《風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)》10000字

風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u9405第一章緒論 122013第二章風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)作原理介紹 4215732.1結(jié)構(gòu)介紹 4159352.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理 5166522.3本章總結(jié) 1326857第三章風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14187463.1電氣部分的設(shè)計(jì) 1498513.2機(jī)械部分設(shè)計(jì) 19169673.3本章總結(jié) 212472第四章風(fēng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 227444.1變槳系統(tǒng)的控制原理 2225424.2PLC的設(shè)計(jì) 24147804.3單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 26174424.1正常停機(jī) 28241064.2快速停機(jī) 2841804.3緊急停機(jī) 28136344.4設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 2881024.5設(shè)計(jì)步驟 29293504.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 29107674.7本章小結(jié) 3232201第五章總結(jié) 32緒論如今煤炭、石油和天然氣等沉積燃料的大量使用正在減少它們的儲(chǔ)存量。風(fēng)能是可再生并且綠色的自然資源，現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展導(dǎo)致空氣污染、溫室效應(yīng)等等自然生態(tài)問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，而風(fēng)能慢慢開(kāi)始被人們所發(fā)覺(jué)。風(fēng)能正在以非常快的速度在發(fā)展，19世紀(jì)末，第一批風(fēng)能技術(shù)開(kāi)始在丹麥出現(xiàn)，而在1970年發(fā)生了全球石油危機(jī)，這就是為什么世界各地的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始研究利用風(fēng)能的原因。今天，它正逐步在從農(nóng)業(yè)到海洋的各個(gè)領(lǐng)域得到發(fā)展。風(fēng)力活動(dòng)是新的和可再生的活動(dòng)中增長(zhǎng)最快的。隨著人類對(duì)生態(tài)環(huán)境要求的提高和對(duì)能源需求的增加，風(fēng)力活動(dòng)的發(fā)展和應(yīng)用正在接受越來(lái)越多的注視，并將為21世紀(jì)大方向發(fā)展的可再生和無(wú)污染行動(dòng)奠定基礎(chǔ)。雖然現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)有許多類別和風(fēng)格,但是依靠對(duì)風(fēng)媒的剖解及其在氣動(dòng)中的作用,它們主要存在兩種：第一種的特點(diǎn)是在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中是直接在葉片上立起，約與地表并列，被稱為水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的形式有很多種，例如多葉型、雙葉等，其通常為垂直水平軸；第二種為垂直軸風(fēng)力旋轉(zhuǎn)時(shí)軸與葉片并列，在進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的旋轉(zhuǎn)軸為垂直，并且與地表為90度關(guān)系，它的主要形式包括導(dǎo)流板型、太陽(yáng)能風(fēng)力透平式。如今市場(chǎng)上最便宜的類型是水平軸力發(fā)電機(jī)。今天的水平軸力發(fā)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)近5兆瓦的最大輸出。盡管我國(guó)從最早起步就開(kāi)始研究和使用垂直軸動(dòng)式發(fā)電機(jī)，但是它們?cè)谧罱?0年左右才開(kāi)始應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)這種方式。相較于傳統(tǒng)水平軸力式旋轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，豎向軸力式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則具有不同于傳統(tǒng)風(fēng)向、不產(chǎn)生噪音、低速度的特殊優(yōu)點(diǎn)。然而，也存在一些其他方法難以獲得的缺陷,如氣動(dòng)式風(fēng)速搞和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這對(duì)垂直軸力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用起了絕對(duì)限制的。中國(guó)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在持有量和每年產(chǎn)量都名列前茅，但在龐大的產(chǎn)量數(shù)字背后，我們的小型風(fēng)力代理公司的技術(shù)水平一直很低。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備小零件的匱乏和品質(zhì)不良是一個(gè)麻煩的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)公司專注于完成整體的機(jī)器，輕視零部件，風(fēng)力發(fā)電廠普遍接受延遲生產(chǎn)的設(shè)備，一些項(xiàng)目被推遲了18個(gè)月，不單單是這樣，許多國(guó)內(nèi)出品的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在模擬試驗(yàn)階段出現(xiàn)了品質(zhì)問(wèn)題，使項(xiàng)目難以完成。