【1兆瓦風(fēng)電機組電機對拖平臺設(shè)計（論文）12000字】

1兆瓦風(fēng)電機組電機對拖平臺設(shè)計摘要近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在新能源領(lǐng)域的發(fā)展成果也越來越多的走進人們的視野當(dāng)中，根據(jù)我國的地理優(yōu)勢，很多地區(qū)適合發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，這種清潔的可再生能源逐漸被重視，而由于風(fēng)力發(fā)電機機體尺寸通常較大，在我們設(shè)計安裝時往往需要對機體內(nèi)部風(fēng)電機組的控制機柜進行測試校驗，為了方便對風(fēng)電機組控制機柜的測試校驗，設(shè)計1MW傳統(tǒng)鼠籠式異步發(fā)電機機型的風(fēng)電發(fā)電機組的電機對拖平臺，選取一臺鼠籠異步電動機作為主動電機，也是對拖平臺機械動力來源，選取針對1MW的鼠籠異步電動機作為從動發(fā)電機。在上位機將自然風(fēng)模型仿真信號處理后傳輸至對拖平臺的電氣控制系統(tǒng)，利用變頻器控制額定功率11KW的鼠籠異步電機和減速器模擬風(fēng)電機組的葉輪機械傳動部分，進行轉(zhuǎn)速0-20r/min范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速，以此來模擬兆瓦級風(fēng)電機組的風(fēng)輪系統(tǒng)，模擬風(fēng)電葉輪能量轉(zhuǎn)換過程中輸出功率及轉(zhuǎn)矩特性，拖動發(fā)電機進行風(fēng)電機組控制策略及運行動態(tài)特性的模擬仿真，并且實時監(jiān)測模擬運行后生成的信號反饋至電控系統(tǒng)。利用安裝在異步電機轉(zhuǎn)軸上的增量式光電編碼器反饋從動發(fā)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)雙饋電機并網(wǎng)控制。本設(shè)計主要從兩個方面對電機對拖平臺進行設(shè)計，分別是電氣控制電路的設(shè)計和對拖平臺的設(shè)計。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；控制機柜；電機對拖平臺；電氣控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u365摘要 24105第1章緒論 6180891.1研究背景 642371.2風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題 6277831.4風(fēng)電機組電機對拖平臺研究現(xiàn)狀 8253071.5研究目的與內(nèi)容 831620第2章風(fēng)電機組電機對拖測試平臺設(shè)計研究 9121082.1風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究 922032.2電機對拖平臺系統(tǒng)研究 1153532.2.1上位機 1212202.3電機對拖平臺設(shè)計方案 137823第3章電控系統(tǒng)設(shè)計 14240693.1風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)設(shè)計方案 14241423.2異步電機變頻調(diào)速電路設(shè)計 15127753.2.1變頻器 15185433.2.2三相異步電機原理 15258033.2.3變頻器基本原理 15297103.3變頻調(diào)速設(shè)計 1719633第4章電機對拖平臺硬件設(shè)計 20218074.1電機對拖平臺異步電機選型 20213614.2增速器整體設(shè)計 20257704.3電機對拖平臺其余硬件選型 22213624.3.1聯(lián)軸器 223185第五章監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 22緒論1.1研究背景當(dāng)前世界上所用的主要能源是煤、石油、天然氣等不可再生能源。而隨著全球工業(yè)化水平的不斷發(fā)展進步，我們對能源的需求不斷增加，但傳統(tǒng)能源不可再生最后終究會消耗殆盡，并且每年消耗掉大量的不可再生能源會產(chǎn)生大量的污染和有害氣體，對人類的生活環(huán)境和生態(tài)自然安全造成了極大的影響。人們對于可再生綠色能源的供給越來越重視，希望能夠找到廉價且無污染的能源替代化石燃料的消耗，所以近年來尋找可再生的無污染能源改善世界能源結(jié)構(gòu)成為了世界迫在眉睫的首要任務(wù)，因此近年來，各種新能源企業(yè)越來越多，新能源產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，對于新型可再生能源的應(yīng)用利用技術(shù)越來越成熟。風(fēng)能作為一種可再生的綠色能源，全球蘊含的風(fēng)能資源十分豐富。風(fēng)能是由溫度差、地形差異、空氣流動等原因產(chǎn)生，其實也是太陽能的另一種形式，安全無污染、取之不盡，用之不竭，若能夠有效地利用風(fēng)能資源，不僅能提高人們的生活質(zhì)量，對生態(tài)環(huán)境的保護也有重大意義。在新能源發(fā)展過程中，風(fēng)能開發(fā)憑借著其儲量豐富、建設(shè)周期短，環(huán)境要求不高，利用率較高等特點在世界各國得到了持續(xù)而快速的發(fā)展。