风力发电机转矩系统控制

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IAbstract II第一章绪论 11.1风能 11.1.1风能的特点 21.1.2风能的特点 21.2风力发电的发展 31.2.1中国风力发电的发展概况及前景 31.2.2国外风力发电的发展概况及前景 61.3风力发电技术概述及其发展现状 9第二章风力发电机的结构与基本理论 122.1风力发电机组总体概述 122.1.1风力发电机的结构及各组成部分的功能 122.1.2风力机分类 162.2风力机的工作原理及其受力分析 182.3风力发电机组的控制系统 212.4变桨距控制理论研究 232.4.1风力发电机变桨距技术介绍 232.4.2变桨距控制理论 242.4.3变桨距控制过程 25第三章风力发电机转矩控制系统简介 273.1转矩控制系统的设计 273.1.1风力机输出功率特性 273.2风力机转矩与转速特性曲线 283.3转矩与转速的测量 283.3.1转矩测量方法 293.3.2应变测量原理 293.3.3转速测量方法 32第四章转矩控制系统硬件电路设计 344.1系统设计总方案 344.2各模块的的工作原理 354.2.1功率模块 354.2.2增量式编码器 384.2.3接近开关 394.2.4PLC的简介 414.3硬件主电路图 48第五章转矩控制软件设计与系统仿真分析 495.1转矩控制系统软件设计流程图 495.2主程序 505.3结果与分析 57第六章总结与展望 58参考文献 60致谢 61绪论能源是人类生存的基本要素，国民经济发展的主要物资基础。由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，风能作为取之不尽、用之不竭的清洁绿色能源已深受全世界的重视。风力发电技术也随之得到迅猛发展，兆瓦级变速恒频变桨距风力机组已经成为当今国际社会风力发电机组的主流产品。我国风力发电起步较晚，但由于国家政府的重视，正大力发展风力发电及其相关的技术研究。随着风电技术的进步和风电场的开发，我国风电产业开始形成。目前风电场的全年发电量近8亿度，已形成产值20多亿元，在社会经济生活中产生了一定的影响，不仅对当地能源供应结构和减少环境污染产生了影响，而且对促进地区经济的发展和增加新的就业机会也做出了实际贡献。风能能源危机以来，人们的绿色环保意识的加强，世界风电事业迅速发展，装机容量迅速增加，风电产业不断扩大。中国是耗能大国，而石油、煤炭已不能满足日益增长的能源需求。在各种能源中，风能是利用起来比较简单的一种，它不同于煤、石油、天然气，需要从地下采掘出来；也不同于水能，必须建造大坝来推动水轮机运转；也不像核能那样，需要昂贵的装置和防护设备。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气对流运动形成风。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2％转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源储量丰富，据初步估算我国陆上离地面10m高度层的风能资源总储量为32260000MW，可开发量为2530000MW；近海（水深不超过10m）区域，离海10m高度层的风能储量约为7500000MW。因此从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。风能的特点矿物燃料在利用过程中排放CO2、SO2、NO、CO等气体，造成了严重的环境污染，导致温室效应，产生酸雨等现象。目前，各国对环境保护、能源短缺等问题日益关注，均在努力发展风力发电，促进可持续发展，减少有害气体排放。风力发电既有效地利用了自然资源，又保护了自然环境，还解决了偏远地区人们的用电需求。风能的特点虽然风能是一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染的可再生能源，且蕴藏量巨大，但是，利用风能发电比用水力发电困难得多，这是由于风能具有以下特点：(1)风能的能量密度小。为了得到相同的发电容量,风力发电机的风轮尺寸比相应的水轮机大几十倍。适合进行风力发电的风能密度一般为0.2~0.5kW/m2。(2)风能的稳定性差。风能属于过程性能源，具有随机性、间歇性、不稳定性，风速和风向经常变动，它们对风力发电机的工况影响很大。一般风力发电机的起动风速约3m/s，停机风速约25m/s，即3~25m/s为有效风力区，在有效风力区内，为得到较稳定的输出电能，风力发电机必须加装调速、调向和刹车等调节和控制装置，这对10kW以下小型机组比较简单，对于100kW以上的中大型机组，就增加了许多实际困难。(3)风能不能储存。对于单机独立运行的风力发电机组，要保证不间断地供电，必须配备相应的储能装置。10kW以下小型机组，一般配置蓄电池，或与其他形式的能源如太阳能PV光伏电站、柴油发电机组等构成混合发电系统。对于大型风力发电机组，虽然可以采用飞轮储能或压缩空气等储能措施，但目前几乎全部考虑与大电网并联运行，以避开储能问题。(4)风轮的效率较低。风轮的理论最大效率为59.3％，实际效率会更低一些，统计显示，水平轴风轮机通常在0.2~0.5范围内，垂直轴0.3~0.4。显然，要提高风轮的出力，只有靠增大风轮的半径，或装在风速较大的地点。对风电场而言，风力发电机组的年平均利用小时数不能低于2000小时，即单机容量为660kW的风电机组年发电量不能低于1320MWh才具有商业开发价值。若能达到2500小时，则该风电场具有良好的商业开发价值，超过3000小时的风电场称为优秀风电场。风电最大缺点是不稳定，大量建设风电会给电网调度带来困难，需要统一的电网进行管理和调度。风能利用上的困难，使得风力发电系统的技术和管理出现了一些特殊问题。实际上，风电系统所发出的电能，若不加以控制，并不具备太大的商业使用价值，若直接并入电网，是对电网的一种污染—绝大多数情况下，只对电网的谐波有贡献，直接影响局部电网运行的稳定性。近年来由于控制技术、电力电子技术及新材料技术的飞速发展和广泛应用，为风能的利用创造了有利条件，风力发电技术也得到了长足进步。风力发电的发展中国风力发电的发展概况及前景中国人口众多，能源资源相对匮乏。中国人口占世界总人口的20％，己探明的煤炭储量占世界储量的11％、石油占2.4％、天然气仅占1.2％，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为十分之一。中国拥有的石油、天然气剩余可采储量人均都在世界40位之后，且勘探开发成本持续上升；煤炭的剩余可采储量也不足百年之用。但中国现在己是世界上第三大能源生产国和第二大能源消费国，中国能源消费排放的二氧化碳约占各种温室气体总排放量的80％。中国温室气体排放量约占全世界总排放量的13％，仅次于美国之后居世界第二位。中国按人均和全国面积平均，温室气体排放量很低，但中国随着能源消费量增加而引起的温室气体排放量的增加正引起全球的瞩目。国际能源组织预计中国二氧化碳排放量有可能在2030年前后超过美国。中国是世界环发大会《联合国气候变化框架公约》的签字国，有义务根据可持续发展战略，努力减缓温室气体排放的增长率，因此中国政府十分重视和强调发展洁净能源技术。中国陆地可开发利用的风能在2.5亿kW以上，近年来己建成26处风力发电场，1994年并网风电机组装机30MW，年发电量7500万kWh，到2000年底，并网风电机组装机容量己达到344MW，年发电量约86亿kWh，同时还有13万台小型独立运行的风力发电机在广大牧区、海岛、有风无电的边远地区运行。风力发电作为我国电力结构中的新型分布式供电系统，以其灵活、实用的方式，为经济发展注入活力，取得了可观的经济效益和巨大的社会效益。近几年来我国风电产业迅猛发展，如图1.1所示。到2007年底，中国风电装机将达到500万kW，提前3年完成原定2010年的目标，中国政府目前公布的风电发展目标是2020年将达到3000万kW。

