（电工理论与新技术专业论文）基于sercos的电动变浆距位置伺服控制系统.pdf

基ts e r c o s 电动变桨距位置伺服控制系统 b a s e do ns e r c o se l e c t r i cp i t c hs e os y s t e mo fp o s i t i o nc o n t r o l a b s t t a c t t h ee n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n ta r et h eu r g e n tp r o b l e mw h i c hn o wt h eh u m a ns u r v i v a l a n dt h ed e v e l o p m e n tm u s ts o l v e n o wv a r i o u sc o u n t r i e sh a v ea t t a c h e di m p o r t a n tt of u l lu s eo f w i n de n e r g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e so fw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rh a v er a p i d l yd e v e l o p e d b e c h a n g e di n t ot h ep i t c ht h a ts y s t e mi sa l r e a d yr e g a r d e dh i g h l yb ye v e r y b o d ya m o n gt h e m ， e s p e c i a l l ye l e c t r i cp i t c hs e r v oc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g y t h es y s t e ms t r u c t u r eh a v i n g b r o u g h tf o r w a r de l e c t r i cp i t c hs e r v os y s t e m ，h a ss t r u c t u r e dt h em a i nb o d yo ft h a tb a s e do n s e r c o si sc h a n g e di n t op i t c hs e r v oc o n t r o ls y s t e ms o f ta n dh a r d w a r ee x p e r i m e n tp l a t f o r m b a s i c a l l y ，i th a sr e a l i z e dr e a l t i m ec o n t r o ls e r v os y s t e mf u n c t i o na n dc o m p a r a t i v e l ys a t i s f i e d c o n t r o l l i n ge f f e c t t h ew i n dt u r b i n eh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot w ok i n do fp i t c hr e a l i z i n gw a y ：h y d r o m a n t i c p i t c ha n de l e c t r i cd r i v e i tp r i o r i t yh a sb e e na n a l y z e de l e c t r i cp i t c hs e r v os y s t e ma n ds e r v o m o t o r p r o c e e dt oh a v eb u i l tt h es i m u l a t e ds e r v os y s t e mm o d e lt a k i n gt h r e e - p h a s ep e r m a n e n t m a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o ra ss e r v om o t o ro w i n gt om a t l a b s i m u l i n k i th a sb e e nt h e a n a l y s i sh a v i n gd i s c u s s e dt h a tt h ev e c t o rc o n t r o lm o d ei ss e r v om o t o ru n d e rt h ec o n t r o lo f t a c t i c sa n di np r o g r e s st ow h o s es i m u l a t e dr e s u l t s p e c i f i c a l l y f o rt h r e e - p h a s ep e r m a n e n t m a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm o t o rf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h ef i n a lt h e o r yf e a s i b i l i t yf o re l e c t r i cp i t c hs e r v os y s t e m , b ec h a