浅谈机电一体化中的风力发电偏航电机控制与保护.docx

浅谈机电一体化中的风力发电偏航电机控制与保护 【摘要】本文先从机电一体化的基本概念展开，再阐述执行单元关键部件即偏航电机的变频控制与保护方法优点，提出电机故障排除与维护方法。 【关键词】机电一体化；风电偏航电机；电机变频控制保护；电机故障排除与维修 一、机电一体化的基本论述 （一）机电一体化的发展状况及现状趋势 1所谓的机电一体化（Mechatronics）一词最早（20世纪70年代）起源于日本，它由英语单词机械学和电子学拼成，它自成体系，是一门快速发展的技术领域及学科。 2前期数控车床、可编程控制器问世开创了机电一体化的新篇章。后期大规模集成电路、DSP及PLC等电子技术与传统机械工业深入结合，并综合自动控制理论、信息数据处理技术、传感测试技术等功能使机电一体化跃上新台阶。 3数字现场人机智能化、人机一体化、软硬集成化、光机电一体化、等成为机电一体化发展的趋势。 （二）机电一体化中执行机构的硬件设计及电机控制原理 现阶段机电一体化的控制技术主要分为控制以及执行驱动两个部分。机电一体化的控制部分是由控制器、报警电路、输出输入通道等构成，而执行驱动的部分是由位置传感器以及各类驱动电机等构成。 1.在生产过程控制中，执行机构含电动机起着十分重要的作用，它是自动控制系统中不可缺少的组成部分。 2.执行机构的全程运行速度取决于其电机的输出轴转速和其内部减速齿轮的减速比，其通用性较弱，整个机构缺乏完善的保护和故障诊断措施以及必要的通信手段。 3.笔者下文介绍的偏航系统执行机构中，利用弱电控制强电，控制器控制变频器驱动偏航电机带动减速机构转动、偏航计数给控制器偏差信号，控制器自动纠正机舱角度。 二、偏航控制系统功能和电机控制原理 偏航系统也称对风装置，是用来调整风塔与空气流动方向相对位置的机构。此文针对的偏航系统属于主动偏航齿轮驱动形式。 （一） 偏航系统的功能 1、 正常运行时的自动对风。 2、 绕缆时的解缆保护。 3、 失速保护时卸载保护。 （二） 偏航系统的电机控制原理 通过风传感器检测风向，并将检测到的风向信号送到控制器（如PLC等）中，控制器计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。 1、 传统典型的偏航系统框图如下： 2、 偏航机构中的电机采用接触器正反转控制（约占市场一半） 此电路具有过流保护、短路保护、过热保护、正反转机构联锁保护等功能。 优点：原理简单，成本低。 缺点：电路复杂、保护功能较少，起动、制动冲击大，起动电流大，无法准确调速。 3、 偏航机构中的电机采用变频驱动方式（约占市场一半）： 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 n = 60f/p （n： 同步速度 f： 电源频率 p： 电机极对数） 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 优点：保护功能非常完善，电路简单、起动、制动冲击小，起动电流小，具有与外界通信功能，随时获得并监控电机电流、转速等运行参数、可以准确调速。外加制动电阻，采用减速停车方式，可以对风叶转动较快进行减速，能通过故障代码快速判断故障原因。 缺点：成本较高、对使用维护人员水平要求较高。 三、电机保护及维护 电机设备容易出现故障的地方大部分都在电机的控制保护装备中，控制方式、启动方式、电压、超载等因素的实际影响使得机器设备的寿命缩短。 （一）电机起动前准备 1、新安装或停用三个月以上的电动机，起动前必须检查它的绝缘电阻，其值不应低于0.5M，否则应对定子绕组进行干燥处理。 2、电动机接地与变频器接地分开，切实可靠。 3、电机与机械负载安装是否良好。 4、按照变频器说明书，对变频器和电机接线进行检查，先不接电机，对变频器各项参数逐一设定、调整，确认无误后，再连接电机。 （二）通电起动、参数调试 （三）电动机的维护修理 随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量在广范围内变化，因而与电机各部分及机械负载的谐波现象增加，在调速到与系统谐振频率相一致的点时，机械系统将有大的振动或噪声，产生这种现象时，可采用增加系统刚度的方法来避免谐振，也可以利用变频器的频率跳动功能，使与谐振点相当的输出频率向上或向下跳变，避开谐振频率，实现平滑运转。 （四）一般故障及排除方法 1、变频器的前段电源、输入信号（参考变频器的使用手册进行处理） 2、变频器本体（参考变频器