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兆瓦 风力发电机 液压 偏航 系统 设计

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摘    要

    当今能源如此紧缺，而最近几年对风能的利用越来越受到人们的重视，一方面是风能的利用率，另一方面是对风电机寿命的重视。本文详细深入研究风力发电机液压偏航系统以及影响偏航的不同因素，本文使用的MW级风力发电机组事采用液压偏航控制，而偏航系统是风力发电机的重中之重，本文阐述了其结构及液压原理图，在此基础上，重点阐述了液压偏航控制系统如何实现自动偏航、90度侧风、人工偏航以及自动解缆等功能，该系统采用液压系统作为主控系统，具有较高稳定性、可靠性。而且还能提高风力发电机利用风能的效率和风电机的使用寿命。

关键词：风力发电机;偏航;液压控制系统

内容简介：

中英文献翻译 he of a of by of of be in be to to is a is to to a in in A of or a on an in is in is an e of in As in of or in b a of in by of of a of in c of d on In of 流轴式径向柱塞泵 s is V= (1d is e is z is of )of by a in on by of 2)of be by e of to be by of e (e In be or of of of a of 2 ,p2 on of of p1 of 1 1 in of p 1 )is a is a of in 2 an of to of of of of be be by s e of of if q is of 2 (p=by of 2 of 1 in to a in to in to e q of 2 1 to At of 2 to a c No at a of on is to of 2 of 2 in of in of at a up 5he is of on an is at an to to a on or on by of is to or As in a in in in is on a is a of in by b of of of as d,of ,as z,of to ,of V= (1 be by of of to a of up 0. , to , =s=, of of s/L,it 1we 盘式轴向柱塞泵 1 we is to s on we be 8 20. )is to up 2. 2)To at of to or in of of or is an 3)a to 4)of be is of in a is by an of , 7 . of a in by . of to in . to of a be by of a of is as of 轴式轴向柱塞泵 is a of 1)by of 3 s of . 0 a of 0 2 at of 1. on of 2, 1 to a b of to of of to o,in of 2)by of , 3 up a . 1 up to a on a of at a of sp,0 , on of ,6 3)is of is by of , of 2 is to of be on of s of p q is of in a on is a of of a 柱塞泵 柱塞液压泵是依靠柱塞在缸体孔内作往复运动时产生的容积变化进行吸油和压油的。由于柱塞泵和缸体内孔都是圆柱表面，容易得到高精度的配合，密封性好，在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总效率。根据柱塞的布置和运动方向与传动主轴相对位置的不同，柱塞液压泵可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两类。图1放置被称为径向柱塞泵，并且单个柱塞因其半个周期吸油、半个周期排油，供油不连续而不能直接用于工业生产。为使柱塞泵能够连续地吸油和压油，柱塞数必须大于 3。 流轴式径向柱塞泵 图 1转子（缸体） 2上径向均匀排列着柱塞孔，孔中装有柱塞 1，柱塞可在柱塞孔中自由滑动。衬套 3固定在转子孔内并随转子一起旋转。配流轴 5固定不动，其中心与定子中心有偏心 e，移动定子可改变偏心 e。当转子顺时针转动时，柱塞在离心力或在低压油的作用下压紧在定子4的内壁上，当柱塞转到上半周时柱 塞向外伸出，径向孔内的密闭工作容积不断增大，产生局部真空，油箱中的油液经配油轴上的 柱塞转到下半周时，定子表面将柱塞往里推，密闭工作容积不断减小，将 子每转一周，柱塞在每个径向孔内吸、压油各一次。