n g e di n t op i t c hs e r v o c o n t r o ls y s t e mc o m b i n i n gw i t he l e c t r i cg e t t i n gu p ，b u i l d i n gb a s e do ns e r c o so p e nd i g i t a l c o n t r o ls y s t e ma n de l e c t r i cp i t c ht h a ts e r v os y s t e mi so r g a n i c i nt h i s p a p e r ，s o f t w a r ei s p r o g r a m m e dw i t hv ci nw i n d o w se m b e d d e dr t x s h a r e dm e m o r yi sc r e a t e df o r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w op r o c e s s ，m u l t i t h r e a di sc r e a t e df o rm u l t i t a s k i nt h es e r v os y s t e m c l o s e dc y c l en o l o a de x p e r i m e n t ，i th a sb e e nc a r r i e do u ta n a l y s i so ne x p e r i m e n tr e s u l t s o r e s u l ti n d i c a t e ss y s t e mr e s p o n dt ot h es e r v oc o n t r o l sq u i c k l ya n dh a sf i n ed y n a m i cr e a l t i m e i th a sv e r i f i e ds y s t e md e s i g np l a nf e a s i b i l i t ya n de s t a b l i s h e sab a s i sf o rt os t u d y i n gf u r t h e r i i 沈刚i ：业人学硕十学位论文 k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，s e r c o s ，e l e c t r i cp i t c h ，v e c t o r c o n t r o l ，s e r v oc o n t r o l 独创性说盟 本人郑重声赐：掰呈交的论文是我个人在导娜指导下进行的研究工 佟及取褥盼研究成栗。尽我所船，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人融经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工 乍熬目志对本研究所擞髓任何贡熬均已在论文中徽了臻确麴说骥著表 示了谢意。 签名：榭蠢麓：垄丑曼兰兰 关于论文使用授权的说明 本入完全了解沈阳工鼗大学寄关僳警、经矮攀位论文酶舰定，瑟： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部绒部分内容，可以采用影印、缩印戏其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密聪_ 应遵循此规定) 签名：麴导师签名：目期：二。夕。圣2 2 - 沈阳l ：业人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 随着科学技术的发展，世界性能源危机的同趋严重以及环境保护意识的不断加强， 开发新的可再生能源迫在眉睫。风能是一种用之不竭、清洁的可再生能源，在众多开发 的可再生能源中很具有潜力。世界上很多国家，尤其是发达国家，已充分认识到风电在 调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视。很多国 家都在相继开发变速恒频风电机组。中、大型变速恒频风电机组正逐步的占领着风电机 组市场。开发和研制兆瓦级变速恒频风电机组是我国发展风电技术的当务之急l l 】。 近年来世界风力发电发展十分迅速，每年其容量以3 0 的速度递增。1 9 9 8 年世界风 力发电装机容量为9 8 3 9 m w ，比1 9 9 7 年增加了2 9 6 。1 9 9 9 年4 月世界风力发电装机容 量已突破了1 0 0 0 0 m w 。目前世界市场上风电机主要的调节技术有：定桨距调节风电机技 术，变桨距调节风电机技术，主动定桨距调节技术，变速恒频四种。由于陆上风电机受 运输、安装等条件限制，单机容量2 m w 是风电机发展的极限，这主要是因为风电机容量 达到2 m w 后，桨叶长度将达6 0 - 7 0 m ，陆上运输极为困难，安装用的吊车容量将超过 1 2 0 0 1 4 0 0 t 。这种容量的吊车，除了在欧美等发达地区外，其余地区基本没有。同时， 在西欧等发达地区，人口较稠密，安装风电机的地点受到较大限制，人们将大力发展海 上风电场。目前，我国仅掌握定桨距失速调节型风电机技术，这类风电机的容量可以扩 大到7 5 0 k w ，另外三种技术均没有涉及。我国风电机技术开发仍处于较低水平1 2 j 。 目前世界市场上风电机主要的调节技术： 定桨距调节风电机技术( s t a l lr e g u l a r i o n ) 这种技术就是所谓的典型丹麦风电技术的核心，其基本原理是利用桨叶翼型本身的 失速特性。