基于PLC变桨系统的研究毕业论文(27页).doc

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1、-基于PLC变桨系统的研究毕业论文-第 21 页摘 要随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。风能作为一种蕴藏量丰富的自然资源因其使用便捷，可再生、成本低、无污染等特点，在世界范围内得到了较为广泛的使用和迅速发展，发展潜力巨大。特别是随着风力发电控制技术和伺服控制技术的迅猛发展。风能作为清洁的可再生资源受到全世界的重视，同时各国对变桨距风力机的设计、控制和运行已有完整的理论和方法，目前兆瓦级风力机已经是国际风电市场上的主流产品。随着风力发电机组大型化，智能化的发展，风力机必须具有较高的可靠性、风能利用系数和不断优化的输出功率曲线，变桨距技术随之产生。与定桨距

2、控制技术相比，变桨距控制的优点是桨叶较为轻巧，桨距角可以随风速的大小而自动调节，因而能够尽可能更多的吸收风能，同时在高风速段保持平稳的功率输出。关键词:电动变桨系统；MotionPLC；交流伺服电机；CAN总线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

3、 of natural resources for 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 clea

4、n and renewable resource 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

5、 wind turbine , intelligent 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 r

6、elatively lightweight, wind 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 录第1章 绪论11.1.选题背景和意义11.1.1环境的保护和新能源

7、的发展能源11.1.2风力资源的利用和系统的国产化11.2风力发电的发展过程21.3风力发电变桨控制系统国内外的研究现状2第2章 风力发电变桨系统的原理和结构32.1 风力发电机的原理32.1.1风力发电机的结构42.2风力发电机变桨系统的原理62.2.1定桨距系统62.2.2变桨距系统62.3风力发电机变桨系统的结构92.3.1变桨伺服系统102.3.2减速机142.3.3变桨控制器152.3.4编码器15第3章 风力发电机变桨系统的硬件设计要求及选型163.1变桨驱动器和电机的要求和选型173.2变桨控制器的要求和选型183.3编码器的要求和选型193.4备用电源的要求和选型203.5其他

8、附件的要求和选型20第4章 基于西门子 S7-300 PLC 的风电机组专用变桨距控制系统计224.1系统硬件设计224.2系统硬件组成234.3软件设计244.4本章小节25第5章 总结与展望265.1总结265.2展望26致 谢28参考文献29第1章 绪 论1.1.选题背景和意义1.1.1环境的保护和新能源的发展能源 环境是人类生存和发展所要解决的紧迫问题,常规能源以煤，石油，天然气为主它不仅资源有限,而且造成了严重的大气污染因此,对可再生能源开发利用受到世界各国的高度重视。日前风能是具有大规模开发利用前景的可再生能源之一。从全球范围来看,风力发电己经从试验研究迅速发展为一项成熟技术。现代

9、风电技术面临的挑战主要包括进一步提高效率提高可靠性和降低成本 。变桨距控制系统(variabzeitCheontrolSystem).是提高风电系统效率和可靠性的重要手段之一,对风电系统全可靠运行有极其重要的作用。变桨距控制是指安装在轮毂上的叶片可以借助控制技术改其桨距角的大小,从而改变叶片气动特性,使桨叶和整机的受力得到调整,从而保证风机恒功率输出和在特殊情况下安全顺桨。1.1.2风力资源的利用和系统的国产化 变桨距风力发电机组有很多的优越性,变桨趴风力发电机组将会成为大型风力发电机组发展的主流。而变桨距风力发电机组核心之一便是变桨距系统,其中的变桨距控制器也是非常重要,合理控制桨叶角度,在