泵的排量为： V= （ 1 式中， 子）之间的偏心距； 1）配流轴上的吸、压油窗口由中间隔墙分开，同时对应的方向开有平衡油槽，使作用在配流轴上的液压径向力实现了平衡，既减少了滑动表面的磨损，又减少了间隙泄漏，提高了容积效率。 2）改变定子与转子的偏心量 e，可改变泵的排量；改变偏心量 使偏心量 ，泵的吸、压油方向改变。因此径向柱塞泵可做成单向或双向变量泵。 负载敏感变量泵因其输出压力取决于负载而得名，其结构组成如图 3压泵的出口压力油 工作压力）经控制元件 进入执行元件， 出口压力 执行元件的负载决定，因压力油 分别引到三通阀 阀芯两端，当 阀芯受力平衡时， 前后压力差为 式中， 1 阀芯端面的有效作用面积， 若视 （ 为定值（ 即对应于 定的开口面积，泵输出一定的流量，定子具有一定的偏心，且定子的移动量大小及方向取决于左变量活塞与右变量活塞缸的压力差。定子的移动会改变定子的偏心量，从而改变泵输出流量及压力，以适应执行元件的流量及压力变化。 调节控制元件 如减小其开口面积，则在泵输出流量 后压力差 p=增大，三通滑阀 阀芯受力平衡被破坏，阀 芯右移，开启阀口 a和 c，左变量活塞缸的压力油与油箱沟通，压力 子受力平衡被破坏，定子向左移，偏心量 输出的流量 制元件 后压力差减小，当压力差恢复到原来值时，三通滑阀 芯受力重新平衡，阀芯回到中位，阀口 a和 变量活塞缸封闭 ，定子稳定在新的位置，泵输出与控制元件 口面积相适应的流量，满足执行元件的流量需求。若增大控制元件 开口面积，类似上面的分析，定子偏心量将增大，泵输出的流量增加。 由于结构上的一些改进，图 35之变量方式灵活，且可以实现双向变量，因此应用日益广泛。 盘式轴向柱塞泵 理 斜盘式轴向柱塞泵又称直轴式轴向柱塞泵，该液压泵的柱塞中心线平行于缸体的轴线。如图 1体上均匀分布着几个轴向排列的柱塞孔，柱塞可在孔内沿轴向滑动，斜盘的中心线与缸体中心线斜交成一个角，以产生往复运动。斜盘和配油盘固定不动。柱塞可在低压油或弹簧作用下压紧在斜盘上。在配油盘上有两个腰形窗口，它们之间由过渡区隔开，不能连通。过渡区宽度等于或稍大于缸体底部窗口宽度，以防止吸油区和压油区连通，如图所示。 当传动轴以图示方向带动缸体转动时，位于左半圆的柱塞在低压油的作用下逐渐向外伸出，使缸体孔内 密闭工作容积不断增大，产生局部真空，将油液从配油盘配油窗口 于右半圆的柱塞被斜盘推着逐渐向里缩入，使密闭工作腔容积不断减小，将油液经配油盘配有窗口 b 压出。缸体旋转一周，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油和压油动作。若柱塞直径为 d，缸体柱塞孔分布圆直径为 D，柱塞数为 z，斜盘倾角为，则斜盘式轴向柱塞泵的排量 V= (1显然，改 变斜盘的倾角可以改变泵的排量。斜盘式轴向柱塞泵的变量方式可以有多种，手动变量泵当旋转手轮 10带动丝杆 9旋转时，因导向平键的作用，变量活塞 7将上下移动并通过轴销 6使斜盘绕其回转中心摆动，改变倾角大小。图示位置斜盘倾角 =销距水平轴线的位移 s=轴销 距斜盘回转中心的力臂为 L，则可得 ，代入公式（ 1则有 V= （ 1 泵的排量与变量活塞的位移成正比：为使柱塞所受的液压侧向力不致过大，斜 盘的最大倾角8 20。 1）在构成吸压油腔密闭容积的三对运动摩擦副中，柱塞与缸体柱塞之间的圆柱环形间隙加工精度易于保证；缸体与配流盘、滑履与斜盘之间的平面缝隙采用静压平衡，间隙磨损后可以补偿，因此轴向柱塞泵的容积效率较高，额定压力可达 32 2）为防止柱塞底部的密闭容积在吸、压油腔转换时因压力突变而引起的压力冲击，一般在配流盘吸、压油窗口的前端开设减震槽（孔），或将配流盘顺缸体旋转方向偏转一定角度放置。 3）泵内液压油腔的高压油经三对运动摩擦副的间隙泄漏到缸体与泵体之间的空间后，再经泵体上方的泄漏油口直接引回油箱。这不仅可保证泵体内的油液为零压，而且可随时将热油带走，保证泵体内的油液不致过热。 4）斜盘式轴向柱塞泵以及前面介绍过的径向柱塞泵和后面将介绍的斜轴式轴向柱塞泵的瞬时理论流量随缸体的转动而周期性变化，其变化频率与泵的转速和柱塞数有关。由理论推导柱塞数为奇数时的脉动小于偶数，因此柱塞泵的柱塞取为奇数，一般为 5、 7或 9。 轴式轴向柱塞泵 理 如图 1轴式轴向柱塞泵当传动轴 5随电动机一起转动时，连杆 4推动柱塞 2在缸体 3中往复运动，同时连杆的侧面带动柱塞连同缸体一起旋转。通过固定不动的配流盘 1的吸油窗口、压油窗口进行吸油、压油。与斜盘式轴向柱塞泵类似，可通过改变缸体的倾斜角度来改变泵的排量；通过改变缸体的倾斜方向来构成双向变量轴向柱塞泵。