小型家用风力发电机设计【小型户用风力发电机的机械结构设计】【说明书+CAD+SOLIDWORKS
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小型户用风力发电机的机械结构设计
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目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 前言11.2 风力发电机国内外研究现状21.3 风力发电机控制系统概述41.3.1 控制系统的类型51.3.2 风力发电机定桨距控制技术71.3.3 风力发电机变桨距控制技术71.4 本设计主要内容81.5 本章小结9第2章 风力发电机的基本结构和原理102.1 风力发电机的基本结构102.2 风力发电机的原理122.2.1 风力机的空气动力学原理122.2.2 风力机电力学原理192.3 本章小结23第3章 风力机结构设计243.1 电气部分的设计243.1.1 发电机的设计243.1.2 三相异步发电机电磁计算253.2 机械部分设计303.2.1 风轮叶片303.2.2 加速齿轮箱313.2.3 塔架设计323.3 本章总结32第4章 风力机控制系统的设计344.1 变桨系统的控制原理344.1.1 变矩控制354.1.2 转速控制354.1.3 功率控制364.2 PLC的设计384.3 单片机程序设计434.4 设计准则454.5 设计步骤454.6 结构设计464.6.1 轮毂的设计464.6.2 轴承的设计474.7 本章小结48第5章 总结49参考文献50致 谢51摘 要本文对国内外风力发电机的发展进行了概述，对目前的研究现状进行了了解并指出了风力发电机目前的发展趋势和研究方向。详述了风力发电机的功能、特点、结构组成以及工作原理。对小型家用发电机的机械结构进行了设计并对重点部位：风轮叶片、变速箱齿轮轴和塔架等进行了校核分析。分析了发电机-整流-逆变-负载的控制过程并设计整个控制系统电路。考虑风力不稳定或者风力过剩等外界因素加入了蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。通过对发电机的对风装置和变桨控制系统工作状态和风力机变桨距调解原理分析而进行变桨系统的设计。对风力发电机组的空气动力学进行分析并得出了风力机系统的功率和叶尖速比。本设计结构清楚、数据精确，为后续的小型家用发电机的研究提供了参考。关键词：风力发电机；风轮叶片；变桨系统；控制系统AbstractIn this paper, the development of wind turbines at home and abroad were summarized, and to understand the present research situation and points out the development trend of the wind turbine at present and research direction.Described the function and characteristics of wind turbines, structure and working principle.For small household generators of mechanical structure design and the key parts: rotor blades, transmission gear shaft and tower are analyzed in check.Analyses the generator - the control process of rectifier and inverter - load and circuit design of the whole control system.Consider wind instability or external factors such as wind excess joined the battery, through the control circuit of monitoring system of control, guarantee system in plenty of wind energy storage, when wind power is not enough for the load power supply.Operation condition of the system monitored by relay control circuit and switching.Through to the generator for wind device and variable control system working status and wind variant is analyzed.studying pitch mediation principle analysis and system design.For wind turbine aerodynamic analysis and obtained the power of wind turbine system and tip speed ratio.Structure of this design is clear, accurate data for the subsequent research provides reference for the small household generators.Key Words: Wind driven generator；Wind turbine blade；Pitch system； Control systemI第1章 绪论1.1 前言由于目前石油等不可再生能源价格一直上涨，所以各国都在大力发展可再生能源，而风能便是其中之一，因风能不会产生污染，加上国家政策的支持，相关技术上的日益成熟，故风力发电前景十分良好。除了传统的广大农牧区用户应用小型风力发电机组照明看电视以外，由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江 湖、渔船、边防哨所、部队、气象、微波站等使用柴油发电的用户，逐步改用风力发电或风光互补发电。此外，生态环保公园、林荫小道、别墅庭院等地方，也购买和安装小型风力发电机组，作为景观，供人们休闲欣赏。此外，由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W、1000W机组逐年增加，占总年产量的80。