風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺設(shè)計,風(fēng)力,發(fā)電,偏航,減速器,試驗臺,設(shè)計 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺設(shè)計 學(xué)號： 2006183927 姓名： 余浩 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 楊世平 系主任： 周友行 一、主要內(nèi)容及基本要求 1. 設(shè)計計算部分： 分析偏航減速器試驗臺的工作原理，分析偏航減速器的齒輪和惰輪嚙合的關(guān)系式。并通過對惰輪軸的校核進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計估計其惰輪軸的最小直徑，最后對各零件進(jìn)行定位，最后設(shè)計出偏航減速器試驗臺。 2. 運行控制部分設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求，采用了電機加載方式，并實現(xiàn)能量回饋控制。 運行控制系統(tǒng)通過對變頻電機的控制實現(xiàn)減速器運行工況的模擬：控制加載電機的方向轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬，采用電機轉(zhuǎn)矩直接矢量控制，以提高轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精確性；采用直流母線的方式實現(xiàn)能量的回饋；以檢測控制臺的旋鈕實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負(fù)荷的遠(yuǎn)程控制。測試對象為偏航減速器運行控制系統(tǒng)。運行控制系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，主電路實現(xiàn)功率級的電機控制，控制電路實現(xiàn)信號級的控制，包括：驅(qū)動電機的速度調(diào)節(jié)、加載電機的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、驅(qū)動、加載電機的正反轉(zhuǎn)控制、啟停的實現(xiàn)、空損和加載試驗工位的選擇、急停功能的實現(xiàn)、超出正常工況的報警、直流母線的通斷控制、電機散熱風(fēng)扇的延時關(guān)閉、電機的點動控制，采用PLC進(jìn)行程序設(shè)計。 3. 設(shè)計要求 測試對象：2MW風(fēng)電機組偏航減速器，主要測試數(shù)據(jù)：輸入、輸出 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)動效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動、被試件輸出小齒輪轉(zhuǎn)速，測試數(shù)據(jù)精度要求：溫度±1°C,轉(zhuǎn)速±1%,轉(zhuǎn)矩±1%，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，功能可擴展。，偏航減速器輸入功率3KW、輸入轉(zhuǎn)速940rpm、傳動比1330±1%、輸出轉(zhuǎn)速0.7-0. 9rpm、輸出齒輪扭矩24KW.M、工作壽命為滿載荷1年。 二、重點研究的問題 本課題的研究目的就是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的基本功能及所需檢測的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前計算機技術(shù)、自動檢測與控制技術(shù)的特點，以檢測實用性、操作方便性、使用可靠性為原則來完成整個風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的設(shè)計。同時，運用PLC對偏航減速器試驗臺的驅(qū)動電機和加載電機進(jìn)行控制。 三、進(jìn)度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 學(xué)習(xí)LabVIEW技術(shù)知識 2010.2.10 2 查找課題有關(guān)文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)PLC技術(shù)知識 2010.2.25 3 偏航減速器試驗臺總體機構(gòu)設(shè)計 2010.3.10 4 各個零件的設(shè)計 2010.3.20 5 運用Solid edge畫實體圖和裝配圖 2010.4.15 6 運用Solid edge畫零件圖 2010.4..20 7 運行控制部分和測試部分的選型與設(shè)計 2010.5.10 8 設(shè)計的整理與設(shè)計說明書的編寫 2010.5.20 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) ［1］濮良貴,紀(jì)名剛. 機械設(shè)計[M]. 北京:高等教育出版社,2002. [2] 徐灝.機械設(shè)計手冊-第三卷[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,1993. [3]　嚴(yán)陸光,倪受元.太陽能與風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與展望[ J ] .電網(wǎng)技術(shù),1995,20. ［4］李世蕓.Solid Edge三維設(shè)計教程[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2003.7. ［5］侯國屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M]. 清華大學(xué)出版社，2005.2. ［6］戴敬.LABVIEW基礎(chǔ)教程[M].國防工業(yè)出版社，2002. ［7］孫垣,陳做模.機械原理[M].高等教育出版社，2006.5. ［8］解蕾,張延遲,解大.風(fēng)力發(fā)電試驗臺的設(shè)計和研究[J].2007,34(11).3. ［9］懂泳,王洪杰.PLC控制技術(shù)在礦用試驗臺上的研究[J].2008，16(6):2. [10］蒲曉波. 西門子 PLC在盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測試驗臺的應(yīng)用[J].2009,29(1):1. 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 2006183927 姓 名： 余浩 指導(dǎo)教師： 楊世平（副教授） 完成日期： 2010年5月27日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學(xué)號 200183927 姓名 余浩 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 評閱人： 2010年5月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué)號： 2006183927 姓名 余浩 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）45 頁 圖 表 4 張 論文（設(shè)計）題目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺設(shè)計 內(nèi)容提要： 風(fēng)能，作為一種綠色能源，日益受到專家學(xué)者的重視。同時，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐 漸成為科研人員研究的熱點。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢之一是單機容量不斷增大， 利用效率提高，大功率(兆瓦級)、并網(wǎng)型機組己成為發(fā)展方向。提高偏航減速器的使用 性能和使用壽命，是降低技術(shù)成本，提高風(fēng)場發(fā)電能力，高效利用風(fēng)能的重要手段。 因此，風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺已經(jīng)成為當(dāng)今主流產(chǎn)品。搭建風(fēng)力發(fā)電偏航減速器 試驗平臺，在試驗臺上確定了偏航減速器的各種性能參數(shù)，達(dá)到更好利用對風(fēng)裝置。 本設(shè)計以各類行星齒輪減速器檢測技術(shù)的特點和各種檢測工具性能、試驗環(huán)境要 求，針對實現(xiàn)偏航減速器各種性能參數(shù)檢測的設(shè)計。首先應(yīng)設(shè)計出偏航減速器試驗臺 機械部分，畫出惰輪的裝配圖，箱體、惰輪、惰輪軸的零件圖，然后設(shè)計運行控部分 ，最后進(jìn)行檢測部分的選型。因此，偏航減速器試驗臺可檢測出偏航減速器的制各種 性能指標(biāo)，來判斷偏航減速器在對風(fēng)過程中是否能夠正常運行。設(shè)計的過程中，利用 了風(fēng)力發(fā)電各種傳感器的性能指標(biāo)和傳動齒輪的設(shè)計，并以此計算出惰輪軸的最小軸 徑和校核惰輪軸，在設(shè)計軸的過程中，根據(jù)設(shè)計手冊中的如何正確定位知識來進(jìn)行軸 的定位，并且正確選取滾動軸承。