10、额定风速以下运行时与变速恒频技术结合能够最大限度的获取能量,在额定风速以上运行时能够得到稳定的功率输出。控制器设计的是否合理直接关系到变桨距风力发电机组是否能够安全的运行。 我国幅员辽阔,蕴藏这丰富的风力资源为了开发利用我国的风力资源,进一步掌握人型风力发电机组的核心技术,拥有自主知识产权的大型风力发电机组是必要的。木课题对变桨距风力发电机组的变桨距控制系统进行研究,希望对我国变桨距控制系统的国产化提供有益参考,具有重要的现实意义。1.2风力发电的发展过程 人类很早就开始利用风能,风力机最早出现在3000年前,人们用来碾米和提水第1台水平式风力发电机产生于十二世纪早期的风力发电机采用多桨叶,后

11、来发展成了典型的三叶式。风力发电机最旱是采川定桨距控制,到后期人们为了适应风速的小断变化和提高风能的利川率,研制出了变桨距控制风力发电机。对于功率而言,早期的风力发电机都是以小功率为主,后来风力发电机逐渐往兆瓦级发展,目前国内研制的风力发电机功率可达5兆瓦。早期风力发电机由于安装的原因,都是建造于陆地上的。随着科技的进步,人们开始把风力发电机塔架建在了海上,称之为离岸风力发电机,把储量丰富的海上风能利用起来。与此同时,离岸风力发电机对于风机的维护来讲无疑是增大了难度,所以要求内部元件的有高的可靠性和寿命,同时也在风机中增加了冗余系统。1.3风力发电变桨控制系统国内外的研究现状世界上的风力发电发

12、展情况如下: 世界风电厂家VestaS,EnerCon,Gamesa,AeCiona,Dewind,GE,三菱重工等vestas所占份额最大,超过百分之三十,他连同Gamesa都主要采用液压变桨系统多采用电动变桨系统。我国早在上个世纪七八十年代开始研制风力发电机组,但直到90年代,风力发电才真正从科研走向市场初期研制成功的主要是额定功率为60OKW以下的风力发电机组,近年来开始研制兆瓦级风力发电机组,并且已经取得成功,其制造技术已基本掌握。虽然我国近几年风电发展快,但是相比国外,我国在风力发电技术上的研究比较落后。主要是工艺技术落后,零部件以及大容量的风力发电装置大多数依靠进口,因此我国风电行

13、业有很长的路要走。国内风力发电机主要采用变桨系统主要采用电动变桨系统。主要有两力面原因: 1、国内风力发电机的生产技术主要是引进德国Repower,Nordex等少一家的技术这些公司主要采用的是电动变桨控制系统。 2、电动变桨系统技术相对简单,而且维护方便。国内的主要风电制造厂家有:金风,华锐,联合动力,广东明阳,上海电气,浙江运达等。第2章 风力发电变桨系统的原理和结构 2.1 风力发电机的原理 风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械,又把机械能转换为电能风力发电利用的是自然能源,是清洁能源。但由于风能受到季节和地理环境的影响.供电的稳定性不如火力发电,所以风力发电有时视为备用电源,但是现

14、在可以把风力发电和其他能源如太阳能发电一起互相补充,或者把风力发电场建立在风能丰富的海上,可克服其供电不稳的缺陷。 发电机组按照传动方式可分为直驱式发电机组和双馈发电机组直驱发电机技术近年来取得了较快的发展,但是目前双馈风力发电机组在行业中占有大部分市场装机容量以双馈风力发电机组为例,如图2-2 风力发电作为清洁能源已经在世界形成一股热潮,因为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染。风力发电已经进入到我们的生活当中,除了在风电场,马路边和公园里的路灯上,部分居民房顶上都能看到风力发电机。 图2-2双馈发电机原理图2.1.1风力发电机的结构以有齿轮箱双馈大型并网风力发电机组为例,风力发电