广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，成为今后一段时期的发展方向。风光互补多台组合式系列发电系统是将多台小功率风力发电机安装在同一个地方，集中向配套的多个大容量蓄电池组同时充电，并由一台大功率的控制逆变器统一控制输出。随着相关学科的发展和风力机理论研究的不断深入，人们对风力机运行的具体情况和桨叶的各种受力状态已经有了比较深入的了解，从功率控制角度，设计人员已经不再满足于仅仅保证风力机运行的稳定可靠，还开始追求更高的风能利用效率。因为采用变桨距机构的风力机可使叶轮重量减轻，并使整个风力机的受力状况大为改善，这对大型风力机的总体设计十分有利。因此近几年来，随着风力机功率的不断提升，变桨距控制技术又重新成为了风力发电机组研究的热点。随着国家可再生能源法及“可再生能源产业指导目录”的制定，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。目前中国尚有2.8万个村，700万户计2800万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难到达。有关专家分析，700万无电户中，300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足用电需要。1.2 风力发电机国内外研究现状在二十世纪九十年代后，风电技术有着迅猛的发展。风能作为清洁的可再生资源受到全世界的重视，国外各风电强国对定桨距风力机和变桨距风力机的设计、控制和运行己有完整的理论和手段，建立了许多大型风电技术研究机构，如美国国家风能研究中心（NWTC）、丹麦的黑绍（RISO）实验室、荷兰的风能研究中心（ECN）等。为了提高经济效益、降低风电单位千瓦造价，风力发电机单机容量朝着大型化方向发展，目前兆瓦级风力机己经是国际风电市场上的主流产品，美国7兆瓦风力机己经研制成功，而英国正在研制10兆瓦的巨型风力机。此外美国国家风能技术中心目前正在研制的自适应变桨距风力机，力图通过桨叶材料上的设计，使桨叶在低于额定风速下保持最优捕获风能状态。当风速高于额定风速时，桨叶在风力的作用下，根据风速的大小做出相应的变形，从而自动改变桨叶的桨距角。我国从20世纪80年代初就把小型风力发电作为实现农村电气化的措施之一，主要研制、开发和示范应用小型充电用风力发 电机，供农民一家一户使用。目前，1 kw以下的机组技术已经成熟并进行大量的推广，形成了年产1万台的生产能力。近10年来，每年国内销售 50008000台，100余台出口国外。目前可批量生产100、150、200、300和500w及1、2、5和10 kw的小型风力发电机，年生产 能力为3万台以上，销售量最大的是100300w的产品。在电网不能通达的偏远地区，约60万居民利用风能实现电气化。截至1999年，我国累计生产小 型风力发电机组18 .57万台，居世界第一。我国的风电产业与欧美发达国家相比，起步较晚。二十世纪五、六十年代开始研制微型和小型风电机组，主要用于解决农牧业区的生产和生活问题。在中大型风电机组的设计和制造技术上，一直发展比较缓慢。从1986年山东荣城建立了我国第一个风电场并且并网发电以来，我国的风电产业才开始真正的起飞。但我国风力发电事业在近20年来已取得了可喜的进展。目前，具有自主知识产权的1.5 MW的变速恒频风力发电机组的成功开发，标志我国在风电技术上取得新的突破。但是整体上来说，我国在风电技术的理论和应用研究工作与发达国家存在很大差距。国内对大型风力发电技术的各项研究还十分薄弱，风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还未解决，致使我国大型风力发电机组几乎全部为国外进口产品。因此，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。从风电技术的发展趋势来看主要体现在如下几个方面：(l)风力发电机组大型化、单机装机功率的提高；(2)变桨距控制技术替代了定桨距控制技术；(3)变速恒频风力发电机组的开发和商品化；(4)机械方面的改进，主要体现在通过结构动力学和机械结构优化设计的研究，避免或减少由于风的扰动而引起的有害机械负荷，减少部件所受的应力和有关部件及整体的重量;另一个动向是采用新型整体式驱动系统，集主传动轴、变速箱和偏航系统为一体，从而减少零部件数目，增强传动系统的刚性和强度；(5)空气动力方面的改进，在空气动力方面最重要的发展是进行新型叶片的翼型设计，以捕获更多的风能；(6)海上风力发电场的开发，海上丰富的风能资源和风电技术的进步及经验的不断积累，预示海上风能将在全球范围内迅速增长，也势必推动海上风能的规模化开发及海上风电产业的进步。风力发电机组的大型化、变桨距控制技术、无齿轮箱风力机直驱发电机技术、变速恒频运行等先进风力发电技术还有待进一步研究和应用，直到今天，我国大型风力发电机组还几乎全部为国外进口产品。因此，深入研究风力发电的各项技术对于持久开发风能和实现大型先进风力发电机组国产化具有重要意义。下图为风力发电机2012与2013年的市场份额饼形图。 图1-1 风力机2012市场份额 图1-2 风力机2013市场份额1.3 风力发电机控制系统概述现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。近年来，这些学科的迅速发展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论基础，因此现代风力发电技术发展越来越快，单机容量也越来越大。提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本是发展风电技术的前提条件，许多学者利用现代控制技术在改善风电系统性能、风力发电机组的优化运行和改进风力发电设备等方面进行了大量的研究。随着计算机与先进控制技术在风力发电领域中的应用，风力机控制方式也从基本单一的定桨距失速控制向变桨距控制方向发展，甚至向智能型控制发展。风车分类如图1-3所示。图1-3 风车的基本分类1.3.1 控制系统的类型对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同，加上定桨距和变桨距，形成多种结构和控制方案。根据浆叶的不同，分为以下三种：1. 定桨距失速调节型风力发电机组。定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。 定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。