《变频器伺服器现代工程应用》 课件 项目10风力发电机桨距角伺服器控制

项目导航1.知识目标（1）掌握风力发电机桨距角原理与控制

(2）掌握变桨驱动器结构原理与应用（3）掌握PD802变桨驱动器结构原理2.技能目标（1）掌握变桨驱动器调试（2）掌握变桨驱动器维护知识准备10.1风力发电机桨距角分析10.1风力发电机简介1.话题引入我国10年前风力发电技术还处在学习引进时期，现在进入自主研发阶段，并且世界上单机发电量最大的18MW风力发电机由我国自己制造并已经投入并网发电。我国风力资源丰富，国家将风力发电作为清洁能源发展的一极，现在风力发电已经形成巨大的产业群，风力发电应用技术也需要人们来掌握，管理应用好风力发电机。知识准备10.1风力发电机桨距角分析10.1风力发电机简介1.话题引入

我国10年前风力发电技术还处在学习引进时期，现在进入自主研发阶段，并且世界上单机发电量最大的18MW风力发电机由我国自己制造并已经投入并网发电。我国风力资源丰富，国家将风力发电作为清洁能源发展的一极，现在风力发电已经形成巨大的产业群，风力发电应用技术也需要人们来掌握，并且管理、应用好风力发电机。2.风力发电机简介风力发电机是高新技术产品，从设备制造到安装调试，都离不开高新技术支持。以小型2.2MW风力发电机为例，其基本参数为：叶片长度为48~59米、重量为8~15T；发电机重量为30~50T；吊装重量95T；“塔筒”高度85~100m。将95T的机体吊装到100m高的塔柱上安装，难度可想而知。3.风力发电机的运行参数额定功率‌2.2000kW的小型风力发电机，切入风速‌：3.5m/s；额定风速‌：12m/s；切出风速‌：25m/s；外界运行温度‌：-20℃至+45℃（常温型），-30℃至+45℃（低温型）。风力发电机是靠“风”发电的设备，通过叶片获得风能，风能具有大小不定、方向不定的特性，风力发电机是通过调整叶片的桨距角和风轮的偏航角来得到最佳风能。桨距角调整技术是风力发电机的核心技术之一。10.1.2桨距角分析1.风力发电机的调整角风力发电机在工作中，为了最大限度的利用风能，又能正常的发电，有两个控制角度，一个是桨叶和轮毂之间的桨距角，桨距角是根据风力大小需要调整的角度，以保证风力发电机既不过载，又能正常发电；另一个是“偏航角”，偏航角是根据风向调整的角度，使风力发电机的叶片始终对准风力的“轴心线”，获得最大的风能。2.桨距角分析图10-1是风力发电机外形图，图中塔筒是风机的支撑，机舱是发电机系统的安装室，桨叶是风力发电机的动力接收源，将接收到的风能转化为机械能，驱动发电机发电。因为风力的大小和方向是变化的物理量，为了使桨叶图10-1风力发电机

能够适应风力的变化，通过控制桨叶的“桨距角”，来改变桨叶受力的大小。轮毂是固定桨叶的部件，桨叶可以在轮毂中转动。图10-2是风力发电机示意图，动力部分是“浆叶”和“轮毂”，在风力的作用下，浆叶和轮毂同速转动，通过“低速轴”将动力传递到“增速箱”，增速后通过“液力耦合器”缓冲，传递到“高速轴”，驱动“发电机”发电。为了稳定发电机的转速和发电功率，在“机头”有桨距角“调速器”，通过调整桨叶的“桨距角”，来稳定发电机的转速。桨距角控制设备的供电电缆通过滑环传递到机舱，由机舱中的配电柜为桨距角控制设备供电。机舱上的“气象传感器”是检测风力风速的传感器，依据气象信号对桨距角进行调整。图10-2发电机组简图图10-3（a）是桨叶（又称叶片）图，以桨叶的轴心线为轴，以“迎风平面”为参考面，桨叶的“截面中心线”和参考面之间的夹角，称为桨距角。由图（a）可见，桨叶垂直，受力面积最大（风力都是平行流动）；当桨叶呈水平状，受力面积越小。当风力大于8级，为了防止发电机受损，就将桨叶调整为水平状态（β=90°），并且锁死，风力发电机停止工作。图10-3（a）桨叶实体图图（b）是“桨距角”定义图，当桨距角β=0，迎风面积最大，风叶受力最大；当桨距角β=90°，迎风面积最小，风叶受力最小。通过改变β值，即可调整桨叶的受力大小，调整风机轴的转速。3.桨距角工作范围图10-4是桨距角调整图，由图中可见，转动桨叶在轮毂中的角度，即可改变桨距角。桨距角可以从0°调整为90°，也可以从90°调整为0°。当从90°向0°方向调整时，因为桨叶受到风力施加的扭转力矩，桨叶不用外加力矩就可以转动。为了防止桨叶自动转动，一是驱动系统要有“止逆”装置，二是设置抱闸制动。图10-4桨距角调整图10.1.2桨距角调整原理1.桨距角调整

