【1兆瓦風電機組電機對拖平臺設計（論文）12000字】

1兆瓦風電機組電機對拖平臺設計摘要近年來科學技術的不斷發(fā)展，在新能源領域的發(fā)展成果也越來越多的走進人們的視野當中，根據(jù)我國的地理優(yōu)勢，很多地區(qū)適合發(fā)展風力發(fā)電，這種清潔的可再生能源逐漸被重視，而由于風力發(fā)電機機體尺寸通常較大，在我們設計安裝時往往需要對機體內部風電機組的控制機柜進行測試校驗，為了方便對風電機組控制機柜的測試校驗，設計1MW傳統(tǒng)鼠籠式異步發(fā)電機機型的風電發(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電機組的葉輪機械傳動部分，進行轉速0-20r/min范圍內無級平滑調速，以此來模擬兆瓦級風電機組的風輪系統(tǒng)，模擬風電葉輪能量轉換過程中輸出功率及轉矩特性，拖動發(fā)電機進行風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軸上的增量式光電編碼器反饋從動發(fā)電機轉速，實現(xiàn)雙饋電機并網(wǎng)控制。本設計主要從兩個方面對電機對拖平臺進行設計，分別是電氣控制電路的設計和對拖平臺的設計。關鍵詞：風力發(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風電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題 6277831.4風電機組電機對拖平臺研究現(xiàn)狀 8253071.5研究目的與內容 831620第2章風電機組電機對拖測試平臺設計研究 9121082.1風電機組系統(tǒng)結構研究 922032.2電機對拖平臺系統(tǒng)研究 1153532.2.1上位機 1212202.3電機對拖平臺設計方案 137823第3章電控系統(tǒng)設計 14240693.1風電葉輪模擬系統(tǒng)設計方案 14241423.2異步電機變頻調速電路設計 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變頻調速設計 1719633第4章電機對拖平臺硬件設計 20218074.1電機對拖平臺異步電機選型 20213614.2增速器整體設計 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)設計 22緒論1.1研究背景當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構成為了世界迫在眉睫的首要任務，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用利用技術越來越成熟。風能作為一種可再生的綠色能源，全球蘊含的風能資源十分豐富。風能是由溫度差、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能資源，不僅能提高人們的生活質量，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，風能開發(fā)憑借著其儲量豐富、建設周期短，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.風力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東北電力大學學報,2016,36(2):7-13.[]劉波,賀志佳,金昊.風力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東北電力大學學報,2016,36(2):7-13.1.2風電行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與問題根據(jù)全球風能理事會（GWEC）[[]BurtonT,SharpeD,JenkinsN,etal.WindEnergyHandbook[M]//Windenergyhandbook/.Wiley,2011.]統(tǒng)計全球風電產(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)全球風能理事會和綠色和平聯(lián)合發(fā)布的最新報告，兩機構預測，到2030年全球風電裝機總量將達到2000GW。屆時，風能的發(fā)電量將達到全球總發(fā)電量的17%到19%，風能產(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，兩家機構還預測，到2050年，風能將為全球提供25%到30%的發(fā)電量。2020[]BurtonT,SharpeD,JenkinsN,etal.WindEnergyHandbook[M]//Windenergyhandbook/.Wiley,2011.圖1.2.1我國風電2009年到2020年裝機總量風力發(fā)電如此快速的發(fā)展，極大依賴于國家優(yōu)惠政策的扶持和風電技術的成熟。風力發(fā)電技術主要包括風電整機制造技術和風電并網(wǎng)技術，后者涉及儲能技術、功率系統(tǒng)控制補償技術、低電壓穿越技術等，不同時期對兩部分技術的發(fā)展也有所不同。作為大型風電機組控制技術的核心部分之一，其對提高風力發(fā)電效率、發(fā)電質量以及發(fā)電機組的安全運行起著十分重要的作用。風電領域大部分整機廠商，例如金風科技、遠景能源、明陽風電、華銳風電等都成立了變槳技術相關研發(fā)團隊進行獨立研究，相比于主控控制器、開關電源等系列產(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備之一。風電機柜控制系統(tǒng)的性能對提高風為發(fā)電的效率、發(fā)電質量以及發(fā)電機組的安全運行都起著十分重要的作用，是影響風力發(fā)電系統(tǒng)正常工作的關鍵要素。由于近幾年國內風電行業(yè)的發(fā)展迅速，在風電領域一些技術問題也逐漸凸顯，對于電力能源來說風電存在著一些不可控的因素，由于風力發(fā)電是由風能轉變成機械能，機械能再轉化成電能，而風能是不可控的。自然風不是恒定的，導致風力發(fā)電輸出的電能也具有間歇性，并且有時風力太小是輸出電能較小，有時有風力太大輸出電能太大，不能做到平滑輸出。當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備利用率。