2. 变桨距调节型风力发电机组 变奖距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。3. 主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。根据风机转速分有恒速恒频和变速恒频两种，恒速恒频机组的整体效率较低,而变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。图1-4 风力发电机控制系统1.3.2 风力发电机定桨距控制技术定桨距失速控制是传统的控制方式，采用该控制方式的风力机叶片直接固定在轮毂上，叶片的安装角在安装时确定好，在运行期间不能变化。失速型叶片气动外型的设计能够使高风速下通过上翼面的气流出现分离，也就是所谓的失速现象。失速会导致叶片的升力下降而阻力上升，同时随风速增大气动效率下降，限制了风力发电机的最大输出功率。但是受失速特性的影响，通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。另外，定桨距失速控制的风力机最大升力对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化比较敏感。定桨距失速控制的失速是由于叶片的空气动力特性而被动产生的。当风速变化引起输出功率变化时，通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，从而使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大(与变桨距风力机叶片比较)，轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。1.3.3 风力发电机变桨距控制技术变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨距角，从而控制发电机的输出功率，变桨距控制风力机的叶片通过轴承固定在轮毂上，可以绕叶片的轴线转动来调整叶片的桨距角。在高风速情况下，桨距角随着风速的增加不断向正的安装角度方向调整，减小气流攻角以保持较小的升力来限制功率。由于桨距角可以连续调节，因此在高风速情况下可使发电机的输出功率保持在额定功率，这意味着变桨距风电机组对由温度和海拔高度的变化所引起的空气密度的变化并不敏感。当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用Optitip技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比以优化输出功率。且在刹车时，叶尖刹车装置制动叶轮的同时叶片转动，相当于气体刹车，从而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车结构的负荷。图1-5 变桨与定桨功率对比综上所述，与定桨距控制技术相比，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。从风电技术发展趋势来看，小容量的风力机尚可使用定桨距失速控制，大容量的风力机大多采用变桨距控制技术。1.4 本设计主要内容本文对国内外风力发电机的发展进行了概述，对目前的研究现状进行了了解并指出了风力发电机目前的发展趋势和研究方向。详述了风力发电机的功能、特点、结构组成以及工作原理。主要完成以下内容：1. 对小型家用发电机的机械结构进行了设计并对重点部位：风轮叶片、变速箱齿轮轴和塔架等进行了校核分析。2. 分析了发电机-整流-逆变-负载的控制过程并设计整个控制系统电路。考虑风力不稳定或者风力过剩等外界因素加入了蓄电池组，通过控制电路的监控实现系统的控制，保证系统在风能充足时可蓄能，在风能不充足时亦可为负载供电。系统的运行状况采用继电控制电路监控和切换。3. 通过对发电机的对风装置和变桨控制系统工作状态和风力机变桨距调解原理分析而进行变桨系统的设计。4. 对风力发电机组的空气动力学进行分析并得出了风力机系统的功率和叶尖速比。1.5 本章小结本章首先对风力发电机的发展进行了概述，对目前的研究现状进行了了解并指出了风力发电机目前的发展趋势和研究方向。详述了风力发电机的功能、特点、结构组成以及工作原理。对风力发电机控制系统进行了了解，对控制系统的类型进行了分类并重点对定浆控制系统和变浆控制系统细述，从而掌握了风力发电机的基本信息，了解了控制系统的基本情况，为后续发电机系统和变浆控制系统的设计奠定了基础。第2章 风力发电机的基本结构和原理2.1 风力发电机的基本结构风力发电机组是风力发电的主要装置。风力发电机组的样式虽然很多，但其原理和结构大同小异。本文以水平轴风力发电机组为例做介绍，它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器（限速器）、调向器、停车制动器等，如图2-1所示。图2-1 风力发电机组的结构（1）风轮风轮一般由23个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件，同时轮毂也是控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）的所在。（2）调速或限速装置在很多情况下，要求不论风速如何变化风力机转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此目的而采用了调速或限速装置。调速或限速装置从原理上来看大致有三类：一类是使风轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。（3）调向装置调向装置的作用是在外界风向发生变化时能够使风轮对准风向，以尽可能高效的吸取能量。（4）传动机构传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。（5）发电机发电机将风轮传递来的机械能转化为电能。风力机常用的发电机有四种直流发电机，永磁发电机，同步交流发电机，异步交流发电机。（6）塔架风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。对于变桨距控制风力机而言，除了上述各主要装置外，还有一个变桨距机构。变桨距机构一般可以分为两种：一种是电机执行机构，另一种是液压执行机构。液压执行机构通过液压系统推动桨叶转动，改变桨叶的桨距角，该类机构以其响应频率快、扭矩大、便于集中布置等优点目前占有主要的地位。此外电机变桨距执行机构是另一种重要方法，该机构利用电动机对桨叶进行控制，由于其结构紧凑可靠，不像液压变桨距机构那样结构相对复杂、存在非线性，但该机构动态特性相对较差、有较大的惯性，且电机本身如果连续频繁地调节桨叶，将产生过量的热负荷使电机损坏。