斜轴式轴向柱塞泵排量公式与斜盘式完全相同。 下面介绍一种斜轴式轴向柱塞泵，它具有恒功率变量功能。图为 1工作原理如下： （ 1）变量过程 （由零件 1 4组成） 变量活塞 13的上腔油室常通泵的压油腔，同时经固定阻尼 6进入控制柱塞 7的油腔。变量弹簧 9和 10为双弹簧，其中内弹簧 10的安装高度与弹簧座之间相距 簧 12位于伺服阀 11的下端。当作用在控制活塞 7的液压力大于弹簧 9和弹簧 12的预压缩力之和时，控制活塞 7推动伺服阀阀芯 11向下移动，沟通油口 a与 b，压力油进入变量活塞 13下腔。因变量活塞 13 下腔作用面积大于上腔作用面积，导致变量活塞 13 向上运动，通过拨销 5带动配流盘 4和缸体 1一起绕 O 点摆动，减小缸体摆角 。 （ 2）伺服恒功率变量过程（由零件 5 13 组成） 在上述缸体摆角减小的同时，由于变量活塞 13向上运动通过拨销 5反馈压缩弹簧 9并使控制活塞 7和伺服阀芯 11上移复位，关闭油口 a和 b。此时，作用在控制活塞上的液压力与弹簧力平衡，变量活塞稳定在一定位置，缸体具有一定的摆角，泵输出 1一定的流量。当变量活塞上移的行程等于 弹簧 10参与工作，即作用在控制活塞上的液压力与弹簧 9、 10、 12的合力相平衡，变量活塞上移行程等于 变量特性曲线上的拐点。 （ 3）特性曲线 恒功率变量特性曲线如图 3中直线 1的斜率由外弹簧 9的刚度决定，直线 2的斜率由内外弹簧 9,10的合成刚度决定，弹簧 12的预压缩量则用来使曲线 曲线可以看到，随着泵的出口压力升高，控制活塞上所受液压力将进一步增大 ，由伺服变量过程使泵输出的流量随压力增大而减小。因为泵的出口压力 此称这种变量方式为恒功率变量泵。 与斜盘式变量泵相比较，斜轴式泵由于柱塞泵和缸体所受的径向作用力较小，允许的倾角较大，所以变量范围较大。由于靠摆动缸体来改变流量，故其体积和变量机构的惯量较大，变量机构动作的响应速度较低。 业 设 计 专 业： 机械设计制造及其自动化 兆瓦级风力发电机液压偏航控制单元设计 013 年 6 月 摘 要 当今能源如此紧缺，而最近几年对风能的利用越来越受到人们的重视，一方面是风能的利用率，另一方面是对风电机寿命的 重视。本文详细深入研究风力发电机液压偏航系统以及影响偏航的不同因素，本文使用的 偏航系统是风力发电机的重中之重，本文阐述了其结构及液压原理图，在此基础上，重点阐述了液压偏航控制系统如何实现自动偏航、 90度侧风、人工偏航以及自动解缆等功能，该系统采用液压系统作为主控系统，具有较高稳定性、可靠性。而且还能提高风力发电机利用风能的效率和风电机的使用寿命。 关键词 ： 风力发电机 ;偏航 ;液压控制系统 n s in of on of on is to of MW in is of on to 0 as of 目 录 第一章 概述 . 1 能 . 1 内外风电发展概况 . 1 外风电发展 . 2 国风电发展概况 . 3 结 . 3 第二章 风力发电机偏航系统 . 4 航控制系统的功能 . 4 向信号和风机位置对偏航工况的影响 . 5 速的测量 . 6 电机地理位置对偏航设备的影响 . 7 结 . 7 第三章 偏航系统的组成简介及其液压原理图 . 9 航大齿圈 . 9 航侧面轴承 . 9 航驱动装置 . 11 压马达的选取 . 11 航附件装置 . 13 航计数器 . 13 航限位开关 . 13 航刹车盘 . 13 近开关、风速风向仪等 . 13 航系统结构图 . 14 压偏航控制原理图设计 . 14 第四章 风电机偏航控制过程 . 17 航过程分析和算法流程 . 18 动偏航 . 18 0 度侧风 . 19 工偏航 . 21 自动解缆 . 23 章小结 . 25 第五章 总结与展望 . 26 文总结 . 26 望 . 26 参 考 文 献 . 28 致谢 . 29 毕业设计 1 第一章 概述 能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物资础。由于煤、石油等资源的开采利用，人类环境的污染已不容小视，而风力发电机却大大的弥补了排放污染的缺点，风力发电作为一种新兴的无污染的能源，已倍受世界所瞩目。其优点主要是无污染，发电效率高，还有一个就是取之不尽用之不竭 1。因为风是无穷 无尽的，如果能把风能加以利用，那对世界能源发展将会是一个很大的推动。现如今，兆瓦级风力发电机已成为社会风力发电机的主流产品，其偏航设备大多用的是双馈型电气控制，而本文则把偏航系统加以创新与改良，改为了液压系统。相较电气设备，液压系统更稳定，将发电机改为液压马达并取消了变速箱，使偏航设备整体的重量减轻。 能 风力发电现如今是新兴的科技产业。