在進(jìn)行運行控制部分設(shè)計時，運用PLC來控制電動 機的運行，并運用LabVIEW來進(jìn)行軟件控制界面設(shè)計。最后，根據(jù)試驗的條件來選擇測試元件。 指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師： 年 月 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 摘 要………………………………………………………………………1 Abstract…………………………………………………………………………2 第1章 緒論 3 1.1課題的研究背景 3 1.1.1當(dāng)代能源危機問題 3 1.1.2環(huán)境問題 3 1.1.3新能源的開發(fā)與應(yīng)用 4 1.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.2.1國外的發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.2.2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.3風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺研制的目的及意義 6 1.4風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的研究情況 6 1.5本文論文研究地內(nèi)容 7 第2章 偏航減速器試驗臺工作的要求 8 2.1偏航減速器試驗臺的基本設(shè)計依據(jù) 8 2.2偏航減速器試驗臺的基本功能 8 2.3本章小結(jié) 8 第3章 偏航減速器試驗臺方案及其具體設(shè)計 9 3.1試驗臺整體方案 9 3.2偏航減速器試驗臺工作的原理 9 3.3 偏航減速器試驗臺機械部分的具體設(shè)計 9 3.3.1偏航減速器試驗臺機械部分總體設(shè)計 9 3.3.2偏航減速器負(fù)載試驗臺的設(shè)計 10 3.3.3偏航減速器空載試驗臺的設(shè)計 19 3.4 本章小結(jié) 21 第4章 偏航減速器試驗臺運行控制系統(tǒng)設(shè)計 23 4.1 變頻調(diào)速基本概念 23 4.2 變頻調(diào)速的類型 23 4.3變頻器的組成 25 4.4變頻器的主要功能 25 4.4.1變頻器給定功能 25 4.4.2升速、降速和制動功能 26 4.4.3控制功能 26 4.4.4保護(hù)功能 26 4.5本實驗臺采用的變頻器及RIOM板接口 26 4.5.1本實驗臺采用的變頻器 26 4.5.2本實驗臺采用的變頻器的RIOM板接口 29 4.6運行控制系統(tǒng)地實現(xiàn)方式 30 4.6.1驅(qū)動電機的速度調(diào)節(jié) 30 4.6.2加載電機的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 30 4.6.3驅(qū)動、加載電機的正反轉(zhuǎn)控制 30 4.6.4啟動、停止的實現(xiàn) 31 4.6.5空損/加載工位的選擇 31 4.6.6急停功能的實現(xiàn) 31 4.6.7超出正常工況的報警 31 4.6.8直流母線的通斷 31 4.6.9電機散熱風(fēng)扇的延時關(guān)閉 31 4.6.10電機的電動控制 32 4.7本章小結(jié) 36 第5章 偏航減速器測試系統(tǒng)設(shè)計 37 5.1測試系統(tǒng)總體設(shè)計 37 5.2測試系統(tǒng)具體實現(xiàn)方式 37 5.2.1減速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量 37 5.2.2 油溫及殼體溫度的測量 38 5.2.3 箱體振動檢檢測 38 5.2.4箱體壓力檢測 38 5.2.5減速器小齒輪轉(zhuǎn)速測量 38 5. 2.6數(shù)據(jù)采集卡及工控機 38 5.2.7測試系統(tǒng)元器件的選型及價格 39 5.2.7傳感信號抗干擾傳輸 39 5.3 本章小結(jié) 39 第6章 結(jié)論 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄 42 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺 摘 要：隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，能源的開發(fā)和利用是人類進(jìn)入20世紀(jì)不斷探索的主題，風(fēng)力發(fā)電作為環(huán)保、經(jīng)濟型能源受到國內(nèi)外研究工作者廣泛關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電偏航減速作為大功率風(fēng)力發(fā)電機組重要部件，其運行狀態(tài)直接影響風(fēng)力機的運行性能，因此，檢測風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的性能，對保證風(fēng)力對風(fēng)裝置的運行意義重大。 本文對目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷史和風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的研究進(jìn)行概括。同時，闡述了本課題的研究意義，并對本論文的研究內(nèi)容做逐一介紹。提出了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器功能和運行條件要求，并闡述了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的工作原理和控制理論依據(jù)，確定了本論文的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，對風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺做了具體設(shè)計，合理設(shè)計出了偏航減速器試驗的總體結(jié)構(gòu)。 最后對運行控制部分做了具體設(shè)計，畫出了電氣控制圖和程序梯形圖，闡述了測試部分的設(shè)計過程，使風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺達(dá)到最好的檢測效果。 關(guān)鍵字：風(fēng)力發(fā)電，偏航減速器試驗臺，控制方法，運行控制，總結(jié)。 wind power generation test-bed of the yaw reducer Abstract: Now, energy sources consume increasing daily and environment empoison being serious gradually, Since the beginning of the 20th century, he development and utilization of energy is an issue constantly explored by human beings．Wind power, as a green and economical energy source，has attracted a lot of attention from researchers and specialists home and abroad．Yaw reducer is the essential components of the wind device，so it has great significance to study their manufacturing technology，and its condition affects the working condition of wind turbine. So it's very important for wind power generation test-bed of the yaw reducer are detected. The background of this project was presented and author overviewed development situation and current research of wind power generation test-bed of the yaw reducer. Meanwhile, the author represented the meaning of the project and put forward the main object of this research project. The proposed operation requirements and function of wind power generation test-bed of the yaw reduce, the theoretical foundation of wind power generation test-bed of the yaw reducer was built, the concrete design of wind power generation test-bed of the yaw reducer, and reasonable design of the general structure of the test-bed of the yaw reducer. Finally, the specific on operating control parts design ,and drawing the electrical control and process ladder diagram, expounds operating control part of the design process, and make the best of wind power generation test-bed of the yaw reducer. Keywords: wind power generation, test-bed of the yaw reducer, control method, operational control，summarize. - 2 - 第一章 緒論 1. 