2.2 风力发电机的原理现代风力发电机组的研究和设计从技术上讲，涉及到包括空气动力学、高分子材料、机电控制原理、机械设计与制造学、振动理论等多个学科领域。近年来，这些学科的迅速发展为风力发电机组的研究和设计提供了良好的理论基础，因此现代风力发电技术发展越来越快，单机容量也越来越大。风力发电机的具体运行状况为风力吹动风轮转动。通过连接的齿轮变速箱来提高输出端转轴的转速，该轴与发电机相连。转轴带动单相交流发电机转动，开始发电。（此时发出的是频率和幅值都不稳定的交流电）。引出的单相交流电通过整流器变成稳定的直流电。若风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；若风能不足，控制电路切换为蓄电池供电状态。直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。此时即可实现为负载供电。其系统结构图2-2所示。图2-2 风力发电机系统结构图2.2.1 风力机的空气动力学原理空气动力学的理论基础（1） 风能的计算由流体力学知，在单位时间内气体的动能为： （21）式中：m单位时间内气体的质量，kg； 气体的速度，m/s。设单位时间内，气体流过截面积为S的气体的体积为V，则 （22）该体积的空气质量为： （23）式中：空气密度，。单位时间通过该截面的气流动能可表示为： （24）式（24）即为风能的表达式。 从风能的公式可以看出，风能的大小与气流密度、通过截面面积S成正比，与气流速度的立方成正比。其中和与地理位置、海拔、地形等因素有关。（2） 贝兹理论风力机的第一个气动理论由德国科学家贝兹（Betz）于1926年建立，Betz假设风轮是由无限多个叶片组成，风轮没有轮毂，气流通过风轮时没有阻力。此外，还假设气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度方向为轴向方向。现分析气流通过上述理想风轮的情况，如图2-2所示。图2-3 流过风轮的气流图图中：1表示距离风力机一定距离的上游风速；表示通过风轮时的实际风速；2表示距离风轮远处的下游风速。设通过风轮的气流其上游截面为S1，下游截面为S2。假设空气是不可压缩的，由连续条件可得： （25）由于通过风轮后的气流动能会降低，2必然低于1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2S1。风作用在风轮上的力可由动量定理写出： （26）故风轮吸收的功率为： （27）气流的动能转换为风轮的功率，从上游到下游的动能的变化为： （28）令式（27）与式（28）相等可得： （29）将上式代入式（26）和式（27），可得作用在风轮上的力和提供的功率分别为： （210） （211）对于给定的上游速度1，将P看成2的函数。写出以2为自变量的功率变化关系，将式（211）微分得： （212）令，解得，代入式（211）可得最大功率。最大的功率为： （213）将上式除以气流通过扫掠面S时风所具有的动能，可推出风力机的理论最大效率（理论上的风能利用系数）： （214）上式就是有名的贝兹理论的极限值。由此可知风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数CP0.593。风力机实际的有用功率输出为： （215） （3） 风力机的特性系数讨论风力机的能量转换与控制时，以下特性系数具有特别重要的意义。（1）风能利用系数CP风能利用系数CP用来表示风力机从自然风能中吸取能量的大小程度。 （216）式中：P风力机实际获取的输出轴功率，W； 空气密度，； 1上游的风俗，； S风轮的扫风面积，。（2）叶尖速比叶尖速比表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的圆周速度和风速之比来衡量。 （217）式中：n风轮的转速，； 风轮角速度，； R风轮半径，m。风轮的空气动力学的研究（1） 风轮在静止情况下叶片的受力风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的若干桨叶所组成。在安装桨叶时，必须对每支桨叶的翼片按同一旋转方向，桨叶围绕自身轴心线转过一个给定的角度，即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面（风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面）形成一个角度，这个角度称为桨距角。图2-4是风力机启动时的受力图。风轮的中心轴位置与风向一致（保持两者的一致由偏航系统控制，本文不作研究），当气流以速度v流经风轮时，在桨叶I和桨叶II上将产生气动力F和F。将F和F分解成沿气流方向的分力Fx和Fx（阻力）及垂直气流方向的分力Fy和Fy（升力）。阻力Fx和Fx形成对风轮的正面压力，而升力Fy和Fy则对风轮中心轴产生转动力矩，从而使风轮转动起来。图2-4 风力机启动时的受力情况（2） 风轮在转动情况下叶片的受力假设在理想状态下，风速与风轮旋转面保持垂直，当风轮在某个风速下以角速度稳定转动时，取叶片上距转轴中心r处一小段叶片元（叶素）为研究对象，此叶片元相对气流的速度Wr是风速与该叶片元绕轮毂轴向线速度r的矢量和。如图2-5所示，此时桨叶与该叶片元的攻角是Wr与翼弦的夹角。图2-5 旋转桨叶的气流速度及受力情况气流以相对速度Wr吹向叶片元，在叶片上产生气动力F。参考叶轮静止时受力分析，F可以分解为在风轮旋转面内使桨叶旋转的力Fy1以及对风轮正面的压力Fx1；如果参考气流相对于叶片元的方向，F可分解为垂直于Wr方向的升力Fy和沿Wr方向阻力Fx。由于风速是在经常变化的，风速的变化也将导致攻角的变化。如果叶片装好后桨距角不再变化，那么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性能，但在其它风速下则未必如此。为了适应不同的风速，可以随着风速的变化，调节整个叶片的桨距角，从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力特性，这种控制方式即变桨距控制。2.2.2 风力机电力学原理1. 发电机原理 小型家用风力发电机常采用硅整流自励单相交流发电机，系统采用蓄电池组为励磁功供电，并在蓄电池组合励磁绕组之间串联励磁调节器。发电机的定子由定子铁心和 定子绕组组成，定子绕组为单相，Y型连接，放在定子铁芯内圆槽内。