自从人类解除能源危机后，人们的环保意识就大大增强，国内外风电事业发展呈上升曲线，风电机装配数量逐年递增，风力发电产业也日臻成熟。能源对于中国来说非常重要 ，而现如今石油的开采，煤矿的挖掘已渐渐不能满足国内需求，中国不是沙特那样的石油大亨，也不是美帝国那样的金融国家，国内可以发展的煤矿业如今想要控制为时已晚，山西大同是煤矿宝地，现如今基本亏空。所以为了满足我国的能源需求，必须换一种新的方式，开发新型能源制造业，最安全最省力最无污染的当属风力发电。风，来自大自然，既然来自大自然，那么最重要的一点就是取之不尽用之不竭。风是由太阳辐射引起的自然现象，其总量是不容小觑的，虽然太阳能转化为风能的比率很小，但太阳能的总量是非常庞大的，尽管只有 2%2，但其风能的能 源还是很可观的，故我国是具备成批大规模发展风力发电机的条件。 内外风电发展概况 近年来，风电机发展呈迅速递增式发展，每年的产量均比往年高出很多很多，并且始终保持着世界能源发展增长最快的龙头地位。就目前形势来看，国内外风电技术的发展前沿包括：风电机叶轮大小的改变、风电机容量的增大、风电机塔架高度的上升、内部监控与控制技术的日臻完善、直接驱动和混合驱动技术、海上风力发电等。在 19992005年这发展的 7年中，国内外风电装机容量年平均增长率达到 3。单就 2004毕业设计 2 年一年而言，全 球有超过 8233止到 2004年年底，世界风电装机总容量就达到 47620力发电量已经占到世界总电量的 绿色和平组织及欧洲风能协会在近期发表的一份报告中 4，详细的分析了未来世界风力发电的前景，给予了非常大的肯定，所以说，当紧要务就是发展风力发电，这将成为全球性的必不可少的能源力量。 外风电发展 其实风能不是近几年才被开采利用，早在数千年前，人类就已经会利用风能做事情了，比如将风能转化为机械能，其用处大约就是磨面、浇灌之类的用于农业发展 。而现如今风能的利用可不仅仅局限于灌溉了，其主要发展形势是利用风能来发展电能，也就是用风来发电。最早这种想法来着于丹麦的一位科学家，他在 1890 年谋划了一台风电机，这在当时受到很多人追捧，只不过由于制造条件达不到要求，于是在 20年后才研制出了第一批 10风力发电机，大约在 70台左右。一经推出就席卷了全世界，不止美国，连欧洲各国均纷纷效仿，于是不同类型的风电机也都相继问世。 1931年前苏联采用机翼技术研制出一台 100当时可谓是全世界最大的。而这记录仅仅保持了 10年，在十年后即 1941年，美国自主研制的 1250不过由于制造成本太高，机器可行性与可操作性都很低，于是便没有得到重视，这一想法也烟消云散了 5。知道上世纪七十年代左右，世界石油危机的爆发，才另各国重新认识与重视风力发电这一伟大创举。自那以后，世界各国加大力度开发风能，不仅仅是表面功夫，在金钱方面也纷纷出力提供资金的支持，为风电机的发展奠定了良好的基础。在风力发电机制造方面，由于早期前苏联和美国等欧洲国家的研究，其技术较发达，故发展相较其他国家非常迅速，在 2005年欧洲和美国发展的风力发电 制造业就占据了全世界 90%的比例，近十年来，全球的风电机组装容量一直在以25%的比例逐年递增，在 2010年，增长率就达到了 40%，装机总量更是达到了 ，完全没有受到经济危机的影响。 风电成本逐年降低 虽然制造风电机成本不菲，但总体来讲其价格的发展趋势是逐年降低呈负增长的。7这其中的原因不言而喻，当今社会风电机发展速度之快令人咋舌，随之而来的成本降低也是大势所趋，如今风电机技术的改进和当初是无法比拟的，日后风电机会越来越毕业设计 3 便宜，越来越高效率。一方面，风电机组单机容量的增大就会减少很 多建造基础设施的费用，另一方面，相同数量的装机容量而机组数变少，这又减少了很多制造成本。伴随着投资成本的降低和经销商与开发商的经验的日臻丰富，风电机组制造成本也必然会降低。 海上风电悄然兴起 一般来讲风电机的发展是在陆地上而且沿海城市或者郊区最好，因为能给风电机提供充足的风能，然而受地形影响，有时就会出现以下偏航不准确的情况： 1、风向标信号不准确； 2、偏航制动扭转力矩始终达不到机组要求的设定值； 3、偏航系统的阻尼力矩相较标准偏大或偏小； 4、偏航系统的偏航大齿圈与偏航驱动装置的齿轮间隙过大。这其中的第 一点就与地形有关，内陆地区就很容易出现风向不稳定导致风向信号不稳定的发生。然而与陆地不同的海上就有很特殊的地理条件，一方面海上有丰富的风能资源，另一方面海上一望无际，拥有广阔无际的区域，这对于发展风电事业是和广阔平坦的区域一种很热门的方式。这也促使临海风电技术成为近几来专家研究的热门话题。多兆瓦级风电机组在临海风电场的发展运行是风电机组发展的新趋势 4。 国风电发展概况 在我国，能够快速发展风能的地区主要集中在我国东北部和西部地区，还有戈壁沙滩以及东部等沿海城市以及附近临海的岛屿上。