图1.12002~2007年全国风电总装机容量中国的风电资源不仅丰富，而且分布基本均匀。东南沿海及其岛屿、青藏高原、西北、华北、新疆、内蒙古和东北部分地区都属于风能储藏量比较丰富的地区，而甘肃、山东、苏北、皖北等地区也有相当大比例的风能资源可以有效利用。我国陆地上从新疆、甘肃、宁夏到内蒙古，是一个大风力带；同时还有许多大风口，如张家口地区，鄱阳湖湖口地区、云南大理等。这些为风能的集中开发利用提供了极大的便利。我国风能资源开发利用较早，但早期主要是以分散、小规模试验和示范形式，规模化风力发电场的建设始于上世纪90年代，大体可分为三个阶段：第一阶段是1986～1990年，是我国风电项目的探索和示范阶段，其特点是项目规模小、单机容量小；第二阶段是1991～1995年，为示范项目取得成效并逐步推广阶段；第三阶段是1996年后，为扩大建设规模阶段。

截至2005年底，我国除台湾省外建成风电场62个，安装风电机组1864台，总装机容量为126.6万千瓦，排在世界第8位、亚洲第2位。

1976年我国第一台国产18kW风力发电机组并人浙江省泗礁岛电网试运行，1983年山东荣城引进3台Vestas-55kW风力发电机组，1986年新疆达板城安装1台Micon-100kW风力发电机组，1989年新疆达板城安装13台Bonus-150kW风力发电机组，内蒙古朱日和安装5台美国Windpower-100kW风力发电机组。2004年，我国新装机的风力发电容量为197MW，总装机容量为760MW。国家政策对于风电的大力扶持，为我们进一步描绘了风电行业未来的发展蓝图。在首届中国能源国际国锋论坛”发布的《中国新能源产业年度报告》中已经明确指出：中国将大幅度提高新能源在整个能源消费中的比例，2050年中国30%以上的能源需求将依靠新能源来满足，其中，风力发电在30年后发电装机可能超过核电，成为第三大发电电源，2050年后可能超过水电，成为第二大主力发电电源，形成3.5亿千瓦的装机能力。据中国风能协会公布的数据，截至2006年底，我国已建成91个风力发电场，总装机容量2599兆瓦。国家发改委日前(9月4日)发布《可再生能源中长期发展规划》。《规划》称，预计实现2020年可再生能源中长期规划任务，将需总投资约2万亿元。《规划》指出，要逐步提高优质清洁可再生能源在能源结构中的比例，力争到2010年使可再生能源消费量达到能源消费总量的10%左右，到2020年达到15%左右。目前，可再生能源规模只有8%。

我国风电发展势头迅猛，预计2020年前全球风电累计装机将以20％的增长率增长。欧洲风能协会和绿色和平组织进一步确认：届时风电装机可达到12.6亿千瓦，风电电量达3.1万亿千瓦时，占2020年总发电量的12%。

中国风能协会理事长贺德馨在向“2007世界太阳能大会”提交的论文中说，2010年之前，我国将进入风力发电大发展时期

。贺德馨指出，预计到2010年底，中国发电总装机容量将达到5000兆瓦，电力行业的高速发展将带动风电产业步入快车道。从2010年到2020年，我国将掌握自主知识产权的兆瓦级风电机组的设计和制造技术。到2020年，我国风电装机容量将达到3万兆瓦，并冲击5万兆瓦，届时风电的成本将接近传统发电方式。到2030年，我国风电总装机容量将达到10万兆瓦，风电将作为重要的清洁能源，逐渐成为我国电力供应的支柱之一，广泛应用于工业和其他领域。