15、机的组成有风轮,发电机与增速齿轮箱,偏航系统,变桨系统,变流系统,塔架。 1、风轮风轮一般由叶片,轮毅,连接螺栓组件,盖板和导流罩组成.。风轮是风力发电机关键的部件,是它把风能转变成机械能。目前大多数风力发电机的风轮由三个叶片组成,虽然早期风力发电机都是有很多叶片,荷兰典型的风车也有4个叶片,到了后期,3叶片结构成为了风力发电机最经典的结构。叶片的材料有木质,铝合金,玻璃钢等,现在的风机叶片都选用玻璃钢。风轮在出厂前经过试装和静平衡试验,风轮的叶片不能互换,所以有的厂家在叶片与轮毅之问做了安装标记,组装时按标记固定叶片，在组装风轮时要注意叶片的旋转方向,一般都是顺时针方向，固定扭矩要严格按照厂

16、商说明书的要求。风轮的工作原理:风轮旋转时,风轮产生的功率与空气的密度成正比,与风轮直径的平方成正比,与风速的立方成正比。通常,风力发电机风的实际效率一般在O.35至0.45之间。2、发电机与齿轮箱双馈发电机电机的结构类似十绕线式感应电机,定子绕组也山具有固定频率的对称三相电源激励,所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励,一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。齿轮箱双馈发电机和直驱发电机最大的区别在于双馈发电机有齿轮箱而直驱发电机没有双馈风力发电机中,风轮轴通常要通过弹性联轴节和增速齿轮箱相连。因为通常情况,风轮的转速较低时,不足以驱动发电机发电,所以要加一个增速环节。

17、3、偏航控制系统 风力机的偏航系统也称对风装置。其作用在于当风能方向发生变化时,能够旋转风机,快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能。大中型风力发电机一般采用电动偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统包括感应风向的风向标,偏航伺服电机,行星齿轮减速器,轴承和制动装置，解缆装置。大多数风力发电机的发电机输出功率的同轴电缆在风力发电机偏航时和风扫同时旋转,为了防止偏航超出位移过大引起的电缆拧在一起或者拉断电缆,都要设置解缆装置,并增加扭缆传感器以监视电缆的扭转状态。通常我们使用编码器和齿轮限位开关的串联工作来解决该问题。4、变桨控制系统通过调整风轮桨叶的节距角来提高风能的利用率,保证发电机

18、以稳定功率输出,在切入风时能够迅速顺桨。主要应用的变桨系统主要有一两种,一种是液压变桨,另一种是电机驱动变桨，液压变桨系统(HydrauliCPitChControlSysteln)的结构原理:液压变桨系统由液压水泵站,控制阀块,液压油缸,蓄能器，和管路构成。变桨控制器根据功率或者转速信号给出一个电压信号,再通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号,控制比例阀输出流量的大小和方向。变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶桨距角通常在-5到+88之间变化液压变桨系统的特点:结构简单,元器件寿命长,但是容易存在漏油的情况,所以要求定期对液压油和滤清器进行更换。电动变桨系统(ElectricPi

19、tchControlSystem)的结构原理:电动变桨系统由伺服系统(ServoSystem)(包括伺服电机和驱动器),减速机(gearboX),变桨控制器,编码器和备用电源等构成。电动变桨系统的特点:电动变桨适用温度范围),响应速度快,而且维护方便国内主要的风机制造)家大都采用电动变桨系统。5、变流器 变流器通过双馈异步风力发电机的转子进行励磁,使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值,频率和相位与电网相同,并且可根据需要进行有功和无功的独立解拙控制。6、塔架 风力发电机的塔架牢固的和基础相连,内部通常配有升降机或者助爬器。2.2风力发电机变桨系统的原理2.2.1定桨距系统 定桨距风力发电机组的

20、主要结构特点是:桨叶与轮毅的连接是固定的,当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。这个特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题.首先是当风速高于风轮的额定风速时,桨叶必须能够自动的将功率限制在额定值附近。由于风力发电机上的所有材料的物理特性是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能，其次是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下,也就是突甩负载的情况下,桨叶自身必须具备足够的制动能力,使风力发电机组能够在大风情况下安全停机然而早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力,脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动停机。这对以数十千瓦级的机组来说问题不大,但对于大型