这些地 区特点就是这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。另外在中国内陆地区，由于特殊的地理条件，有些地区具有丰富的风能资源，适合发展风电，比如江西省都阳湖地区以及湖北省通山地区。目前我国的风能利用方面与国际水平还有一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。 结 随着世界能源危机逐年的加深，国内外各个国家都在加强风能的开发和利用，特别是我国这种能源消耗异常大的这种，更要积极快速的发展风点事业，尤其是我国能源 耗费相对较大，这样对能源紧张的情况会有所改变。虽然现在我国发展风电事业还处在起步阶段，面临而来的挑战也层出不穷，这需要国家政府的大力扶持才行，目前来讲国家给予的援助对研发的投入使用非常重要的，相信我国风电事业在今后会蒸蒸日上的。 毕业设计 4 第二章 风力发电机偏航系统 航控制系统的功能 N Y N Y 图 2开始 将机舱位置与风向值 相减求出相应 角度差 角度差是否在允许范围内 风 相 差 180 偏航电机正转 将现在机舱位置与上次机 舱位置相减求已转角度 将已转角度和机舱位置与风向值的角度差比较 在允许范围内 记录现在机舱位置 偏航电机反转 毕业设计 5 偏航系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分，其功能主要有两个 :第一是要控制风轮随时跟踪风向的变化；第二是当风电机组出现单方向的持续偏航 ,机舱内的电缆发生缠绕时 ,能够自动解除电缆缠绕。 风向信号 + - 风轮方向 图 2航基本原理框图 偏航系统的基本 原理框图如图所示 工作原理为：通过风向传感器将风向的变化情况通过电信号传递到液压偏航系统的控制回路中，判断后决定偏航方向和偏航角度，最终达到对风目的。为了减少偏航带来的扭转力矩，将选用液压马达作为动力系统，这样就会减少变速箱设备，从而减轻设备重量，减轻负载。当对风结束后，风向传感器无电信号传递，电机停止工作，结束偏航。 风向信号作为液压偏航控制系统中的输入信号，信号准确与否是会影响整个液压偏航控制系统的。风是矢量，既有大小，又有方向，对风的主要研究就是风速和 风向 8。 风向标一般是由旋转主轴、平衡锤、指向杆、以及尾翼四部分组成的首尾不对称的平衡装置。其重心在风向标支撑轴的轴心上，整个风向标都可以绕垂直轴自由摇摆。在矢量风的作用下，风向标会平衡来向的一个平衡位置，这就是风向的来源。 控制器 放大器 偏航机构 风力发电机 偏航计数 检测装置 毕业设计 6 风向一般用 16 个方位表示，即东 (E)、东北 (东东北 (东东南 (东南 (南 (S)、南东南 (南西南 (西 (W)、西南 (西西南 (西西北 ( 西北 (北 (N)、北东北（ 北西北 (静风记做 C。 风向也能够用角度来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转，东风为 90南风为 180西风为 270北风为 360 速的测量 风速是单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。风速的测量有使用散热式风速计、旋转式风速计和超声波风速计，但是使用普遍大众化的是旋转式风速计 9。 （ 1）旋转式风速计 旋转式风速计的是一个感应部件固定在转轴上风速计，常用的有螺旋叶片、风速杯和平板叶片三种类型 9。 测量风速使用最 多的传感器就是风速杯，风速杯的最大优点是它与风向来源无关。风速杯旋转轴始终能够垂直于风的来向，平板叶片和螺旋叶片旋转轴与风的来向平行。 风速杯一般由 3至 4个抛物锥形或半球形的空心杯壳组成。风速杯的组成有两种方式，分别是互成 120度角的三叉形和互成 90角的十字架形，杯的凹面同向，风速杯横臂架垂直固定在可旋转的垂直轴上。 由于风速杯的凸凹二面所受风压力不等，在风速杯受到来自风的扭转力作用时就会顺从风向旋转，风速杯风速与转速之间存在某种关系。由实验结论可得出 A=2 （ 2 V=B+M (2式中： 与风杯的结构和大小有关； 风速相等，s； C/A 104 ，表 明风速与风杯并没有线性关系。 （ 2）风杯风速记录 风速记录实现方式是通过信号的转换方法。它的原理是风速杯带动旋转轴上的圆盘旋转时，经过不连续的等距的孔，这样就可以形成光脉冲信号，光脉冲信号经过光电半导体元件后，将接收到的光脉冲信号放大，转变成电脉冲信号输出，就这样每一次光脉毕业设计 7 冲转变的电脉冲信号就可以表示一定的风的行程。 图 2速杯 电机地理位置对偏航设备的影响 影响风力发电机偏航控制系统的因素除了风向信号这一因素外，还会有其他不确定的因素， 这些不确定因素归根结底就是风力发电机地理位置的情况 10。 