由于風(fēng)力發(fā)電是低排放、低污染的低碳電力發(fā)展模式，因此將其作為電能可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇之一[[]劉波,賀志佳,金昊.風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2016,36(2):7-13.[]劉波,賀志佳,金昊.風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2016,36(2):7-13.1.2風(fēng)電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）[[]BurtonT,SharpeD,JenkinsN,etal.WindEnergyHandbook[M]//Windenergyhandbook/.Wiley,2011.]統(tǒng)計全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)2017年新增裝機52.57GW,累計裝機容量可達539.58GW。海上風(fēng)電裝機部分，歐洲地區(qū)和亞洲印度地區(qū)實現(xiàn)戰(zhàn)略性突破。根據(jù)全球風(fēng)能理事會和綠色和平聯(lián)合發(fā)布的最新報告，兩機構(gòu)預(yù)測，到2030年全球風(fēng)電裝機總量將達到2000GW。屆時，風(fēng)能的發(fā)電量將達到全球總發(fā)電量的17%到19%，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)還會帶來約200萬個就業(yè)崗位并減少二氧化碳排放30億噸。同時，兩家機構(gòu)還預(yù)測，到2050年，風(fēng)能將為全球提供25%到30%的發(fā)電量。2020[]BurtonT,SharpeD,JenkinsN,etal.WindEnergyHandbook[M]//Windenergyhandbook/.Wiley,2011.圖1.2.1我國風(fēng)電2009年到2020年裝機總量風(fēng)力發(fā)電如此快速的發(fā)展，極大依賴于國家優(yōu)惠政策的扶持和風(fēng)電技術(shù)的成熟。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要包括風(fēng)電整機制造技術(shù)和風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，后者涉及儲能技術(shù)、功率系統(tǒng)控制補償技術(shù)、低電壓穿越技術(shù)等，不同時期對兩部分技術(shù)的發(fā)展也有所不同。作為大型風(fēng)電機組控制技術(shù)的核心部分之一，其對提高風(fēng)力發(fā)電效率、發(fā)電質(zhì)量以及發(fā)電機組的安全運行起著十分重要的作用。風(fēng)電領(lǐng)域大部分整機廠商，例如金風(fēng)科技、遠景能源、明陽風(fēng)電、華銳風(fēng)電等都成立了變槳技術(shù)相關(guān)研發(fā)團隊進行獨立研究，相比于主控控制器、開關(guān)電源等系列產(chǎn)品，許多變槳控制器、控制柜成為公司推整體解決方案的主流配套設(shè)備之一。風(fēng)電機柜控制系統(tǒng)的性能對提高風(fēng)為發(fā)電的效率、發(fā)電質(zhì)量以及發(fā)電機組的安全運行都起著十分重要的作用，是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵要素。由于近幾年國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展迅速，在風(fēng)電領(lǐng)域一些技術(shù)問題也逐漸凸顯，對于電力能源來說風(fēng)電存在著一些不可控的因素，由于風(fēng)力發(fā)電是由風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能，機械能再轉(zhuǎn)化成電能，而風(fēng)能是不可控的。自然風(fēng)不是恒定的，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電輸出的電能也具有間歇性，并且有時風(fēng)力太小是輸出電能較小，有時有風(fēng)力太大輸出電能太大，不能做到平滑輸出。當(dāng)前使用條件下電能基本上都是即發(fā)即用，即從電廠發(fā)出來的電，經(jīng)過電網(wǎng)傳輸?shù)接脩?，用電器直接使用，?jīng)過的是源-網(wǎng)-荷三大環(huán)節(jié)，中間沒有存儲的環(huán)境。這就要求發(fā)用電實時平衡。因此，大量的風(fēng)力發(fā)電接進將出現(xiàn)隨機間歇性輸入沖擊電網(wǎng)，接入電網(wǎng)后便會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，電網(wǎng)不具備儲能功能，所以會帶來潛在不安全因素。此外，間歇性會降低輸電設(shè)備利用率。還有逆調(diào)峰增加電網(wǎng)調(diào)峰難度、能源與負荷區(qū)域錯位等較為明顯的問題。所以對于風(fēng)電機組隨機間接性輸出的研究解決是現(xiàn)階段最大的問題。1.4風(fēng)電機組電機對拖平臺研究現(xiàn)狀目前由于國內(nèi)對風(fēng)電行業(yè)的扶持，風(fēng)電技術(shù)研究逐漸起色，國家高校實驗室和一些能源企業(yè)對風(fēng)電機組的研究由以前的計算機仿真建立數(shù)據(jù)模型的模擬研究，發(fā)展到近些年實驗室內(nèi)搭建硬件物理仿真和半硬件物理仿真的實驗平臺研究。