21、风力发电机组,特别是兆瓦级以上的风力发电机组,如果只使用机械刹车,就会对整机结构强度产生严重的影响,对整机的结构有很高的要求针对上述问题,桨叶制造商在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力发电机桨叶,解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题;20世纪80年代又将叶尖扰流器成功的应用在风力发电机组上,解决了在突甩电网负载情况下的安全停机问题,使定桨即风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位,直而月最新推出的兆瓦级风力发电组仍有机型采用该项技术。但是,定桨距系统对风能的利用效率较低。2.2.2变桨距系统 变桨距控制系统的通常由变桨控制器通过CAN总线控制伺

22、服电机从而带动减速机调整桨转动,编码器把当前的位置反馈给控制器进行闭环控制,如图2-3。变桨系统的工作原理变桨控制系统是通过改变风机叶片的迎风角,实现对发电机的功率调节的。通过在叶片和轮毅之间安装的变桨驱动电机带动桨叶轴承转动从而改变叶片节距角,由此控制叶片的升力,以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。图2-3变桨系统原理图（单桨片） 风力发电变桨系统的工作过程由以下几个阶段组成: l)起动阶段当风速达到风力发电机的切入风速时（不同家的风机切入风速不同),风机开始起动。起动时,风机桨叶处于顺桨,节距角90度位置变桨控制系统开始工作,变桨控制器通过伺服电机把桨民十节距角调到0度,此时桨叶

23、的受风面积最大,风轮开始转动,并且随之风速的增大,风轮速度逐渐上升. 2)运行阶段当风速不断增大,风轮的速度也随之增大,当发电机转速达到并网要求的转速时,开始并网发电。额定功率运行状态.当风机进入额定风速时,发电机也达到额定功率,此时风机开始并网发电随着风速的进一步增大,风轮的速度也不断增大,风机功率继续增大。此时变桨系统开始动作,变桨控制器控制桨叶向90度节距角方向转动,从而降低风轮转速,使风力发电机的输出功率维持在额定功率。功率状态在风机进入额定发电状态之后,风速也是不断变化的,当风速降低,低十额定风速时,变桨控制系统调小桨距角,直至调到O度此时风机仍然在额足功率以下运行由于此时风机依然在

24、并网发电在发电机侧采用变速恒频技术保证发电机向电网输送恒定频率的电能 。 大风状态，当风速上升到远大于额定风速的状态时,变桨控制器控制风机桨叶安全顺桨。国内外风机制造商都会提供一个切出风速。故障状态。在机组出现故障时,需要紧急停机,一般应先使叶片顺桨,这样机组结构中受力小,可以保证机组运行的安全可靠性变桨控制系统控制风机桨叶安全顺桨。变桨距风机叶片一般宽小,片轻,机头质量比定桨失速机组小,启动性能好但由于增加了一套变桨距机构,从而增加了故障发生的机率,而且处理变桨距机构叶了轴承故障难度大变桨距机组比较适合于高原空气密度低的地区运行,避免了当定桨距风力发电机安装角确定后,有可能夏季发电低,而冬季

25、又超发电的问题变桨距机组更适合于额定风速以上风速较多的地区,这样发电量的提高相对定桨距风机比较显著。从今后的发展趋势看,在大型风力发电机组中会普遍采用。 变桨控制器系统安装在风机的轮毅之中,伺服电机连接减速机,减速机通过法兰固定在轮毅内侧支持板上,减速机齿轮和桨叶的轴承内齿圈相咬合,如图2-4。图2-4变桨系统内部结构原理变桨控制系统有三个主要任务: 1)通过调整叶片节距角把风机的发电速度控制在额定风速之上的一个恒定速度,维持发电机恒功率输出. 2)调整叶片节距角使风力发电机从低速风中获得适当的电力。 3)根据现场情况及时顺桨保证风机的安全。变桨距风机控制系统的优点。 变桨距控制系统的优点主要