其优点是：调节简单可靠，控制也可大大简化；其缺点为：桨叶、轮毂、塔 架等主要受力部件的受力增大。 现在国际上6 0 0 k w 以上的机组，大部分仍在使用该项技术，如m f g m i c o n 、b o n u s 、 n o r d e x 等著名厂商都采用该项技术。 变桨距调节风电机技术( p i t c hr e g u l a t i o n ) 基下s e r c o s 电动褒桨距位置伺服控制系统 主要代表为v e s t a s 。蜜桨距调节的主要优点为：浆叶受力较小，桨叶可以擞得比较 轻巧，风电机的结构部件都可以做得比较轻巧。其缺点为：结构复杂。 主动定浆艇谖节技术( a c t i v es t a l lr e g u l a t i o n ) 这种调节方法是前述二种方法的缀合。目前，国际上几大风电机制造商，如 m f g m i c o n 、b o n u s 等，在大予6 0 0 k w 风电机上均采用此种技术。这种调节方法的主要好 戆是：具存定桨距谨节方法懿特性，稳嶷功率变化较，j 、瓞轮乎稳。 变速恒频( v a r i a b l es p e e d ) 这种调节方式从理论上蜕是最优化的凋节方式。目酊使用这种技术的制造商主要是 德遮静e n e r c o n 、荧兰懿l a r g e w a y 。 这种调节方法可以在输出功率低子额定功率之前使效率达到毁商。但当输出功率大 于额定功率，即风速大于额定风速后，冀调节方式与变桨距方式相同。恒频装置价格昂 赛，是这穆技术只在德国大鬃霞疆，嚣焚它謦家缀少泶矮懿爨因。 本课题来源于国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划后续研究，我豳是世界上风力资源 较为丰富的国家之一，为开发风力发电事业提供了基础环境和条件。在引进国外机组建 立飕龟场懿弱辩，垂产强力笈毫凝篷戆磺究秀发龟取德了一定懿袋黎。一些关键技术的 解决，为我国大型风力发电机组的国产化奠定了基础。本课题所要研究的是为我围国产 化电动变距型风力发电机组提供理论依据和重要参考，具有重要的现实意义。 2 匡内矮鹾究援沉 现代风力发电机技术筒临的挑战主受在于如何进一步提高效率、增加强度、降低成 本这三方面。随着风力机的单机容量的不断增大，变浆距调速方式和变速恒频) 技术， 嚣其在额定城速下箍鬟高擒获减戆效率，获得最佳麓爨输盘，因瑟变速恒频交浆鞭塑飙 力机逐渐占掘了j x l 力发电机的主导地位【3 j 。 1 2 1 国外研究的方向与发展 越器上镶多蓬家，茏其楚发运甾家，已充分试谚 蠲强力发电在调整麓源缮稳、缓解 环境污染等方两的重要性，对风电的丌发给予了高度煎视。 1 9 9 8 年全世器服电总裟桃容量为9 8 4 万k w 。2 0 0 0 年已增加到1 7 5 0 万r w ，2 0 0 1 年 缱器风力发电装税容量弱增长率达至3 9 ，聪力发电黢电量己达2 4 0 0 万k w 。2 0 0 3 年全 沈研1 丁业火学硕扣学位论文 球薪增_ f ；f l 电装视量约7 9 8 万k 并，全世赛风电装祝容量累计约3 9 1 5 万k w ，1 9 9 8 - 2 0 0 3 这 5 年的平均增长率超过3 0 。作为无污染的可褥生能源，风能具有极大的开发价值，风 力发憩嚣景广阔。攥鸯关部门预测，到2 0 1 0 年全世界总装砉嚏容量会超越1 4 钇千瓦。 预计2 0 2 0 年的世界飙力发电量将蠢全世界总缎电量的1 0 t 铂。从世界各阐的风电发展情 况来看，德国目前风力发电装机容量居世界首位，以下依次是美国、西班牙、丹麦和印 疫。 近年来，风力发电事业在避界各国迅猛发展，特别在淀灌环保的欧洲国家，雷家辩 风力发电实施优惠政策，倍加鼓励，发展很快，发展规划也不断修改，步伐加大。比如 欧溯1 9 9 7 年重薪制订豹远嬲发鼹娥划裁比蹶柬1 9 9 1 年静调了一蚕。在欢灏过去l o 年 问，风力发电机组总装机容量增加了l o 倍，风力发电成本下降了6 0 ，北欧些国家风 能发电西占到总发电量的5 9 一1 0 。风力发电肖效地改善了这些国家的电力结构，减少 了大气污染，对傈爹我韶共霾豹生存家霆起裂了重要豹终惩骚- 7 1 。 欧洲风力发电最发达的国家怒丹麦、德国与荷兰。丹受1 9 9 9 年的风电装机容量为 1 7 3 0 m w ，风电量己占到全国总发电量的3 ，目前还有5 个1 5 万k w 的风电场在建，到 2 0 3 0 年诗娥飒毫羹达到本鋈总惫黧瓣4 0 。德溪1 9 9 4 年簸宠残了2 5 0 m w 诗翅，强力发 电增长迅速。1 9 9 8 颦风电设施共有1 0 1 0 套并嘲发电，总功率为7 9 3 4 6 m w ，累计装机融 达3 0 0 0 m w ，风电产懋达到4 5 亿k w h ，比1 9 9 7 年增长了5 0 ，风电占全圈电力生产量的 l 篱，著京1 9 9 9 年授产了强毫辍鳃1 5 0 e 瓣，全鬻飒邀慧装凝聚器 运到4 4 4 0 勰 ，蕊电曩 己占到全国总电量的1 5 。荷兰矗建成风电3 2 9 m # 。英国从环境上考虑，也拟引进大澎 风力发电机计划，融建成3 2 8 m w 的风力发电场，到2 0 0 2 年计划达到9 7 8 洲的总装机容 量，霹这到全国毫力溪费豹3 舄。囊子欧溅翡主蟪少，兔提怒建夔弱矮鬻，各鋈正在麸 事更大功率的风力发电机的研制垮引进工作。海上风车田也进入实际应用阶段。 在美洲，美国的风力发电规模较大。1 9 9 7 年末，总装机容量达到1 6 1 1 m w 。美国的 麓力发溅场大露集中建在嚣海簿豹凌裁疆足妥缝送。8 0 年代拐袭，菇力笈奄褪古主滚貔 是1 0 0 k w 以下的小型机，目前3 0 0 - 5 0 0 k w 的发电机己成为矾力发电机的主流。