文獻[5]、文獻[6]中搭建了一套“風(fēng)力發(fā)電物理實驗平臺”。還有部分高校和實驗室搭建了大型雙饋機組物理實驗仿真平臺，利用變頻器和異步電動機模擬風(fēng)電機組的動力裝置，模擬風(fēng)電葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的輸出特性，拖動發(fā)電機發(fā)電進行風(fēng)電機組的控制、運行狀態(tài)以及增速器的各種傳動特性的模擬研究。1.5研究目的與內(nèi)容本設(shè)計主要解決風(fēng)電機組控制電柜在設(shè)計裝配和校驗時無法在實況環(huán)境下測試，用11KW的電機對拖平臺模擬1MW風(fēng)電機組的工作狀況，方便控制電柜設(shè)計裝配和校驗工作，簡化設(shè)計安裝人員對控制電柜產(chǎn)品的性能把控。主要內(nèi)容如下：1、風(fēng)電機組電機對拖平臺整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計：經(jīng)過對風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)組成以及控制原理分析研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個有完整回路的實驗平臺，并且考慮經(jīng)濟性、做可行性分析，設(shè)計出由變頻器控制的風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電氣控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成的測試平臺設(shè)計方案。2、風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)的設(shè)計：在無實況實驗室環(huán)境下，搭建測試平臺的動力輸入部分，提出風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)的設(shè)計方案。風(fēng)電葉輪系統(tǒng)是風(fēng)電機組能量轉(zhuǎn)換的核心裝置，研究分析風(fēng)電葉輪的運行過程及結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。3、電機對拖平臺硬件設(shè)計：包括傳動系統(tǒng)、電機系統(tǒng)設(shè)計以及連接硬件設(shè)計選型，研究分析風(fēng)電機組的傳動系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及性能要求，分析齒輪箱的選型及日常運行維護注意事項。本著經(jīng)濟適應(yīng)的原則，提出本文測試平臺傳動系統(tǒng)的設(shè)計方案。分析發(fā)電機的內(nèi)部構(gòu)造，掌握其能量轉(zhuǎn)化過程及原理，最后給出發(fā)電機控制及終端負載的設(shè)計方案硬件選型。4、電氣控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計：研究分析電機控制系統(tǒng)及各個設(shè)備間的通信問題，提出可靠的控制系統(tǒng)連接方案。提出并完成風(fēng)電機組實驗平臺的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。設(shè)計內(nèi)容及要求有：設(shè)計電機對拖平臺，其中主動電機采用變頻器控制設(shè)計，要求有啟動停止、外接通斷和調(diào)速范圍可達0-20r/min，提供過載保護。滿足1MW風(fēng)力發(fā)電機組實時工況仿真模擬測試。第2章風(fēng)電機組電機對拖測試平臺設(shè)計研究2.1風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究設(shè)計模擬風(fēng)發(fā)電機機組的電機對拖平臺就要分析風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)組成，從而了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作原理，準確的設(shè)計模擬電機對拖實驗平臺。風(fēng)力發(fā)電機葉輪繞著水平軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)能利用率高、安全且可控，一般有上風(fēng)向和下風(fēng)向兩種風(fēng)力機。下風(fēng)向水平軸風(fēng)力機葉片位于塔架的下風(fēng)側(cè)，在葉片載荷和功率方面，比上風(fēng)向水平軸風(fēng)力發(fā)電機有更多的波動，進而影響整機性能。故目前上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機使用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)如圖1.3.1所示，主要由塔架、機艙、葉片、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及偏航系統(tǒng)等組成。