26、在于风能的利用效率更高,如图2-5。定桨距风机在风速达到额定风速后,风速增人时,电机输出功率反而下降。而变桨距风机的在风速达到额定风速后,功率会一直维持在额定功率。特别是在风速频繁变化的地区.风能的利用效率较高。特殊情况下的可以随时顺桨,保证风力发电机的整体安全性。图2-5变桨距和定将距控制发电机功率比较2.3风力发电机变桨系统的结构风力发电变桨系统的组成有:伺服系统,包括伺服驱动器和伺服电机;减速器编码器变桨控制器备用电源还包括限位开关,温度传感器.低压电器如图 图2-6变桨系统结构图2.3.1变桨伺服系统 伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机.伺服驱动器把来自上位机,也就是变桨控制器的控制信号

27、进行放大控制伺服电机运行,同时伺服电机上的绝对值编码器(absoluteenCoder)-20把电机运行的实际位置信号反馈给驱动器,形成闭环,准确的控制电机转动的位移伺服系统也可以进行精确的速度和扭矩控制,在变桨控制系统中主要应用的是位置控制。一、伺服驱动 伺服驱动器是一种控制伺服电机的控制器。它类似于变频器控制普通交流马达,属于伺服系统的一部分伺服驱动器主要有两种功能,一种是控制功能,通过控制单元和的结合控制伺服电机和显示伺服驱动器和电机的状态;另一种是驱动功能,它把上位机也就是变桨控制器的小信号放大在驱动器内部进行配置,之后输出给伺服电机,驱动电机运行。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处

28、理器(DSP)。作为控制核心,可以实现比较复杂的控制算法功能。功率器件普遍采用以智能功率模块为核心设计的驱动电路,内部集成了驱动电路,同时具有过电压过电流过热欠压等故障检测保护电路和过载保护电路在主回路中还加入软启动电路以减小启动过程对驱动器的冲击功率驱动单元通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电。经过整流好的三相电或单相电,再通过三相正弦PWM逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程简单的说就是交流一直流一交流的过程。 伺服驱动器可以采用位置速度和力矩三种控制方式,内部有三个环,即位置环,速度环和电流环,如图2-7伺服系统主要应适用高精

29、度定位,目前是传动技术的高端。随着伺服系统的大规模应用,伺服驱动器使用伺服驱动器调试，伺服驱动器维修都是伺服驱动器都是现在比较热门的话题,也有着广阔的市场。以前伺服系统主要依靠进口,现在不少国内企业已经掌握了伺服系统的技术,国产的伺服也有着较好的质量。图2-7伺服系统的控制系统 伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把从上位机所收到的电信号转换成电动机轴的角位移或角速度输出分为直流和交流伺服电动机两人类,其主要特点是与信号压为零时电机无自转现象,转速随着轴转知(的增加而匀速下降。二、原理 1、伺服主要靠脉冲来定位,基本下可以这样理解,当伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转l个脉

30、冲对应的角度,从而实现定位。同时,伺服电机尾部的编码器本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,编码器都会发出对应数量的脉冲,这样,伺服驱动器接收了伺服电机编码器的脉冲信号形成闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,两者相互比较,就能够很精确的控制电机的转维护,要换碳刷,容易产生电磁干扰,对环境有一定的要求。因此，它动,从而实现精确的定位. 直流伺服电机可分为有刷和无刷电机.有刷电机成本比较低,结构相对简单,启动转矩较大,调速范围宽,控制容易,但需要可以用于对比较在意成木的民用工业。无刷电机体积小,重量较轻,出力大,响应较快,速度高,惯量小,转动平

31、滑,力矩稳定但是控制复杂,容易实现智能化,采用电子换相方式,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护,使用效率很高,运行温度相对较低低,电磁辐射很小,寿命一长,适用于各种环境。 2、交流伺服电机也是无刷电机,分为同步电机和异步电机,目前运动控制中般都用同步电机,它的功率范围大,而且可以做到很大的功率大惯量的电机,额定转速和最高转动速度较低,且电机随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的场合。3、永磁伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的三相电形成定子电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机末端的编码器把电机的位移信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的位移，因此伺