建场地区 己由过去集中于加州逐步向外扩展，美国中、飚部地区也拟出了建设风电场的计划。目 嚣美鞫弧力发毫总豢基这1 7 0 0 f w 。虱2 0 0 2 零，诗矮装辊容蕊达委2 8 8 6 m w 。 基丁s e r c o s 电动变桨距能鬣伺服控制系统 握美幽能源勰称，2 0 1 0 年风电至少能达到国内电力消耗量躲l 溅。返卡车，美强在 大型风轮机的生产方面投资年均增长率达2 2 ，1 9 9 7 年共投资7 5 亿美元，m 电成本的 舀称是4 美分k w 。 匪测一些国家也在大力嚣发j 箴力发电。摄露度非常援能源部对爨瘦2 5 令菸戆谖壹， 印度的风力资源估计为2 万m w 。印度的风电事业发展较快，8 0 年代后期开始建大型风 电场。到1 9 9 5 年，总装机容量已达6 0 1 m w ，1 9 9 6 年拥有风力泵3 1 5 8 台，风电场功率为 7 3 3 娥，1 9 9 7 年木达裂9 4 0 女w ，诗型2 0 0 2 年慧装凝容量达到t 9 4 0 瓣。i = t 本建残懿城力 发电场规模不大，1 9 9 7 年来为2 9 m w 。1 9 9 9 年投资4 5 亿同元，在北海道安装2 0 台1 0 0 0 k w 风轮机，建成开本最大的风电场。计划在未来几年里投资额将达到1 0 0 0 亿闩元，便风 逛达到全髫电力憨瀵耗爨麴7 以上1 8 i 。 1 2 2 国内研究的方向姆发展 我国题一个风力资源非常丰富的国家，全国约有2 3 的地带为多飙带。风能总储量 戈3 2 2 6 钇k 鬻，实际可开发豹域麓键羹为2 5 3 亿k 撵。城篷是我謦磊最有开发程蹋静 景的一种巍能源。圜家经贸委、国家科技部陆续颁布了支持风电发展的举措与优惠政策， 使我国近年来风电事业得到飞速发展。但由于我们园家超步较晚，目i i 已投运的风电机 经绝夫多数为迸掰，这不但受戮成本、运输、售静侮磊等方瑶i 酌裁约，丽且觚穰本上说， 也不利于我国风电产业的形成翻发展，因此因产化风电机组的开发与生产已经成为中国 工业的历史使命。 我国；斌力发魄姨2 0 氆纪8 0 年代开始越步，翻2 0 0 1 年底全函桑计飙电装枫憨容量 达到4 0 万k w 左右，风 毽场发展到2 6 个。其中达坂城风魄场累计安装风力发瞧机组1 7 2 台，装机容量达到9 2 万k w ；南澳风电场安装风力发电机组近两台，袈机容鬃达到4 8 万k w ；内蒙辉猎勒城电场装税容量也超过3 万k w ：福建的坪潭、大连横由、浙江舟由、 上海崇明也郄在援划建设5 0 0 k w 、6 0 0 k w 容爨不等的风力发电场，为缎决无电地区农牧 民生产生活用电发挥了爨要作用。我阉自主开发的2 0 0 3 0 0 k w 级风电机组的圆产化率已 超过9 0 ，6 0 0 k w 祝组稃机的黼产化率达到j o 左右。我滔具备了自行研制歼发容麓从 l o o w 到1 0 k w 鲢1 0 多秘，l 、型坂力发电机昭熊力，还玎发了一援溅蹩、城柴联合发电系统。 沈刚i ：业人学硕十学侮论文 虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年2 0 以上的速度递增，但风电仍仅占 全国电力总装机的1 1 ，因此我国的风力发电目前仍处于起步阶段。企业生产规模小， 工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，加大了产品的生产成本。为更好地实 施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经贸委制定了新能源和 可再生能源产业发展的“十五”规划，其中包括国家的光明工程和8 6 3 计划后续能源技 术主题等国家重大科技发展计划。指导思想是以市场为导向，选择成熟的、具有市场前 景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理的发展目标，制定符合市场发展的产业 政策。采取规范市场的措施，进一步推动新能源和可再生能源技术的开发和应用。重点 是开发6 0 0 k w 及以上风力发电机组，实现规模化生产；研究开发无齿轮箱、多级低速发 电机、变速恒频等新型风力发电机组；提高i o k w 以下离网型风力发电机的生产技术水 平，推广风、光互补，风、柴互补和风、光、柴联合供电系统。主要目标是：2 0 0 5 年并 网风力发电装机容量达到1 2 0 万k w ，形成约1 5 2 0 万k w 的设备制造能力，以满足国内市 场需求。到2 0 1 5 年新能源和可再生能源年丌发量达到4 3 0 0 力| 吨标准煤，占我国当时能 源消费总量的2 ；该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、化工、材 料等相关行业的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少3 0 0 0 多 万吨的温室气体及2 0 0 多力吨二氧化硫等污染物的排放，提供近5 0 万个就业岗位。可 见，有了国家的重视和政策的支持，作为主要可再生能源的风力发电行业，也必将有广 阔的发展前景一j 。 其中国内金风科技股份有限公司和德国企业合作开发的金风6 2 1 2 0 0 风力发电机组 采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、变速恒频、直接驱动、永磁同步发电机并 网的设计方案，其中省去的齿轮箱使传动系统部件减少，降低机械损失，提高机组的可 靠性和生产、运行效率。课题1 m w 双馈型变速恒频风电机组由沈阳工业大学风能技术研 究所承担。完全立足于自主设计，技术方案采取双馈发电机、变桨距、变速恒频技术第 一台样机已于2 0 0 5 年7 月3 1 日完成调装，正在并网调试，国产化率8 5 以上。 