如低洼地区有大山阻挡，风进不来，风的主气流为绕流成分，对风向的变化极为敏感，不易进行精确偏航。反之，若在大风情况下偏航，叶轮在旋转中自身产生回位扭转力矩，该扭转力矩是由于风轮扭转后偏于塔架中心造成的，这样的回位扭转力矩特别容易对偏航系统造成冲击，其后果就是会导致主轴扭断 11。 结 毕业设计 8 本章对风力机偏航系统的基本功能和原理做了详细介绍。风向信号作为偏航系统的一个关键的输入信号，对偏航系统的运行工况，有着非常重要的作用，本章节针对测风装置展开 了较为详尽的阐述，介绍了风速仪和风向传感器的工作原理。同时针对影响偏航系统的另一个不确定因素 风电机的机位做出了分析，举例大风条件和大山条件风电机的偏航会受何种影响并做简单阐述，指出了偏航系统实际运行工况所遇到的复杂情况，给出了设计偏航系统时应该注意的不确定因素有哪些，具有一定的研究价值和现实意义。 毕业设计 9 第三章 偏航系统的组成简介及其液压原理图 航大齿圈 位于偏航电机下方的与小齿轮啮合的一个巨大的齿轮，大齿圈是通过 88 个螺栓紧固在塔筒法兰上面的，即是说大 齿圈是不可能旋转的，那么只能够是小齿轮围绕着大齿圈旋转带动主机架旋转，直到机舱位置与风向仪测得的风向相同。 图 3航侧面轴承 侧面轴承是一个呈弧状的阶梯块，共有 6块，每块都有 5 个 105 的沉孔分布于圆弧之上，用于放置定位销、圆形弹簧和压板，每个孔的底部均有 于安装调整螺栓，因为下滑动衬垫是粘合在压板上的，所以调整螺栓的旋入深度就可以调整滑动衬垫与大齿圈之间的紧密程度，从而得到最佳阻尼。当机舱需要偏航时，侧面轴承就会带动滑动衬垫随机架共同旋转 12。 风力 发电机所用偏航轴承为四点接触球转盘轴承，是一种分离型轴承， 当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和套圈呈现为四点接触 ，这就是其名字由来。四点球接触轴承适用于高速旋转的场合。 关于轴承的选用，查阅相关资料后，最终选用 型号为 材质为 42轴承， 是预硬塑料模具钢，具有良好的可加工性和耐磨损性，加工变形微小 。齿轮模数为 20，齿数为 128。分度圆直径： d=0560径：毕业设计 10 dz=m(z+2)=20(128+2)=2600径： 560540量： 1930度：h=0/z)=256 图 3航齿圈侧面轴承 图 3航机构 毕业设计 11 航驱动装置 小齿轮是与大齿圈相啮合的，与偏航液压马达、联轴器统一称为偏航驱动装置，是通过联轴器与偏航齿圈连接在一起的，联轴器外有一支架，把偏航马达和齿圈架起，联轴器只负责旋转，不至于承受很大的力，从而保护了设备。偏航驱动装置共有 4 组，每一个偏航驱动装置与主机架连接处的圆柱表面都是偏心的，以达到通过旋转整个驱动装置调整小齿轮与大齿圈啮合 侧隙的目的 压马达的选取 液压马达习惯上是指输出旋转运动的，将 液压泵 提供的液压能转变为机械能的能量转换装置 13。 具有结构紧凑、轮廓尺寸较小、噪声低、寿命长等优点，其惯性比 柱塞马达 小、但抗污染能力比齿轮马达差、且转速不能太高、一般在 200r/下工作。叶片马达由 于泄漏较大，故负载变化或低速时不稳定 14。 图 3片式马达 轴向柱塞马达的工作原理为，配油盘和斜盘固定不动，马达轴与缸体相连接一起旋转。当压力油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时，柱塞在压力油作用下外伸，紧贴斜盘斜盘对柱塞产生一个法向反力 F，此力可分解为轴向分力 y。 改变马达压力油输入方向，则马达轴按顺时针方向旋转。斜盘倾角的改变、即排量的变化，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向。斜盘倾角越大，产生转矩越 大，转速越低 14。 毕业设计 12 图 3向柱塞式马达 径向柱塞式液压马达工作原理，当压力油经固定的配油轴 4的窗口进入缸体内柱塞的底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子的内壁，由于定子与缸体存在一偏心距。在柱塞与定子接触处，定子对柱塞的 反作用力 为 。力可分解为和 两个分力。当作用在柱塞底部的油液压力为 F，柱塞直径为 D，力和之间的夹角为时，力对缸体产生一转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。低速液压马达通常是径向柱塞式结构，为了获得低速和大转矩，采用高压和大排量，但它的体积和转动惯量很大，不能用于反应灵敏和频繁换向的场合。 低速液压马达的主要特点是：排量大，体积大，转速低，可以直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大大简化，低速液压马达的输出扭矩较大，可达几千到几万 此又称为低速大扭矩液压马达 14。 