第七章 控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與控制 第七章控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器 第七章控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器 第一節(jié)氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 第二節(jié)偏 航 系 統(tǒng) 第三節(jié)液 壓 系 統(tǒng) 第四節(jié)變 槳 系 統(tǒng) 第五節(jié)變 流 系 統(tǒng) 第六節(jié)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 第七節(jié)溫度監(jiān)控傳感器 第八節(jié)安全保護(hù)控制回路傳感器 第一節(jié)氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 一、氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu) 二、機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 一、氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu) 氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要制動(dòng)裝置。對(duì)于定槳 恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)是葉尖擾流器；對(duì)于具有變 槳機(jī)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，氣動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)是變槳機(jī)構(gòu)。 機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)的輔助制動(dòng)機(jī)構(gòu)。 機(jī)械制動(dòng)有

2、兩種執(zhí)行方式：一種是彈簧力制動(dòng)，液壓力停止制 動(dòng)，這樣可以保證在電網(wǎng)斷電情況下的制動(dòng)效果；另一種是液 壓力制動(dòng)，彈簧力停止制動(dòng)，這樣可以實(shí)現(xiàn)可控的柔性機(jī)械制 動(dòng)，但如果電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間斷電則機(jī)械制動(dòng)會(huì)松開。 二、機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 二、機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖7-1機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 二、機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖7-2制動(dòng)夾鉗 第二節(jié)偏 航 系 統(tǒng) 一、偏航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 二、偏航控制系統(tǒng) 三、偏航傳感器 四、 偏航限位開關(guān) 五、測(cè)風(fēng)儀 一、偏航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖7-3偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 二、偏航控制系統(tǒng) 圖7-4偏航控制系統(tǒng)框圖 三、偏航傳感器 圖7-5偏航傳感器信號(hào) 四、 偏航限位開關(guān) 圖7-6偏航傳感器和偏航限位開關(guān) 五、測(cè)風(fēng)

3、儀 圖7-7常見測(cè)風(fēng)儀 第三節(jié)液 壓 系 統(tǒng) 1.起動(dòng)前狀態(tài) 2.正常運(yùn)行狀態(tài) 3.停機(jī)過(guò)程時(shí)的狀態(tài) 4.系統(tǒng)保護(hù) 1.起動(dòng)前狀態(tài) (1)閥14.1、14.2得電，閥15失電，葉尖擾流器收回；機(jī)械制動(dòng) 閥22.1、22.2失電，高速制動(dòng)靠彈簧力制動(dòng)；閥21、23失電， 偏航制動(dòng)靠液壓力制動(dòng)。 (2)當(dāng)壓力傳感器19.2檢測(cè)到的壓力低于140bar時(shí)，液壓泵起動(dòng) 補(bǔ)壓，直到壓力傳感器19.2檢測(cè)到的壓力等于150bar時(shí)，液壓 泵停止。 (3)當(dāng)壓力傳感器19.1檢測(cè)到的壓力低于102bar時(shí)，機(jī)氣轉(zhuǎn)換 閥15得電，同時(shí)機(jī)械油路給氣動(dòng)油路補(bǔ)油，直到壓力傳感器19. 1檢測(cè)到的壓力等于106bar

4、時(shí)，機(jī)氣轉(zhuǎn)換閥15失電。 (4)葉尖擾流器每隔10min收放一次，每次釋放擾流器時(shí)閥14.1 和14.2只有一個(gè)得電，且是輪流動(dòng)作。 圖7-9定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)實(shí)物圖 1.起動(dòng)前狀態(tài) 圖7-9定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的液壓系統(tǒng)實(shí)物圖 1.起動(dòng)前狀態(tài) 表7-1對(duì)照表 1.起動(dòng)前狀態(tài) 2.正常運(yùn)行狀態(tài) 1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，機(jī)械制動(dòng)閥22.1、22.2得電，高速制動(dòng) 夾鉗停止制動(dòng)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 2)當(dāng)風(fēng)向改變時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)自動(dòng)對(duì)風(fēng)，偏航制動(dòng)閥21得 電，偏航卸荷閥23失電，偏航制動(dòng)夾鉗在偏航減壓閥24的作用 下有25bar的余壓，使得機(jī)組偏航時(shí)比較平穩(wěn)。 3)為了防止運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)壓力過(guò)高