风力发电机具有3个桨叶，每个桨叶对应一套桨距角调整机构。图10-5是桨距角控制示意图，图中每个桨叶由一套独立的驱动器驱动。图中轮毂上有3个桨叶安装孔，每个孔中有桨叶旋转轴承和变桨齿轮，桨叶和旋转轴承、变桨齿轮固定在一起；变桨驱动电机的外壳和轮毂内壁固定在一起，变桨驱动电机上的小齿轮和轴承内圈上的变桨齿轮啮合，当小齿轮转动时，变桨齿轮拖动桨叶在轮毂中转动。轴承和变桨齿轮要有足够的强度和刚度以及耐磨性，是风力发电机的重要部件之一。大家注意：我们的任务就是由变桨驱动器驱动变桨齿轮转动，进行桨距角调整。图10-5

桨距角控制示意图2.桨距角控制系统桨距角控制电动机以及电动机的驱动控制柜均安装在轮毂内，跟随轮毂同步转动。图10-6是轮毂内控制系统位置图。图中3台电动机分别驱动“变桨齿轮”转动，调整桨距角；3台桨距角控制柜内，安装电动机的驱动控制电路以及桨距角控制器。图10-6轮毂内控制系统配置图3.电缆引出滑环变桨距电动机、驱动器与控制装置安装在轮毂内，同轮毂变为转动体，供电电源电缆、信号电缆必须通过风机主轴上的滑环传递到机舱。变桨控制柜需要引出的信号线有多少条，滑环就有多少滑道。三相交流电缆是3相1地共4条线；通信电缆是3条线，其它的报警、保护信号也要占用几条线，因此，滑环要有十几条滑道。图10-7是滑环装置剖开图，变桨控制柜需要引出的信号线通过风机主轴的“通孔”连接到“滑道”上，通过“滑块”引出到信号的接口。再通过引出电缆连接到“机舱”。图10-7滑环图4.桨距角控制要求

风力发电机的桨距角控制，是风力发电机的核心技术之一，我国在风力发电的初期，桨距角控制设备都靠进口，没有自已的替代产品。2021年10月，汇川-PD802大功率变桨驱动器发布，填补了国产品牌在大功率风机桨距角驱动器的产品空白。桨距角控制非常复杂，涉及到的内容非常广泛，对桨距角控制要求非常严格。汇川-PD802大功率变桨驱动器（1）控制目标‌桨距角控制的主要目标是调节风力发电机的输出功率。通过改变桨距角，可以调节风力发电机捕获的风能，从而控制其输出功率。当风速超过额定风速时，通过增加桨距角来限制功率输出，防止机组过载‌。（2）控制策略‌桨距角控制通常采用机械液压或电动伺服的方式。机械液压方式通过液压缸驱动桨叶旋转，而电动伺服方式则通过电机驱动。这些方式可以精确地调节桨距角，实现对风力发电机输出功率的精细控制‌。（3）安全保护‌在极端天气条件下，桨距角控制还涉及到安全保护功能。当风速过高或电网故障时，通过增加桨距角使风机停机，防止风机受损或发生危险‌。（4）系统设计‌桨距角控制系统通常包括传感器、控制器和执行机构。传感器监测风速和功率等参数，控制器根据这些参数计算并调整桨距角，执行机构则负责将控制指令转化为实际的桨叶旋转动作。‌（5）应用场景‌桨距角控制在风力发电机组中广泛应用，特别是在大型风力发电机组中，通过精确控制桨距角，可以提高机组的运行效率和稳定性，减少维护成本‌。综上所述，风力发电机桨距角控制要求包括精确控制目标、合理的控制策略、安全保护措施以及高效的系统设计，以确保风力发电机的稳定运行和高效输出。10.1.3桨距角控制设备1.变桨伺服电机伺服电机安装在轮毂内壁上，通过输出轴上的小齿轮，驱动连接在桨叶上的环形齿轮转动，完成桨距角控制。对电动机的控制要求是起动响应快，停机时不拖延。图10-8是电动机组件图。图10-8变桨伺服电动机（1）伺服电机伺服电机采用永磁同步电动机，具有反应速度快，发热量小等优点。（2）变速箱电动机转速高，桨距角调整转速低，通过变速箱减速，得到低速大转矩。（3）抱闸制动电动机组件中具有抱闸装置，当桨距角达到了精确调整值，电动机立即停机，机内抱闸立即起动，电动机通过抱闸限制小齿轮转动，即变桨齿轮也得到制动。图10-9是变桨控制系统图，由图中可见，变桨控制系统的供电和信号传递是通过滑环由外部引进的，因为变桨整套控制系统是在轮毂中转动。图10-9变桨控制系统图2.变桨驱动器