32、服电机的精度决定于编码器的精度. 4、伺服电机的PID控制伺服电机的一个显著的特点在于它的PID控制,如图2-7例(P)控制比例控制是一种简单.的控制方式控制器的输出与输入误差信号成比例关系系统中,当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady一Stateerror).积分(1)在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系在一个自动控制系统中,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady一stateError)。目前,为了消除稳态误差,在控制器中必须引入积分项，积分项取决于误差对时间的积分,随着时间的增加,积分项会

33、增大这样一来,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例积分(Pl)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差PI控制器是较为常用的一种控制器。图2-7伺服系统的控制系统 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系通常,自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节。在控制器中加入微分项,能预测误差变化的趋势,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。但是微分控制通常和上两种控制器配合使用,不能单独使用。 5)PID控制器的参数

34、整定，PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小PID控制器参数整定的方法很多,概括起来有两大类:一是理论计算整定法主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数但是这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的试验中进行,不断调试,这个方式方法简单，易于掌握,在工程实际中被广泛采PID控制器参数的工程整定方法.主要有临界比例法。反应曲线法和衰减法三种三种方法各有其特点,其共同点都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。

35、但是无论我们采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后试与完善。现在,一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下:(l)首先预选择个足够短的采样周期让系统上科:(2)仅加入比例控制环自到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡,这时的比例放大系数和临界振荡周期.的数值:(3)通过公式计算得到PID控制器的参数。变桨交流伺服和直流伺服的优缺点：变桨伺服电机可分为直流伺服和交流伺服,又可细分为直流串励同步电机和直流永磁同步电机,和交流串励同步电机.和交流永磁同步电机。目前在风电场变桨系统上主要使用的是直流永磁同步伺服电机和交流永磁同步伺服电机。直流永磁同步伺服电

36、机。体积大,重量大,有换向器和电刷,安装和维护较为不便,但是在外部电源掉电的情况和变桨驱动器故障时可以直接使用后备电源供电及时顺桨保证风机的安全。交流永磁同步电机,体积较小,功率较大,重量轻,无电刷,安装维护方便。但是在外部掉电的情况下,后备电源要通过驱动器逆变之后才能驱动电机顺桨,有可能由几种区动器故障而不能及时顺桨导致风机事故。2.3.2减速机减速机通常也齿轮箱,是一种传动机构,利用不同大小齿轮的啮合,将电机的转速减到所要的转速,并得到较大转矩的机械装置在目前用于传递动力与运动的机构中,减速机的应用范围相当广泛,几乎在各式机械的传动系统中都能用到从交通工具的船舶汽车机车,建筑用的重型机具到

37、机械工业所用的加工机具及自动化生产设备其应用从大动力的传输工作,到小负荷,精确的角度传输都可以见到减速机的应用,目前在工业应用上,减速机具有减速及增加转矩功能,因此广泛应用在速度与扭矩的转换场合。减速机的作用 l)降速同时提高输出扭矩,扭矩输出比例按电机输出乘减速比,但要注意不能超出减速机额定扭矩。 2)减速同时降低了负载的惯量,惯量的减少为减速比的平方， 以上公式是减速机的输出扭矩计算方法,但是选择电机,要选择减速器负载能力相匹配的电机功率才行,不同速比应选择不同功率的电机,功率过大,会增加减速机的噪音井且降低减速机的寿命。2.3.3变桨控制器 通常是用Mot1onPLC或者是控机作为变桨控