1課題的研究背景 1. 1. 1 當(dāng)代能源危機問題 能源是人類文明發(fā)展的“血液”，同時也是一個國家發(fā)展的重要前提。自從200年以前工業(yè)革命開始到現(xiàn)在，全球的能源消耗就急速增長，能源已經(jīng)成為制約經(jīng)濟發(fā)展的最大障礙。其中當(dāng)代所面臨的能源情況為： 1) 能源資源 從資源上來說，資源總量小，約為世界的10%；人均水平低，為世界人均水平的40%；能源結(jié)構(gòu)單一，主要來自化石燃料—煤、石油和然氣；圖1-1示出了我國和世界一次商品能源消費結(jié)構(gòu)。 圖1-1 我國和世界一次商品能源消費結(jié)構(gòu) 截止到2006年底，探明總資源量為8230億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明剩余可采總儲量1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；剩余可采儲量的保證程度為煤炭80年、石油15年、天然氣30年汾別為世界平均水平的1/2、1/3和1/2；資源中以煤為主，缺乏石油、天然氣資源。如圖1-2所示。 2) 人均能耗 人均能源消耗是衡量一個國家經(jīng)濟繁榮程度的晴雨表。我國目前的人均年消耗為1292公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，為美國的10%，日本的22% ， OECD國家的19%，世界平均水平的61%；要達(dá)到世界平均水平需要30億噸，達(dá)到OECD國家平均水平需要85億噸。 1. 1. 2 環(huán)境問題 近年來，環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，多人們帶來了很大的影響。其中化石燃料的消耗給人類所造成的環(huán)境污染和安全問題已經(jīng)成為社會的主要矛盾?；剂系娜紵嗣禾慨a(chǎn)生的揚塵之外，還會釋放C02， S02， NOx，和CO等。這些氣體(酸雨和酸沉降)的排放，會導(dǎo)致全球氣候變暖(溫室效應(yīng))及煤煙型大氣污染。主要依靠煤炭的發(fā)展中國家， 如中國、印度等的空氣污染已相當(dāng)嚴(yán)重，按目前污染排放推算，再過100年，人類將無法在地球生存。 1. 1. 3 新能源的開發(fā)與應(yīng)用 面對能源的短缺和環(huán)境污染所產(chǎn)生的一系列問題，我們必須大力開發(fā)利用可再生能源資源。其中風(fēng)能是世界上最具大規(guī)模應(yīng)用潛力的可再生能源。我國蘊含著巨大的風(fēng)能資源，特別是東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙古和河西走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區(qū)，每年風(fēng)速在3m/s以上的時間近4000小時左右，一些地區(qū)年平均風(fēng)速可達(dá)6~7m/s以上，具有很高的開發(fā)利用價值。如圖1-2所示為中國的風(fēng)力資源分布情況，東南沿海屬于中強壓地帶，石油、煤炭資源匿乏，而且高速的經(jīng)濟增長對電力的需求又很大，所以風(fēng)能開發(fā)具有廣闊的前景。北方從通過甘肅到內(nèi)蒙古，是中國風(fēng)力資源最豐富的地區(qū)，而且這一地區(qū)的風(fēng)速穩(wěn)定，很少有紊流和咫風(fēng)現(xiàn)象，人口稀少，地域平坦，適合發(fā)展大型風(fēng)力發(fā)電廠，這一地區(qū)的風(fēng)能儲存量可以達(dá)到500萬千瓦，年發(fā)電可以達(dá)到1.8億千瓦，是目前中國電力消費量的60%左右。 圖1-2 中國的風(fēng)力資源分布 利用風(fēng)能，不僅可以擴大能量來源、節(jié)約礦物資源，而且還有助于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)孤立用電者的需要，具有現(xiàn)實的社會和經(jīng)濟利益。風(fēng)力發(fā)電作為一種新型的可再生的能源形式，是近期內(nèi)技術(shù)成熟、環(huán)境友好，具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g(shù)，在遠(yuǎn)期風(fēng)能將成為世界上重要的補充能源。風(fēng)力發(fā)電是世界范圍內(nèi)增長最快的一種能源形式，在世界各地正得到越來越廣泛的應(yīng)用。 1. 2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀 1. 2. 1國外的發(fā)展現(xiàn)狀 在一些發(fā)達(dá)國家 ，風(fēng)力發(fā)電試驗平臺的建設(shè)已經(jīng)到了一定的成熟階段。歐、 美己有多個風(fēng)電公共平臺， 例如歐洲風(fēng)能研究院( NWTC、EAWE)、 德國風(fēng)能研究所 (DEW I)等。 在德國，風(fēng)能是居水力發(fā)電之后最重要的再生能源來源，風(fēng)力發(fā)電在德國電力生產(chǎn)中所占的比例已達(dá)到2.5%。目前，德國共擁有9400座風(fēng)力發(fā)電機，總?cè)萘拷?100兆瓦，占?xì)W洲大陸風(fēng)能發(fā)電總?cè)萘康?0%，全球風(fēng)能發(fā)電總量的三分之一。在未來10年里，德國風(fēng)力發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比例將達(dá)到3.5%。聯(lián)邦風(fēng)能協(xié)會的估計更為樂觀，認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比例甚至可以提高到30% 。不過，這一切都取決開發(fā)風(fēng)能發(fā)電的新領(lǐng)域—近海風(fēng)力發(fā)電的努力是否成功。 美國是世界上最早重視風(fēng)力發(fā)電的國家之一，1994年時裝機容量(163萬kW)就占當(dāng)年全球風(fēng)電裝機容量的53%。雖然電力工業(yè)改組引起的混亂使美國1991-1996年的風(fēng)電業(yè)沒有太多增長，但隨著電力工業(yè)改組的完成，到2000年時，每年至少可交付30萬kW的風(fēng)電機組產(chǎn)品，形成40億美元的風(fēng)機產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電平均價格將低于4min/kW。到2050年時，全美風(fēng)力發(fā)電將占全國電力用量的10% 印度從20世紀(jì)90年代以后大力引進(jìn)國外技術(shù)，并采取有力的政策措施促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。1995年是其風(fēng)電裝機容量增長最快的一年，增量達(dá)37.5萬kW，裝機總量達(dá)56.5萬kW, 19%年又上升到81.6萬kW，超過丹麥，成為世界第三個風(fēng)力發(fā)電最多的國家。荷蘭、英國等國的風(fēng)電事業(yè)，也在迅速發(fā)展。 1. 2. 2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電是一種比較清潔的發(fā)電體系，我國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲量約10億kW，其中，陸地上風(fēng)能儲量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量約7.5億kW，共計10億kw，風(fēng)是沒有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。但是，風(fēng)力發(fā)電要求的技術(shù)含量較高，成本高，對風(fēng)裝置用不長久。其中風(fēng)力發(fā)電對風(fēng)裝置試驗臺的研制還處在初期階段。 風(fēng)力發(fā)電作為未來可取代傳統(tǒng)能源的“ 綠色能源 ” 之一，其發(fā)展的速度在諸如太陽能、生物質(zhì)能和潮汐能等可再生能源中是最具有市場化規(guī)模及前景的。在一些國家，風(fēng)能發(fā)電已能提供全國電能需求的 10% ～20% ，有的甚至達(dá)到50%以上。雖然中國的風(fēng)電事業(yè)起步比較晚，但在國家政策大力支持下，過去 10年內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電裝機容量年均增長速度達(dá)到了 55%以上，前景看好。在 2005年全國風(fēng)電建設(shè)前期會議上，國家發(fā)展與改革委員會能源局提出：到 2010年全國風(fēng)電裝機容量達(dá)到 400萬 kW，風(fēng)電上網(wǎng)電價將進(jìn)一步降低；到 2020年 ，裝機容量將2000萬 kW，風(fēng)能利用將遍及全國城鄉(xiāng)。