变桨驱动器是我国自己研发的“PD802变桨驱动器”。该系统由变频器、PLC、故障保护和显示系统等功能单元组成。其特点有：（1）安全可靠性高DFMEA（设计失效分析）/PFMEA（制造失效分析）——设计/制造失效模式影响分析；多重冗余的安全顺桨策略，为风机安全保驾护航；简单、可靠、高效的充电管理。（2）环境适应性强宽工作温度范围(-40℃~+70℃)；电网适应能力强，满足低电压穿越（LVRT）、高电压穿越（HVRT）；晶闸管可控整流，电网冲击时可自动安全顺桨。（3）应用场景汇川PD802系列变桨驱动器适用于新装机和改造后市场，广泛应用于全国各地风电场，并已通过欧盟CE认证，具备进入欧洲市场的必要条件‌。此外，汇川技术还发布了PD802Plus大功率变桨驱动器，填补了国产品牌在大功率驱动器的产品空白，适用于6MW至20MW机组变桨伺服控制。‌图10-10PD802变桨驱动器

综上所述，汇川PD802系列是专门为风电行业设计的高性能变桨驱动器，具有较高的安全可靠性、环境适应性和灵活性。图10-10是PD802变桨驱动器外形图，变桨驱动器因为是安装在轮毂中随着轮毂转动，采用箱式结构，通过外壳四周的安装孔“固定”在轮毂上。

任务实施

任务

变桨驱动器桨距角跟踪控制一、

PD802变桨驱动器跟踪控制话题引入PD802系列一体机是基于汇川成熟平台打造的风电行业专用变桨驱动器（专用变频器）。一体化的设计，既节省了安装空间，也节省了研发和生产的时间，还降低了故障率。PD802驱动器的宽温度范围、强振动设计特别适合于风机轮毂内严苛的操作环境。1.1变桨驱动器控制端口变桨驱动器是功能一体化设备，是集中了变频器、PLC、HMI等功能为一体的设备，应用之前首先要熟悉设备的端口。图10-11是驱动器控制端口图，图中端口分为6个大类，X1~X6，每个大类又分为多个子类，在子类中又包含多个具体的端口。驱动器通过这些端口，完成驱动控制、工作状态的显示和保护功能。图10-11变桨驱动器端口1.X1A~X1B端口X1A是变桨驱动器强电端口，L1~L3是三相380V电源接口，P（+）、（-）是直流母线接口；P（+）、BR是制动电阻接口；PE是接地端子。强电端口是设备的重要接口，连接时必须正确，端子接错会损坏设备。X1B是变桨驱动器输出接口。U、V、W是三相交流电输出；HB+、HB-是抱闸信号输出；B+、B-是抱闸控制电源；T1、T2是电机“热保护”信号输入端。BTM、BT+、BT-是“后备电源”的接入端，后备电源是必备电源，防止停电造成风电机停机事故。旋转变压器是反馈信号，控制电动机和旋转磁场的θ角同步。2.X2A~X2B端口X2A~X2B是模拟和数字输入端口、模拟和数字输出端口；PT0~PT3是温度检测端口。（1）模拟输入端口X2A中AI0+/AI0-；X2B中AI1+/AI1-，是模拟输入控制端口，支持：