转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）和转子轴组成，转子铁芯可做成凸极式或形，一般都用爪形磁极，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。独立运行的小型风电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时风力机转速随之变化，与风力机相连的发电机的转速也随之变化，因而发电机的出口电压也会产生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又造成发电机出口电压的波动。这种连锁反应是的发电机的出口电压的波动范围不断增加。显而易见，如果电压的波动得不到控制，在向负载供电的情况下，将会影响供电质量，甚至损坏用电设备。此外独立运行的风力发电系统都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组的过充电，从而降低蓄电池组的使用寿命。发电机原理图如图2-6所示。图2-6风力发电机原理图2. 励磁调节器的工作原理励磁调节器的作用是使发电机能自动调节其励磁电流（即励磁磁通）的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。图2-7 励磁调节器原理图当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器V1不动作，其动断触点V1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状态；当风速加大，发电机转速增高，发电机端电压高于额定电压时，动断触电V1断开，励磁回路中被串入了电阻R2，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压随之下降；当发电机电压降至额定值时，触点V1重新闭合，发电机恢复到正常励磁状态。风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大超过额定值的状况，如果不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大的影响，甚至损坏发电机的定子绕组。电流继电器的作用是为了抑制发电机过负荷运行。电流继电器I1的动断触点I1串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电器的绕组；当发电机的输出电流低于额定值时，继电器不工作，动断触点I1闭合，发电机属于正常励磁状态；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点I1断开，电阻R2被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端的电压，并减小了负载电流。为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机励磁绕组送电，及蓄电池组由充电运行变为反响放电状态，这不仅会消耗蓄电池组所储电能，还可能烧毁励磁绕组，因此在励磁调节器装置内，还装有逆流继电器I2。发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力是动合触点I2闭合；当风速太低，发电机端电压低于蓄电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流所产生的总磁场的吸力减弱，是的动合触点I2断开，从而断开了蓄电池想发电机励磁绕组送电的回路。采用励磁调节器的硅整流交流发电机，与永磁发电机比较，其特点是能随风速变化自动调节输出端电压，防止产生对蓄电池组过充电，延长蓄电池组的使用寿命；同时还实现了对发电机的过负荷保护，但由于励磁调节器的动断、动合触点动作频繁，需对出头材质及断弧性能做适当的处理。而且用该交流发电机进行发电时，发电机的转速必须达到在该转速下的电压时才能对蓄电池组充电。3. 整流原理由于风力的不稳定导致风力机输出的交流电频率不稳定，故其不能直接被负载利用，需要先将风力机输出的交流电整流成直流电再逆变成交流电被用户利用。目前在所有的整流电路中采用最广泛的是单相桥式全波整流电路，单相桥式整流电路由4个二极管接成桥式电路，RL为负载电阻。单相桥式全波整流电路图如图2-8所示。图2-8单相桥式全波整流电路图在U2的正半周，其极性为上（+）下（-），即a点的点位高于b点时，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由a经D1R1D3b形成通路，。此时，电源电压全部加在负载电阻RL上，得到一个半波电压；D2和D4则承受反向电压。在u2的负半周，其极性与上述相反，即b点的电压高于a点时，D2、D4导通，D1、D3截止，电流由b经D2RLD4形成通路。同样，在负载电阻RL上也得到一个半波电压；D1和D3则承受反向电压。有上述可见，尽管U2的方向是交变的，通过负载RL的电流io及其两端电压U0的方向都不变，因此在负载上得到大小变化而方向不变的脉动直流电流和电压。4. 逆变原理在独立运行的风力发电系统中通常需要将直流电再变换成交流电，这种变换过程叫逆变，具有逆变功能的电力电子设备称为逆变器，逆变器还具有自动稳压功能，可改善系统的供电质量。逆变原理如下所示。 图2-9 逆变原理图逆变器将直流电转换为交流电的逆向过程，是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用来实现的。最基本的逆变电路是单相桥式逆变电路，本设计亦采用此逆变路图，其电路图如下所示。 图2-10单相桥式逆变电路Ud为输入直流电压，Uo为输出交流电压，R为逆变器的输出负载。当开关管T1、T4闭合，T2、T3断开时，逆变器输出电压Uo=Ud；当开关管T1、T4断开，T2、T3闭合时，输出电压Uo=-Ud。当以频率Fs交替切换开关管T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得交变电压波形，其周期Ts=1/fs。这样，就将滞留电压Ud变成了交流电压Uo。Uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器获得。2.3 本章小结本章主要分析了风力发电机的基本结构和基本原理。掌握了风力发电机重点部位的基本构造和作用。从空气动力学和电学两方面分析了风力发电机的发电原理，理解了风力机风轮叶片的受力情况，掌握了发电机、整流和逆变的电学原理，为后续进行风力机的设计做准备。