由于風(fēng)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建設(shè)風(fēng)力發(fā)電試驗臺就顯得極為重要。 1.3風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺研制的目的及意義 風(fēng)能，作為一種綠色能源，日益受到專家學(xué)者的重視。同時，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的熱點。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢之一是單機容量不斷增大，利用效率提高，大功率(兆瓦級)、并網(wǎng)型機組己成為發(fā)展方向。提高偏航減速器的使用性能和使用壽命，是降低技術(shù)成本，提高風(fēng)場發(fā)電能力，高效利用風(fēng)能的重要手段。因此，風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺已經(jīng)成為當(dāng)今主流產(chǎn)品。 搭建風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗平臺，在試驗臺上確定了偏航減速器的各種性能參數(shù)，達(dá)到更好利用對風(fēng)裝置。 1.4風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的研究情況 試驗室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的試驗臺研究，用電動機控制偏航減速器的驅(qū)動運行和加載運行，人們提出了不同的風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的方案。目前主要采用異步電機來驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的運行。 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的運行時按照改變電動機的頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)的偏航減速器試驗臺的驅(qū)動和加載運行，根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速和風(fēng)速輸出相應(yīng)的機械功率，輸出轉(zhuǎn)矩要能夠隨風(fēng)速的變化而變化。因此偏航減速器試驗臺需要對電機轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｄ壳疤岢龅拇蟛糠衷囼炁_設(shè)計方法是基于異步電機的頻率控制方法，該方法根據(jù)風(fēng)力機風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩特性控制異步電機的轉(zhuǎn)矩，具有良好的轉(zhuǎn)矩動態(tài)調(diào)節(jié)性能，但是異步電機的固有缺點限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，近年來國外基本上都采用改變異步電動機的頻率來設(shè)計風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺，并初步完成了相關(guān)具體設(shè)計，圖1-3為風(fēng)力發(fā)電偏航減速器組。 圖1-3 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器組 1.5本論文研究的內(nèi)容 風(fēng)能的利用前景非常廣闊，怎樣更好地利用發(fā)電設(shè)備是一個很有意義的研究課題。本文的選題就是在這樣的背景下，由湘潭市江麓機電科技有限公司和湘潭大學(xué)一起來設(shè)計完成的，結(jié)合當(dāng)前計算機技術(shù)、自動檢測與控制技術(shù)的特點，以檢測實用性、操作方便性、使用可靠性為原則，完成整個試驗臺的設(shè)計?？紤]試驗環(huán)境清潔要求及測試能力的可擴展性，本方案采用電機加載方式。 本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)結(jié)構(gòu)簡要說明如下： 第一章闡述了本文的研究背景，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀、風(fēng)力發(fā)電試驗臺的研究狀況及本文的研究意義與研究內(nèi)容。 第二章提出了偏航減速器試驗臺設(shè)計的要求和功能。 第三章做了偏航減速器試驗臺詳細(xì)的設(shè)計。首先講述了偏航減速器工作的原理，并考慮到怎樣合理來設(shè)計偏航減速器試驗臺。 第四章講述了變頻器的工作原理，做了運行控制部分的設(shè)計；具體講述了如何運用PLC來控制整個試驗臺的運行，并給出了詳細(xì)的電路及解釋。 第五章論述了偏航減速器試驗臺測試部分的設(shè)計。 第六章總結(jié)全文，給出結(jié)論，并提出了下一步研究的內(nèi)容。 第二章 偏航減速器試驗臺工作的要求 2.1 偏航減速器試驗臺的基本設(shè)計依據(jù) 1） 測試對象：2MW風(fēng)電機組偏航減速器。 2）主要測試數(shù)據(jù); 輸入、輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)動效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動、被試件輸出小齒輪轉(zhuǎn)速。 3） 測試數(shù)據(jù)精度要求：溫度±1°C,轉(zhuǎn)速±1%,轉(zhuǎn)矩±1%。 4） 結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，功能可擴展。 5) 偏航減速器輸入功率3KW、輸入轉(zhuǎn)速940rpm、傳動比1330±1%、輸出轉(zhuǎn)速0.7-0.9rpm、輸出齒輪扭矩24KW.M、工作壽命為滿載荷1年。 2.2 偏航減速器試驗臺的基本功能 根據(jù)設(shè)計要求，通過分析偏航減速器的工作狀況，我們擬定在該試驗臺上，完成偏航減速器空損、加載、超載以及疲勞壽命和峰值載荷五類性能檢測。擬設(shè)計的試驗臺能夠?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)以下幾點基本功能： 1） 設(shè)置偏航減速器測試模塊，它的模塊分為兩個單元，進(jìn)行“空損+峰值載荷”試驗和“加載+超載+疲勞壽命”試驗。 2） 采用電機加載方式，并實現(xiàn)能量回饋控制。 3） 做空損檢測時，通過控制臺面板開關(guān)操作，可完成轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩檢測以及空損效率計算。做性能測試時，通過控制臺面板開關(guān)、旋鈕等操作，對偏航減速器的正反方向加載系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以完成對兩類減速器的變負(fù)荷加載、超載、疲勞壽命等項目的檢測。 4） 利用數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集，并通過工控機完成數(shù)據(jù)的處理（如損失功率估算、傳動效率估算等計算），保存、實時顯示和打印等功能；同時可以監(jiān)測整個測試過程，并進(jìn)行故障報警指示及相應(yīng)保護(hù)； 5） 采用工控機對試驗臺顯示系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實時直觀地顯示測試轉(zhuǎn)速、測試轉(zhuǎn)矩、測試溫度等性能參數(shù)； 6） 本方案符合關(guān)鍵元器件都選擇符合國家計量標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級產(chǎn)品，以保證檢測結(jié)果符合國家各工廠標(biāo)準(zhǔn)。 2.3 本章小結(jié) 本章首先講述了本文的總體控制要求，然后提出了偏航減速器試驗臺控制要實現(xiàn)的基本功能，為下面研究做了很好的鋪墊。 第三章 偏航減速器試驗臺方案及其具體設(shè)計 3.1 試驗臺整體方案 試驗臺采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括偏航減速器測試模塊、電機控制模塊、測試模塊等，測試控制臺實現(xiàn)整個系統(tǒng)地遠(yuǎn)程集中控制和數(shù)據(jù)檢測，電機控制柜為變頻器和邏輯控制元器件提供安裝平臺。偏航減速器工作狀態(tài)為垂直安裝，在本系統(tǒng)中，偏航減速器仍采用垂直安裝方式，并通過法蘭與機架相連接。工作臺置于平整的地面上（不需要地腳螺釘）?？紤]到該減速器為大傳動比、大扭矩輸出，陪試件采用與被試件相同的偏航減速器，兩個減速器采用惰輪過渡組成傳動系統(tǒng)。為保證電機、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器之間的連續(xù)可靠性。鑒于中間惰輪的拆裝難度大、而空損試驗臺使用頻率高，空損試驗另外設(shè)置一個工位，但驅(qū)動電機和及測控系統(tǒng)依舊與加載試驗共用一個，以達(dá)到資源共享、提高可靠性、降低成本的目的。 