圖1.3.1風(fēng)力發(fā)電機組各系統(tǒng)功能分別如下：（1）風(fēng)電葉輪是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的機械部件，包括輪轂與葉片兩部分，通過風(fēng)能對葉輪的作用帶動輪轂旋轉(zhuǎn)，由輪轂與主軸的連接作用將動能傳遞到傳動系統(tǒng)；（2）傳動系統(tǒng)包括主軸、齒輪箱、制動結(jié)構(gòu)等部件，通過齒輪箱將動力傳遞給發(fā)電機；（3）發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的關(guān)鍵部件，通常有異步發(fā)電機和同步發(fā)電機兩種；（4）機艙是風(fēng)機的主要承載部件，主要包括外殼、主機架等部件；（5）偏航系統(tǒng)，是為了實現(xiàn)對風(fēng)動作[[][]陳新廠．大功率風(fēng)力發(fā)電機組輪轂的結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化設(shè)計［Ｊ］．重慶大學(xué)，2008.5從風(fēng)電機組的運行調(diào)節(jié)技術(shù)上分析，現(xiàn)階段控制機柜對于風(fēng)電機組的控制技術(shù)分為定槳距調(diào)節(jié)技術(shù)、變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)、主動定槳調(diào)節(jié)技術(shù)變速恒頻調(diào)節(jié)技術(shù)。從運行方式上看可以分為恒速恒頻運行和變速恒頻運行。由于恒速恒頻運行存在一些缺點，會在風(fēng)速較大時傳遞給主軸，齒輪箱等機械部件較大的應(yīng)力變化造成疲勞損壞。變速恒頻相比不存在這些缺陷，能做到隨風(fēng)速變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，因此本文內(nèi)容首要目的是在室內(nèi)無風(fēng)情況下對風(fēng)電機組的控制機柜進行測試，搭建一套軟件硬件結(jié)合的模擬測試平臺。\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"風(fēng)力發(fā)電機組控制單元（WPCU）是每臺風(fēng)機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內(nèi)。由于風(fēng)電機組現(xiàn)場運行環(huán)境惡劣，對控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而風(fēng)電控制系統(tǒng)是專門針對大型風(fēng)電場的運行需求而設(shè)計，應(yīng)具有極高的環(huán)境適應(yīng)性和抗電磁干擾等能力，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：風(fēng)電控制系統(tǒng)的現(xiàn)場\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"控制站包括：塔座主控制器機柜、機艙控制站機柜、變槳距系統(tǒng)、變流器系統(tǒng)、現(xiàn)場觸摸屏站、\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"以太網(wǎng)交換機、\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)、\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"UPS電源、緊急停機后備系統(tǒng)等。2.2電機對拖平臺系統(tǒng)研究根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的工作原理，在室內(nèi)搭建模擬風(fēng)電機組的對拖平臺，模擬風(fēng)力發(fā)電裝置實際工作狀況，經(jīng)過對風(fēng)力發(fā)電過程進行分析，可以分為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的葉輪、將葉輪轉(zhuǎn)速擴大的增速器部分，然后是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機部分，以及對整個風(fēng)力發(fā)電機實時控制的電控柜。在室內(nèi)無實況環(huán)境下搭建模擬測試平臺對風(fēng)力發(fā)電實際過程模擬研究，大致分為以下幾個部分：（1）上位機模型：是模擬各種風(fēng)機實況下可能接受的自然風(fēng)模型終端，作用是在上位機仿真自然風(fēng)模型數(shù)據(jù)輸入需要測試的模擬風(fēng)力風(fēng)速信號，在室內(nèi)環(huán)境下提供人機交互界面，可以完成輸入用戶命令、變更參數(shù)、顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和故障顯示，以及提供與其余各系統(tǒng)之間的通信；（2）電氣控制系統(tǒng)：作用是變頻控制電機調(diào)速、啟停、以及電機保護，對輸入輸出信號處理并且下達控制指令，同時由光電編碼器將電機轉(zhuǎn)速反饋至測試機柜，完成對整個對拖測試平臺各部分之間的信息傳遞和管理；（3）傳動系統(tǒng)：聯(lián)結(jié)風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)和發(fā)電機系統(tǒng)，并且將由變頻控制的主動電機的