基ts e r c o s 电动变桨口侍置伺服控制系统 1 3 本课题研究的主要内容 本文首先提出了该课题的背景及意义，并简述国内外风电技术的研究发展状况和目 嚣超器上弧龟枫缀鹣遴糖主要技术，郄：定桨距调节城电紊琏技术，交桨题调节域电挽技 术，主动定桨距调节技术，变逮慨频。 其次介绍了风力发电机组变桨距系统，其中简要叙述了两种驱动形式的变桨距系统 帮：波攫驱动秘电辍动，重点分绥了电动交黎驻甓骚系统，嚣显姨控割筑教电蘸梗嫠分 对整个电动变桨距伺服系统进行分析和设计。 接下来对电动交桨距伺服系统的建模和仿真，分析仿真结果，对后续实验进行有必 撂导。联蠲实验室瓣有穰荟终逮学毫动变桨鞭髑羧控涮系统实验，搭建实验平台，褒支 位机编写伺服控制穰序，取得实验结果。 最后得出实验绪论，进行有效分析，并对全文总结。 沈m i l l 业大学硕十学忙论文 2 风力发电枕组变桨距系统 2 。1 变浆距系统的基本理论 现代风力发电机技术面临的挑战主要在于如何进一步提高效率、增加强度、降低成 本这三方顽。随着风力机的单机容量的不断增大，变桨距调遮方式和变速憾频) 技术， 嚣蒸在额定j 戍这下能撬嵩捺获斑能效率，获得最馕能量输密，戮两交速恒凝变桨距鏊j 蔑 力搬逐澎占据了飙力发电机的主导地位1 2 。1 4 1 。 大型风力发电机组从结构上可分为定桨距型风力发电机组和变浆距型风力发电机 组两种。定桨距碱力发电视缀楚将其盱片紧紧固定在轮毅上，遴过辞片失速，控籁最大 功率。这零申技术簸是联援兹典魁丹麦嫩电机组技术的核心，其蒸本甄理是利用桨时翼型 本身的失速特性。在高于额定风速条件下，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面 产警涡流，效率降低，达到限制功率盼目静旧。 变桨距飒力发电枧缝是邋过时冀沿其纵自轴心转动来调节功率。从当静世雾风力规 发展趋势来看，容量小于7 5 0 k w 的风电机组尚可使用定桨距失速调节技术，容量大于 7 5 0 k w 的飙电机缀大多采用变桨距调节技术l t 6 - 1 s l 。 变桨题调节鸯全黎时变难与汉时尖局部变题蹰葶孛。砖尖变聪逶常只变时尖部分( 豹 0 2 5 r 0 3 0 r ) 的桨距角，其余部分翼展最定桨躐的。全桨叶变距有以下几种方法：离 心试、伺服机构驱动式。离心式就是利用桨叶本身或附加重锤的质量在旋转时产生的离 一玉力终为瀵力，镬桨时编转交鞭。大裂双宅搬缀魏变距，落霉翅疼。羹锤是蘧以实现豹。 通常要借助电动域液压的伺服系统使桨叶旋转变距。 对于全翼展变距的风力发电杌缎，通j 遘变桨躐系统控制叶片的转动，从而使风力机 买露最佳瀚囊车经能。在发毫褪与毫潮瑟开之兹，霹戳遴过桨鼷塌节英辕出动率至o k w ， 这意味着当风力机与电嗣断丁r 时没有力矩作用于传动系统，增加了系统的安全性。尤其 是在需要紧急停车时，定桨躐风力机停车过程通常是偏航、断电、下闸；动作时间长， 对系统淬_ 鑫大。褥交桨鼯j 箴力孝踅箨车遂程楚关桨裂最大桨疆热， 美增大空气阻力，实 亍 气动刹车，之后才进行机械剥车，对机组冲击小，提高了机组的可靠性和寿命。 基t - s e r c o s 电动变桨g e 位置伺服控制系统 在离风速段傈持额定功率。燹论安装缝点靛空气密度多少，桨距控露系统都能使盱 片角度调到最佳值，从而达到额定功率。这意味着变桨距风电机组对温度和海拔高度的 变化嬲引起空气密度豹变化并不敏感。 对于定桨距风力发电辊蕴其浆叶桨距角在运行过程中绦挎恒定不变，箕特点如下： 当风速超过额定风速后，机组将通过叶片自身的气动特性进行必速限速，但机 组输出功率将会下降，隆低了枧缌的剩弱率。 机缰脱嘲时，将出现突耀负载现象，使风轮转速遗遴上升，并产生振动，对钒 组损害大。 遴行飒槭刹车封，刹车力缒大，影嘲枫缝毒念。 因其桨距角麟定，因此其店动性能差。 变桨距风力发电机组，其桨叶桨距角在控制律控制下，可随时调整。其特点如下： 当域速超过颧定甄速蜃，搬组可通过谖整时片奖题角，摄诞英转速不变，较爨 额定功率，大大提商了杌组利用率。 在机组脱网时，通过调整桨距角，可使机组输出功率最小，这样旗本消除机缀 在貌嚣辩爨突然丢失受载两产生瓣叛动臻害，疆葛了投缀毒余。 在进行刹车制动时，由予箕可先进行叶片变距气动刹车，再进行机械刹车，这 样大大减小了机械刹车力矩，降低了机械刹车对机组部件的损害，提高了机组的寿命。 囊戴霹趸，变躐麓飒力发电嘏篷凑会残为大型鼹力发魄秘组发展熬主溅。瑟变桨躐 系统的台理设计，安全运行将是变桨距型风力发电机组正常、高效、可靠运行的关键之 一a 交蘩疆系绫能够越至l 主动援黄( 强耩额定功率) 窝往纯( 在小于额定城速薅往纯凌 率) 的作用。为确保平缓并网发电，变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的适当 转速。在低风速时，叶片转动到合适位置确保叶轮具有最大起动力矩，这意味着风机能 够套雯蘸城速下开戆发电，无露懿发电规箨为电动援霞弱。遴过簿蕈建改交蘩巨擦翻系 统的参数，能够永久或暂时地调节f x l 力机的额i 迁功率，不必簸新设计风力机，使其具有 多种额定功率。也就是i 兑，风力机的灵活性更强。在高风速段保持额定功率。无论安装 一8 沈f i l1 ：业人学硕士学位论文 地点的空气密度多少，桨距控截系统都能使叶片角度调到簸佳值，簌丽达到额定功率。 这意味着变桨距风嗽机组对温度和海拔高度的变化而引起空气密度的变化并不敏感。 变紫距媳力发愈枕组根据变紫难系统所起的终用可分为三耱运行状念，即媳力发魄 机组的越动状态( 转遽控制) 、欠功率状态( 不羧制) 和额定功率状念( 功率控制) f 2 。】。 1 起动状念 交黎距漩轮的浆时在静止酵，桨距角为9 0 。，这肄气滚慰桨时不产嫩转矩。当风速 达到起动风速时，浆叶向o 。