國(guó)外的發(fā)電機(jī)零部件不符合我國(guó)環(huán)境的需求，價(jià)格也比我國(guó)同類高兩到三成。這導(dǎo)致了小型家用發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)。2011年，根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)（GWEC，All-aroundWindActivityCouncil）的數(shù)據(jù)，全球風(fēng)能裝機(jī)量達(dá)到了40,564兆瓦，累計(jì)風(fēng)能裝機(jī)量達(dá)到23,766000兆瓦。2011年，風(fēng)能市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率為4%，絕對(duì)累計(jì)裝機(jī)量增加了20%以上。然而，與2010年24%的增長(zhǎng)幅度相比，可以看出全球的風(fēng)能發(fā)展速度正在放緩。2011年，世界風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直很低迷，但仍推進(jìn)了發(fā)展勢(shì)頭，這證明了，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)不單單在提供就業(yè)和倡導(dǎo)財(cái)政增長(zhǎng)方面發(fā)揮著非?？煽康淖饔?，而且在能源市場(chǎng)中也是可以說(shuō)發(fā)揮了重要力量。根據(jù)另外的報(bào)告，世界上有7個(gè)國(guó)家有風(fēng)力發(fā)電的貿(mào)易運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目，其中有超過(guò)22個(gè)國(guó)家的裝機(jī)量超過(guò)1GW。2011年，新安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)的前十個(gè)國(guó)家占世界全部新安裝總量的百分之87.5，其中七個(gè)國(guó)家每年新增加的裝機(jī)量高出1GW。此份摘要說(shuō)明，中國(guó)2011年的裝機(jī)量相對(duì)于2010年出現(xiàn)略微減少；美國(guó)的市場(chǎng)相較于去年呈現(xiàn)繼續(xù)平衡恢復(fù)；印度突破了3GW大關(guān)；而德國(guó)的裝機(jī)量首次超過(guò)了2GW，在歐洲國(guó)家中排名前100位；英國(guó)和加拿大的裝機(jī)量也超過(guò)了1GW，特別是加拿大的風(fēng)能市場(chǎng)領(lǐng)域，更是買到了超前增長(zhǎng)，使其成為全方位的關(guān)注焦點(diǎn)。在未來(lái)幾年里，全球風(fēng)電領(lǐng)域的領(lǐng)頭依然會(huì)是亞洲、歐洲還有美洲，其他地區(qū)的新興市場(chǎng)會(huì)逐漸開(kāi)始上升。連續(xù)兩組非OECD（OrganizationforBread-and-butterCo-operationandDevelopment）國(guó)家的風(fēng)電新增裝機(jī)量比OECD國(guó)家多，這一趨勢(shì)被認(rèn)為在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。中國(guó)的可發(fā)開(kāi)風(fēng)能約為300萬(wàn)千瓦，位居世界第三，它已經(jīng)只比俄羅斯和美國(guó)低，而中國(guó)擁有世界上最大的風(fēng)能儲(chǔ)備。中國(guó)東南沿海、山東、遼寧和鄰近島嶼的年平均風(fēng)速可達(dá)到6-9米每秒；在內(nèi)蒙古的北部地區(qū)、甘肅、新疆以北和松花江下游等民用地區(qū)的風(fēng)速為6.3米每秒。從現(xiàn)在來(lái)看，盡管我國(guó)已經(jīng)建造了四十多個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，但風(fēng)電裝機(jī)容量就僅僅占全國(guó)裝機(jī)容量的百分之零點(diǎn)一一，因此，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍有巨大的商業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展空間。在過(guò)去的幾年中，中國(guó)有很多可以用于建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)的的條件，如中國(guó)改善了交通，推進(jìn)電網(wǎng)覆蓋的數(shù)量，大量的富風(fēng)區(qū)被置于電網(wǎng)覆蓋之下。為了進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)一直在制定新的可再生能源活動(dòng)政策，其中一些政策已經(jīng)開(kāi)始出臺(tái)和實(shí)施。如今，可再生資源在世界各國(guó)都得到了充分的開(kāi)發(fā)和利用，其中發(fā)展最快的還是風(fēng)能，風(fēng)能已經(jīng)成為化石燃料和石油燃料之后的又一重要活動(dòng)載體。目前，各地風(fēng)電廠以29%的年增長(zhǎng)發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2018年底，各地風(fēng)電廠絕對(duì)裝機(jī)容量完成591GW，是2001年的23倍，年均增幅為20.74%。2018年，全球新增裝機(jī)容量為51.3GW。約為2001年的7倍，年均增幅為為12.92%。這表明，風(fēng)能正以不可預(yù)料的速度增長(zhǎng)?，F(xiàn)在，世界上大部分的風(fēng)能都集中在亞洲、美國(guó)和歐洲，直到2018年年底的時(shí)候，中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、印度和西班牙是全球風(fēng)力發(fā)電絕對(duì)裝機(jī)量排名最前的的四個(gè)國(guó)家。風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)作原理介紹2.1結(jié)構(gòu)介紹機(jī)組部分作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)，本文以水平方向受力的機(jī)組為例，介紹風(fēng)力發(fā)電的基本原理。