0~±10V/0~±20mA模拟信号，电压输入时输入阻抗>22.1kΩ，电流输入时输入阻抗250Ω。（2）数字输入端口X2A中DI0~DI7；X2B中DI8~DI19是数字输入控制端子，共20个端子。DI0~DI7接入到驱动器控制板（常用）。该端子工作电压范围13~30V（24V时4mA），无效电压范围5V以下。（3）数字输出端口X2A中DO0~DO4；X2B中DO5~DO8是数字输出指示端子。DO1~DO4：24V，250mA；DO0：24V，2A。具备防短路功能。（4）温度检测X2A中的PT0~PT1；X2B中的PT2~PT3是温度测量信号输入端子，该端口支持PT100铂金传感器，检测温度范围：-50℃~+100℃。3.X5A端口该端口是控制器为外部提供3路24V直流电源，供电电压为24V±10%，最大电流5A。4.X3A~X3B编码器接口X3A是旋转变压器接口；X3B是数字旋转编码器接口；X3B备用。根据工作分析，变桨控制系统是在轮毂中转动工作，数字旋转编码器怕振动，不能用于电动机的转角检测。旋转变压器不怕振动且工作可靠，故选择旋转变压器作为检测部件。5.X6A接口该接口是驱动器调试接口，是标准的RJ45端子，可支持SOP-20-PD80X外引键盘和RS485后台软件进行调试，同时也支持程序升级。图中是连接操作面板进行调试，也可以采用通信电缆由计算机调试。图中该端子连接的是操作面板。6.X6B：内置PLC调试接口以太网接口是标准的RJ45端子，支持IEEE802.3标准，10/100Mbit/s自适应，通过该接口连接至计算机，可对控制器内置PLC进行调试与监控。10.2.2变桨驱动器与传感器1.变桨驱动器的“伺服”控制变桨驱动器的逆变电路驱动的是永磁同步电机，永磁同步电机由旋转变压器检测同步转角θ，进行跟踪控制。其控制效果达到伺服器的位置跟踪。变桨驱动器在工作中，需要经常的启动停机，需要用PLC完成此任务。因此，PLC作为变桨驱动器的一部分，不用另外加装PLC整机。变桨驱动器配备永磁同步电动机，由旋转变压器检测电动机的功角，构成闭环位置控制结构；变桨驱动器采用速度控制，具有跟踪响应快，起动转矩大，具有伺服器的良好跟踪特性。变频器停机后，抱闸将电动机转子抱住制动。完成桨距角位置控制。2.变桨驱动器的切入切出当风力不足以驱动风轮转动或风力大到危害风机的安全，风机都要退出工作状态，反之风机切入工作。下面是切入、切出风速值：切入风速‌：3.5m/s；额定风速‌：12m/s；切出风速‌：25m/s。当风速为3.5m/s以下，风机切出；当风速达到3.5m/s，风机切入发电；当风速达到25m/s，风机会过载烧坏，要切出停机。3.风力跟踪传感器变桨驱动器需要跟踪风能信号进行控制，常用风能传感有风速传感器、风向传感器、转速传感器、温度传感器、偏航计数传感器、角度传感器等。（1）风速传感器

图10-12是风速传感器，通过三个“勺形”取样转子，检测风速，通过转轴将风速传到风速传感器，通过传感器内部电路处理，得到0~10V的风速电信号（该信号就是用于桨距角调整的信号）。风速传感器参数：

测量范围：0.4~75m/s；精度：±0.5m/S；起步风速：<0.4m/S；输出信号：0~10V。图10-12风速传感器（2）风向传感器

图10-13是风向传感器，通过风向舵检测风向，将风向信号通过转轴传到风向传感器，传感器中有磁性方向基准信号，转轴方向和基准方向比较，得到绝对差值方向信号。风向传感器的检测方向范围是0~360°，方向信号通过电子电路转换为0~10V电压信号由信号电缆输出。图10-13风向传感器4.转速传感器转速传感器是检测风力发电机主轴转速的传感器，轮毂的转速就是发电机主轴的转速，该转速直接影响发电机的输出频率。如果发电机发出的电能直接并入国家电网，对发电机的转速要求严格。

图10-14是转速传感器外形图，该传感器采用霍尔效应原理，当金属齿经过霍尔传感器前端时，引起磁场变化，霍尔元件检测到磁场变化，并转换成一个交变电信号，传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号。广泛应用于车辆，电机，风机，汽轮机的转速测量。可在烟雾、油气、水气、煤气等恶劣环境中使用等特点（该传感器用于检测风机主轴的转速，用于桨距角的检测）。图10-14转速传感器