5、，當(dāng)氣動(dòng)平均壓力超過(guò)107bar 達(dá)到10min時(shí)，葉尖比例閥14.2就會(huì)失電120ms，將氣動(dòng)壓力減 小到正常范圍。 3.停機(jī)過(guò)程時(shí)的狀態(tài) 1)閥14.1(或閥14.2慢速制動(dòng))失電，葉尖擾流器甩出，槳葉 液壓缸里的液壓油回到油箱，氣動(dòng)壓力表M1的壓力為0，葉輪 在擾流器的作用下轉(zhuǎn)速下降。 2)停機(jī)后的狀態(tài)就是起動(dòng)前的狀態(tài)。 4.系統(tǒng)保護(hù) 1)當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生飛車時(shí)，氣動(dòng)壓力會(huì)隨著葉輪轉(zhuǎn)速的加 快而增高。 2)主溢流閥11是整個(gè)系統(tǒng)的安全閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)185bar時(shí)， 主溢流閥11就會(huì)溢流。 圖7-10氣動(dòng)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)壓力圖說(shuō)明： 開機(jī)時(shí)液壓泵起動(dòng) 內(nèi)漏引起的壓力下降 液壓泵重新起動(dòng)

6、 溫升引起的壓力升高 電磁閥動(dòng)作引起的壓力下降 停機(jī)時(shí)電磁閥打開 圖7-10氣動(dòng)制動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)壓力圖 4.系統(tǒng)保護(hù) 第四節(jié)變 槳 系 統(tǒng) 一、變槳系統(tǒng)的工作原理 二、采用液壓變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 三、采用電動(dòng)變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一、變槳系統(tǒng)的工作原理 變槳系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉對(duì)氣流的攻角，改變風(fēng)力 機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出，變槳系 統(tǒng)還在機(jī)組需要停機(jī)時(shí)提供空氣動(dòng)力制動(dòng)。變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)是變 速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通常采用 液壓驅(qū)動(dòng)或動(dòng)驅(qū)動(dòng)，在設(shè)計(jì)階段需要考慮兩種方式的優(yōu)點(diǎn)和缺 點(diǎn)。 二、采用液壓變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) (1)快速性。 (2)節(jié)能。 (3)安全性。

7、 二、采用液壓變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖7-11液壓變槳系統(tǒng)三維圖 二、采用液壓變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖7-12電液比例變槳距系統(tǒng)原理圖 圖7-13電液比例控制框圖 二、采用液壓變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖7-14電動(dòng)變槳系統(tǒng)三維圖 三、采用電動(dòng)變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 三、采用電動(dòng)變槳的執(zhí)行機(jī)構(gòu) (一)電動(dòng)變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) (二)電動(dòng)變槳系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備 (三)電動(dòng)變槳系統(tǒng)的控制 (一)電動(dòng)變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖7-15電動(dòng)變槳系統(tǒng)的組成 (二)電動(dòng)變槳系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備 1.直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 2.其他電動(dòng)機(jī)類型 3.后備電源 1.直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 圖7-16直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性 1.直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 圖7-17直流變槳驅(qū)動(dòng)結(jié)

8、構(gòu) 2.其他電動(dòng)機(jī)類型 圖7-18交流異步電動(dòng)機(jī)變頻 驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性 2.其他電動(dòng)機(jī)類型 圖7-19交流變槳驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 3.后備電源 后備電源可以在緊急情況下直接驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行順槳，但 對(duì)交流電動(dòng)機(jī)而言，在后備電源和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之間的驅(qū)動(dòng)器的 可靠性就顯得十分重要，特別是考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)遭 遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須要獨(dú)立地做到失效安全，所 以必須為每個(gè)葉片提供獨(dú)立的蓄能器或后備電源。 后備電源被安裝在輪轂內(nèi)，每片槳葉的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都有獨(dú)立的后 備電源。通常后備電源為鉛酸蓄電池或超級(jí)電容。鉛酸蓄電池 的成本較低，但體積大，也比較重，對(duì)工作溫度的要求比較高， 壽命有限，通常23年

9、必須更換。超級(jí)電容的體積小，功率密 度大，可靠性好，但比較昂貴。 (三)電動(dòng)變槳系統(tǒng)的控制 圖7-20電動(dòng)變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制信號(hào)聯(lián)系 第五節(jié)變 流 系 統(tǒng) 一、雙饋?zhàn)兞髌鞯慕M成 二、全功率變流器的組成 三、變流器的控制 一、雙饋?zhàn)兞髌鞯慕M成 雙饋?zhàn)兞髌魑挥诶@線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間， 其功率大約為發(fā)電機(jī)功率的30%，相對(duì)于全功率逆變，該 方式減小了變流損失，降低了變流器的成本。 雙饋?zhàn)兞髌饔膳潆姴糠帧⒅骺夭糠?、進(jìn)線濾波部分、網(wǎng) 側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和Crowbar保護(hù)電路組成，如圖 7-21所示。 二、全功率變流器的組成 全功率變流器也是一個(gè)雙PWM的變流器，硬件構(gòu)成體系與 雙饋?zhàn)兞?/p>