根据以上匹配选型 可以判断适合风力发电机液压偏航系统的就是第三种径向柱塞式马达 。 图 3向柱塞式马达 毕业设计 13 航附件装置 航计数器 偏航计数器的是用来记录液压偏航系统转的圈数，当液压偏航系统所转的圈数达到计数器设定值，系统则触发自动解缆，风电机进行自动解缆并恢复至初始位置。偏航计数器的设定原则是要小于电缆所能承受旋转的最大角度。 图 3航结构俯视图 航限位开关 限位开关是作为极限位置开关使用的，当机舱继续旋转达到 720 度时，限位开关被触发而使得风电机组快速停机。 航刹车盘 当偏航过程结束时，偏航 刹车盘会抱死轴承，使其固定，完成偏航对风。 近开关、风速风向仪等 接近开关是 一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号 15。 机舱是可以顺时针旋转也可以逆时针旋转的，在偏航过程中，机舱不能总是朝向一个方向旋转，因为机舱底部大齿圈内部布置着多根电缆，机舱旋转电缆也就跟着扭转，所以为了防止电缆扭转破坏特地控制机舱同一方向旋转圈数不得超过 720 度（从 0度开始， 0度为安装风电机组时确定的位置）。这种控制方法 就是靠偏航接近开关和限位开关毕业设计 14 来实现的，接近开关一左一右共两个，负责记录机舱位置，当机舱达到 720度或 720度时发出信号，控制系统控制偏航电机反向旋转解缆。 风速风向仪的功能是采集风向，测量风速。 航系统结构图 图 3航系统结构图 压偏航控制原理图设计 根据风速风向仪的信号，风电机对准风向时需将风力机底盘与塔架固定锁紧，阻尼力矩需要在对风过程中被提供。为达到此目的，采用液压控制， 偏航液压系统成本低、结构简单， 风力发电机正常运转时，偏航闸靠弹簧力使其处于锁紧状态 ，此时液压系统则不向偏航液压缸提供压力。 毕业设计 15 图 3航系统液压原理图 如图所示，该模块包括液压动力单元 1000和偏航单元 2000。 液压动力单元 1包括双联内啮合泵 1001、顺序阀 流阀 流阀 位四通换向电磁阀 滤器 向阀 向阀 及单向阀 位四通换向电磁阀 中双联内啮合泵 1001生产两条油路，一条为主油路 P、一条为副油路 序阀 1上与双联内啮合泵 1001连接，与溢流阀 过滤器3是一个压力阀，起到对副油路 副油路 流阀 旦副油路 流阀便会自动打开，将过多的油液经过滤器 001中。二位二通换向电磁阀 次阀处于常态时，副油路 001，当二位二通换向电磁阀 4同时得电偏航马达刹车松开，偏航马达才能旋转。 主油路 ，另一端依次经并联的单向阀 2、单向阀 电磁阀 位四通换向阀 流阀 2之间有一条支路，经过滤器 001。过滤器 001泵出的油进行过滤，可以保证主油路 果过滤器 联内啮合泵 1001泵出的油从单向阀 流阀 到对主油路的限压作用。当主油路 2是关闭的，一旦毕业设计 16 主油路 流阀 过多的油液经过滤器 001中。二位四通换向电磁阀 于油路切换，在平常情况下，第一接口和第二接口连通，第一接口和第四接口不通，在得电情况下，第一接口和第四接口连通，第一接口和第二接口不通。偏航单元包括三个偏航马达 2001、三个偏航马达刹车 2002、六个偏航刹车 2003， 9，溢流阀 序阀 中，三个偏航马达刹车并联后与溢流阀 失油条件下将三个偏航马达刹住，当再要启动偏航马达 2001时，副油路 1给偏航马达刹车 2002注油，使偏航马达刹车 2002松开，释放偏航马达 2001。在偏航马达 刹车和顺序阀 5，其作用是在偏航马达不工作时给偏航马达刹车泄压，使偏航马达刹车 2002回复到刹紧偏航马达 2001的状态。 9具有四个接口，其中第一接口连接溢流阀 5第四接口，第二接口连接单向阀 向油箱 1001，三个偏航马达并联后连接在 9的第三第四接口之间。该 9在不需要偏航马达工作的时候， 二位四通换向电磁阀 型换向电磁阀 二接口流进油箱中，不会驱动偏航马达 2001；当 向电磁阀 二接口和第四接口会贯通，从二位四通换向电磁阀 型换向电磁阀 三接口偏航马达 2001、第四接口、第二接口流入油箱中，驱动偏航马达 2001正向转动；当9的 向电磁阀 三接口和第二接口会贯通，从二位四通换向电磁阀 型换向电磁阀航马达 2001、第三接口、 第二接口流入油箱中，驱动偏航马达反向旋转。此液压系统就是这样实现偏航马达的正、反向转动，从而控制风电机的转向。 为了对流进液压马达 2001的油进行限压，溢流阀 型换向电磁阀 一端并联溢流阀 流进液压马达的油压超过设定值，多余的油液会经由溢流阀 毕业设计 17 开始 第四章 风电机偏航控制过程 根据风电机的偏航功能，大致分为几个模块：自动偏航、 90度侧风、人工偏航以及自动解缆。