3.2偏航減速器試驗臺工作的原理 偏航減速器試驗臺包括：減速器運行控制、減速器輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量、減速器輸入輸出功率及傳動效率、減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動等參數(shù)檢測，異常情況下的報警、保護(hù)處理和人為干預(yù)；計算機參與全程監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、分析、顯示和打印輸出。 根據(jù)信號流不同，試驗臺可分為運行控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩個相對獨立的子系統(tǒng)。運行控制系統(tǒng)通過對變頻電機的控制實現(xiàn)減速器工況的模擬：控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)減速器輸入轉(zhuǎn)速的模擬；控制加載電機的反向轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬。測試系統(tǒng)通過傳感器、儀表。采集卡和工控機等實現(xiàn)試驗參數(shù)的檢測。 3.3偏航減速器試驗臺機械部分的具體設(shè)計 3. 3. 1偏航減速器試驗臺機械部分總體設(shè)計 偏航減速器實驗臺架包括負(fù)載實驗臺架和空載實驗臺架，并排布置在梯形槽平板上。梯形槽平板的尺寸為2200×1200，見圖3-1。在梯形槽平板上安裝有支撐板、在下支撐板上安裝箱體，在箱體上安裝有箱體支撐板，在箱體支撐板上安裝偏航減速器，在偏航減速器上安裝傳感器安裝架。在安裝架上分別安裝轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動（負(fù)載）電機，驅(qū)動電機與負(fù)載電機型號參數(shù)完全相同，豎直安裝，以保證試驗條件與工況條件一致。 在進(jìn)行空載實驗時，偏航減速器安裝在空載臺架上，其上安裝有傳感器安裝架。在進(jìn)行負(fù)載實驗時，兩偏航減速器安裝在負(fù)載實驗臺架上，其上分別安裝傳感器安裝架，箱體中的惰輪分別與兩偏航減速器的輸出齒輪嚙合，以傳遞負(fù)載。 圖3-1 偏航減速器試驗臺梯形槽 3. 3. 2偏航減速器負(fù)載試驗臺的設(shè)計 1）齒輪部分 <1>偏航減速器輸出齒輪 齒輪的材料采用為20CrMnTi，偏航減速器輸出齒輪的模數(shù)m1=20，齒數(shù)Z=12，分度圓直徑d=240。 <2>惰輪的設(shè)計 由于惰輪和偏航減速器輸出齒輪嚙合，因此，惰輪和偏航減速器輸出齒輪的模數(shù)相等，即。本設(shè)計采用的是偏航減速器輸出齒輪和惰輪是在一條直線上嚙合傳動，所以惰輪的分度圓直徑要比偏航減速器輸出齒輪要大，同時為了防止根切，取惰輪的齒數(shù)，則惰輪的分度圓直徑。惰輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒距，齒厚為P/2=31.4，齒寬，齒輪寬。惰輪的圖形為圖3-2。 圖3-2 惰輪 2）電機的選型 由，則p輸入= p輸出=3KW，因此，選用額定功率為4KW的異步電機，偏航減速器的輸入轉(zhuǎn)速為940r/min，則電機的額定轉(zhuǎn)速n電≥940r/min，其中=30.48N.m。根據(jù)偏航減速器轉(zhuǎn)速和扭矩可知：可選用額定功率為4KW、同步轉(zhuǎn)速為1500r/min、額定轉(zhuǎn)速為1435rpm，型號為112M4A。 3）聯(lián)軸器的選型 由=95504/1000=38.2N.m，電機轉(zhuǎn)矩Tas=2.5Ta=95.5N.m，由表可知：都選用型號為ROTEX-24的聯(lián)軸器，選用鋼質(zhì)材料，其中成品直徑d1=28，d2=25。 4）惰輪軸的設(shè)計 由綜合性能可知，軸的材料選用20CrMnTi。由于惰輪在運轉(zhuǎn)過程中受到兩個相同的切應(yīng)力，則惰輪軸不受轉(zhuǎn)矩的作用，因此采用許用力法來計算軸的最小軸徑（直徑）。 式中——軸的對稱循環(huán)用彎曲應(yīng)力（Mpa） D ——計算截面處軸的直徑 M ——計算截面處軸所受彎矩 T——計算截面處軸所受扭矩 進(jìn)行軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計后進(jìn)行強度校核，根據(jù)M、T及d的大小確定危險截面作為計算截面，必要時選幾個截面進(jìn)行校核。 20CrMnTi的抗拉強度為1080MPa，彎曲應(yīng)力=480Mpa。 而偏航減速器的傳動比為，則n出=0.8rmp,輸出齒輪的扭矩為24KN.M。 <1>軸的受力簡圖 軸受水平、圓周和垂直方向的力，其受力簡圖為圖3-3，受力簡化圖為圖3-4。 圖3-3軸的受力簡圖 圖3-4 軸的受力簡化圖 由于軸承垂直安裝，在試驗臺運行過程中軸承對軸垂直方向的力幾乎為零，則相當(dāng)只受水平方向的力，水平圖為圖3-5。 圖3-5 水平受力圖 <2>軸的強度校核及軸的最小軸徑計算 由及 式中：T1——齒輪傳遞的扭矩 d1——齒輪的分度圓直徑 a——嚙合角 則Ft=80KN，偏航減速器的重量G=200Kg。 由此可知， 和力偶平衡由圖3-3可知：齒輪軸受到兩個相同方向相同的力，則水平力,扭矩T=0 N.m。 惰輪軸受到彎矩的作用，彎矩為: 取I截面：則 ?、蚪孛妫簞t 由彎矩圖可知: 在惰輪中間部分所受的力最大，則惰輪軸中間部分所受力最大，此處為危險截面。當(dāng)X=163.5時最大，則M=13080 KN.mm。 則彎矩圖為圖3-6。 圖3-6彎矩圖 由 可知，d≥65，則只要軸的直徑大于等于65，軸就達(dá)到所需要的強度。因此，取軸的最頂端的直徑d1=110，與滾動軸承相配合的軸直徑d2=160，軸的結(jié)構(gòu)圖形為圖3-7。 圖3-7 軸的結(jié)構(gòu)圖 5）滾動軸承的選擇 <1>深溝球軸承 本試驗臺中軸配合的滾動軸承采用深溝球軸承，選用d=160, D=290, B=48, Cr=215/KN,軸承代號為6232。 <1>軸承壽命計算 1>求比值 根據(jù)機械設(shè)計手冊表12-7可知：深溝球軸承的最大e 值為0.44，則此時，所以X=1,Y=0,。 2>初步計算當(dāng)量動載荷P 根據(jù)式 按照機械設(shè)計書表13-6可知：fp=1.0—1.2,取fp=1.2 則P=96000N，C=21500N。 根據(jù)式 ，其中n=0.8rpm.，可知：=29705. 2（h）。 <2>推力球軸承 由于推力球軸承和d1=110的軸配合，則選用d=110,D=160,T=38。 6）箱體的設(shè)計 根據(jù)上面做確定的各尺寸可定出箱體的各尺寸，箱體的圖像為圖3-8。 7）惰輪支架的設(shè)計 為了將各零件拆裝方便，潤滑較充分，惰輪支架放在箱體里面，惰輪支架的圖形為圖3-10。 8）鍵的選擇 由于鍵槽要是惰輪和軸定位，則根據(jù)機械設(shè)計手冊可知，鍵采用L=125，R=45,h=28。 9）支撐板的設(shè)計 箱體支撐板根據(jù)惰輪支架和箱體的定位可知，設(shè)計支撐板的長度L=1450，h=60，B=800。 10）端蓋和端蓋軸套的設(shè)計 端蓋的各尺寸是根據(jù)讓深溝球的內(nèi)圈定位所確定的，端蓋的總長L=373,h=80，其具體各尺寸為圖3-9，端蓋軸套的各尺寸是根據(jù)使深溝球軸承周向定位確定的，其內(nèi)圈的直徑d=280。 圖3-8 箱體 圖3-9 端蓋 圖3-10 惰輪支架 11）螺栓、墊片和螺釘?shù)倪x型 為了讓各零件能夠裝配起來和定位，螺栓選擇為M12×60、M16×55 、M20×65、M24×100；螺釘選擇為M8×50、M20×65、M24×95；墊片選擇為M10×2、M12×2.5、M16×3。 12）偏航減速試驗臺總體圖 偏航減速器負(fù)載試驗臺總體工程圖為圖為3-11，爆炸圖為圖3-12，實體圖為圖3-13、3-14， 圖3-11 偏航減速器試驗臺總體圖 圖3-12 偏航減速器負(fù)載試驗臺總體爆炸圖 圖3-13 偏航減速器負(fù)載試驗臺實體圖 圖3-14 偏航減速器負(fù)載試驗臺實體圖 3. 3. 3偏航減速器空載試驗臺的設(shè)計 空載試驗臺中只有箱體和負(fù)載試驗臺不箱體，其它各零件尺寸和選型與偏航減速器負(fù)載試驗臺的設(shè)計相同。其中偏航減速器空載試驗臺的箱體尺寸為圖3-15。偏航減速器空載試驗臺的爆炸圖為圖3-16，實體圖為3-17。 圖3-15 箱體 圖3-16偏航減速器空載試驗臺的爆炸圖 圖3-17 偏航減速器空載試驗臺的實體圖 3.4 本章小結(jié) 本章講述了偏航加減速器試驗臺設(shè)計方案和具體設(shè)計，同時明確了怎么樣合理的設(shè)計試驗臺，達(dá)到最好的檢測效果。 第四章 偏航減速器試驗臺運行控制系統(tǒng)設(shè)計 運行控制系統(tǒng)通過對變頻電機的控制實現(xiàn)減速器運行工況的模擬：控制加載電機的反向轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬，采用電機轉(zhuǎn)矩直接矢量控制，以提高轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精確性；采用共直流母線的方式實現(xiàn)能量的回饋；以測試控制臺的旋鈕實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負(fù)荷的遠(yuǎn)程控制。按照測試對象不同，運行控制系統(tǒng)為偏航減速器運行控制系統(tǒng)。 4. 1 變頻調(diào)速基本概念 三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 試中：為電動機同步轉(zhuǎn)速，p為極對數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f1為供電頻率。 