国外风力发电的发展概况及前景1973年发生石油危机以后，西方发达国家为寻求替代石化燃料的能源，在风力发电技术的研究与应用上投入了相当大的人力和资金，充分综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的最新成果，开创了风能利用的新时期。德国、美国、丹麦等国开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展了变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用了新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出了变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台和多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率和可靠性。风电场是大规模利用风能的有效方式，20世纪80年代初在美国加利福尼亚州兴起。而海岸线附近的海域风能资源丰富，风力强，风速均匀，可大面积采获能量，适合大规模开发风电。然而在海上建造难度也大：巨大的基座必须固定入海底30m深度，才能使装置经受得住狂风恶浪的冲击；水下的驱动装置和电子部件必须得能防止高盐度海水的腐蚀；与陆地连接还得需要几公里长的海底电缆。从风电装机容量看，德国的风力发电装机容量已达610.7万kW，占德国发电装机容量的33%，居世界第1位。西班牙风电装机容量283.6万kW，居世界第2位。美国风力发电装机容量已达261万kW，居世界第3位。丹麦风电技术也很先进，装机容量234.1万kW。印度风电增长很快，到2000年累积装机容量已达到122万kW。日本的风电装机容量46万kW，运行较稳定的是海岸线或岛上的风力发电站，已达576台风电设备。从各国的风力发电政策看，目前风电机组成本仍比较高，但随着生产批量的增大和技术的进一步改进，成本将会继续下降(见表1.1)。许多国家建立了众多的中型和大型风力发电场，并形成了一整套有关风力发电场的规划方法、运行管理和维护方式、投融资方式、国家扶持的优惠政策及规范、法规等。表1.1世界风电装机容量（万kW）和发电成本（美分/kW·h）年份19831985198719891991199319951997199819992000容量1494144171216298478764101513931845成本15.35.15.04.94.8欧洲发展风电的动力主要来自于改善环境的压力，将风电的发展作为减少二氧化碳等气体排放的措施。德国、丹麦、西班牙等国都制定了比较高的风电收购电价，保持了稳定高速的增长，1996年以后年增长率超过30%，使风电成为发展最快的清洁电能。丹麦风电技术的发展策略是政府不直接支持制造厂商，而是对购买风电机组的用户提供补贴。英国的《可再生能源责任法规》要求到2010年，每个电力供应商必须使可再生能源的电力供应量达到总电量的10%。美国政府为鼓励开发可再生能源，在20世纪80年代初出台了一系列优惠政策。联邦政府和加利福尼亚州政府对可再生能源的投资者分别减免了25%的税赋，规定有效期到1985年底，另外立法还规定电力公司必须得收购风电，并且价格应是长期稳定的。这些政策吸引了大量的资金采购风电机组，使刚刚建立起来的丹麦风电机组制造业获得了大批量生产和改进质量的机会。到1986年这3个风电场的总装机容量达到160万kW。2002年美国德州的风电容量为118万kW。德州政府规定，到2009年可再生能源的发电容量至少应达到200万kW，并拟订了110.4万kW的风电建设计划。美国风能协会日前发表的最新年度报告指出，美国风力发电新增装机容量连续3年排名世界第一，2007年美国风力发电的新增装机容量达5244兆瓦，较上年增加45%，占当年美国新增装机发电总容量的30%。这些新装机容量在2008年将提供1600万兆瓦的清洁电力，满足150万个美国家庭的照明、供暖和家电等日常生活用电。而来自全球风能理事会的统计资料显示，全球风力发电的累计装机容量截至2007年底已达9.41万兆瓦，比上一年的7.41万兆瓦增加27%，预计到2012年全球风力发电的累计装机容量将达24.03万兆瓦。全球风力发电风起云涌，方兴未艾，呈现出一派欣欣向荣之势。风力发电已成为世界各国和地区新建发电厂的“主流选择”之一。印度是一个缺电的发展中国家，政府制定了许多鼓励风电的政策，如投资风电的企业，可将风电的电量储蓄，在电网拉闸限电时，使有储蓄的企业能够得到优先供电。澳大利亚的发电能源主要依靠煤炭。政府为改善电能结构，制定了一项强制性的可再生能源发电计划，太阳能—风力电站将成为可再生能源利用的重要组成部分。全球风能资源蕴藏量巨大，约达27.4亿兆瓦，其中可利用的风能为2000万兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能的利用，主要是风力发电，即利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。根据美国能源部的测算，美国风能每年可发电6亿兆瓦时，可供应美国20%的电力。从理论上说，仅美国北达科他一个州的风力发电量就可满足美国1/3的电力供应。目前全世界的风电装机容量正在以每年25%以上的增速高速增长，越来越多的国家开始致力于这一完全清洁能源的开发。而且，令人振奋的是，截止到目前，我们所开发的风能仅仅占了可开发的总量的极小的一部分。大自然对于善待她的人无疑是非常慷慨的。据测算，以欧洲和中国为例，如果完全开发，仅这两个地区拥有的海岸风能，能满足区域内全部的电力需求。所以，也许对于风能来说，现在的一切只不过是刚刚开始。风力发电技术概述及其发展现状风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机。按风力机的控制方式划分，风力发电技术大体可分为定桨距失速调节和变桨距调节两种。（1）定桨距失速调节技术定桨距风力发电机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的，这一限制，使得风力发电机组的功率曲线上只有一点具有最大功率系数，这一点对应于某一个叶尖速比。当风速变化时，功率系数随之改变。而要在变化的风速下保持最大的功率因数，必须保持转速和风速之比不变，也就是说，风力发电机组的转速要能跟随风速的变化。这种技术的基本原理是利用桨叶翼型本身的失速特性，即高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶表面产生涡流，降低效率，从而自动地将功率限制在额定值附近。实际上，当风速高于额定风速时，很难做到功率恒定，通常有些下降，如图1.2所示。变浆距风力发电机组定浆距风力发电机组图1.2变浆距和定浆距调节特性这种方式调节简单可靠，控制大大简化。但是，定桨距风力发电机组存在低风速时的运行效率低的问题。