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如圖2-1所示。圖2-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)（1）風(fēng)輪風(fēng)輪是獲取風(fēng)能的裝置，由葉片和輪轂構(gòu)成，輪轂將葉片獲取的動(dòng)力通過(guò)輪軸傳送給配電裝置，輪轂也是控制葉片俯仰角的地方。（2）調(diào)速或限速裝置當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，需要根據(jù)風(fēng)力傳感器的傳感結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)整，以此保證輸出的功率平穩(wěn)，一般通過(guò)控制輪轂方向或者其他風(fēng)阻裝置。（3）調(diào)向裝置該裝置有兩個(gè)目的，其一可以用來(lái)調(diào)速，其二可以在風(fēng)流量較小時(shí)，將中心對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。（4）發(fā)電裝置發(fā)電機(jī)的原理是電磁感應(yīng)，將風(fēng)力通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流，一般可以分為交流和直流兩種，其中交流又分為同步和異步。（5）動(dòng)力的傳遞裝置動(dòng)力的傳遞裝置通常采用的形式為齒輪傳動(dòng)，其主要的形式如下：高速傳動(dòng)軸和齒輪；低速傳動(dòng)軸和齒輪；制動(dòng)裝置等。（6）塔架塔架除了作為整個(gè)裝置的地盤和支持，還要承受側(cè)向風(fēng)的壓力。2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理眾所周知，風(fēng)力發(fā)電原理簡(jiǎn)單來(lái)講就是風(fēng)流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。基本結(jié)構(gòu)與原理如圖2-2所示，風(fēng)與風(fēng)扇葉片接觸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片再帶動(dòng)與其相連的升速齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)形成電流，由于電流不是恒定的，它必須進(jìn)入整流器進(jìn)行整流，多余的能量?jī)?chǔ)存在電池中，剩余的電量傳輸?shù)侥孀兤髯兂山涣麟姽┯秒娖魇褂?。圖2-2系統(tǒng)簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1主要基本原理介紹（1）計(jì)算風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能根據(jù)流體力學(xué)基本原理，氣體產(chǎn)生動(dòng)能在單位時(shí)間之內(nèi)的計(jì)算公式如下所示：（1）對(duì)上述公式進(jìn)行相關(guān)變量的解釋，其中：產(chǎn)生氣體的在單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量為m，單位為kg；氣體速度用v表示，單位為m/s。以下計(jì)算均為在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算?？諝饨?jīng)過(guò)面積S所產(chǎn)生的空氣體積為V，因此可得：（2）（3）對(duì)上述公式進(jìn)行相關(guān)變量的解釋，其中：空氣密度用來(lái)表示，它的單位是。截面所通過(guò)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能如下所示：（4）即風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能的計(jì)算公式。（2）貝茲理論風(fēng)接觸葉片的理想情況為沒(méi)有能量損耗，且垂直于葉片平面。因此可以假設(shè)不存在輪轂，且葉片數(shù)量無(wú)限大，這樣就不會(huì)有存在摩擦阻力，這是德國(guó)的空氣動(dòng)力學(xué)家第一個(gè)創(chuàng)立的該理論，被稱為貝茲理論?，F(xiàn)分析氣流通過(guò)上述理想風(fēng)輪的情況，如圖2-2所示。圖2-3流過(guò)風(fēng)輪的氣流圖圖中：是進(jìn)入風(fēng)扇前的風(fēng)速；是經(jīng)過(guò)風(fēng)扇風(fēng)速；是出風(fēng)扇的風(fēng)速；為進(jìn)入風(fēng)扇前風(fēng)流截面；為出風(fēng)扇后風(fēng)流截面。假設(shè)空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可得：（5）顯然，風(fēng)進(jìn)入風(fēng)扇輪受阻力影響，因此。根據(jù)動(dòng)量定理可以計(jì)算出垂直葉輪平面的風(fēng)力：（6）故風(fēng)輪吸收的功率為：（7）在進(jìn)、出葉輪整個(gè)過(guò)程中動(dòng)能消耗如下所示：（8）令式（7）等于式（8）：（9）上述結(jié)果代入式（6）、式（7），進(jìn)而能夠得到的是風(fēng)輪受到的力和它所產(chǎn)生的功率：（10）（11）微分計(jì)算式（11）兩側(cè)：（12）設(shè)定，從而，在式（11）中代入上述結(jié)果，解得最大功率：（13）式13等式兩側(cè)同時(shí)除以E：（14）經(jīng)過(guò)資料查詢與計(jì)算可以得到上述結(jié)果是理論極值。從而我們可以得出結(jié)論風(fēng)力機(jī)可使風(fēng)力系數(shù)通常不大于0.593，所以可以得出它的實(shí)際輸出功率如下所示：（15）（3）風(fēng)力機(jī)的特性系數(shù)①風(fēng)能利用系數(shù)風(fēng)能利用系數(shù)實(shí)際轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的風(fēng)能系數(shù)。（16）式中：P－風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲取的輸出軸功率，W；－空氣密度，；－上游的風(fēng)速，；S－風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，。