方向转动，直至气流对桨叶产生一定的攻角，缸i 轮开始起动。 在发电机并入电网以前，变桨距系统的桨距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器 按一定黪速度上爵辨率绘出速度参考菹，交浆蹬系统报摆绘定豹速度参考氇，调整浆鞭 角，进行速度控制。为了确保并黼平稳，对电阏产生尽可熊小的冲击，变桨距系统可以 在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。 2 ，欠境率装叁 欠功率状念是攒发电机并入电网后，由于风速低子额定风速，发电机在额定功率以 下的低功率状念运行，与转速控制具有相同的道理。这时的变桨距风力发电机组和定浆 距城力发电甄缓螺弼，箕功率竣爨完全取决予黎咛彝气动瞧能。 3 ，额定功率状态 当风速达到或越过额定风速腊，风力发电机组进入额定功率状态，遨时将转速控制 切换黧凌率控割，变桨距系统牙缝凝摆发电捉黪功率售号遴纾控翻。控铡售号豹绘定壤 是恒寇的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨 叶桨距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之则向越风面积增大的方向转动一个 簧褒。该泠段主要邋遗交黎距系绕遂过改交絮雅角，降诋域筑裁瑗率实瑗熬。逶过改变 桨距角，能保证机组输出的转速不变，即输出功率恒定。 综上，风力发电机组受到两个基本限制： ( 1 ) 功率陵裁，掰有毫黯及魄力毫子篓 孛受功率袋泰l ； ( 2 ) 转速限制，所有旋转部件的机械强度受转速限制。 通过上面介绍，我们可知变紫距型风力发电机组与定桨距型风力发电机组相比有很 多霞点，翻蟊交桨鼷爱箴力发毫撬缝在额定鼹速戮上憝输窭瞧定熬璃率，筑疑裂爱搴麓； 基丁s e r c o s 电动变桨距何置伺服控制系统 由于变桨距型风力发电机组能进行桨叶全翼展变桨，使得风力发电机组有很好的启动性 能与制动性能，并且避免了定桨距型风力发电机组脱网时所要经历的突甩负载过程。因 此变桨距型风力发电机组越来越受到人们的青睐 2 l 】。 变桨距机构是变距型风力发电机组的核心之一。目前幽际上大型风电机组的变距机 构主要有两种实施方案：液压驱动变桨距系统和电动变桨距系统。 2 2 液压驱动变桨距系统 液压驱动变距是利用液压缸作为源动机，通过曲柄滑块机构推动桨叶旋转。由于液 压系统出力大，变距机构可以做的很紧凑。液压驱动传动变距也有两种结构，一种是通 过安装在轮毂内的三个液压缸、三套盐柄滑块机构分别驱动三片桨叶。这种方案变距力 很大，但液压系统复杂，而且三个液压缸的控制也较难，同样存在电气布线困难、增加 风轮重量和轮毂制造难度、维护不便等问题。另一种结构是液压站和液压缸放在机舱内， 通过一套曲柄滑块机构同步推动三片桨叶旋转。这种结构不存在电气布线困难的问题， 降低了风轮重量和轮毂制造难度，维护也很容易，但要求传动机构的强度、刚度较高【2 ”。 液压驱动变桨距系统主要由推动杆、支撑杆、导套、防转装置、同步盘、短转轴、 连杆、长转轴、偏心盘、桨叶法兰等部件组成。其结构如图2 1 所示。 幽2 1 液压驱动变桨距结构陶 f i g 2 1s t r u c t u r a lm a po f h y d r a u l i cp i t c h 0 沈吼1 。业人学硕卜学位论文 备部分作用如下： 推动杆：传递动力，把机舱内液压缸的推力传递到同步盘上： 支撑抒：是推动杼轮毂瑞径囱支撑邦件： 导套：与支撑辆：形成轴向运鞠副，限制支撑秆的径向运动； 同步盘：把推动杆的轴向力_ i 款行分解，形成推动三片浆叶转动的动力； 防转装置：防止懑步盘在髑穗分力作焉下转动，馒莫与轮毂强多转动。 其中同步盘、簸转轴、连秆、长转轴、偏心盘组成了虢柄滑块枫梅，将推动秆的巍 线运动转变成偏心擞的圆周运动。 该飒稳豹工终_ 道程如下：控制系绞根据当l 莓缀速，以一定豹算法给爨黎咛的桨蹶热 信号，液压系统根据控制指令驱动液压缸，液臌缸带动推动秆、同步盘运动，同步盘通 过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动桨叶进行变距。 滚逶驱魂交桨躐系统其存终褥麓单、攥捧方蠖，在额定飙速下，提裹攘获域毙效窭， 获得最佳能量输出，以保持机缀运转正常，供障了供电质徽。 2 3 电动变桨距系统 不弱予滚压驱动变粱蓄垂系统，电动交桨薤系统采爱三个浆咛分翻萤纛猿立戆电动交 桨距系统，包括回转支承，减速装置和伺服电渤机及其驱动器等。减速装置固定在轮毂 内，回转支承的内环爱装在叶片上，叶片轴承的外环则固镦在轮毂上。当电驱动变桨躐 系统一妻邀惹，霞蔽惫葫秘豢魂减遮装置豹辕爨霉囊小鸯轮旋转，瑟套蠹轮又与霾转支承戆 内环相啮合，从而带动回转支承的内环与叶片一起旋转，擞现了改变桨躐角的目的，从 而完成了完整的定位和同步控制。 镯动装霆戆穗焘楚空气动力警割麓弱车零猿出交浆薤浆簇，桨时获褥充分戆弱事筝 用。即使一个桨叶刹车制动失败，其它二个叶片也可以安企结束刹车的过程，提高了熬 个系统的安全性。制动系统还装铸丁备用电源，用于故障或者维修时可以快速准确地收 鹜黎时， 电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率 输出和足够的刹车制动能力。这样可以避免过裁对风机的破坏。 墓丁s e r c o s 电动变桨距位置伺服控制系统 与液压驱动糟眈，结构清晰，避免漏漓等税械故障的发生，控制精躐高，响应恢。 图2 2 就是电驱动变桨距结构图。 支承外嘲 阒 内 螽 圆 翅2 2 电动交黎蓬绩秘鹭 f i g 2 2s t r u c t u r a lm a po f e l e c t r i cp i t c h 潮2 2 孛只交凌了一个奖时黪邀动变桨距黪结擒，其它疆个桨时与此完全摺羁。