在整个运行风速范围内（3m/s≤v≤25m/s）,由于气流的速度是不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，就必然要使风轮在低风速时的效率降低（若设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态）。同时，发电机本身也存在低负荷时的效率问题，尽管目前用于风力发电机组的发电机已能设计的非常理想，它们在P>30%额定功率范围内，均有高于90%的效率，但当功率P<25%额定功率时，效率仍然会急剧下降。为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机，即采用两个不同额定功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区，小功率低转速的发电机工作于低风速区，从而提高低风速区的运行效率。（2）变桨距调节技术从空气动力学角度来考虑，当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定，同时，风力机在起动过程中也需要通过变距来获得足够的起动转矩，这就是风力机的变桨距调节技术。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点，如图1.2所示。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于0°附近，不作变化，可认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的输入功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调节叶片节距角，将发电机的输入功率限制在额定值附近。由于大型风力发电机组的单个叶片已重达数吨，变桨距调节的响应速度要跟上风速的变化是相当困难的。变桨距调节机构对风速有一定的时延，在阵风出现时，容易造成风机瞬时过载，不利于风机的运行。从图1.2还可以看出，同样的两台风力机组，在相同的额定功率点，采用变桨距调节技术的机组额定风速要比采用定桨距失速调节技术的机组低。对于定桨距风力发电机组，一般在低风速段风能利用系数较高，风速过额定点后，其风能利用系数，开始大幅度下降。这时随着风速的升高，桨叶开始失速，功率反而有所下降。对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，无需担心风速超过额定点后的功率控制问题，可以使得额定功率点后仍然具有较高的风能利用系数。风力发电机的结构与基本理论风力发电机组总体概述风力发电机的结构及各组成部分的功能风力机就其整体结构来看，除去风轮转子(桨叶)这一捕获风能并将其转化为机械能输出的主要部件外，还包括塔架、机舱、回转体、升速齿轮箱、调速装置、偏航系统及刹车系统等。图2.1为风力发电机组在并网情况下应用的总体结构示意图。图2-1风力发电机组结构总图在风力发电机正常运行过程中，风用在桨叶上产生旋转力矩使其转动，由此变成机械能，进而通过其他机械结构如增速齿轮箱驱动发电机发电。一：桨叶系统风能是随机性能源，当风力变化时，风力机轴上输出功率也将随之发生变化，因此如何调节风力机的输出功率对并网运行的风力发电机而言是十分重要的关键技术之一。对于水平轴风力机，功率调节方式可分为两类，即变桨距功率调节与定桨距失速功率调节。(1)定桨距系统就是根据计算所得的实际安装角将其固定到轮毅上，不能变动叶片安装角。其尖部安装有叶尖扰流器，在需要制动时打开。由于叶尖部分处于距离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。(2)变桨距系统就是叶片用可转动的轴安装在轮毅上，轮毅上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。二：齿轮箱系统桨叶的转速达不到发电机所需的同步转速，这就需要增速箱。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机。增速箱的特点是：(1)高速级采用行星架浮动，低速级采用太阳轮浮动，这样使结构简化而紧凑，同时均载效果好。(2)输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小，但第二章风力机的结构与基本理论极数愈多，发电机的效率也就越低。国外一般采用2-4极的发电机。同时在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。三：发电机系统现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。所以，有些风力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。但是在目前，这种电机在设计和制造上仍然存在一些难题。四：偏航系统偏航系统是用来调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构，因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大。五：解缆装置自然界中的风是一种不稳定的资源，它的速度与风向是不定的。由于风向的不确定性，风力发电机就需要经常偏航对风，而且偏航的方向也是不确定的，由此引起的后果是电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果风力发电机多次向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此必须设法解缆。不同的风力发电机需要解缆时的缠绕圈数都有其规定。当达到其规定的解缆圈数时，系统应自动解缆，此时启动偏航电机向相反方向转动缠绕圈数解缆，将机舱返回电缆无缠绕位置。若因故障，自动解缆未起作用，风力发电机也规定了一个极值圈数，在纽缆达到极值圈数左右时，纽缆开关动作，报纽缆故障，停机等待人工解缆。在自动解缆过程中，必须屏蔽自动偏航动作。自动解缆包括计算机控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作计算机报警两部分，以保证风电机组安全。凸轮控制的自动解缆过程如下：根据角度传感器所记录的偏转角度情况，确定顺时针解缆还是逆时针解缆。首先松偏航闸，封锁传感器故障的报告，当需要解缆且记录数字为负时，控制偏转电机正转，当需要解缆且记录数字为正时，控制偏转电机反转。在此过程中同时检测偏航中心电机工作，系统处于待机状态，向中心控制器发出自动解缆完成信号。纽缆开关控制的安全链保护：若凸轮控制的自动解缆未能执行，则纽缆情况可能会更加严重，当纽缆达到极值圈数时，纽缆开关将动作，此开关动作将会触发安全链动作，向中心控制器发出紧急停机信号和不可自复故障信号，等待进行人工解缆操作。六：刹车系统其功能是当风力机需要停止运转或在大风时使风力机停止运转以达到维修或保护风力机的目的。