第3章 风力机结构设计3.1 电气部分的设计3.1.1 发电机的设计风能转换系统中使用的传统异步发电机向电网输送电能时，作为恒输出功率的异步发电机以超同步转速运行。这个特征在速度高于电机额定转速时损失了风能，也就是说，该系统是作为恒频风能转换系统运行的。为使异步发电机作为一种变速、恒频装置运行，将其转子回路与一个整流器、一个直流耦合变换器和一个有源逆变器相连，使转子回路的转差频率交流电流由半导体整流器整流为直流，再经逆变器把直流变为工频交流送到交流电网中去。这种能量既可以由定子、也可以由转子送到交流电网中，故称双输出异步发电机。此时整流器和逆变器两者组成了一个从转差频率转换为工频交流的变频装置。控制逆变器的逆变角，就可以改变逆变器的电压。该异步发电机是作为一台双输出感应发电机以超同步速度运行的。这实际上是异步发电机的串级调速在风能转换系统中的实际应用。双输出异步发电机的工作原理工作原理如图3-1所示 。图3-1发电机的工作原理图3.1.2 三相异步发电机电磁计算（1）额定功率 600 KW（2）额定电压 =690 V ； 398.4 V（3）功电流 = 502.04 A（4）效率 （5）功率因数 （6）极对数 2 （7）定、转子槽数 48 , 40 (取 4 )（8）定、转子每极槽数：定子 12转子 10 （9）定、转子每极每相槽数：定子 4转子 10/3（10）定子外径：由经验公式可得2极对小型电机满载电势标么值 0.975计算功率： 664.773 VA初选 0.72 ，1.12 ，0.98，46000 A/m , =0.72 T,假定=1450 r/min.于是得： 0.10685 取0.74 则 0.569 m =1.015m根据标准尺寸最后确定 1.02 m（11）定子内径 0.57 m 铁心的有效长度 0.329 m 取铁心长 0.325 m （12）气隙 由经验公式 1.02m（13）转子外径 0.568 m（14）转子内径 0.08 m（15）铁心有效长度（无径向通风道） 0.325+21.02=0.327m（16）极距 =0.4477 m（17）定、转子齿距：定子 0.0373 m转子 0.0448 m（18）定子绕组采用单层绕组（19）转子斜槽宽 （取一个定子齿距）于是 0.0375 m（20）每相导体数 =48 单层线圈每相线圈匝数=3（21）每相串联导体数 48 每相串联匝数 24（22）绕组线规设计 98.36 570.5 A（23） 槽满率 ： 初步取1.5 T 估计定子齿宽 0.01885 m 初步取 1.5 T =0.977m =0.0196 m （取 ） （）1）槽面积 0.00217 （）2）槽绝缘占面积： 单层 0.00059 3）槽有效面积 0.00158 （24）绕组系数 1）分布系数 2）短距系数 1 所以 10.92540.9254（25） 每相有效串联导体数 480.9254 44发电机采用市场购买的方式，其价格在1000元左右。实物图如图3-2所示。 图3-2 发电机实物图电机的基本参数如表3-1所示。表3-1. 电机基本参数电机基本参数额定输出功率600KW额定功率因数0.88额定电压690V极数4极频率50HZ效率0.9594转速1490转最大转矩2.45牛米槽满率 0.78电路类型三相星型定转子结构基本参数如表3-2所示。表3-2定转子结构基本参数定子结构基本参数转子结构基本参数定子槽数48转子槽数40定子外径1.02 m转子外径0.568m定子内径0.57m转子内径0.08m定子槽型短距槽铁心长 0.325m定子齿距0.0373 m转子齿距0.0448m定子齿磁密1.7276 T转子齿磁密1.6115T定子轭磁密1.0260 T转子轭磁密1.4613T3.2 机械部分设计风力发电机的机械部分主要包括风轮叶片、齿轮箱以及塔架构成。机械部分主要是承受风力、自身重量和进行加速。3.2.1 风轮叶片风轮一般由23个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件，同时轮毂也是控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）的所在。在三维设计软件solidworks软件中利用放样特征可得到叶片，其实物设计后的三维模型如图3-3所示。 a)实物图 b)三维模型图图3-3 风轮叶片3.2.2 加速齿轮箱由于风轮叶片旋转速度一般不是很高，这样的速度带动发电机发电不是很理想。所以要经过齿轮箱变速。齿轮箱是一级加速齿轮箱，主要包括大小两个齿轮、齿轮轴、轴承以及润滑和密封装置。大小齿轮的三维模型如图3-4所示。 图3-4 大小齿轮三维模型3.2.3 塔架设计风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。其三维模型如图3-5所示。 图3-5 塔架三维模型3.3 本章总结本章主要进行了风力机电气和机械部分的设计，电气部分主要设计了发电机的主要参数。通过对发电机各个理论部分的设计，对电学原理有了更进一步的认识。机械部分主要设计了叶片、齿轮箱和塔架。三维设计主要采用三维设计软件solidworks，通过风力机机械部分的设计，对运用三维设计软件的能力有很大的提升。第4章 风力机控制系统的设计风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。采用全变桨距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著和改善。由风力发电机组的变桨距系统组成的闭环控制系统，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行反馈控制，或电功率反馈控制。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等使风机控制向更加智能方向发展。本设计的控制系统主要讨论变桨系统。 变桨系统是现代大型风机的重要组成部分。变桨伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环，在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用。它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节。在低风速起动时，桨叶节距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功率输出保持稳定。变桨系统主要由PLC、交流伺服系统、交流伺服电机、绝对式位置编码器等组成，并由UPS作为后备电源。结构上分成一个控制箱、三个轴箱、三个蓄电池箱共七个电气箱。