5.温度传感器工业应用的低温传感器多为“铂”材料制造，“铂”的温阻特性线性度好，在低温区温度和阻值基本上就是线性关系，测温精度很高，性能也非常稳定。图10-15是“铂”Pt100温度传感器的探头和传输电缆，探头安装在设备的发热部位，检测到的温度信号通过电缆引出，引出的温度信号再通过二次处理，转换为开关信号或者0~10V的模拟信号，供选用（该传感器用于桨距角控制电动机的过热检测和保护）。图10-15Pt100铂丝温度传感器6.风速信号和转速信号的应用风速信号和转速信号是用于起动桨距角调整。当风速信号和转速信号超出了额定值，就要调整桨距角。风机的主轴转速升高，必然是风轴的转矩升高了。转矩和风速成正比，即风速高了。风机主轴转速必须是高于了上限值或低于了下限值，才能实施桨距角的调整，风机主轴转速在正常范围内桨距角是不用调整的。因此，必须将风机主轴转速信号的正常值剔除，超出正常范围的信号提出，用以起动变桨驱动器。在变桨过程中，风机主轴转速逐渐恢复到正常值，超出正常范围的信号为“0”，桨距角停止调整。转速和风速的超差信号可以采用“施密特触发器”取出。图10-16是施密特触发器翻转波形图，施密特触发器的工作原理为：当输入信号达到最大设定值，电路翻转，输出“矩形”电压信号；当输入信号下降为最小设定值，电路由高电平翻转为0，输出信号为“0”。图（a）是传感器检测信号，也是施密特触发器输入信号。该信号随着转速的增加逐渐上升，当达到设定的最大值umax，电路翻转，在输出端输出矩形脉冲信号。图（b）是施密特触发器输出信号，当输入信号达到umax，触发器翻转，输出“+矩形”信号。该信号可作为变桨驱动器的起动信号；变桨驱动器起动后，主轴转速下降，传感器的输出电压也随着下降。当下降到额定值，传感器的输出电压下降到umin，施密特触发器输出信号翻转为0V，变桨驱动器停机。图10-16施密特触发器翻转波形图因为转速的误差有正有反，施密特触发器分两组，一组处理正向信号，一组处理反向信号。正向信号控制变桨驱动器正向转动；反向信号控制变桨驱动器反向转动。10.2.3变桨驱动器选型与调试1.变桨伺服电动机选择变桨伺服电动机根据风力发电机的容量进行选择，风力发电机的功率系列为：1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW、3.6MW、4.0MW；特大风力发电机现在已经做到15MW、16MW。以3.6MW发电机为例，变桨电动机选择永磁同步电动机，功率15kW，工作电压380V，转速1500r/min，额定电流28A。变桨驱动器选择汇川-PD802-Plus国产驱动器，工作电压380V，额定功率25kW，额定电流52A。2.变桨驱动器控制组态图10-17是变桨驱动器系统组态示意图，由6台变桨驱动器组成，3台工作3台备份。个别机出现问题不影响工作。

图10-17变桨驱动器系统（1）系统采用通信控制由于整个系统是安装在轮毂中，跟随轮毂同步转动，工作中人不能接触，变桨驱动器只能通过通信控制和外界联系；整个系统的供电和信号传递，通过三组“滑环”传递到总控室，传递的物理量主要有三相电源线、通信电缆和保护系统电缆。（2）旋转变压器检测的是变桨齿轮的转速（转角）旋转变压器检测的是轮毂中的变桨齿轮的转角（见图10-18），图（a）是旋转变压器安装位置图；图（b）是旋转变压器取样图，通过小齿轮和变桨齿轮啮合传动，将变桨齿轮的转速（转角）检测出来，小齿轮和旋转变压器同轴，旋转变压器的检测信号就是桨距角位置信号，当桨距角达到最佳状态，PLC发出信号停机。

图10-18a

旋转变压器安装位置

图10-18b

取样齿轮（3）抱闸控制抱闸是跟踪控制的必须配置，当电动机停止时必须通过抱闸制动。抱闸执行信号由变桨驱动器控制，控制信号来自机内的PLC。（4）限位开关在恶劣天气或设备维修，桨叶必须转到安全位置（90°限位开关）；0°限位开关是工艺开关，满足工艺的需要。3.变桨驱动器的运行信号和速度信号（1）变桨驱动器的运行信号变桨驱动器的运行信号有正转运行、反转运行和点动运行。点动运行是手动控制，正、反转控制是通信控制。正、反转信号来自“施密特触发器”，即主轴的速度信号。变桨驱动器工作时，随着桨距角的调整，风电机主轴的转速恢复到正常值，变桨驱动器停机，抱闸起动，将电机轴抱住。等待下次起动。（2）变桨驱动器采用转矩控制变桨驱动器采用电流传感器，构成转矩闭环PID控制，防止电动机过载。通过上述分析：变桨驱动器运行控制信号由风速和转速两个信号合成：两个信号同时增加，变桨驱动器正转运行；两个信号同时减小，变桨驱动器反转运行。停机信号来自风