在小型风力机中多采用机械抱闸刹车方式实现制动停车，可以手动也可自动实现停车;在大中型风力机中多采用液压或电气制动方式实现抱闸停车。七：塔架用来支撑风力机及机舱内各种设备，并使之离开地面一定高度，以使风力机能处于良好的风况环境下运转。根据风力机容量的大小，塔架可以制成实心铁柱式，也可以制成钢材晰架结构或柔性塔架。八：控制系统与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。定桨距风力发电机组主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制，桨叶的节距角在安装时就已确定;发电机的转速则由电网频率决定。因此，在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对于因风速变化引起的输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术。变桨距风力发电机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著的改善。此时的液压系统不再是简单的执行机构，它自身已组成闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。风力机分类风力发电机有多种类型和样式，分类的方式也很多。如果以转换风能的主要部件风轮来分，风力机按照收集风能的结构形式以及在空间的布置，可分为两类，如图2.2，一为水平轴风力机；二为垂直轴风力机。图2.2风力发电机类型(1)水平轴风力机水平轴风力机的风轮轴与地面呈水平状态，风力机运行时，风轮的旋转平面垂至于风向，如图2.3(a)所示。用于风力发电的风力机一般叶片数取2-4，普遍采用全翼展或者1/3翼展桨距控制或叶尖失速控制。图2.3水平轴风力机的类型对水平轴风力机而言，按照风轮与塔架相对位置分类，可有上风向和下风向的区别。风轮安装在塔架前面的，称为上风向风力机。风轮塔架后面旋转，气流依次流经塔架、风轮，叫做下风向风力机。上风向风力机需要有对风机构，而下风向风力机在风的作用下自动对准风向。水平轴风力发电机需要通过塔架将其置于空中，以捕捉更多的风能。调向机构是用来调整风力机风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构。控制系统是风力发电机组的中枢，由它完成机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口。100kW以上的中型风力发电机以及1MW以上的大型风力发电机组皆配有微机或者可编程控制器(PLC)组成的控制系统来实现控制、自检、和显示功能。(2)垂直轴风力机垂直轴风力机的风轮转轴与地面呈垂直状态，如图2.3(b)所示。任何方向的风都能驱动其转动，可以免去自动对风机构，整体的机构可以相对简化。垂直轴风力机的最突出的优点是不需要塔架，发电机可以安装在地面上，维护方便。垂直轴风力机主要分为两个主要类别：一是利用空气动力的阻力做功的S型风轮，二是利用翼形升力做功的(Darrieus)型风力机。由于捕获风能的能力弱，消耗材料多，占地面积大，所以目前商用大型风力发电机组主要是水平轴风力发电机。本文中所指的风力机即水平轴风力发电机。(3)变桨距调节型风力发电机风力机依据风速的大小，改变轮毅上桨叶节距角的大小，调节发电机在高风阶段的输出输出功率，降低风力剧变对风力机的冲击。其调节方法分为三个过程：第一个过程是开机阶段，当风电机达到运行条件时，控制器调节节距角。先将节距角调到45°，当转速达到一定时，再调节到0°，直到风电机达到额定转速并网发电；第二阶段，当输出功率小于额定功率时，节距角保持在0°位置不变；第三阶段，当发电机输出功率到达额定后，变桨距系统即根据输出功率的变化调整节距角的大小，使风力机在风速高于额定风速运行时，发电机的输出功率基本保持不变。变桨距调节的主要优点是:桨叶受力较小，桨叶较轻，使得机组的承载结构重量相对减少。由于节距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，又可以在高风速时段保持输出功率平稳。其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高，设备价格也相对升高。目前通过采用变滑差发电机、叶片主动失速等技术，减少了变桨距机构的动作次数，降低了变桨距轴承的机械磨损，同时使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。风力机的工作原理及其受力分析（1）静止状态下叶片的受力图2.4风力机启动时的受力情况风力发电机的叶轮转动部分由轮毅和桨叶组成，其中桨叶均匀安装在轮毅周围，一般为2到3片。桨叶围绕自身轴线转过某个角度，即使得叶片的翼弦相对风轮旋转平面(风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面)转过一个角度β，即为节距角。参考图2.4可以了解风轮起动原理。风力机在偏航系统控制下，保持风轮轴向与风向一致。参考空气动力学可知，当空气以某个速度V流经风轮时，桨叶I所受到的气动力为F；F可以分解成两个方向的力:顺着空气流动方向的分力Fx(阻力)及垂直于空气流动方向的分力Fy(升力)。由于叶轮是对称安装的，如图2.5，另一桨叶II受力分析同上，故所有叶片升力Fy将对风轮轴向产生转动力矩，当合力矩超过风轮启动所需要的力矩时，风轮即开始转动。(2)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V下以角速度为ω稳定转动时，则取叶片上距转轴中心r处一小段叶片元(叶素)为研究对象，来流风速V与该叶片元绕轮毅轴向线速度ωr的矢量和即为此叶片元相对气流的速度。如图2.5所示，此时桨叶与该叶片元的攻角。是ωr与翼弦的夹角。气流以相对速度ωr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以及对风轮正面的压力;如果参考气流相对与叶片元的方向，F可分解为垂直于ωr方向的升力Fy和沿ωr方向阻力Fx。考虑到风轮旋转时，叶片不同位置处绕轴心线速度不同，在相同风速下，相同的安装角在不同的位置对风形成的攻角a都将不同。如果叶片每个截面的安装角随半径增大而减小，则整个叶片方向的攻角都能接近最佳值，使得叶片整体气动力性能得到改善。这种安装角沿叶片方向变化的叶片称为螺旋桨型叶片，在实际风力机中应用较多。图2.5旋转桨叶的气流速度及受力情况尽管如此，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。如果叶片装好后安装角不再变化，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，调节整个叶片的安装角，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，这样的控制方式即变桨距控制。