從上試中得知，改變供電電壓的頻率可以實現(xiàn)對交流電動機的速度控制，這就是變頻調(diào)速?，F(xiàn)在變頻器在電氣自動化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，這得益于變頻調(diào)速性能的提高和變頻器價格的大幅度的降低。 實現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵因素有兩點：一是大功率開關(guān)器件。雖然早就知道變頻調(diào)速是交流調(diào)速中最好的方法，但受限于大功率電力電子器件的實用化問題，變頻調(diào)速直到20世紀(jì)80年代才取得了長足的發(fā)展。二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深入研究使得變頻控制技術(shù)實現(xiàn)了高性能、高可靠性。 變頻調(diào)速的特點：可以使用標(biāo)準(zhǔn)電動機，可以連續(xù)調(diào)速，可以通過電子回路改變相序、改變轉(zhuǎn)速方向。其優(yōu)點是啟動電流小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動機可以高速化和小型化，防爆容易，保護(hù)功能齊全等。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)非常廣泛，它應(yīng)用于風(fēng)機、攪拌機、擠壓機、精紡機和壓縮機，原因是節(jié)能效果。 4.2變頻調(diào)速的類型 變頻調(diào)速的實現(xiàn)必須使用變頻器，變頻器的類型有多種，其分類方法也有很多。 1. 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類 1) 交-直-交變頻器 先把恒壓恒率的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電。由于把直流電流逆變成交流電的環(huán)節(jié)比較容易控制，所以該方法在頻率的調(diào)節(jié)范圍和改善變頻后電動機的特性方面都具有明顯的優(yōu)勢。大多數(shù)變頻器都屬于交-直-交型。 2) 交-交變頻器 把恒壓恒頻的交流電直接變換成電壓和頻率均可調(diào)的交流電，通常由三相反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成。它具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時存在著輸出頻率低、使用功率器件多。功率因素低等缺點。該類變頻器只在低轉(zhuǎn)速、大容量的系統(tǒng)，如軋鋼機、水泥回轉(zhuǎn)窯等場合使用。 2. 根據(jù)直流電路的濾波方式分類 1) 電壓型變頻器 在逆變器前使用大電容來緩沖無功功率，直流電壓波形比較平直，相當(dāng)于一個理想情況下內(nèi)阻抗為零的恒壓源。對負(fù)載電動機來說，變頻器是一個交流電源，在不超過容量的情況下，可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行。 2) 電流變頻器 在逆變器前使用大電感來緩沖無功功率，直流電流波形比較平直；對應(yīng)負(fù)載電動機來說，變頻器室一個交流電源。其突出特點是容易實現(xiàn)回饋制動，調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于頻繁急加減速的大容量電動機的傳動系統(tǒng)。 3. 根據(jù)控制方式分類 1) V/F型控制 異步電動機的轉(zhuǎn)速由電源頻率和極對數(shù)決定，所以改頻率，就可以對電動機進(jìn)行調(diào)速。但是頻率改變時電動機內(nèi)部阻抗也改變，僅改變頻率，將會產(chǎn)生有弱勵磁引起的轉(zhuǎn)矩不足或由過勵磁引起的磁飽和現(xiàn)象，使電動機功率因素和效率顯著下降。 V/F控制是這樣一種控制方式，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，在較廣泛的范圍內(nèi)調(diào)速運作時，電動機的功率因素和效率不下降。這就是控制電壓和頻率之比，所以稱做V/F控制。作為變頻器調(diào)速控制方式，V/F控制方式屬于轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，比較經(jīng)濟。但開環(huán)方式下不能達(dá)到較高的控制性能。V/F控制方式多用于通用變頻器，如風(fēng)機的節(jié)能運行、生產(chǎn)流水線的傳送控制和空調(diào)等家用電器中。 V/F控制方式變頻器的特點： <1> 它是最簡單的一種控制方式，不用選擇電動機，通用性優(yōu)良。 <2> 與其他控制方式相比，在低速區(qū)內(nèi)電壓調(diào)整困難，故調(diào)速范圍窄，通常在1：10左右的調(diào)速范圍內(nèi)使用。 <3> 急加速、或負(fù)載過大時，抑制過電流能力有限。 <4> 不能精密控制電動機實際速度，不適合用于同步運轉(zhuǎn)場合。 1) 矢量控制 直流電動機構(gòu)成的傳動系統(tǒng)，其調(diào)速和控制性能非常優(yōu)良。矢量控制按照直流電動機電驅(qū)電流控制思想，在交流異步電動機上實現(xiàn)控制方法，并且達(dá)到與直流電動機相同的控制性能。 矢量控制是這樣的一種控制方式，即將供給異步電動機的定子電流在理論上分成兩部分：產(chǎn)生磁場的電流分量和與磁場相垂直、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。該磁場電流、轉(zhuǎn)矩電流與直流電動機的磁場電流、電驅(qū)電流相當(dāng)。對異步電動機來講，其定子電流在電動機內(nèi)部，利用電磁感應(yīng)作用，可在電氣上分解為磁場電流和垂直的轉(zhuǎn)矩電流。 矢量控制就是根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用坐標(biāo)變換的方法，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并加以控制。兩者合成后，決定定子電流大小，然后供給異步電動機，從而達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。 矢量控制變頻器的特點是： <1> 需要使用電動機參數(shù)，一般用做專用用做專用變頻器。 < 2> 調(diào)速范圍在1：100以上。 <3> 速度相應(yīng)性極高，適合于急加速、減速運轉(zhuǎn)和連續(xù)4象限運轉(zhuǎn)，能使用于任何場合。 4 . 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類 1) PAM方式 脈沖幅值調(diào)制（PAM,Pulse Amplituden Modulation）方式通過改變直流電壓的幅值來實現(xiàn)調(diào)壓，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率。采用直流斬 波器調(diào)壓時，供電電源的功率因素在不考慮諧波影響時，可以達(dá)到COSФ≈1. 2) PWM方式 脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）方式在改變輸出頻率的同時也改變了電壓脈沖的占空比。PWM方式只需控制逆變電路即可實現(xiàn)。通過改變脈沖寬度來改變電壓幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率。 5 . 根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類 1) 單相變頻器 變頻器輸入端為單向交流電，輸出端為三相交流電。適應(yīng)于家用電器和小容量的場合。 2) 三相變頻器 變頻器輸入端和輸出端均為三相交流電。絕大多數(shù)變頻器都是三進(jìn)/三出型。 4.3變頻器的組成 變頻器的電路一般由主電路、控制電路和保護(hù)電路等部分組成。主電路用來完成電能的轉(zhuǎn)換（整流和逆變）；控制電路用以實現(xiàn)信息的采集、變換、傳送和系統(tǒng)控制；保護(hù)電路除用于防止因變頻器主電路的過壓、過電流引起的損壞外，還應(yīng)保護(hù)異步電動機及傳動系統(tǒng)等。 4.4變頻器的主要功能 隨著計算機控制技術(shù)和功率器件的發(fā)展，變頻器的功能也越來越強大?，F(xiàn)在變頻器的主要功能有：頻率給定功能，升速、降速和制動控制，控制功能和保護(hù)功能。 4. 4. 1 頻率給定功能 有三種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： 1) 面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。 2) 外接給定方式 通過控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定送給變頻器。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機的選擇方向，以及完成分段頻率的控制。 3) 通信接口方式 可以通過通信接口，如RS-485,PROFIBUS等，來進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。 4. 4. 