繇 个桨叶采用一个带位置反馈的伺服电动机进行荦独调节，绝对编码器采厢光电编码器， 安装在伺服电动机输出轴上，采集电动机的转动角度。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮 毂内蕊溷麴连，带动桨时述季亍转漤，实瑷对浆盼熬节距受瓣蠹接控割。程轮毂内莲曩懿 边上又安了一个非接触式位移传感器，直接检侧内齿圈转动的角度，即桨叶节距角变化， 当内齿圈转过一个角度，非接触式位移传感器输出一个脉冲信号。 变蘩薤蕴割是投挺安装在壤秘爨后方输出毒蠡上戆光毫缡璐爨繇溅懿位移蓬送雩亍控 制，非谈触式位移传感器作为用于冗余控制的参考值，它直接反映的是浆叶节距角的变 化，当光电编码器与非接触式位移传感器所测的数字不一样时，即控制器可知系统出现 故障。 沈阳 业大学硕十学位论文 伺服电机控制电路安放在支承板上，便于散热。如果系统出现故障，控制电源断电 时电机由u p s 供电，最慢6 0 s 内将桨叶调节为顺桨位置。在u p s 电量耗尽时，继电器 断路，原来由电磁力吸合的制动齿轮弹出，制动桨叶，保持桨叶处于顺桨位置。在风力 机正常工作时，继电器得电，电磁铁吸合制动齿轮，不起制动作用。 基rs e r c o sl 乜动变桨距何置伺服控制系统 3 电动变桨距伺服系统 3 1 伺服系统 “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的 驯服工具，服从控制信号的要求而动作。伺服系统一是使物体的位置、方位、状态等输 出被控量能够跟随输入目标值( 或给定值) 的任意变化的自动控制系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱 动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。伺服系统必须具备可控性好，稳 定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停 转：稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降。速应性强是指反应快、灵敏、响态品 质好【2 3 】。 通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气一油压式三种。电气 式伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。 电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公 害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺 服技术的发展提供了广阔的前景。 从7 0 年代后期到8 0 年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件 技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术、交流 伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域 实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在 机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的 其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱 动技术发展的瓶颈。 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺 点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以 交流伺服系统在工厂自动化等各个领域得到了广泛的应用。 4 沈刚i ：业人学硕十学位论文 从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则同渐 增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流 伺服产品已经成为主流产品【2 4 l 。 从目前看，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来 越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： 1 交流化 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流伺服系统。从目前国际市场的情况 看，几乎所有的新产品都是交流伺服系统。在工业发达国家，交流伺服电机的市场占有 率已经超过8 0 。在国内生产交流伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产直 流伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外，交流伺 服电机将完全取代直流伺服电机【2 5 】。 2 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d s p ) 的伺服控制单元将全面代替 以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实 现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理 论的先进算法( 如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等) 成为可能。 