风力发电机组的控制系统风力发电机组从控制系统角度来看分为三个子系统：风轮气动特性、传动系统动态特性和发电机模型。(1)风轮气动特性在系统中，我们假定可变距的桨叶是刚性的，则风轮吸收的功率为:（2-1）风轮的动态模型由以下运动方程表示：（2-2）其中:Jr一风轮的转动惯量，kg/m2;ωr一风轮转动的角速度，rad/s;Tr一风轮的气动转矩，N.m;n一齿轮箱增速器的传动比;Tm一从转动轴传递给刚性齿轮的扭矩，N.m风轮转矩与功率之间的关系为:（2-3）(2)传动系统动态特性风轮将风的动能转换成风轮轴上的机械能，然后这个能量要变成所需要的电能，而电能由高速旋转的发电机来产生。由于叶尖速度的限制，风轮旋转速度较慢，而发电机不能太重，而极对数较少，发电机转速要尽可能的高，因此就要在风轮与发电机之间连接齿轮箱增速器，把转速提高，达到发电机的转速。根据风轮气动特性，风轮产生的转矩Tr作用于带有转动惯量Jr的风轮上。风轮通过增速比为n的增速器连接到转动惯量Jg的发电机上，发电机将产生一反扭矩Te。由于风轮、输入轴和增速器之间是刚性连接，因此忽略传动系统中的总摩擦力和输出轴上的相对角位移。(3)发电机本设计中所涉及到的发电机为绕线式三相异步发电机，因此是通过改变定子电压而改变发电机反力矩和转速来实现变速的。（2-4）其中:p一发电机极对数；m1一电机定子相数；U1一电网电压，V；C1一修正系数；ωg一发电机转动的角速度，rda/s；ω1一发电机同步转速，rda/s；r1，xl一分别为定子绕组的电阻和漏抗，Ω；r2,x2一分别为归算后转子绕组的电阻和漏抗，Ω；发电机转动方程为:（2-5）Jg一发电机的转动惯量，kgm2；Te一发电机反力矩，N·m；风轮轴角速度与发电机转速之间关系由下式表示:（2-6）变桨距控制理论研究风力发电机变桨距技术介绍风力发电的失速功率调节方式和变桨距调节方式是收集和转换风能的两种最主要功率调节方式。失速功率调节方式机组的叶片是固定在轮毅上，不能改变节距角，通过失速型叶片自身的失速特性来实现功率调节。优点是结构简单、故障概率低，但是因为限于风力发电机组的性能受到叶片失速性能，当风速高于额定值时发电功率会随着风速的升高而下降。另外桨叶结构复杂、重量较重，不适合在大型风力发电机组安装使用。变桨距功率调节技术则没有上述缺点。发电机组的叶片的攻角可以随着风速的变化始终保持在最佳角度，使风轮运行在最佳转换效率，使输出功率最大。对于变桨距风力发电机，当风速超过额定风速时，发电机组的出力会始终保持在一个接近理想化的水平，提高了发电效率。同时变桨距风力发电机的叶片结构简单、重量轻、发电机转动惯量小，适合安装在大型发电机组上。变桨距风力机组的缺点是变桨距机构较为复杂，增加了故障的可能性，控制系统也更加复杂，要求更高的技术水平，但是随着风电技术的进步已经得到较好的解决。变桨距控制机构主要分为统一桨叶控制和独立桨叶控制，其中统一桨叶控制主要使用液压方案，独立桨叶控制主要使用电机方案。液压执行机构通过液压系统推动桨叶转动，改变桨叶节距角。该机构的主要优点是频率响应快、功率重量比大，目前变桨距驱动机构中主要使用液压执行机构。电机变桨距执行机构利用电动机对桨叶进行单独控制，和液压变桨距机构相比，电机变桨距方案结构相对简单，不存在非线性、泄漏、卡涩等现象。但其动态特性相对较差，有较大的惯性，特别是对于大功率风力机。在风速变化频繁，连续频繁地调节桨叶时，电机将产生过量的热负荷而易于损坏。变桨距控制理论风能利用系数Cp代表了风力机从风能中获得能量的能力。变桨距风力机的风能利用系数Cp与尖速比λ和桨叶的节距角β成非线性关系。图2.6变桨距风力发电机特性曲线（Cp-TSR）对节距角β和尖速比λ在大范围内取值计算，可以画出变桨距风力机特性曲线(Cp-TSR)。其中图2.6(a)由PROPPC编码的三维图。图2.6(b)为其平面图。从上图可以得到两点结论：(1)在节距角β不变的情况下，风能利用系数存在极限值，此处为最大值Cpmax。(2)在尖速比λ保持不变的情况下，节距角β=0°时风能利用系数Cp最大，并且风能利用系数Cp随着桨叶节距角β增大而减小。以上两点的归纳，为风力机变桨距控制提供了理论依据。在风速低于额定风谏时，发电机输出功率未达到额定功率，应尽可能地将风能转化为输出的电能。从图2.7来看，在桨叶节距角β=0°时，Cp相对最大。此时由于桨距控制机构的控制精度的原因，节距角在0°左右变动。当风速超过额定风速时，增大桨叶节距角β，风能利用系数Cp减小，发电机输出功率降低；当功率下降小于额定功率时，再减小桨叶节距角β，以此保证了风力机输出功率维持在额定值。变桨距控制过程变桨距控制系统是一个随动系统，其控制过程框图如图2.7、2.8所示。图2.7变桨距控制系统框图（启动状态）图2.8变桨距控制系统框图(额定功率状态)针对变桨距风力机动力学分析，变桨距的控制过程如下:风力机启动前，桨叶保持顺桨位置，其节距角为90°，气流对桨叶攻角为0°，不产生力矩。当风速增大到切入风速时，由控制机构驱动桨叶向从90°向0°方向转动，当气流相对桨叶的攻角到达某个角度，作用在桨叶上的转动力矩超过叶轮启动所需要的力矩时，叶轮开始转动。在电机并网以前，变桨距系统对叶轮进行速度控制。控制器按速度上升斜率给出速度参考值，变距系统根据此值，调整节距角。并网后，风力机正常运行最重要的有这样两个工况：(1)风速低于额定风速；(2)风速高于额定风速；风力发电机转矩控制系统简介转矩控制系统的设计由于风力发电机的机械设计都是在稳定运行状况下设计的，所以过大的转矩矩变化将会使机组轴系元件产生疲劳，从而影响风力发电机组的寿命。旋转轴转矩的测量与控制有很多方法，最直接的方法是在被测机械旋转轴上粘贴电阻应变片，因转矩而产生应变，引起应变片电阻值的变化，从而达到测量转矩的目的，进而控制转矩，目前测量转矩主要采用的仍是这种传统方法。在本章的第5小节有详细介绍。其次，还可以检测主轴加速度，检测转矩。根据公式：（3-1）式中:T―发电机转矩；α―主轴加速度；J―转动惯量；计算出转矩，进而控制转矩。但最安全、最简单的测量方法是通过检测系统的功率和发电机的转速，根据公式：（3-2）可以计算出转矩，进而达到转矩的控制。其中P为功率，T为扭矩，n为转速。正常运行过程中，高速轴转速运行在1510转/分钟左右，而运行期间，机械功率与发电机电磁功率处于平衡状态，因此转矩变化也反映了发电机功率变化。风力机输出功率特性变桨距风力发电机与定桨距风力发电机相比，具有在额定功率点以上输出恒定功率的特点，如图3.1所示。当功率在额定功率一下时，与定桨距风力发电机组相同，叶片桨距角为0°，不做变化，发电机的功率随风速而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。图3.1变桨距风力发电机组功率曲线风力机转矩与转速特性曲线图3.2风力机转矩与转速特性曲线转矩与转速的测量风力发电机组轴系转矩以及转速等信号的测量是转矩分析的基础，本节介绍了转矩测量和转速测量方法。