2 升速、降速和制動功能 1) 升速和降速功能 可以通過預(yù)置升/降速方式等參數(shù)來控制電動機的升/降速，利用變頻器的升速控制可以很好地實現(xiàn)電動機的軟啟動。升/降速有線性方式、S型方式和半S型方式。 2) 制動方式 一般有兩種方式控制電動機的停車。 一種是變頻器由工作頻率按照用戶設(shè)定的下降曲線到0使電動機停車，這種方式也稱做斜坡制動。 有些場合因為有較大的慣性存在，為防止“爬行”現(xiàn)象出現(xiàn)，要求進(jìn)行直流制動，即傳統(tǒng)的能耗制動，這是另一種制動控制。 4. 4. 3 控制功能 變頻器可以由外部的控制信號或者可編程程序控制等控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，也可以完全由自身按預(yù)先設(shè)置好的程序完成控制。大部分場合變頻器需要和可編程序控制器一起組成控制系統(tǒng)，只有在比較簡單的調(diào)速控制場合才單獨使用。 4. 4. 4 保護(hù)功能 變頻器實現(xiàn)的保護(hù)功能主要有：過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、變頻器過載保護(hù)、防止失速保護(hù)、主器件自保護(hù)和外部報警輸入保護(hù)等。 4.5 本試驗臺采用的變頻器及RMIO板接口 4. 5. 1 本實驗臺采用的變頻器 本偏航減速器試驗臺采用的是ACS800變頻器，通過I/O接口來控制單元。 變頻器RMIO板上的可選模塊為： 其中變頻器的圖形為圖4-1，變頻器的傳動單元控制接口和主電路為圖4-2，電纜功率圖為圖4-3。 圖4-1 變頻器的外圖形 圖4-2 變頻器的傳動單元控制接口和主電路 圖4-3 功率電纜接線圖 4. 5. 2 本實驗臺采用的變頻器的RMIO板接口 下圖4-4顯示了轉(zhuǎn)矩 宏的外部控制連接,在RMIO板上標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn)I/O的端子號。 圖4-4 RMIO板上標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn)I/O的端子號 4.6運行控制系統(tǒng)地實現(xiàn)方式 運行控制系統(tǒng)只要依靠變頻器對電機頻率的控制而實現(xiàn)，從電路上來看，該電路有主電路和控制電路組成，主電路實現(xiàn)功率級的電機控制，控制電路實現(xiàn)信號級的控制。主電路為圖4-5，控制電路為4-6、4-7、4-8，采用的是PLC S7-200，程序梯形圖為4-9，具體控制如下： 4. 6. 1 驅(qū)動電機的速度調(diào)節(jié) 首先，設(shè)置變頻器1的參數(shù)，將端子3設(shè)置為速度信號模擬輸入，利用變頻器輸出的10V電源及測試控制臺面板上的電位器旋鈕R1，組成簡單可靠地電路，可以方便地給該端子一個0~10V的電壓信號，實現(xiàn)驅(qū)動電機速度的無極調(diào)節(jié)。因此，可以通過改變R1的阻值，可以改變電機的轉(zhuǎn)速。 4. 6. 2加載電機的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 設(shè)置變頻器2的參數(shù)，將端子3設(shè)置為轉(zhuǎn)矩信號模擬輸入，利用變頻器輸出的10V電源及測試控制臺面板上的電位器旋鈕R2，組成簡單可靠地電路，可以方便地給該端子一個0~10V的電壓信號，實現(xiàn)加載電機轉(zhuǎn)矩的無極條調(diào)節(jié)。因此，可以通過改變R1的阻值，可以改變電機的轉(zhuǎn)矩。 4. 6. 3驅(qū)動、加載電機的正反轉(zhuǎn)控制 設(shè)置變頻器的參數(shù)，將變頻器上設(shè)有正反轉(zhuǎn)信號輸入端子，利用變頻器自帶的24V輸出電源及測試控制面板上的3位旋鈕開關(guān)S3和S5控制這兩個端子的通斷，實現(xiàn)兩個電機正反轉(zhuǎn)的控制，當(dāng)S3按鈕接通1時，電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng)S3按鈕接通2時，電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)旋鈕開關(guān)處于中位時，變頻器不輸出任何控制電流，即使按下了運行控制按鈕。 4. 6. 4啟動、停止的實現(xiàn) 在沒有接收到正反轉(zhuǎn)信號之前，變頻器不會對電機輸出控制電流，當(dāng)按下空氣開關(guān)時，繼電器KF2和KF6通電，點亮了上電指示燈GL1。利用測試控制臺面板上的常開按鈕S8、常閉按鈕S7及中間繼電器KF1，以及故障信號KF4和KF8的常閉觸點，組成啟動、停止控制電路。見圖4的上部分。當(dāng)按下啟動按鈕S8時，繼電器KF1通電，并實現(xiàn)自鎖，兩電機的正反轉(zhuǎn)信號輸入端子才能通電，電機啟動，同時點亮運行指示燈GL2；當(dāng)按下停止按鈕S7時，繼電器KF1斷電，變頻器正反轉(zhuǎn)信號輸入端子立即斷電，變頻器中斷電流輸出，電機逐漸停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)時有制動電阻R的保護(hù)。 4. 6. 5空損/加載試驗工位的選擇 在運行加載試驗時，啟動/停止按鈕控制兩個電機；運行空損試驗時，啟動/停止按鈕通過中間繼電器KF1只控制驅(qū)動電機。該功能是利用測試控制臺面板上的2位旋鈕S9及繼電器KF5組成的電路實現(xiàn)的。當(dāng)KF5不通電的時候，變頻器2的正反轉(zhuǎn)信號輸入端子不能通電，加載電機不能啟動。 4. 6. 6急停功能的實現(xiàn) 變頻器自帶斬波制動單元，試驗過程出現(xiàn)緊急狀況時，可以按下測試控制臺的急停按鈕S2和S6，驅(qū)動電機和加載電機可以在瞬間實現(xiàn)制動停轉(zhuǎn)。 4. 6. 7超出正常工況的報警 在試驗過程中，由于不當(dāng)、或者減速器本身存在故障，電機輸出特性有可能進(jìn)一步趙成機械故障，變頻器具有自檢測功能，當(dāng)電機實際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩超過設(shè)計值時，變頻器即可輸出報警信號。利用2個變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制2個中間繼電器KF4和KF8，實現(xiàn)報警的輸出。任何1個變頻器報警時，繼電器即可輸出控制信號停止兩個電機的運行，同時點亮相應(yīng)的故障報警燈GL3和GL4。 4. 6. 8直流母線的通斷控制 為了實現(xiàn)變頻器能量的循環(huán)、有效保護(hù)變頻器和確保系統(tǒng)地可靠性，直流母線并不是在任何時候都接通，只有在滿足以下3個條件時才允許直流母線接通：1）選擇了“加載”試驗工位，2）變頻器1已經(jīng)上電，3）變頻器2已經(jīng)上電。該功能由變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制兩個中間繼電器KF3和KF7 ,配合中間繼電器KF5、接觸器QA5實現(xiàn)。 4. 6. 9電機散熱風(fēng)扇的延時關(guān)閉 為確保電機充分散熱冷卻，每個電機風(fēng)扇，在電機運行時立即工作，但電機停轉(zhuǎn)后應(yīng)該再運行一段時間再自行停轉(zhuǎn)。該功能通過運行自通繼電器KF9、通電延時繼電器T37、接觸器QA3、QA4組成的邏輯電路實現(xiàn)。 4. 6. 10電動機的點動控制 當(dāng)進(jìn)行更換試件時，惰輪與試件輸出小齒輪不一定處于良好的嚙合狀態(tài)，引起試件的安裝干涉，為了消除此干涉，要求惰輪能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)微轉(zhuǎn)動，以改善惰輪和試件輸出小齒輪的嚙合狀態(tài)。該功能通過電機的“點動”控制來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方式為：在運行控制繼電器的旁路并聯(lián)兩個常開的開關(guān)按鈕S1、S4，當(dāng)按下S1、S4時，電機馬上被啟動，開始旋鈕；松開按鈕S1、S4后，電機變頻器終止輸出電流，電機停轉(zhuǎn)。 4-5 主電路 圖4-6 、4-7 變頻器的電路圖 圖4-8 電路控制圖 圖4-9 程序梯形圖 其中程序梯形圖的含義為：當(dāng)按下啟動按鈕I0.0時，中間繼電器M0.0通電，同時也形成自鎖，這時風(fēng)扇1啟動，變頻器1上電指示燈點亮，電機開始進(jìn)入啟動狀態(tài)。當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕I0.4時，電機開始反轉(zhuǎn)。當(dāng)遇到故障信號M0.3，這故障燈點亮，同時，M0.0斷電，電動機馬上停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)按下按鈕I0.2時,實行電動機的點動。 當(dāng)按下I0.5時，同時變頻器2開始運行時，這時Q0.5、Q0.6通電，加載變頻器開始上電和運行風(fēng)扇2開始啟動，加載電動機啟動。當(dāng)按下按鈕I0.8時，加載電機開始反轉(zhuǎn)。當(dāng)變頻器1、變頻器2同時上電，同時加載電機運行時，直流母線接觸器線圈Q0.8通電，直流母線接通，實現(xiàn)能量循環(huán)。按下停止按鈕I0.1時，電動機停止運轉(zhuǎn)，同時，T37開始計時，當(dāng)時間到了，M0.2斷電，兩個風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn)。 