②葉尖速比葉尖速比可以用來(lái)衡量不一樣的風(fēng)速帶來(lái)的不同風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)形，計(jì)算公式如下。（17）式中：n－風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，；－風(fēng)輪角速度，；R―風(fēng)輪半徑，m。風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)的研究停止運(yùn)作時(shí)的風(fēng)輪葉片受力研究輪轂和葉片是風(fēng)力渦輪機(jī)中風(fēng)輪的兩個(gè)組成要素。通常情況下應(yīng)該注意，安裝過(guò)程中，需要葉片以自身的軸線為基準(zhǔn)進(jìn)行角度的旋轉(zhuǎn)，并且要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)平面與各葉片弦呈一定角度。下圖顯示了風(fēng)力渦輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)的受力分析圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸線與風(fēng)向一致（保持這一位置由傾斜系統(tǒng)控制，在本文件中不作討論）。當(dāng)空氣在V處通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，在葉片I和II上產(chǎn)生空氣動(dòng)力F和F′?？諝鈩?dòng)力F和F′發(fā)生在葉片I和II。F和F′是沿流動(dòng)方向的FX和FX′（拖曳力）和垂直于流動(dòng)方向的FY和FY′（升力）。通過(guò)超壓作用于渦輪機(jī)，而升力FY和FY′對(duì)風(fēng)輪機(jī)的中心線施加扭矩，使其旋轉(zhuǎn)。圖2-4風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)的受力情況（2）風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)情況下葉片的受力假設(shè)理想情況下，風(fēng)輪機(jī)在給定的風(fēng)速下以角速度v均勻旋轉(zhuǎn)時(shí)，垂直于風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)平面并位于離旋轉(zhuǎn)軸中心一定距離的葉片元件（葉片元件）的一小部分被作為測(cè)試對(duì)象。該葉片元件相對(duì)于氣流的速度是風(fēng)速ν和該葉片元件繞輪轂的線性軸向速度的矢量和。如圖2-5所示，此時(shí)槳葉與該葉片元的攻角是與翼弦的夾角。圖2-5旋轉(zhuǎn)槳葉的氣流速度及受力情況在理想條件下，風(fēng)速垂直于風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)平面ν，均勻旋轉(zhuǎn)的葉片的角速度由位于離旋轉(zhuǎn)軸中心r距離的小截面（單位葉片）的角速度來(lái)研究，單位葉片的相對(duì)速度為風(fēng)速ν葉片圍繞輪轂的軸向速度的向量和。如圖2-5所示，葉片和葉片元件之間的攻角就是和弦之間的角度。2.2.2電力學(xué)原理的介紹發(fā)電機(jī)的原理簡(jiǎn)介硅整流自勵(lì)磁單相交流發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用在家用風(fēng)力渦輪機(jī)上。其中，勵(lì)磁電流由電池提供能量，勵(lì)磁控制器串聯(lián)在電池和勵(lì)磁線圈之間。交流發(fā)電機(jī)定子由一個(gè)定子鐵芯和一個(gè)定子繞組組成。定子繞組是一個(gè)單相Y型繞組，安裝在定子鐵芯內(nèi)的環(huán)形槽中。轉(zhuǎn)子由一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵芯、一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組和一個(gè)轉(zhuǎn)子軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯則是采用凸形或爪子形磁極。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的兩個(gè)端與一個(gè)接觸環(huán)相連，該接觸環(huán)通過(guò)與接觸環(huán)接觸的電刷與硅基板的直流輸出相連接，并相應(yīng)地接收直流激勵(lì)電流。獨(dú)立的小型風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片通常有一個(gè)固定的間距。隨著風(fēng)速的逐漸變化，風(fēng)輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也在逐漸變化，與風(fēng)輪機(jī)相連的發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也在漸漸變化。這導(dǎo)致了硅整流器的直流電壓和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的變化，以及勵(lì)磁場(chǎng)的變化，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化。這將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓的巨大變化。這增加了發(fā)電機(jī)輸出電壓的波動(dòng)。很明顯，如果負(fù)載中的電壓波動(dòng)沒(méi)有得到控制，就會(huì)使供電質(zhì)量惡化，更甚至?xí)p壞電氣設(shè)備。電池也可用于自主風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，電壓波動(dòng)會(huì)使電池過(guò)量充電并縮短其使用壽命。發(fā)電機(jī)原理圖如圖2-6所示。圖2-6風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作原理勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流（即勵(lì)磁磁通），以抵消風(fēng)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的影響。