转矩测量方法使机器元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩，简称转矩。任何元件在转矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形。因此，习惯上也常把转动力矩叫做扭转力矩，简称扭矩。从严格的力学角度来讲，转矩概念与扭矩是不完全相同的，前者指的是外力矩，而后者指的是内力矩。但是，当轴上只受到一个扭矩的作用时，转矩和扭矩在数值上是相等的。转矩测量方法按照基本原理划分为三类：传递法（扭轴法）、平衡力法（反力法）及能量转换法。1、传递法传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用的测量扭矩的弹性元件是扭轴。2、平衡力法对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时，在其机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩（或称为支座反力矩），测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡法，亦称为反力法。3、能量转换法这是根据其它能量参数（如电能参数）测量机械能参数及扭矩的方法。按照能量转换的观点：动力机械，如电动机、内燃机等，分别是把电能、化学能转换为机械能的机构；而制动机械，如发电机、水利制动器等，则分别上把机械能转换为电能、热能的机构。应变测量原理旋转轴扭矩的电测方法中，最简单可靠的方法是在被测机械旋转轴上粘贴电阻应变片，因转矩而产生应变，引起应变片电阻值的变化，从而达到测量转矩的目的，目前国内测量扭矩主要采用的仍是这种传统方法。图3.3应变片的实物安装图电阻应变计俗称电阻应变片，简称应变计（StrainGauge），是一种能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。电阻应变计主要是由敏感栅、基底、引出线及覆盖层等部分组成的。敏感栅是把结构应变转换为电阻变化的敏感元件；基底材料是支撑敏感栅，使它保持一定的几何形状并使敏感栅与被粘试件之间具有良好的电绝缘；覆盖层是保护敏感栅避免受外界的机械损伤并防止环境温度、湿度的侵扰的；引出线则是连接敏感栅与测量仪器，把应变计的电信号送到仪器内。图3.4应变片在风力机上的安装位置应变计的各组成元件的性能将直接影响电阻应变计的各项特性。用电阻应变片作为传感器件，测量应变、应力及与之相关的物理量，是一种常见的实验应力分析方法，其测试框图可用图3.5表示。电阻应变片将被测试件所受的应变ε转换成电阻的相对变化；测量电路包括信号放大器和滤波器，其作用是对信号进行必要的调整。应变测量原理如下：将电阻应变计粘贴在被测构件表面上，并接入测量电路，当被测构件受外力作用变形时，应变片敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值也发生相应变化，其变化量的大小与构件表面所受外力成一定的比例关系，经测量电路（如测量电桥）转换为电信号输出，测量结果是应变值，通过应变与应力的力学关系，可计算出被测构件所受应力的大小。图3.5应变测量框图转速测量方法测量风力发电机组轴系转矩的同时，往往需要测量传动轴的转速。直接测量转速的常用方法有：测速发电机测量法、断电器测量、光电脉冲测量、编码器及接近开关等。1、测速发电机测量转速：测速发电机是应用比较广泛的转速测量装置之一。在现场测速中，一般采用直流测速发电机测量转速，因为它能连续而又准确地将转速线性的转换成电压量，因此，通过二次仪表可以描绘出转速与时间的变化规律。这种测速装置体积小，使用方便、可靠，目前有许多机械设备都装有测速发电机。2、断电器测量转速当被测轴为稳定转速，且现场条件没有测速的专用装置（测速发电机等）时，可采用断电器方法来测量转速。此方法简便、可靠。3、用光电脉冲法测量转速测量转速的另一种方法是通过光电转换将转速变成电脉冲，然后按每秒或每分钟计数，就能得到每秒或每分钟的转速。也可以通过频率转换器，将脉冲量转换成0～10mA的电流量，以便通入光线示波器作记录。4、编码器编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；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“0”。5、接近开关风速是难以预测的随机变量，发电机的转速随风速的变化有不同的响应。因此，风力发电机安全运行的关键是转速测量的实时性和准确性。由于风力发电机多工作于户外恶劣的环境下，因而不适合用旋转编码器等对环境要求高的测速传感器，一般采用电感式接近开关。在发电机高速轴上安装特制的测速感应盘，以产生可靠的记数脉冲。发电机每转一圈，接近开关产生6个感应脉冲，经光电祸合器，引入控制计算机。发电机在转速较低或时，和风速测量一样，采用M法测量。定时器/计数器TZ设定为外部脉冲记数方式，每秒读取T2计数器的值，就可测出发电机的实时转速。此方法周期固定为1秒钟，不足之处是快速响应性差。转矩控制系统硬件电路设计系统设计总方案为了防止转矩突变或过大而导致对风力机的损害，从而控制转矩，使其恒转矩运行或使其变化幅值尽可能减少。此外，由于在风力机的运行过程中会出现在某一时刻的功率的突变，也会导致转矩的突然增加或减小。因此，转矩控制对风机的安全运行是至关重要的。风力发电机组转矩的检测与控制可以应用在多个领域当中。本设计中转矩控制的应用是，风力机运行在恶劣的环境中，机组承受着随机变化的载荷，长期承受这种载荷容易使零部件产生疲劳，从而影响机组的安全运行，依据转矩控制技术合理安排风力机组的运行，可提高安全稳定性能。设计采用的是由功率模块PK6013采集功率信号、增量编码器E6C2-CWZ6C采集发电机高速转速信号n2，根据运算，并由PLC实现转矩的控制。当所检测的转矩小于额定转矩时，系统正常运行；当转矩大于额定转矩而小于1.2倍的额定转矩时，输出报警信号；当所检测的转矩大于1.2倍额定转矩而小于的1.5倍额定转矩时，输出变桨距控制信号，控制桨距角，从而实现降低转矩的功能。当检测的转矩信号大于1.5倍的额定转矩时，输出停机信号。并由接近开关FRB8E1NK采集低速轴转速n1，与高速轴转速n2进行比较来判断增速箱部分是否正常工作，n1与n2之间相差一个速比，本设计中这个速比选用的是100，即n2=100n1。如果经PLC判断两者满足这种关系，则证明增速箱部分工作正常。如果判断两者不满足上述关系，则证明增速箱部分故障，输出报警信号并刹车。图4.1风力发电机转矩控制系统设计方框图各模块的的工作原理功率模块PK6013模块是一智能型电参数采集模块,可测量三相电流、电压的真有效值,有功功率、无功功率、功率因数、频率、电能等参数，其输出为RS-485数字信号:有三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电能等参数。可代替电压、电流、功率、功率因数、频率等变送器，及测量这些变送器的输入模块。