38、制器,该控制器主要负责变桨控制系统的传感器信号监控和控制伺服电机进行运行,根据主控系统传递过来的风速信号和功率信号,通过变桨减速机带动桨叶转动,调整桨趾角,保证风力发电机有稳定的输出功率这里用的Mot1onPLC,是集成了PLC强大的逻辑功能和运动控制器位控功能,要既能够控制和处理多点模拟量和数字量的输入输出,也能够输出高精度的电压或者电流信号并接收编码器或者光栅尺的反馈构成闭环进行伺服电机控制。并且要要兼容多种通讯接口,如CAN总线,Rs232,RS485以太网和主控系统以及触摸屏,编码器进行通讯。同时也要距要对恶劣环境的适应能力而工控机通常的优势在于强大的CPU,高速的总线控制或者工业以太

39、网通讯控制方式。2.3.4编码器编码器是将角度,位移,速度等物理量转换成模拟信号或者数字信号等电信号,用于显示或者进行闭环控制,并且可以通讯和储存的信号形式的电子元件。编码器把角位移或直线位移转换成电信号,按照物理结构编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式编码器采用电刷输出,一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是1还是O;非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件,采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是1还是O,或者通过磁场的强弱变化来表示O还是1,通过1和O的二进制编码来将采集的物理信号转换为上位机可读的电信号用以通讯,传输和储存。 变桨系统中的编码器有两个,一个装在伺服

40、电机的尾部反馈信号给伺服驱动器构成系统半闭环,还有一个安装在桨叶轴承上,通过小齿轮和齿圈咬合,直接测出桨叶转动的位移,把位置信号传送给变桨控制器,形成变桨系统的全闭环,在伺服系统半闭环内出现误差时,能准确的反映桨叶位置。第3章 风力发电机变桨系统的硬件设计要求及选型参考国内外变桨系统,根据要求设计出硬件连接图,如图3-1 图3-1变桨系统硬件连接图 由图3-l可知变桨控制系统主要电气部件如下:变桨控制控制器；伺服驱动器和伺服电机；编码器；备用电源；此外还包括限位开关,温度传感器,低压电器,电缆,触摸屏(有的集成在控制器上)参考国内外风电变桨系统的生产厂家包括LUST和SSB,以及国内风电场如东

41、营风电场的具体情况,总结出风力发电变桨系统对各个组成硬件的大致要求,并根据要求选出主要硬件的型号。3.1变桨驱动器和电机的要求和选型3.1.1伺服电机1、要求: 根据驱动器指令运转,井通过减速机带动桨叶回转轴承旋转,从而调节桨叶上的桨距角;通过编码器将电机的位置信号反馈至驱动器。额定转速:和减速机配合能够以较快的速度转动桨叶,在迅速顺桨时是桨叶以每秒的速度顺桨,以确保风机安全。转矩:和减速机配合之后足以驱动桨叶转动。惯量:和减速机配合在风机起动和停止时能够满足惯量要求。 额定功率:要和伺服驱动器相匹配。通常驱动器的功率略大于电机功率带制动器。由于几轮毅内空间限制,安装法兰至轴端尺应满足空间要求

42、。2)选型 根据上述要求,进行计算:负载转矩J是负载惯量,p负载,加速度v负载角速度转矩T多负载转矩(减速机速比轴承齿数和减速机端齿数比)电机转速=桨叶角速度/轴承齿数和减速机端齿数比结合减速机,选用星辰伺服电机190J5K02一24YZll,如图3-2. 选用该产品的优点:在国内如华锐风电有应用案例,品质有保证国内制造,节省成本电机反馈选用绝对冗余编码器GEL2035,该编码器同时输出王余弦信号和绝对位置信号(见3.4编码器的要求和选型),其中正余弦信号作为电机速度反馈,551绝对位置信号作为电机的位置信号反馈。 图3-2变桨伺服电机以15MW风机为例,伺服电机参数如下:额定转矩、额定功率、