圖2-7勵(lì)磁調(diào)節(jié)器原理圖低速狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)電壓不滿足標(biāo)準(zhǔn)電壓要求，此時(shí)V1閉合，此時(shí)電阻R2被短路，電流增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，V1斷開(kāi)，此時(shí)電流流過(guò)電阻R2，使得電流變小，從而實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)可以接收的風(fēng)過(guò)少時(shí)，電磁感應(yīng)機(jī)可能會(huì)從蓄電池組索取功能，以維持電容狀態(tài)，這樣可能會(huì)燒壞電路。因此需要在兩者之間設(shè)置逆流繼電器。正常工作時(shí)，逆流繼電器的開(kāi)關(guān)I2關(guān)閉，當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)I2開(kāi)啟。阻斷電流倒流。該原理的發(fā)電機(jī)的好處是可以隨風(fēng)調(diào)節(jié)電流電壓的大小，可以減少對(duì)蓄電池等的損傷。整流原理整流的目的是轉(zhuǎn)化直流電為交流電供用電器穩(wěn)定使用，當(dāng)前使用最流行的整流電路是單相橋式的整流電路?；窘M成為：四個(gè)單項(xiàng)二極管和一個(gè)電阻，如圖2-8所示。圖2-8單相橋式全波整流電路圖通過(guò)U2的正負(fù)極電勢(shì)差的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的交變。具體原理是電流順時(shí)針由高電勢(shì)流向低電勢(shì)的時(shí)候，形成D1→R1→D3→b的電流通路。逆時(shí)針的情況下，電流由b經(jīng)D2→RL→D4→形成通路。無(wú)論順時(shí)針還是逆時(shí)針都會(huì)在電阻RL上形成一個(gè)負(fù)載電壓，且方向是相反的，因此會(huì)形成交變電流。逆變?cè)砟孀兤魇怯赡孀冊(cè)碇瞥傻?，它可以將直流變成交流，具體內(nèi)容如下：圖2-9逆變?cè)韴D逆變器的直交流轉(zhuǎn)換原理是通過(guò)半導(dǎo)體的接觸和斷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，一般采用單相橋式逆變電路，如下所示。圖2-10單相橋式逆變電路關(guān)閉開(kāi)關(guān)T1、T4并且斷開(kāi)T2、T3，輸出電壓Uo=Ud；打開(kāi)開(kāi)關(guān)T1、T4并且關(guān)閉開(kāi)關(guān)T2、T3，輸出電壓Uo=-Ud，實(shí)現(xiàn)了直流變成交流電，此時(shí)的交流電是階梯型，要得到正弦波只需要增加濾波器在U0端。2.3本章總結(jié)對(duì)本章的總體內(nèi)容如下：在對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)作原理介紹的基礎(chǔ)上，利用空氣動(dòng)力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)原理對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電原理進(jìn)行論述；其次是對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片受力研究；最后對(duì)發(fā)電機(jī)、整流等電學(xué)原理進(jìn)行闡述，奠定了下文電力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1電氣部分的設(shè)計(jì)3.1.1發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)為了將異步發(fā)電機(jī)作為一個(gè)恒定頻率和可變速度的設(shè)備用來(lái)運(yùn)作，整流器、有源逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)子電路相連，這樣，半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)子電路中的頻率差整流為直流電壓，逆變器將這直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓以后，接著再輸入到交流電網(wǎng)。通過(guò)定子或轉(zhuǎn)子將這個(gè)功率傳到交流電網(wǎng)，因此，圖3-1顯示了一個(gè)有兩個(gè)輸出的異步發(fā)電機(jī)的概念。圖3-1發(fā)電機(jī)的工作原理圖3.1.2發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算為更好地展示發(fā)電機(jī)電磁的計(jì)算全過(guò)程，采用表格方式對(duì)所涉及過(guò)程進(jìn)行表述，具體如下列所示：序號(hào)屬性名稱已知數(shù)值或計(jì)算過(guò)程1額定功率2額定電壓；3功電流4效率5功率因數(shù)6極對(duì)數(shù)7定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)8定、轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)定子轉(zhuǎn)子9定、轉(zhuǎn)子每極每相槽數(shù)定子轉(zhuǎn)子10定子外徑電機(jī)滿載電勢(shì)：計(jì)算功率：初選，，，,假定.于是得：，?。焊鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸最后確定11定子內(nèi)徑12鐵心的有效長(zhǎng)度；取鐵心長(zhǎng)13氣隙14轉(zhuǎn)子外徑15轉(zhuǎn)子內(nèi)徑16鐵心有效長(zhǎng)度17極距18定、轉(zhuǎn)子齒距定子轉(zhuǎn)子19轉(zhuǎn)子斜槽寬20每相導(dǎo)體數(shù)21單層線圈22每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)23每相串聯(lián)匝數(shù)24繞組線規(guī)設(shè)計(jì)25槽滿率初步取估計(jì)定子齒寬初步?。