還有逆調峰增加電網(wǎng)調峰難度、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風電機組電機對拖平臺研究現(xiàn)狀目前由于國內對風電行業(yè)的扶持，風電技術研究逐漸起色，國家高校實驗室和一些能源企業(yè)對風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電機組的動力裝置，模擬風電葉輪將風能轉換成機械能的輸出特性，拖動發(fā)電機發(fā)電進行風電機組的控制、運行狀態(tài)以及增速器的各種傳動特性的模擬研究。1.5研究目的與內容本設計主要解決風電機組控制電柜在設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風電機組的工作狀況，方便控制電柜設計裝配和校驗工作，簡化設計安裝人員對控制電柜產(chǎn)品的性能把控。主要內容如下：1、風電機組電機對拖平臺整體結構的設計：經(jīng)過對風力發(fā)電機組的結構組成以及控制原理分析研究，在此基礎上設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，設計出由變頻器控制的風電葉輪模擬系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電氣控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成的測試平臺設計方案。2、風電葉輪模擬系統(tǒng)的設計：在無實況實驗室環(huán)境下，搭建測試平臺的動力輸入部分，提出風電葉輪模擬系統(tǒng)的設計方案。風電葉輪系統(tǒng)是風電機組能量轉換的核心裝置，研究分析風電葉輪的運行過程及結構設計，完成風電葉輪模擬系統(tǒng)的硬件設計方案。3、電機對拖平臺硬件設計：包括傳動系統(tǒng)、電機系統(tǒng)設計以及連接硬件設計選型，研究分析風電機組的傳動系統(tǒng)組成結構及性能要求，分析齒輪箱的選型及日常運行維護注意事項。本著經(jīng)濟適應的原則，提出本文測試平臺傳動系統(tǒng)的設計方案。分析發(fā)電機的內部構造，掌握其能量轉化過程及原理，最后給出發(fā)電機控制及終端負載的設計方案硬件選型。4、電氣控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)設計：研究分析電機控制系統(tǒng)及各個設備間的通信問題，提出可靠的控制系統(tǒng)連接方案。提出并完成風電機組實驗平臺的監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。設計內容及要求有：設計電機對拖平臺，其中主動電機采用變頻器控制設計，要求有啟動停止、外接通斷和調速范圍可達0-20r/min，提供過載保護。滿足1MW風力發(fā)電機組實時工況仿真模擬測試。第2章風電機組電機對拖測試平臺設計研究2.1風電機組系統(tǒng)結構研究設計模擬風發(fā)電機機組的電機對拖平臺就要分析風力發(fā)電機結構組成，從而了解內部結構的工作原理，準確的設計模擬電機對拖實驗平臺。風力發(fā)電機葉輪繞著水平軸旋轉，風能利用率高、安全且可控，一般有上風向和下風向兩種風力機。下風向水平軸風力機葉片位于塔架的下風側，在葉片載荷和功率方面，比上風向水平軸風力發(fā)電機有更多的波動，進而影響整機性能。故目前上風向風力發(fā)電機使用最為廣泛，其結構如圖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風力發(fā)電機組各系統(tǒng)功能分別如下：（1）風電葉輪是將風能轉換成機械能的機械部件，包括輪轂與葉片兩部分，通過風能對葉輪的作用帶動輪轂旋轉，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、制動結構等部件，通過齒輪箱將動力傳遞給發(fā)電機；（3）發(fā)電機是將機械能轉變成電能的關鍵部件，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)對風動作[[][]陳新廠．大功率風力發(fā)電機組輪轂的結構強度分析及優(yōu)化設計［Ｊ］．重慶大學，2008.5從風電機組的運行調節(jié)技術上分析，現(xiàn)階段控制機柜對于風電機組的控制技術分為定槳距調節(jié)技術、變槳距調節(jié)技術、主動定槳調節(jié)技術變速恒頻調節(jié)技術。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，會在風速較大時傳遞給主軸，齒輪箱等機械部件較大的應力變化造成疲勞損壞。變速恒頻相比不存在這些缺陷，能做到隨風速變化調節(jié)轉速，因此本文內容首要目的是在室內無風情況下對風電機組的控制機柜進行測試，搭建一套軟件硬件結合的模擬測試平臺。\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"風力發(fā)電機組控制單元（WPCU）是每臺風機的控制核心，分散布置在機組的塔筒和機艙內。由于風電機組現(xiàn)場運行環(huán)境惡劣，對控制系統(tǒng)的可靠性要求非常高，而風電控制系統(tǒng)是專門針對大型風電場的運行需求而設計，應具有極高的環(huán)境適應性和抗電磁干擾等能力，其系統(tǒng)結構如下：風電控制系統(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、\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)風力發(fā)電機的工作原理，在室內搭建模擬風電機組的對拖平臺，模擬風力發(fā)電裝置實際工作狀況，經(jīng)過對風力發(fā)電過程進行分析，可以分為將風能轉化為機械能的葉輪、將葉輪轉速擴大的增速器部分，然后是將機械能轉化為電能的發(fā)電機部分，以及對整個風力發(fā)電機實時控制的電控柜。在室內無實況環(huán)境下搭建模擬測試平臺對風力發(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：是模擬各種風機實況下可能接受的自然風模型終端，作用是在上位機仿真自然風模型數(shù)據(jù)輸入需要測試的模擬風力風速信號，在室內環(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)結風電葉輪模擬系統(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)過齒輪箱調至適合的轉速帶動從動發(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)結構原理如圖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)調整后，將模型導入設計好的仿真軟件中運行，用戶可以根據(jù)相應的自然風模型輸入風速，以及設定槳距角、葉片半徑、轉動慣量等值，以及一些已知的風速特性，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、轉速轉矩等信息。