10、器并無(wú)太大不同，只是在發(fā)電機(jī)側(cè)連接的是定子 繞組，而雙饋?zhàn)兞髌鬟B接的是轉(zhuǎn)子繞組。此外就是全功率 變流器不配備Crowbar保護(hù)電路，但全功率變流器需要在直 流環(huán)節(jié)配備可控的泄放電阻以適應(yīng)電網(wǎng)低電壓穿越的要求。 由于全功率變流器的換流容量大，所以在架構(gòu)上可以采取 多路并聯(lián)的方式，如圖7-22所示的全功率變流器結(jié)構(gòu)中就采 用了三個(gè)通道的并聯(lián)。值得指出的是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用 的兆瓦級(jí)永磁同步發(fā)電機(jī)通常采用多相繞組，以減小直流 側(cè)的電壓波動(dòng)，于是變流器也可采用每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一組發(fā) 電機(jī)三相繞組的接法。 在變流器與發(fā)電機(jī)定子繞組間應(yīng)配備一個(gè)開關(guān)，防止在維 修時(shí)，由于永磁發(fā)電機(jī)自由運(yùn)轉(zhuǎn)而在發(fā)電機(jī)定子繞組產(chǎn)生

11、 的空載電動(dòng)勢(shì)造成人身傷害。 三、變流器的控制 圖7-22全功率變流器結(jié)構(gòu) 第六節(jié)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 由于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的價(jià)值越來(lái)越高，對(duì)于機(jī)組可利用率的 要求也越來(lái)越高，所以很多的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都安裝了自動(dòng) 潤(rùn)滑系統(tǒng)。兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)可以 分為四個(gè)部分，分別是變槳軸承自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、主軸自動(dòng)潤(rùn)滑 系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)軸承自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)和偏航軸承自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。各 個(gè)位置使用的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)的外形和結(jié)構(gòu)基本相同，差異的只 是容量和供電等方面。 第六節(jié)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 圖7-23是典型的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，主要由油箱、集成控制器和分 配器組成。自動(dòng)潤(rùn)滑泵將油箱內(nèi)的油脂定期經(jīng)過(guò)高壓油管輸出， 由分配器

12、將油脂分配到各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)上，同時(shí)，在被潤(rùn)滑設(shè)備上 將安裝集油盒以收集多余的廢油。自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)在自動(dòng)控制潤(rùn) 滑時(shí)也具備系統(tǒng)自檢的能力，能在故障時(shí)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制 系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。 值得一提的是對(duì)變槳內(nèi)齒環(huán)的潤(rùn)滑通常使用專用的潤(rùn)滑小齒輪， 通過(guò)帶潤(rùn)滑孔的小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒環(huán)嚙合而進(jìn)行潤(rùn)滑。 圖7-23自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 第六節(jié)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 圖7-24潤(rùn)滑小齒輪 第六節(jié)自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 第七節(jié)溫度監(jiān)控傳感器 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)每個(gè)旋轉(zhuǎn)部件都能產(chǎn)生熱，這些熱量 不能及時(shí)散出就會(huì)損傷部件。如發(fā)電機(jī)、齒輪箱和機(jī)艙的溫升 監(jiān)控，通常溫升檢測(cè)傳感器采用工業(yè)鉑電阻Pt100進(jìn)行測(cè)試。 第八節(jié)安全保護(hù)控制回路傳感器

13、 一、超速開關(guān) 二、機(jī)械振動(dòng)傳感器 三、極限振動(dòng)保護(hù)傳感器 四、紐纜開關(guān) 一、超速開關(guān) 圖7-25超速開關(guān)接線原理圖 二、機(jī)械振動(dòng)傳感器 1.基本參數(shù) 2.頻率濾波器 3.繼電器 4.所允許的環(huán)境條件 5.結(jié)構(gòu) 二、機(jī)械振動(dòng)傳感器 圖7-26振動(dòng)測(cè)試原理圖 1.基本參數(shù) (1)電源電壓： (2)允許電壓范圍：21.626.4V (3)消耗電流：典型值為80mA，最大為250mA； (4)消耗電能：典型值為1.9W，最大為6.6W； (5)振動(dòng)輸入； (6)報(bào)警級(jí)別(加速) (7)分辨率：0.001； (8)精確度(25)：0.003g。 2.頻率濾波器 (1)頻率范圍：最小為0.10Hz，最大為5.00Hz； (2)分辨率：0.01Hz； (3)頻帶BW(80db/decade)根據(jù)中頻Fo，在5步中可選擇;最?。篎o /40Hz,最大：Fo/2Hz; (4)響應(yīng)時(shí)間(依據(jù)中頻Fo):最小為1s，最大為6s； (5)報(bào)警延時(shí)：最小為，最大為25.5s。 3.繼電器 (1)最大關(guān)斷電壓：42V; (2)最大關(guān)斷電流：AC(或DC)1A,30W； (3)可選擇串口通信； (4)端口號(hào)：1; (5)M-NET (6)RS485通信端口; (7)傳輸