ㄈ。?）槽面積2）槽絕緣占面積：?jiǎn)螌?）槽有效面積26繞組系數(shù)1）分布系數(shù)2）短距系數(shù)從而27每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)發(fā)電機(jī)實(shí)物圖如下：圖3-2實(shí)物發(fā)電機(jī)電機(jī)基本參數(shù)如下所示。表3-1.電機(jī)基本參數(shù)電機(jī)基本參數(shù)額定輸出功率額定功率因數(shù)額定電壓極數(shù)頻率效率轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩槽滿率電路類型定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)如表3-2所示。表3-2定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本參數(shù)定子基本參數(shù)轉(zhuǎn)子基本參數(shù)槽數(shù)槽數(shù)外徑外徑內(nèi)徑內(nèi)徑槽型鐵心長(zhǎng)齒距齒距齒磁密齒磁密軛磁密軛磁密3.2機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)包括葉片的外形和參數(shù)設(shè)計(jì)，齒輪箱參數(shù)設(shè)計(jì)以及塔架校核。3.2.1風(fēng)輪葉片風(fēng)輪是獲取風(fēng)能的裝置，由葉片和輪轂構(gòu)成，輪轂將葉片獲取的動(dòng)力通過(guò)輪軸傳送給配電裝置，輪轂也是控制葉片俯仰角的地方。使用solidworks軟件中的放樣操作，進(jìn)行葉片的三維建模，如下所示。a)實(shí)物圖b)三維模型圖圖3-3風(fēng)輪葉片3.2.2加速齒輪箱由于風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)速度一般不是很高，所以要經(jīng)過(guò)齒輪箱變速。齒輪箱是一級(jí)加速齒輪箱，主要包括大小兩個(gè)齒輪、齒輪軸、軸承以及潤(rùn)滑和密封裝置。大小齒輪的三維模型如圖3-4所示。圖3-4大小齒輪三維模型3.2.3塔架設(shè)計(jì)塔架除了作為整個(gè)裝置的地盤和支持，還要承受側(cè)向風(fēng)的壓力，如圖3-5所示。圖3-5塔架三維模型3.3本章總結(jié)對(duì)本章的總體內(nèi)容如下：首先設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)電機(jī)電氣部分關(guān)鍵參數(shù)；其次對(duì)電學(xué)原理進(jìn)行簡(jiǎn)單論述；然后對(duì)葉片、齒輪箱、塔架使用solidworks三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

風(fēng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電站的控制和伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。主要控制技術(shù)是由風(fēng)輪機(jī)變槳系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)主要討論了變槳系統(tǒng)。4.1變槳系統(tǒng)的控制原理變槳系統(tǒng)的控制風(fēng)速原理是通過(guò)兩個(gè)速度控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，速度的變化會(huì)引起電路中電流的變化，電流的變化反饋給速度控制器就會(huì)實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出，原理如圖4-1所示：圖4－1控制系統(tǒng)分布圖4.1.1變矩控制變距控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，其控制過(guò)程如圖4－2所示。變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制電機(jī)即上章所選的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)，節(jié)距控制器的輸出信號(hào)給S7-200后變成脈沖信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)齒輪箱，推動(dòng)變槳軸承，使槳葉節(jié)距角變化。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的角度反饋信號(hào)由磁電式編碼器測(cè)量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。與電機(jī)上的光電編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較以確定系統(tǒng)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定性。4.1.2轉(zhuǎn)速控制控制系統(tǒng)的目的是在發(fā)電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)的三分鐘內(nèi)，進(jìn)行速度提升，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，連接用電器。 圖4-3轉(zhuǎn)速控制控控制系統(tǒng)主要通過(guò)PD控制器、PI控制器，對(duì)節(jié)距進(jìn)行非線性化轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)距角增大而增益減少的現(xiàn)象。4.1.3功率控制功率控制的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)控制控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而互補(bǔ)由于風(fēng)速的改變引起輸出功率的變化。（1）功率控制系統(tǒng)如圖4-4所示，功率控制系統(tǒng)的作用關(guān)鍵是兩個(gè)電流回路。外部的回路以檢測(cè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速而形成的輸出功率為目的，內(nèi)部的小回路是通過(guò)電流的變化來(lái)控制伺服電機(jī)，從而改變風(fēng)扇葉輪的轉(zhuǎn)速。