4. 7 本章小結(jié) 本章進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺運行控制部分的設(shè)計，給出了詳細(xì)的電路及梯形圖。 第五章 偏航減速器試驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計 試驗臺的測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能:減速器輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測量，減速器輸入輸出功率及傳動效率的計算，減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動等參數(shù)測量；除了殼體振動這種瞬變信號不通過控制器儀表顯示外，其它的信號都通過儀表顯示；計算機參與全程監(jiān)測并完成數(shù)據(jù)記錄、分析、顯示和打印輸出。 5.1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計 測試系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由工控機、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽信號電纜等組成，完成信號的精準(zhǔn)測量以及無失真?zhèn)鬏?，在?shù)據(jù)采集時，傳感器經(jīng)變送器輸出的信號同時送送入二次儀表和工控機；軟件系統(tǒng)采用NI公司的虛擬儀器LabVIEW開發(fā)，開發(fā)成功的軟件系統(tǒng)具有友好的人際交互界面，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、變化趨勢的圖像顯示、存取及打印等功能。為了增加系統(tǒng)地可靠性，工控機監(jiān)測程序與測試控制臺面板上的儀表顯示相對獨立，測試系統(tǒng)可以通過監(jiān)測程序上的按鈕啟動監(jiān)控程序運行，也可以不運行程序。操作面板圖為5-1 圖5-1 操作面板布局圖 5.2 測試系統(tǒng)具體實現(xiàn)方式 5.2.1 減速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量 偏航減速器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的測量是實驗臺最重要的任務(wù)，其選型原則首先考慮量程的適配性、其次是工作的可靠性和經(jīng)濟性。經(jīng)綜合考慮，轉(zhuǎn)矩傳感器選用溫嶺電器機械廠（上海良標(biāo)）生產(chǎn)的ZJ型轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，偏航減速器測試系統(tǒng)選擇量程為50Nm的ZJ50型轉(zhuǎn)矩傳感器。 由于ZJ型傳感器的輸出信號為2路感應(yīng)正弦信號，其轉(zhuǎn)矩的換算依靠2路信號的相位差，轉(zhuǎn)速信號依靠1路信號的頻率，普通的二次儀表和變送器無法直接顯示和轉(zhuǎn)換，必須借用湖湘測控的TC-1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀以完成儀表顯示，并通過其自帶的RS232接口將數(shù)據(jù)傳送給工控機。 5.2.2 油溫及殼體溫度的測量 油溫測量采用STT鉑電阻型熱電偶作為傳感器，可以定做M14×1.5的插入式封裝，直接安裝在放油口測量油池溫度。殼體溫度的測量（任意2處）采用強磁吸附式熱電偶作為傳感器，類型也采用STT鉑電阻式熱電偶。以上幾個熱電偶都選用北京賽億凌科技有限公司的產(chǎn)品，油池、殼體溫度都通過測試控制臺上的儀表顯示，同時將該數(shù)據(jù)傳送給工控機。 5.2.3 箱體振動檢測 箱體振動測量是檢測偏航減速器運行性能的一個重要參數(shù)，減速器的結(jié)構(gòu)振動異?？梢苑从吃缙诠收希瑥亩嗅槍π缘夭扇z修措施，確保主減速器的產(chǎn)品質(zhì)量,提高傳動性能，同時還可以達(dá)到降噪目的。由于實驗臺上的被試件要經(jīng)常拆卸，而且不能對被試件機殼表面造成破壞，因此選擇合適的振動傳感器以及合理的安裝方法尤為關(guān)鍵。 本系統(tǒng)采用上海冉普電子科技有限公司磁吸式RPY6700型振動傳感器，量程為±1mm，頻率范圍為：5 ～ 500 Hz。鑒于該信號為瞬變信號，儀表的顯示沒有任何參考意義，因此該信號只送入工控機，由軟件顯示，并計算平均振幅值予以參考。 5.2.4 箱內(nèi)壓力檢測 減速器運行時，箱內(nèi)壓力會有所變化，該壓力變化范圍不能過大，否則會造成殼體漏油。箱內(nèi)壓力的檢測采用北京昆侖海岸科技有限公司的JYB型壓阻式傳感器，量程為0.1MPa，該傳感器輸出的信號不僅通過測試控制臺儀表直接顯示，而且直接工控機，實現(xiàn)計算機的檢測。 5.2.5 減速器小齒輪轉(zhuǎn)速檢測 減速器小齒輪轉(zhuǎn)速的測量，可以直接評價減速器輸出的平順性，偏航減速器輸出小齒輪的轉(zhuǎn)速非常低，難以通過計數(shù)式的轉(zhuǎn)速傳感器直接測量，必須借助光電編碼器才能實現(xiàn)。為了安裝方便，本系統(tǒng)采用測量惰輪轉(zhuǎn)速、換算小齒輪轉(zhuǎn)速的方案，編碼器選擇市場上應(yīng)用較多的歐姆龍E6C2-CWZ6C型光電編碼器，其分辨率為1024。 編碼器的輸出信號，一方面送入控制臺顯示儀表，另一方面送入工控機，控制臺顯示儀表選用北京昆侖海岸科技有限公司的KSM-C型智能轉(zhuǎn)速表。 5.2.6 數(shù)據(jù)采集卡及工控機 由于我們需要同時檢測12路模擬信號的數(shù)據(jù)，2路數(shù)字信號的數(shù)據(jù)（4路轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號通過R232接口數(shù)字傳輸），系統(tǒng)采用型號為PCI-1711L研華工控的數(shù)據(jù)采集卡2塊，該卡帶有8路雙端模擬輸入和16路數(shù)字輸入端口，可以滿足本系統(tǒng)的使用；工控機選擇研華的IPC-610H型工控機；數(shù)據(jù)采集卡與工控機通過PCI插槽聯(lián)結(jié)，通過專用的I/O接線終端面板與傳感器信號傳輸電纜相連，型號為研華公司的ADAM-3968。 5.2.7 傳感信號抗干擾傳輸 本系統(tǒng)既有強電交流信號，又有弱電傳感器信號，在傳輸過程中，如不采取措施，傳感器弱信號肯定受到強電信號的干擾，因此，本系統(tǒng)弱傳感信號傳輸過程中，全部采用計算機測控系統(tǒng)專用的信號屏蔽電纜，型號為DJYVP。根據(jù)實際情況，從節(jié)約成本的角度考慮，只采用兩種信號電纜，一種為3芯電纜，用于除編碼器之外的所有信號傳輸；另一種為2組4芯電纜，用于編碼器輸出信號傳輸。 5.2.8 測試系統(tǒng)元器件選型及價格 綜合考慮可行性、工作可靠性、操作方便性及成本等各方面的因素，測試系統(tǒng)選用國內(nèi)、國際有良好質(zhì)量信譽公司的產(chǎn)品。 5.3 本章小結(jié) 本章講述了偏航減速器試驗臺上的測試系統(tǒng)地設(shè)計方案，以及測試系統(tǒng)元件的選型。 第六章 結(jié)論 目前在風(fēng)力發(fā)電測試性能的發(fā)展過程中，試驗臺的檢測技術(shù)因其高效性和實用性正受到越來越多的重視。本文主要致力于研究風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的試驗臺，利用異步電動機對偏航減速器進(jìn)行驅(qū)動，并在此基礎(chǔ)上對變速器展開理論研究。 總結(jié)前面各個章節(jié)的介紹，本文主要完成了以下幾個方面的工作： （1）通過閱讀大量的相關(guān)資料和文獻(xiàn)，對目前國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及風(fēng)力發(fā) 電試驗臺的設(shè)計及發(fā)展動態(tài)作了較為全面的闡述。 （2）提出了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的工作要求，確定了本論文的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，即三相異步電機驅(qū)動偏航減速器。 （3）講述了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺的工作原理及具體各零件的設(shè)計，采用三相異步電動機驅(qū)動試驗臺的運行。 （4）講述了采用PLC控制偏航減速器試驗臺電動機運行的基本原理；研究了變頻器的工作原及控制的方法，畫出了電氣控制圖和程序梯形圖。 （5）做了偏航減速器試驗臺上的測試系統(tǒng)地設(shè)計方案的設(shè)計，怎樣合理選擇各檢測元件。 由于本人學(xué)識水平、實踐經(jīng)驗及時間、試驗條件的限制，下面內(nèi)容還需要進(jìn) 一步的研究與完善: （1）本文只是初步設(shè)計了偏航減速器試驗臺的軟件部分，對怎樣運用LabVIEW軟件來對計算機控制界面設(shè)計還需進(jìn)一步的研究。 （2） 在此試驗平臺上，需要對各種風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗臺上的PLC控制程序進(jìn)行深入研究。 參考文獻(xiàn) [l] 濮良貴,紀(jì)名剛. 機械設(shè)計[M]. 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