輸出的動力經(jīng)過齒輪箱調(diào)至適合的轉(zhuǎn)速帶動從動發(fā)電機；（4）監(jiān)控系統(tǒng)：及時完成對對拖平臺運行過程中測量量和控制量進行監(jiān)控和處理指令的傳達，監(jiān)控整個平臺的運行狀態(tài)，以及對故障進行實時報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2.2圖上位機上位機即PC端，提供給對拖測試平臺自然風(fēng)模型，基于Windows的控制軟件，可以在Matlab/Simulink中建立控制模型，參數(shù)調(diào)整后，將模型導(dǎo)入設(shè)計好的仿真軟件中運行，用戶可以根據(jù)相應(yīng)的自然風(fēng)模型輸入風(fēng)速，以及設(shè)定槳距角、葉片半徑、轉(zhuǎn)動慣量等值，以及一些已知的風(fēng)速特性，通過PC端運行仿真后可經(jīng)過I/O接口進行通信，實現(xiàn)控制指令的下達和運行狀態(tài)的顯示監(jiān)測。經(jīng)下位機運行后用戶可在上位機查詢統(tǒng)計數(shù)據(jù)、運行參數(shù)、電壓電流、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等信息。根據(jù)上位機功能選擇現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)與用戶完成交互界面，運行測試時對風(fēng)速模擬、參數(shù)設(shè)置、通信、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及監(jiān)控模塊顯示。本文當(dāng)中主要設(shè)計對拖測試平臺，下文不在對上位機介紹。2.3電機對拖平臺設(shè)計方案電機對拖實驗平臺主要就是基于風(fēng)電機組運行原理，將接受風(fēng)力轉(zhuǎn)動的葉輪可視為主動電機，經(jīng)過葉輪轉(zhuǎn)動帶動增速器增速的部分視為傳動裝置，最后帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子進行發(fā)電，搭建一套硬件設(shè)備以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，模擬仿真風(fēng)力發(fā)電機組的運行過程，測試風(fēng)電機組的控制電柜的性能。搭建電機對拖實驗平臺應(yīng)該在保持原有的實際工作狀況，不改變不影響風(fēng)電機組的運行特性，在搭建實驗平臺的硬件設(shè)計上選擇結(jié)構(gòu)簡單和尺寸較小的，以及考慮到經(jīng)濟性、適用性、維修方便等因素。在室內(nèi)環(huán)境下測試1MW風(fēng)力發(fā)電的測試機柜，本文設(shè)計一套功率為11KW的電機對拖實驗平臺。此平臺可以將接受風(fēng)力的葉輪動力源部分和發(fā)電的部分用三相異步電動機代替，11KW的增速器部分按照相應(yīng)的的增速比設(shè)計，考慮到模擬的準確性以及在工作時的平穩(wěn)性，安裝維修的簡便性，平臺尺寸，可設(shè)計為主動電機、增速器和從動電機同軸傳動，連接裝置選擇聯(lián)軸器。測試平臺由變頻器、驅(qū)動電機、增速器、聯(lián)軸器、被測電機、負載電阻以及平臺底座構(gòu)成。電源及上位機仿真模型部分由現(xiàn)場終端提供。對拖平臺建設(shè)方案拓撲圖如圖2.3圖2.3第3章電機對拖動力系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在進行能量轉(zhuǎn)換過程中首先應(yīng)用的就是風(fēng)電葉輪系統(tǒng)，風(fēng)電葉輪將各種可以吸收到的風(fēng)能帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，將葉輪所受的自然風(fēng)載荷轉(zhuǎn)換成機械能，在通過機械傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電能。由于在實際狀況下風(fēng)能隨機波動性較大相對產(chǎn)生的電連接到電網(wǎng)上會產(chǎn)生對電網(wǎng)系統(tǒng)的損害，所以風(fēng)電機組在實際環(huán)境下對于過高或者過低的風(fēng)速都不會啟動風(fēng)電機組發(fā)電。搭建一套對于風(fēng)電機組控制機柜的測試對拖平臺首要解決的是動力源問題，要模擬風(fēng)電葉輪系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，就要能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速控制，監(jiān)控轉(zhuǎn)速的要求。本章將對電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計，包括驅(qū)動電機和控制電路設(shè)計?？刂齐娐坟撠?zé)對電機進行變頻調(diào)速，檢測運行時電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等信號，并且對檢測到的反饋信號作出處理。