這樣就可以確保實(shí)現(xiàn)輸出的功率穩(wěn)定。圖4－4功率控制系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理轉(zhuǎn)子電流控制器的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變滑動(dòng)電阻的電阻值來(lái)改變電流。在額定功率下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率可以從百分之一到百分之十變化，相應(yīng)的平均轉(zhuǎn)子電阻從百分之零到百分之百變化。具體是通過(guò)檢測(cè)電路中的電流變化，從而增大或減小滑動(dòng)變器的阻值，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，因此保證電路中的電流一直穩(wěn)定不變。圖4-5轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)由電流與電機(jī)的轉(zhuǎn)差率計(jì)算關(guān)系式可知發(fā)心機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：（18）式中P———電機(jī)極對(duì)數(shù)；———電機(jī)定子相數(shù)；———定子角頻率，即電網(wǎng)角頻率；———定子額定相電壓；s———轉(zhuǎn)差率；———定子繞組的電阻；———定子繞組的漏抗；———折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；———折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏抗。根據(jù)式4-1，如果/s保持一定，就是一個(gè)定值。若風(fēng)速v變化，通過(guò)調(diào)整的值，可以實(shí)現(xiàn)/s不發(fā)生變化，這樣發(fā)電的功率就不會(huì)發(fā)生變化。4.2PLC的設(shè)計(jì)根據(jù)風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)的特定環(huán)境、工藝流程以及應(yīng)用要求估算出輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)容量、進(jìn)行PLC機(jī)型進(jìn)行選型并由此大體規(guī)劃實(shí)現(xiàn)控制要求的程序流程圖。當(dāng)然對(duì)PLC的選型不可能兼顧到問(wèn)題的方方面面，本文只需抓住主要矛盾，從大處著手即可，而對(duì)其他的旁枝末節(jié)可以不予特別考慮。（1）輸入輸出點(diǎn)數(shù)的估算風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)數(shù)字輸入點(diǎn)數(shù)有8個(gè)，均為常開(kāi)開(kāi)關(guān)，其中I0.0為高速計(jì)數(shù)器HSC0的計(jì)數(shù)進(jìn)口，HSC0采集磁電式傳感器的輸出脈沖；I0.2為正常停機(jī)開(kāi)關(guān)；I0.3為快速停機(jī)開(kāi)關(guān)；I0.4為緊急停機(jī)開(kāi)關(guān)；I0.6為高速計(jì)數(shù)器HSC1的計(jì)數(shù)進(jìn)口，HSC1采集伺服電機(jī)上光電編碼器的輸出脈沖；I1.0為90°處的行程開(kāi)關(guān)；I1.1為93°處的行程開(kāi)關(guān)；I1.2為高速計(jì)數(shù)器HSC2的計(jì)數(shù)進(jìn)口，HSC2采集葉輪上光電編碼器的輸出脈沖。風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)模擬輸入點(diǎn)數(shù)有1個(gè)，采集風(fēng)速，存入AIW0中。風(fēng)力機(jī)變槳控制系統(tǒng)數(shù)字輸出點(diǎn)數(shù)有6個(gè)，其中Q0.0輸出高速脈沖串，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制；Q0.2控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)Q0.2為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Q0.2為低電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；Q0.3為并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，Q0.3閉合后，發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)中；Q0.4為切入變頻系統(tǒng)開(kāi)關(guān)；Q0,5為切入功率控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，進(jìn)行變槳和功率聯(lián)合控制；Q0.6為液壓剎車開(kāi)關(guān)，當(dāng)緊急停機(jī)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速小于5r/min時(shí)，啟動(dòng)液壓剎車，使葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）控制功能選擇該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能等特性的選擇。運(yùn)算功能：在控制煤炭運(yùn)輸?shù)募⒖刂葡到y(tǒng)中，控制分站除了能夠進(jìn)行開(kāi)關(guān)量I/O的邏輯運(yùn)算、以及延時(shí)或定時(shí)的計(jì)時(shí)功能以及計(jì)數(shù)功能外，還要包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能同時(shí)由于要對(duì)膠帶的速度、滾筒附近的溫度、以及電機(jī)各相電流等模擬量進(jìn)行檢測(cè)和處理因此還需有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等功能。由于沒(méi)有模擬量輸出，所以不需要具有PID運(yùn)算和其它高級(jí)運(yùn)算功能。