其主程序流程图如图 4 N N N N Y Y Y Y 图 4程序流程图 定时扫描程序 90 度侧风 自动解缆 人工偏航 自动偏航 执行 90 度侧风程序 执 行 自 动解缆程序 执行人工偏航程序 执行自动偏航程序 毕业设计 18 航过程分析和算法流程 动偏航 自动偏航是指风电机能够根据风向与机舱的夹角 ,自动调节机舱位置 ,以确保叶片能够准确垂直风向 ,确保风电机吸收风能的功率为最大。 因此必须使叶片法线方向与风向基本相同。当风向改变，超过 允许误差范围时，自动偏航指令将由系统计算机发出，偏航电机和传感器组成的对风系统校正动作将会执行，以确保机舱能够准确对风。 设风向标测得的偏航误差角为 a。机舱偏航角度和为 b，设偏航的容许误差为 c(一般 15左右 )，机舱顺时针方向调向时为正，逆时针为负，当风向标测得的角度 a 向调向 a。当 a+向调整 360+a。 毕业设计 19 Y N Y N Y N Y N Y Y N 图 4动偏航流程 0 度侧风 90度侧风是在外界环境对风电机组有较大影响的情况下 (如突然出现超强风 )，为保证风电机组能够安全所实施的措施，故在 90 度侧风时，应当使机舱走最短路径，自动偏航指令将被屏蔽。在侧风指令结束后偏 航闸应当被抱紧，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，以确保风电机组的安全。 对于 90侧风，容许误差仍取 c。 90侧风的操作流程为 :当风向标测得的角度开始 检测风向信号 a ac c a90 90 a180 a 180 a向偏航 b a d 负向 偏航 360 a 正向偏航 a 负向偏航 a b a d 负向偏航 a 正向偏航 360 a 毕业设计 20 0a90向调整 90 90a 90+操作； 90+ca 180，负向调整 风向标测得的角度 a0，负向调整 90+a；当 a 操作 ;当a向调整 Y N Y N Y N Y N Y 图 40度侧风流程图 开始 90 ca90 c 或 c90a 90 c 0a 90 c 90 c a180 c 90 a 0 90 c a 180 结束 正向调整 90 a 负向调整 a 90 负向调整 90 a 正向调整 90 a 毕业设计 21 工偏航 人工偏航是指在自动偏航失效和需要人工解缆亦或是在需要维修的时候，通过人工指令来对风电机进行偏航 操纵。 人工偏航过程如下：首先检查人工偏航启停信号，观察是否进行人工偏航。若此时有人工偏航信号，再检查此时是否正在进行偏航操作，若无，停止自动偏航指令，使其停止工作。然后读取人工偏航的方向信号，判断与上次偏航方向是否一致，若一致，松开偏航闸，使其正常运转；若不一致，则立即停止偏航电机，保持偏航闸为松闸状态，向相反方向进行反转并记录转向，直到出现相应的人工偏航停止信号的出现，抱闸，清除人工偏航标志 。 毕业设计 22 N Y N N Y N Y 图 4工偏航流程图 开始 人工偏航 正在进行偏航么？ 清除自动偏航标志 与上次偏航 方向一致？ 继续偏航操作 人工偏航停止？ 停止偏航电机工作，抱闸 清除人工偏航标志 结束 屏蔽自动偏航 停止偏航电机工作 偏 航 电 机 反转，记录转向 毕业设计 23 动解缆 由于自然风不定向以及随机性，风机的偏航方向也是不确定的。如风电机长时间持续向同一方向转动，就有可能造成电缆缠绕，缠绕过多甚至会绞断。因此自动解缆装置成为了风力发电机偏航系统的一个重要 部分。当风机达到其自身规定的解缆角度时，偏航系统就会进行自动解缆，此时风电机会立即刹车停机，然后启动偏航电机驱动机舱反向旋转 ,则会返回最初机舱无电缆缠绕位置。如果出现故障而自动解缆指令并未起到解缆作用，风电机也设置了一个极值角度 ,当电缆纽转达到这个极值角度时，纽缆保护器被触发，刹车停机，纽缆故障报告，等待进行人工解缆。纽缆保护器能在偏航系统失效情况下保护风电机电缆以防止过度缠绕。为了加大保险系数，纽缆保护器控制系统一般和偏航系统分开运转。 当限位开关被触发时，偏航系统会根据限位开关发出的信息来判断 是进行顺时针解缆还是进行逆时针解缆。设限位开关在许可范围内时输出信号 O；正向时输出信号为 1；负向时输出信号为 系统检测到限位开关的输出信号为 1时，负向驱动机舱旋转进行解缆；当系统检测到限位开关的输出信号为 向驱动机舱旋转进行解缆。当自动解缆进行时，通常会同时检测接近开关的信号，直到接近开关记录的机舱偏航角度在某限定范围内时，解缆结束；此时偏航电机停止工作，系统处于待机状态，接近开关向中心控制器发出自动解缆完成信号，解缆结束。 设限位开关信号为 近开关记录角度值为 毕业设计 24 N N Y Y N N Y Y 图 4动解缆流程图 开始 检测限位开关信号 S=1 屏蔽自动偏航 负向