3.1風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)設(shè)計方案搭建一套小型對拖測試平臺，風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)動力源采用一臺鼠籠異步電機，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量電路測得信號反饋至測試機柜，經(jīng)過控制算法的計算后下達控制信號，對驅(qū)動電機進行調(diào)頻變速，轉(zhuǎn)速控制在0-20r/min，達到真實模擬風(fēng)電葉輪的運行轉(zhuǎn)速。原理如圖3.1所示。圖3.13.2異步電機變頻調(diào)速電路設(shè)計3.2.1變頻器變頻器是把頻率為50Hz的工頻電源變成各種頻率的交流電源，從而實現(xiàn)電機的無極變速運行。變頻控制電路為主控電路，整流電路將交流電換成直流電，直流中建電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算得CPU以及一些相應(yīng)的電路。3.2.2三相異步電機原理異步電動機當(dāng)對三相定子繞組中通入對稱的三相交流電，就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速n1沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以n1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時是靜止的，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生于感應(yīng)電動勢方向基本一致的感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場中受到電磁力的作用。電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動電動機。3.2.3變頻器基本原理交直交通用變頻器系統(tǒng)框圖如圖3.21.主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它主要由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的平波回路，以及將直流功率變換為交流功率的逆變器。（1）整流器：大多使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到三相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。圖3.2控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的運算電路，主電路的電壓、電流檢測電路，電動機的速度檢測電路，將運算電路的控制信號進行放大的驅(qū)動電路，以及逆變器和電動機的保護電路組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。（5）保護電路:檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。如圖3.3交-直-交變頻器主電路。圖3.33.3變頻調(diào)速設(shè)計變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運動，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機轉(zhuǎn)動起來。電機磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速,交流異步電機轉(zhuǎn)速公式為：n=60f1pn(式中：f—三相交流電源頻率，一般為50Hz；p—異步電機磁極對數(shù)；s—異步電機轉(zhuǎn)差率；n0轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n0要慢一點，所以稱為異步電機，這個差別用轉(zhuǎn)差率s表示：s=當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，n=0，這時s=1；起動后的極端情況n=n0，則s=0，即s在0～1之間變化。一般異步電機在額定負載下的轉(zhuǎn)差率在1％~6％綜合式（1）和式（2）可以得出n=60f1p由式（3）可以看出，對于成品電機，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機調(diào)速的目的。但是，為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率的同時還要調(diào)整電壓，故稱變頻變壓型（VVVF）變頻器。搭建11KW的電機對拖測試平臺，確定了調(diào)速方案，根據(jù)對調(diào)速精度和動態(tài)性能方面都有較高的要求，經(jīng)過比較選擇帶有速度反饋的變頻器，德力西EM60G7R5T4B變頻器，變頻器參數(shù)如表3.1型號德力西EM60G7R5T4B額定功率11KW輸入AC3PH380V輸出AC3PH380V25A表3.1接線時在測試平臺旁固定好變頻器，然后把變頻器的端口一一連接到測試平臺上對應(yīng)的端口。測試平臺上的端口是為了方便之后的插線而準備的。把變頻器相對應(yīng)的端口和光電編碼器連接到異步電機上。變頻器數(shù)據(jù)信號接口上接控制機柜進行通訊控制。閉環(huán)反饋測試控電機柜時由上位機對風(fēng)速、風(fēng)況進行仿真模擬，對應(yīng)的模擬信號輸入至風(fēng)電控制機柜，在變頻器的VF1-GND端子接口處接被測電控柜的模擬量輸入，一般是0-10V的電壓信號和0-20mA的電流信號。