3 采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器 件，主要有大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘门极晶体管( i g b t ) 等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速 度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把 控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块 ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ，简称i p m ) 。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、 过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与 t t l 信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元 的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。 4 高度集成化 基y - s e r c o s 电动变桨距何置伺服控制系统 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模 块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通 过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭 环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调 节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调 试工作部得到了简化1 2 6 j 。 5 智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控 制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智 能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数部 可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参 数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便：其次它们都具有故 障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能 引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性：除以 上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数 整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整 定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最 优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 6 模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n 简称f a ) 工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展 趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s 一2 3 2 c 或r s 一4 2 2 接口等) 和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备问的互 联能力，从而与c n c 系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可 以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行 接口，与町编程控制器( p l c ) 的数控模块相连。 沈刚i ：业大学硕十学悔论文 交流绢鞭系统一般毯括枧摄赞动装置，驱动装鼍，按刳系统，捡测装置等部分。下 面就从这几部分介绍电础变桨距伺服系统。 3 2 电动变桨距伺服系统的基本理论 下瑟辩蚕是泡动交桨距瘸黢系绕豹奄嚣凿。魏凿掰示，轮毂攀寄三套电滚镑、辍蓰、 伺服电机和减速机，还有一套电动变桨距控制系统安装程控制稽罩。在轮毂和机舱连接 处霄电气开关盒，通讯总线和电缆是靠滑环与机舱的主控制器连接的。 幽3 1 电动变紫距系统的布局图 f i g 3 1m 神o f e l e c t r i cp i t c h 图3 2 是电渤变桨距伺服系统的构成穰图，主控制嚣与轮毂内的控制盒通过现场总 线遥溱，运到控籁三令桨时静交粱舔装嚣兹嚣懿。主控镶器鬏摇藏遮，发毫撬功率帮转 速等，把命令值发送到电动交桨距控制系统，并鼠电动变桨距饲服系统把实际值和运行 状况反馈到主控制器。 基_ 】二s e r c o s 电动变桨躐