43、额定电压、额定电流、额定转速、过载额定效率，励磁方式铆铁硼永磁绝缘等级，失电制动器，静态最人制动力矩反馈元件:绝对编码器(选用冗余绝对编码器GELZO35)转动惯量电机重量3.2变桨控制器的要求和选型1、要求: 与风机主控制之间以CAN叩en实现双向通讯;检测3个驱动器状态,同时用于驱动器进行信息传递;对编码器信号进行处理;有手动信号输入。在恶劣的环境下长期无人职守运行。处理器能进行算法处理,状态监控,远程通讯等任务。可维护性要求,调试,故障排除,系统维护和升级换代的方便。 开发调试友好度,缩短代码编写和算法调试的时间,便于产品的升级和更新。2、选型根据.述要求,选用德国公司的Mot10nPI

44、:CGEL825O,如图3-5。 图3-5变桨控制器 选用该产品的优点有现场应用案例,性能可靠。8250是的升级版本,功能比8230系列更强大。GEL8230YOOI曾经应用于LUST和SSB的变桨控制系统中,该系统安装在Repower生产的风机中,被我国整机引进。该产品在全世界装机量约1.3万台(该数据由控制器厂家提供)CPU功能强大,主频可达SOOMHz。该产品集成显示器和按键于一体,结构紧凑.节省安装空间。比倍福采用的嵌入式PC加触摸屏的结构省空间。 3.3编码器的要求和选型1、要求: 安装在桨叶轴承内齿圈上,独立于电机编码器的旋转编码器准确反馈桨叶位置信息给变桨控制器,确保变桨控制系统

45、可靠运行。要求如下:数据传输方式:551或CANopen,用于准确定位的场合,绝对信号优于脉冲增量信号适用温度范围广径向承受的载荷大抗冲击振动分辨率精度高2、选型根据上述要求,选用绝对值编码器GELZO35选用该产品的优点满足风电场对编码器的功能要求和环境要求,在德国了商用案例。可以完全代替Repower变桨系统早期使用的BaumerGM400系列编码器。GELZO35内部是双信号输出构成了位置信号反馈的冗余结构。GEL2035内部由两部分组成,一个551输出的绝对编码器和一个旋转变压器串联,所以GELZO35同时输出一组551绝对信号和一组正余弦信号,正余弦信号是兀余信号,控制器接收该信号需

46、另加一个解码芯片把正余弦信号转换成方波信号给控制器。当551绝对编码器故障时,系统读取旋变信号反馈,保证系统的稳定性。3.4备用电源的要求和选型 当动力电出现异常跌落或遭遇其他意外情况时,备用电源储备的电能可保证变桨控制系统正常收桨,保证风机的安全。要求:变桨过程中,备用电源电压不低于驱动器正常工作的最低母线电压值(250V)变桨过程中可释放能量满足变桨需求。寿命长,维护成本低。选用国产超级电容HeeHCAP一MRS4745,如图3-6。 选用该产品的优点:该产品满足以上的要求,同时也是专门为变桨系统设计的产品。在华锐风电上有应用案例。超级电容虽然价格比蓄电池高,但蓄电池维护成本高,通常2年需

47、更换一次,而蓄电池寿命长维护成本低,因此重长远来看,反而节省了成本。 图3-6国产超级电容HeeHCAP一MRS47453.5其他附件的要求和选型1、限位传感器 变桨过程中,通过限位开关及回转轴承触点的配合实现软件控制之的硬件控制,确保变桨控制系统正常收桨。要求:双限位开关的冗余设计,保证系统的安全。安装时需要考虑限位开关与触点的安装尺如图3-7,桨叶轴承上通常安装2个限位开关,后一个作冗余。以SSB为例,前一个装在桨距角92位置,后一个在95位置。图3-7限位开关2.温度传感器 温度传感器把变桨距系统柜内的温度采集并转换成不同的电阻值,通过温度变送器转化成不同的电压信号输入驱动器或控制器,使得系统可以实时监测变桨柜内温度的变化值。要求:可检测范围:一50e一十150e引出一导线规格:或四线制安装方式:金属支架配合法兰头安装，低压电器在电路中的用途是根据外界信号或要求,自动或手动接通,分断电路,连续或断续地改变电路状态,对电路进行切换,控制,保护,检测和调节用于低压电力网的配电电