由模擬信號輸入量電壓或者電流的大小對拖動電機進行無極調(diào)速，模擬輸入量電壓或者電流的值越大變頻頻率越小，電機調(diào)速越小。在平臺安裝測試可以外接電位器進行變頻調(diào)速，通常選用阻值范圍在5kΩ左右的電位器進行測試調(diào)節(jié)，阻值越大，電流越小，變頻頻率越小，電機轉(zhuǎn)速越小。德力西EM60變頻器接線圖如圖3.4.圖3.4變頻器主電路接線圖如圖3.5所示。R、S、T是變頻器的輸入端，接電源進線。U、V、W是變頻器輸出端，與電動機相接。輸出端與輸入端絕不允許錯接，否則會發(fā)生電源短路故障。圖3.5電機對拖平臺硬件設(shè)計經(jīng)過對風(fēng)電機組運行原理研究以及對風(fēng)電葉輪模擬系統(tǒng)的分析，在設(shè)計好相應(yīng)的變頻控制系統(tǒng)后，搭建物理電機對拖測試平臺，整體平臺包括兩部異步電動機、聯(lián)軸器、增速器、光電編碼器、負載電阻、承載底座。圖4.14.1電機對拖平臺異步電機選型針對1MW風(fēng)力發(fā)電機組的電機對拖模擬平臺主動電機和從動電機采用三相異步電機。由于此實驗平臺為室內(nèi)用于測試的小型平臺在功率上選擇經(jīng)比例縮小100倍的11KW電機，再考慮到輸出特性以及一些功率損耗選擇11KW的三相異步電機，參數(shù)如表4.2所示：表4.1三相異步電機參數(shù)型號M2QA160M4A極數(shù)4額定功率11KW防護等級IP55額定電壓AC3PH400/690V重量117Kg額定電流12.1-21.2A軸徑42mm轉(zhuǎn)速1450r/min軸伸110mm效率87鍵寬12mm功率因數(shù)0.85鍵長100mm（實測）4.2增速器整體設(shè)計傳動裝置是運動機構(gòu)當(dāng)中的重要組成之一。傳動裝置的設(shè)計是否符合運動學(xué)原理、加工工藝和生產(chǎn)制造質(zhì)量能否達標，都是增速器質(zhì)量的關(guān)鍵問題。傳動方案有很多，機械傳動依照工作原理分為摩擦傳動和嚙合傳動、蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動。由風(fēng)力發(fā)電機的工作環(huán)境以及傳動特點，常見傳動方式是齒輪傳動。齒輪傳動有著工作安全可靠，傳動穩(wěn)定、壽命長、瞬時傳動比恒定、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。風(fēng)力發(fā)電機的工作環(huán)境是多風(fēng)沙環(huán)境，結(jié)合潤滑要求一般采用鄙視傳動以滿足使用。風(fēng)力發(fā)電機增速器設(shè)計通常是要求傳動比大、均載效果好、工作效率高的性能，目前國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電增速器按照傳動形式分為展開式、分流式、同軸式和混合式。本設(shè)計當(dāng)中選用同軸式增速器。風(fēng)力發(fā)電機增速器大多采用行星傳動，由行星架作為輸入，太陽輪作為輸出。其結(jié)構(gòu)特點是：（1）太陽輪和行星架采用浮動設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，慣性小，作為均載浮動件時浮動靈敏，可以有較好的均載功能，被廣泛用于中低速工況下的浮動均載；（2）行星架作為輸入軸，適合風(fēng)力發(fā)電機受力大、轉(zhuǎn)矩大的特點。所以本設(shè)計當(dāng)中模擬1MW風(fēng)力發(fā)電增速器設(shè)計，由于實際工作時其大功率、大傳動比、大扭矩等特點，電機對拖平臺的增速器是采用同軸式行星齒輪傳動的結(jié)構(gòu)形式，采用三級行星齒輪傳動方式。增速器作為風(fēng)力發(fā)電機的重要傳動部件，采用兩個增速器背對背同軸連接模式，先將主動電機先減速后再增速，第一增速器將小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為大轉(zhuǎn)矩，高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速，改變運動形式的功能，在設(shè)計對拖平臺的增速器時要求與風(fēng)力發(fā)電機的增速器工作狀況相同。第一增速器雖然本身不會產(chǎn)生動力，但是它的作用是利用齒輪大小不同和速度轉(zhuǎn)換，將電動機的回轉(zhuǎn)速度減速到目標回轉(zhuǎn)數(shù)，并且得到較大轉(zhuǎn)矩的機構(gòu)。如果采用直接調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，主電動機直接接在從動發(fā)電機上，當(dāng)從動發(fā)動機運轉(zhuǎn)時主動電機的負荷是非常大的，這樣對電動機的損害非常大，也不利于風(fēng)電機組運行特性的真實性，比如速比為100的增速器，增速器的轉(zhuǎn)數(shù)比=輸入轉(zhuǎn)數(shù)/輸出轉(zhuǎn)數(shù)。轉(zhuǎn)數(shù)比為100，輸出轉(zhuǎn)矩大約為輸出轉(zhuǎn)矩的100倍，轉(zhuǎn)速減慢而轉(zhuǎn)矩增加，機器運轉(zhuǎn)時對電機的負荷就只有原來的百分之一，這樣對于電動機也是一種保護。拖動電機滿功率運載下轉(zhuǎn)速為1450r/min,要實現(xiàn)模擬風(fēng)電葉輪實現(xiàn)0-20r/min，需要速比為75的增速器。