4.1 变桨系统的控制原理在发电机并人电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并人电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给小相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图4-1所示: 图41 控制系统分布图当风力发电机组并人电网前，由速度控制器A给出；当风力发电机组并人电网后由速度控制器B给出。4.1.1 变矩控制变距控制系统实际上是一个随动系统，其控制过程如图42所示。变桨距系统的执行机构是控制电机即上章所选的交流永磁伺服电动机，节距控制器的输出信号给S7-200后变成脉冲信号控制电动机，驱动齿轮箱，推动变桨轴承，使桨叶节距角变化。轴承转动的角度反馈信号由磁电式编码器测量，经转换后输入比较器。与电机上的光电编码器的输出信号进行比较以确定系统的准确与稳定性。4.1.2 转速控制转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图43所示在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升，控制器也用于在额定转速1750rpm时的控制。当发电机转速在额定转速以上3分钟时发电机将切入电网。 图4-3 转速控制控制器包含着常规的PD和PI控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线性化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。发电机转速通过主轴上的转速传感器测量，每个周期信号被送到PLC作进一步处理，以产生新的控制信号。4.1.3 功率控制为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，变桨距风力发电机组采用了RCC(Rotor Current Control)技术，即发电机转子电流控制技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。（1） 功率控制系统功率控制系统如图4-5所示，它由两个控制环组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。发电机的功率参考曲线，参考功率以额定功率的百分比的形式给出，在点画线限制的范围内，功率给定曲线是可变的。内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。如果功率参考值是恒定的，电流参考值也是恒定的。 图45 功率控制系统（2） 转子电流控制器原理图4-5 所示的功率控制环实际上是一个发电机转子电流控制环，如图4-6 所示转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值,通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1到10%的变化，相应的转子平均电阻从0到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率的变化。 图4-6 转子电流控制系统为了进一步说明转子电流控制器的原理，我们从电磁转矩的关系式来说明转子电阻与发电机转差率的关系。从电机学可知，发心机的电磁转矩为 （41）式中P电机极对数； 电机定子相数； 定子角频率，即电网角频率； 定子额定相电压； s转差率； 定子绕组的电阻； 定子绕组的漏抗； 折算到定子侧的转子每相电阻； 折算到定子侧的转子每相漏抗。由上式可知，只要/s不变，电磁转矩就可保持不变，从而发电机功率就可保持不变。因此，当风速变大，风轮及发电机的转速上升，即发电机转差率s增大，我们只要改变发电机的转子电阻，使/s保持不变，就能保持发电机输出，功率不变。4.2 PLC的设计PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新、性价比也越来越高。目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的有美国的AB通用电气、莫迪康公司；日本的三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国的西门子公司；法国的施耐德公司；韩国的三星、LG公司等。当然随着中国企业的崛起和发展，国产的PLC也已经在该领域崭露头角，显示出巨大的竞争力。然而由于历史原因及涉及到巨大的商业利益，各个商家生产的PLC在结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等方面各有自己的特点难以统一规范，应用的场合也是各有侧重。这使得根据具体的工业环境、工艺流程的特点和具体的应用要求合理的选择PLC 机型从而提高PLC 控制系统的技术、经济指标就显得尤为重要。根据风力机变桨控制系统的特定环境、工艺流程以及应用要求估算出输入输出点数、所需存储容量、进行PLC 机型进行选型并由此大体规划实现控制要求的程序流程图。当然对PLC 的选型不可能兼顾到问题的方方面面，本文只需抓住主要矛盾，从大处着手即可，而对其他的旁枝末节可以不予特别考虑。（1）输入输出点数的估算风力机变桨控制系统数字输入点数有8个，均为常开开关，其中I0.0为高速计数器HSC0的计数进口，HSC0采集磁电式传感器的输出脉冲；I0.2为正常停机开关；I0.3为快速停机开关；I0.4为紧急停机开关；I0.6为高速计数器HSC1的计数进口，HSC1采集伺服电机上光电编码器的输出脉冲；I1.0为90处的行程开关；I1.1为93处的行程开关；I1.2为高速计数器HSC2的计数进口，HSC2采集叶轮上光电编码器的输出脉冲。风力机变桨控制系统模拟输入点数有1个，采集风速，存入AIW0中。风力机变桨控制系统数字输出点数有6个，其中Q0.0输出高速脉冲串，驱动伺服电机实现精确控制；Q0.2控制伺服电机旋转方向，当Q0.2为高电平时，电机正转，当Q0.2为低电平时，电机反转；Q0.3为并网开关，Q0.3闭合后，发电机组并入电网中；Q0.4为切入变频系统开关；Q0,5为切入功率控制开关，当叶轮转速达到额定转速后，进行变桨和功率联合控制；Q0.6为液压刹车开关，当紧急停机时，叶轮转速小于5r/min时，启动液压刹车，使叶轮停止转动。 （2）控制功能选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能、和处理速度等特性的选择。