一、主要技术参数：

输入范围交流45-65Hz电压量程(相电压):60V、100V、200V、250V、400V、500V(或按用户制作要求)；电流量程:1A、5A、10A(或按用户要求制作)。

数据输出三相电压Ua,Ub,Uc；三相电流Ia、Ib、Ic的真有效值；频率F；有功功率P，无功功率Q，功率因数PF，每相有功功率Pa,Pb,Pc,有功电度。二、通讯输出：表4.1功率模块的通讯输出三、典型接线示意图图4.2功率模块的典型接线图四、PK6013三相电参数采集模块引脚定义：表4.2功率模块的引脚定义增量式编码器按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。增量式编码器特点：增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辨率时，可利用90°相位差的A、B两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。增量编码器E6C2-CWZ6C：图4.3E6C2-CWZ6C编码器实物图接近开关一、

接近开关及其分类因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：

1.涡流式接近开关

这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。

2.电容式接近开关

这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。

3.霍尔接近开关

霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。

4.光电式接近开关

利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。

5.热释电式接近开关

用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。

6.其它型式的接近开关

当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。

二、

接近开关主要用途

接近开关在航空、航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门，自动热风机上都有应用。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在测量技术中，如长度，位置的测量；在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。

三．接近开关的型号及其在风机上的安装低速轴转速传感器：接近开关式转速传感器安装在齿轮箱前侧支架上，记录主轴转速，为主控系统和安全系统提供叶轮转速型号。本文接近开关采用的是FRB8E1NK，供电电源是：10～30VDC，200mA。图4.4接近开关在风力机上的安装位置PLC的简介可编程控制器（programmablecontroller）缩写为PC，为和个人计算机相区别，把可编程控制器缩写为PLC。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可变程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数操作等面向用户的指令，并通过数字式模拟式的输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）适应性强，应用灵活。（3）编程方便，易于使用。（4）控制系统设计、安装、调试方便。（5）维修方便、维修工作量小。（6）功能完善。2.可编程控制器的应用（1）顺序控制这是PLC最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制。（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置，当每个轴转动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的编程可用PLC的编程语言完成，通过编程器输入。操作员用手动方式把轴移动到某个目标位置，模块就知道了位置和运动参数，之后可以编辑程序来改变速度和加速度等运动参数，使运动平滑。（3）过程控制（4）数据处理（5）通信与联网3．PLC的基本组成PLC实际上是一种工业控制计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故PLC与计算机的组成相似。从硬件结构来看，它也有中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等，如图4.5。图4.5PLC的系统构成4.S7-200的简介S7--200系列是一种可编程序逻辑控制器（MicroPLC）。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7--200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变