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，運行測試時對風速模擬、參數(shù)設置、通信、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及監(jiān)控模塊顯示。本文當中主要設計對拖測試平臺，下文不在對上位機介紹。2.3電機對拖平臺設計方案電機對拖實驗平臺主要就是基于風電機組運行原理，將接受風力轉動的葉輪可視為主動電機，經(jīng)過葉輪轉動帶動增速器增速的部分視為傳動裝置，最后帶動發(fā)電機的轉子進行發(fā)電，搭建一套硬件設備以及相應的控制系統(tǒng)，模擬仿真風力發(fā)電機組的運行過程，測試風電機組的控制電柜的性能。搭建電機對拖實驗平臺應該在保持原有的實際工作狀況，不改變不影響風電機組的運行特性，在搭建實驗平臺的硬件設計上選擇結構簡單和尺寸較小的，以及考慮到經(jīng)濟性、適用性、維修方便等因素。在室內環(huán)境下測試1MW風力發(fā)電的測試機柜，本文設計一套功率為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的的增速比設計，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)設計風力發(fā)電系統(tǒng)在進行能量轉換過程中首先應用的就是風電葉輪系統(tǒng)，風電葉輪將各種可以吸收到的風能帶動葉輪旋轉，將葉輪所受的自然風載荷轉換成機械能，在通過機械傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機轉化成電能。由于在實際狀況下風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，所以風電機組在實際環(huán)境下對于過高或者過低的風速都不會啟動風電機組發(fā)電。搭建一套對于風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，要模擬風電葉輪系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，就要能夠實現(xiàn)調速控制，監(jiān)控轉速的要求。本章將對電氣控制系統(tǒng)進行設計，包括驅動電機和控制電路設計?？刂齐娐坟撠煂﹄姍C進行變頻調速，檢測運行時電機轉速轉矩等信號，并且對檢測到的反饋信號作出處理。3.1風電葉輪模擬系統(tǒng)設計方案搭建一套小型對拖測試平臺，風電葉輪模擬系統(tǒng)動力源采用一臺鼠籠異步電機，通過轉速轉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，對驅動電機進行調頻變速，轉速控制在0-20r/min，達到真實模擬風電葉輪的運行轉速。原理如圖3.1所示。圖3.13.2異步電機變頻調速電路設計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矩計算得CPU以及一些相應的電路。3.2.2三相異步電機原理異步電動機當對三相定子繞組中通入對稱的三相交流電，就產(chǎn)生了一個以同步轉速n1沿定子和轉子內圓空間作順時針方向旋轉的旋轉磁場。由于旋轉磁場以n1轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，所以轉子導體將切割定子旋轉磁場而產(chǎn)生感應電動勢。由于轉子導體兩端被短路環(huán)短接，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產(chǎn)生于感應電動勢方向基本一致的感應電流。轉子的載流導體在定子磁場中受到電磁力的作用。電磁力對轉子軸產(chǎn)生電磁轉矩，驅動轉子沿著旋轉方向旋轉，從而驅動電動機。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壓調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成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。（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個開關器件導通、關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）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）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。（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。（5）保護電路:檢測主電路的電壓、電流等，當發(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變頻調速設計變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。當在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉子之間的空氣隙內產(chǎn)生一個旋轉磁場，它與轉子繞組產(chǎn)生相對運動，使轉子繞組產(chǎn)生感應電勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩，使電動機轉動起來。電機磁場的轉速稱為同步轉速,交流異步電機轉速公式為：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—異步電機轉差率；n0轉子的實際轉速n比磁場的同步轉速n0要慢一點，所以稱為異步電機，這個差別用轉差率s表示：s=當加上電源轉子尚未轉動瞬間，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，轉差率s變化不大，則電機的轉速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速，進而達到異步電機調速的目的。