运算功能：简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC还有模拟量PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用出发，合理选用所需的运算功能。在控制煤炭运输的集散控制系统中，控制分站除了能够进行开关量I/O的逻辑运算、以及延时或定时的计时功能以及计数功能外，还要包括数据移位、比较等运算功能同时由于要对胶带的速度、滚筒附近的温度、以及电机各相电流等模拟量进行检测和处理因此还需有代数运算、数据传送等功能。由于没有模拟量输出，所以不需要具有PID运算和其它高级运算功能。通过以上综合的考虑分站，达到上述功能至少需要具有数据运算能力的中型机。控制功能：控制功能包括PID控制运算、前馈补偿运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。在本集散控制系统中的控制分站中需要顺序逻辑控制等常用的控制功能即可。通信功能：大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE/通信标准，应是开放的通信网络。由上文知该集散控制系统各个站点之间的通信主要通过PROFIBUS-DP总线，因此PLC设备中应集成PROFIBUS-DP接口，当然也可以通过通信处理模块(CP)连接到PROFIBUS-DP。编程功能：离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。诊断功能：PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。处理速度：PLC采用扫描方式工作，从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、响应要求快的需要。（3）PLC的结构形式PLC虽然型号多种多样，但从结构形式上分类可分为两类：整体式和模块式。整体式PLC是将其电源、CPU、存储器、I/O单元和指示灯等集中安装在一个箱体内，构成主机。如西门子公司的S7-200等。整体式PLC的特点是结构紧凑，体积小，价格低，安装方便，I/O点数固定，实现的功能和控制规模固定，但灵活性较差。而模块式PLC是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。各个模块安装在总线槽内，之间通过背板总线进行连接。模块式PLC的特点是配置灵活，安装、扩展、维修都很方便。西门子公司的S7-300、S7-400都属于模块式PLC。但价格上比较昂贵。从系统自身考虑，主要进行变桨系统的桨叶控制，涉及的输入输出也不多；再加上主控柜的空间有限。从整体考虑，性价比上倾向于S7-200。西门子公司的SIMATICS7一200系列属于小型可编程使用的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7一200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置控制器、RS一485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到248点数字量U26KB程序和数据存储空间。s7一200在下列领域已经得到了广泛的应用:机床电气机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、供水和过程系统中各种泵和电磁阀的控制I2v等。系统特殊的场所、工艺流程、控制功能等环境对输入输出点数、存储器容量、控制功能、结构形式等要素的分析，本文在变桨系统中对西门子S7-200众多型号中选择了CPU模块为 CPU224，其端子接线图如图47所示。它的各个性能参数都能很好满足变桨系统的控制需求。图4-7 端子接线图S7200PLC由基本单元（S7-200CPU模块）、个人计算机或编程器STEP7/WIN32编程软件以及通信电缆等构成。该产品指令丰富、速度快、具有较强的通信能力。本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。根据以上的分析，本文设计的变桨控制系统的接线图如图48所示。图4-8 变桨控制系统的接线图4.3 单片机程序设计控制系统的硬件设计以及选型完成后，接下来便是软件部分的设计与开发。本控制系统软件部分的设计主要是变浆系统的控制过程。任务分析：我们要在以下不同的风机运行状态下进行变桨控制1、静止起动状态下的变桨调节 桨距角调节至50迎风； 开桨速度不能为2 /s; 顺桨速度不能为5 /s; 变桨加速度为10 /s； 目标：叶轮转速升至3 rpm(低速轴） 2、起动加速状态下的变桨调节 桨距角在（50 ，0）范围内调节迎风； 开桨速度不能超过2 /s; 顺桨速度不能超过5 /s; 变桨加速度不能超过20 /s； 目标：叶轮转速升至10 rpm(低速轴） 3、加速并网发电状态下的变桨调节3.1 低于额定功率下的变桨调节 桨距角在维持0迎风； 开桨速度不能超过2 /s; 顺桨速度不能超过5 /s; 变桨加速度不能超过20 /s； 变频系统通过转矩控制达到最大风能利用系数， 目标：叶轮转速升至17.5 rpm(低速轴） 3.2 达到额定功率后维持满发状态运行 桨距角在（10，0）范围内调节； 开桨速度为5 /s; 顺桨速度不能超过5 /s; 变桨加速度不能超过20 /s； 通过变桨控制和使机组保持额定输出功率不变， 目标：叶轮转速保持17.5 rpm(低速轴）4、运行到停机状态下的控制任务4.1 正常停机 叶片正常顺桨至90； 变桨主控柜的顺桨命令通过轴柜执行； 顺桨速度控制为5 /s; 叶轮空转，机械刹车不动作； 4.2 快速停机 叶片快速顺桨至90限位开关处； 变桨主控柜的顺桨命令通过轴柜执行； 顺桨速度控制为7 /s; 叶轮空转，机械刹车不动作；4.3 紧急停机叶片紧急顺桨至90或93 限位开关 ； 紧急顺桨命令通过蓄电池柜执行； 顺桨速度为100/s。 叶轮速度下降到5rpm时，液压刹车动作。独立变桨：三个叶片通过各自的轴柜和蓄电池柜实现开桨和顺桨的同步调节；如果某一个驱动器发生故障，另两个驱动器依然可以安全地使风机顺桨并安全停机。4.4 设计准则变桨控制系统的设计应依据一下几个设计准则：1）安全可靠 变桨系统的稳定性是最重要最基本的要求。因为如果控制系统不稳定，则很容易造成整个风力机的风叶角度不受控制，从而产生飞车、风力机着火等严重后果。因此，在选购和设计硬件时应充分考虑环境因素（温度、湿度、粉尘、电磁干扰等）对控制设备的影响，保证控制设备在特定的工作环境下
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