通過(guò)以上綜合的考慮分站，達(dá)到上述功能至少需要具有數(shù)據(jù)運(yùn)算能力的中型機(jī)?？刂乒δ埽和ㄟ^(guò)PID的包括比例、積分和微分在內(nèi)的各種運(yùn)算功能可以實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制，通常基于單或多回路進(jìn)行模擬量控制。通信功能。由上文知該集散控制系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)之間的通信主要通過(guò)PROFIBUS-DP總線，因此PLC設(shè)備中應(yīng)集成PROFIBUS-DP接口，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的TP/TCP協(xié)議進(jìn)行通訊。編程功能：一般采用離線的編程方式，編碼和PLC一般為統(tǒng)一的CPU，當(dāng)編程時(shí)，CPU的作用是編程，否則功能是控制。診斷功能：一般分為軟件診斷和硬件診斷，軟件可以檢測(cè)出系統(tǒng)的CPU信息是否輸出錯(cuò)誤。硬件檢測(cè)一般是直接通過(guò)邏輯電路檢測(cè)硬件損壞位置。（3）PLC的結(jié)構(gòu)形式PLC分為整體和模塊兩種形式。整體式也可以叫主機(jī)式，將所有的元件都集中在機(jī)箱里，這樣的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約空間和重量，而且可以減少成本，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的功能比較固定。模塊式的優(yōu)點(diǎn)是將不同的元器件安裝在不同的地點(diǎn)，需要通過(guò)主線連接，這樣可以實(shí)現(xiàn)不同器件方便的更換，而且可以實(shí)現(xiàn)多種功能，但成本較高。本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是小型發(fā)電機(jī)，因此采用整體式的S7-200。它的各個(gè)性能參數(shù)都能很好滿足變槳系統(tǒng)的控制需求，具體原理如圖4-6所示。圖4-6端子接線圖S7-200組成為CPU、編譯器、電腦、和電纜，輸入/輸出點(diǎn)有24個(gè)，存儲(chǔ)為16K字節(jié)，含有PID控制器和高速的計(jì)數(shù)器等，輸入/輸出端子排可拆卸。詳細(xì)線路圖如4-7所示。圖4-7變槳控制系統(tǒng)的接線圖4.3單片機(jī)程序設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)硬件和選擇型號(hào)后，下一步是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)軟件部分?？刂葡到y(tǒng)的軟件部分主要是變漿系統(tǒng)的控制過(guò)程。任務(wù)分析：我們要在以下不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行變槳控制1、靜止（起動(dòng)狀態(tài)）

調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角迎風(fēng)開(kāi)槳速度順槳速度變槳加速度≠10°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）2、起動(dòng)（加速狀態(tài)）調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角迎風(fēng)開(kāi)槳速度順槳速度變槳加速度≠20°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）3、加速（并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)）3.1低于額定功率下調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角迎風(fēng)開(kāi)槳速度順槳速度變槳加速度≠20°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）3.2達(dá)到額定功率后維持滿發(fā)狀態(tài)運(yùn)行調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容槳距角開(kāi)槳速度順槳速度變槳加速度≠20°/s2葉輪轉(zhuǎn)速（目標(biāo)）4、至停機(jī)狀態(tài)4.1正常停機(jī)調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容葉片正常順槳至順槳速度葉輪處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)機(jī)械剎車不動(dòng)作，。4.2快速停機(jī)調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容葉片快速順槳至限位開(kāi)關(guān)處順槳速度（通過(guò)軸柜執(zhí)行）葉輪處于空轉(zhuǎn)的狀態(tài)，機(jī)械剎車不動(dòng)作。4.3緊急停機(jī)調(diào)節(jié)屬性調(diào)節(jié)內(nèi)容葉片葉片緊急順槳至或限位開(kāi)關(guān)順槳速度（蓄電池柜執(zhí)行）葉輪速度下降到5rpm時(shí)，液壓剎車動(dòng)作。獨(dú)立變槳：目的是為了防止其中一個(gè)螺旋槳損壞導(dǎo)致機(jī)器不繼續(xù)工作。4.4設(shè)計(jì)準(zhǔn)則變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)一下幾個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：安全可靠。安全可靠是所有設(shè)計(jì)都必須考慮的，尤其是風(fēng)扇這種高危險(xiǎn)的產(chǎn)品，稍有不慎會(huì)造成人力和財(cái)力的損失，因此要保證其穩(wěn)定性。2）智能化。隨著科技的進(jìn)步，人工操作的機(jī)會(huì)在逐漸變少，自動(dòng)化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。3）可維護(hù)性。發(fā)電設(shè)備的維修是高度危險(xiǎn)的工作，因此要預(yù)防損壞或者提前預(yù)警損壞，最大程度上減小維修的工作量?？蓴U(kuò)充性?？紤]未來(lái)供電系