經(jīng)過對比選型選擇上海精北傳動機械有限公司減速器（BW320-75-T）電機對拖平臺增速器主要設(shè)計參數(shù)如下表4.2表4.2增速器參數(shù)額定功率11KW輸入轉(zhuǎn)速0—20r/min增速比1:75分度圓壓力角20°輸入轉(zhuǎn)矩（低速軸）5390N.m輸出轉(zhuǎn)矩（高速軸）70N.m低速軸軸徑90mm高速軸軸徑48mm低速軸軸伸140mm高速軸軸伸110mm低速軸鍵寬25mm高速軸鍵寬14mm4.3電機對拖平臺其余硬件選型4.3.1聯(lián)軸器聯(lián)軸器的種類有兩種，分別是撓性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器。拖動電機和發(fā)電機與增速器部分連接軸需要傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，考慮到此平臺結(jié)構(gòu)簡單，要拆裝方便所以采用剛性聯(lián)軸器連接，根據(jù)聯(lián)軸器選擇原則考慮到所需要傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)，以及工作環(huán)境和裝配誤差等因素綜合考慮選擇聯(lián)軸器型號。聯(lián)軸器參數(shù)如下表4.3。聯(lián)軸器內(nèi)孔開鍵槽，裝配后用頂緊螺栓緊固。采用兩套聯(lián)軸器，分別是異步電動機與增速器端用聯(lián)軸器。表4.3聯(lián)軸器開孔直徑增速器端48mm電動機端42mm鍵槽尺寸增速器端鍵槽寬14mm鍵槽長70mm電動機端鍵槽寬12mm鍵槽長70mm外徑230mm長度140mm許用扭矩5600N.m最高轉(zhuǎn)速7000rpm公差H74.3.2光電編碼器對于轉(zhuǎn)速的監(jiān)測選擇光電編碼器接在兩個電動機的轉(zhuǎn)子伸出軸上將軸的角位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號脈沖信號。對此采用增量式空心軸編碼器實時監(jiān)測高速軸和低速軸轉(zhuǎn)速，經(jīng)過內(nèi)置光電元件將轉(zhuǎn)速脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號，最后將轉(zhuǎn)速信號傳輸至控制機柜對下位機實時進行反饋控制并且在上位機進行轉(zhuǎn)速顯示監(jiān)控。編碼器參數(shù)如表4.4表4.3編碼器參數(shù)開孔直徑42mm精度1024p/r外徑100mm最高轉(zhuǎn)速5000r/min厚度43mm電源規(guī)格DC24V4.3.3負載電阻和底座本對拖平臺底座的設(shè)計需要考慮以下因素：根據(jù)電機和增速器總體搭建尺寸決定平臺的總體尺寸，便于在室內(nèi)使用，要便于在室內(nèi)對各個零部件（增速器、聯(lián)軸器、電動機）的安裝與固定，能將測試平臺的整體重量均布在承載平臺上，還要保證有良好的平穩(wěn)性，盡可能減小測試時電機運行時產(chǎn)生的振動影響。為此考慮承載底座可固定在有T型槽的鋼構(gòu)架上，平臺表面T型槽和孔可以方便電機以及增速器的固定。負載電阻一般選用電熱器，功率選擇11KW即可。在負載電阻前加裝電流電壓傳感器，并且將信號傳輸至上位機進行實時監(jiān)測。 第5章監(jiān)測控制系統(tǒng)5.1監(jiān)測控制系統(tǒng)方案風(fēng)電機組電機測試平臺整體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)經(jīng)過前幾部分已經(jīng)設(shè)計完成，在搭建好對拖測試平臺后，為更加直觀的觀察測試結(jié)果，以及在測試過程中各個部件運行的狀態(tài)，在本章設(shè)計一系列測試平臺的監(jiān)測控制系統(tǒng)。本測試平臺供電側(cè)考慮到實驗室內(nèi)一般為380V的交流電壓源，監(jiān)測控制系統(tǒng)中包括對測試平臺總電源的通斷；拖動電機轉(zhuǎn)速反饋監(jiān)測，發(fā)電機轉(zhuǎn)速、電壓、電流、頻率監(jiān)測，由于拖動電機與發(fā)電機的出口電壓為690V，所以變壓器平臺側(cè)為690V。設(shè)計方案如圖5.1所示。圖5.15.2對拖平臺控制電路及數(shù)據(jù)采集對拖測試平臺在室內(nèi)環(huán)境完成風(fēng)電控制機柜測試，需要為拖動電機提供380V的交流電壓源，安裝時與變頻器對應(yīng)接口相連，功能要求有能夠完成測試平臺電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、外接通斷、過載保護并且有相應(yīng)開關(guān)顯示的繼電器控制電路。電氣原理如圖5.2圖5.2數(shù)據(jù)采集需要將拖動電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、電壓、電流、頻率采集后傳輸至被測控制機柜，控制機柜將相應(yīng)的信號反饋至上位機，由上位機風(fēng)電模擬仿真程序的運算后進行統(tǒng)計和下位機的反饋控制。統(tǒng)計相應(yīng)的測量量，檢測控制機柜的各項性能。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)風(fēng)電機組目前在市場上發(fā)展前景寬廣，對于我國西北、華中、華北平原以及海上風(fēng)電來說有著顯著的發(fā)展前景，對與風(fēng)電機組控制技術(shù)的研究還存在不足，風(fēng)力發(fā)電控制機柜作為整個風(fēng)電機組的核心，多數(shù)能源企業(yè)都對其