tǒng)中，控制分站除了能夠進(jìn)行開關(guān)量I/O的邏輯運算、以及延時或定時的計時功能以及計數(shù)功能外，還要包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能同時由于要對膠帶的速度、滾筒附近的溫度、以及電機(jī)各相電流等模擬量進(jìn)行檢測和處理因此還需有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等功能。由于沒有模擬量輸出，所以不需要具有PID運算和其它高級運算功能。通過以上綜合的考慮分站，達(dá)到上述功能至少需要具有數(shù)據(jù)運算能力的中型機(jī)?？刂乒δ埽和ㄟ^PID的包括比例、積分和微分在內(nèi)的各種運算功能可以實現(xiàn)順序邏輯控制，通?；趩位蚨嗷芈愤M(jìn)行模擬量控制。通信功能。由上文知該集散控制系統(tǒng)各個站點之間的通信主要通過PROFIBUS-DP總線，因此PLC設(shè)備中應(yīng)集成PROFIBUS-DP接口，通過標(biāo)準(zhǔn)的TP/TCP協(xié)議進(jìn)行通訊。編程功能：一般采用離線的編程方式，編碼和PLC一般為統(tǒng)一的CPU，當(dāng)編程時，CPU的作用是編程，否則功能是控制。診斷功能：一般分為軟件診斷和硬件診斷，軟件可以檢測出系統(tǒng)的CPU信息是否輸出錯誤。硬件檢測一般是直接通過邏輯電路檢測硬件損壞位置。（3）PLC的結(jié)構(gòu)形式PLC分為整體和模塊兩種形式。整體式也可以叫主機(jī)式，將所有的元件都集中在機(jī)箱里，這樣的優(yōu)點是可以節(jié)約空間和重量，而且可以減少成本，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的功能比較固定。模塊式的優(yōu)點是將不同的元器件安裝在不同的地點，需要通過主線連接，這樣可以實現(xiàn)不同器件方便的更換，而且可以實現(xiàn)多種功能，但成本較高。本文設(shè)計目標(biāo)是小型發(fā)電機(jī)，因此采用整體式的S7-200。它的各個性能參數(shù)都能很好滿足變槳系統(tǒng)的控制需求，具體原理如圖4-6所示。圖4-6端子接線圖S7-200組成為CPU、編譯器、電腦、和電纜，輸入/輸出點有24個，存儲為16K字節(jié)，含有PID控制器和高速的計數(shù)器等，輸入/輸出端子排可拆卸。詳細(xì)線路圖如4-7所示。圖4-7變槳控制系統(tǒng)的接線圖1.3單片機(jī)程序設(shè)計在設(shè)計硬件和選擇型號后，下一步是設(shè)計和開發(fā)軟件部分。控制系統(tǒng)的軟件部分主要是變漿系統(tǒng)的控制過程。任務(wù)分析：我們要在以下不同的風(fēng)機(jī)運行狀態(tài)下進(jìn)行變槳控制1、靜止（起動狀態(tài)）

調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角迎風(fēng)開槳速度順槳速度變槳加速度≠10°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）2、起動（加速狀態(tài)）調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角迎風(fēng)開槳速度順槳速度變槳加速度≠20°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）3、加速（并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)）3.1低于額定功率下調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角迎風(fēng)開槳速度順槳速度變槳加速度≠20°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）3.2達(dá)到額定功率后維持滿發(fā)狀態(tài)運行調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角開槳速度順槳速度變槳加速度≠20°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）4、至停機(jī)狀態(tài)1.1正常停機(jī)調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容葉片正常順槳至順槳速度葉輪處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)機(jī)械剎車不動作，。1.2快速停機(jī)調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容葉片快速順槳至限位開關(guān)處順槳速度（通過軸柜執(zhí)行）葉輪處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)，機(jī)械剎車不動作。1.3緊急停機(jī)調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容葉片葉片緊急順槳至或限位開關(guān)順槳速度（蓄電池柜執(zhí)行）葉輪速度下降到5rpm時，液壓剎車動作。獨立變槳：目的是為了防止其中一個螺旋槳損壞導(dǎo)致機(jī)器不繼續(xù)工作。1.4設(shè)計準(zhǔn)則變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)依據(jù)一下幾個設(shè)計準(zhǔn)則：安全可靠。安全可靠是所有設(shè)計都必須考慮的，尤其是風(fēng)扇這種高危險的產(chǎn)品，稍有不慎會造成人力和財力的損失，因此要保證其穩(wěn)定性。2）智能化。隨著科技的進(jìn)步，人工操作的機(jī)會在逐漸變少，自動化是未來發(fā)展的趨勢。3）可維護(hù)性。發(fā)電設(shè)備的維修是高度危險的工作，因此要預(yù)防損壞或者提前預(yù)警損壞，最大程度上減小維修的工作量?？蓴U(kuò)充性?？紤]未來供電系統(tǒng)和用電器功率的變化，變槳系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)有余量。1.5設(shè)計步驟整個控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾步：1）明確設(shè)計任務(wù)。在本章第一節(jié)“變槳系統(tǒng)的功能概述”中，介紹了變槳系統(tǒng)的主要功能，以及系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)和內(nèi)容。2）系統(tǒng)總體設(shè)計。方案可行性、可靠性分析、比較、討論，確定系統(tǒng)的總體方案和實施方案。3）系統(tǒng)功能設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)功能完成系統(tǒng)硬件器件選型、電氣控制回路設(shè)計。1.6結(jié)構(gòu)設(shè)計變槳結(jié)構(gòu)通過螺栓將齒輪箱和軸承固定在輪轂上。具體結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。43214321圖4-8變槳結(jié)構(gòu)1-輪轂；2-交流電機(jī)；3-變槳軸承；4-齒輪箱1.6.1輪轂的設(shè)計輪轂將風(fēng)扇葉輪與齒輪箱的轉(zhuǎn)動主軸連接起來，它的主要作用是將風(fēng)扇上的推力、扭矩等風(fēng)力和力矩給齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般呈三角形。材質(zhì)一般為鑄鐵，由于其需要承受較多載荷，因此采用球墨鑄鐵來增強(qiáng)其承載能力或抗震能力。如圖4-9所示。圖4-9輪轂的結(jié)構(gòu)圖為了滿足能夠承受數(shù)噸重的葉片、制造成本低、維護(hù)少的原則，選用剛性三角形輪轂。如圖4-10所示圖4-10輪轂的正視圖1.6.2