但是，為了保持在調速時電機的最大轉矩不變，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調節(jié)。變頻器就是在調整頻率的同時還要調整電壓，故稱變頻變壓型（VVVF）變頻器。搭建11KW的電機對拖測試平臺，確定了調速方案，根據(jù)對調速精度和動態(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速、風況進行仿真模擬，對應的模擬信號輸入至風電控制機柜，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，電機調速越小。在平臺安裝測試可以外接電位器進行變頻調速，通常選用阻值范圍在5kΩ左右的電位器進行測試調節(jié)，阻值越大，電流越小，變頻頻率越小，電機轉速越小。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計經(jīng)過對風電機組運行原理研究以及對風電葉輪模擬系統(tǒng)的分析，在設計好相應的變頻控制系統(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增速器整體設計傳動裝置是運動機構當中的重要組成之一。傳動裝置的設計是否符合運動學原理、加工工藝和生產(chǎn)制造質量能否達標，都是增速器質量的關鍵問題。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、結構緊湊的優(yōu)點。風力發(fā)電機的工作環(huán)境是多風沙環(huán)境，結合潤滑要求一般采用鄙視傳動以滿足使用。風力發(fā)電機增速器設計通常是要求傳動比大、均載效果好、工作效率高的性能，目前國內大多數(shù)生產(chǎn)的風力發(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。本設計當中選用同軸式增速器。風力發(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。其結構特點是：（1）太陽輪和行星架采用浮動設計，結構簡單，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，適合風力發(fā)電機受力大、轉矩大的特點。所以本設計當中模擬1MW風力發(fā)電增速器設計，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構形式，采用三級行星齒輪傳動方式。增速器作為風力發(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，第一增速器將小轉矩轉化為大轉矩，高轉速轉化為低轉速，改變運動形式的功能，在設計對拖平臺的增速器時要求與風力發(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換，將電動機的回轉速度減速到目標回轉數(shù)，并且得到較大轉矩的機構。如果采用直接調整電動機的轉速，主電動機直接接在從動發(fā)電機上，當從動發(fā)動機運轉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，增速器的轉數(shù)比=輸入轉數(shù)/輸出轉數(shù)。轉數(shù)比為100，輸出轉矩大約為輸出轉矩的100倍，轉速減慢而轉矩增加，機器運轉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速為1450r/min,要實現(xiàn)模擬風電葉輪實現(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輸入轉速0—20r/min增速比1:75分度圓壓力角20°輸入轉矩（低速軸）5390N.m輸出轉矩（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矩，考慮到此平臺結構簡單，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矩大小和性質，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最高轉速7000rpm公差H74.3.2光電編碼器對于轉速的監(jiān)測選擇光電編碼器接在兩個電動機的轉子伸出軸上將軸的角位移量轉化為數(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速，經(jīng)過內置光電元件將轉速脈沖信號轉換成轉速信號，最后將轉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，便于在室內使用，要便于在室內對各個零部件（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)方案風電機組電機測試平臺整體的結構系統(tǒng)經(jīng)過前幾部分已經(jīng)設計完成，在搭建好對拖測試平臺后，為更加直觀的觀察測試結果，以及在測試過程中各個部件運行的狀態(tài)，在本章設計一系列測試平臺的監(jiān)測控制系統(tǒng)。本測試平臺供電側考慮到實驗室內一般為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；拖動電機轉速反饋監(jiān)測，發(fā)電機轉速、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，所以變壓器平臺側為690V。設計方案如圖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環(huán)境完成風電控制機柜測試，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、外接通斷、過載保護并且有相應開關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速轉矩，發(fā)電機的轉速、電壓、電流、頻率采集后傳輸至被測控制機柜，控制機柜將相應的信號反饋至上位機，由上位機風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)計相應的測量量，檢測控制機柜的各項性能。第6章總結與展望6.1總結風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電來說有著顯著的發(fā)展前景，對與風電機組控制技術的研究還存在不足，風力發(fā)電控制機柜作為整個風電機組的核心，多數(shù)能源企業(yè)都對其