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Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設 計專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 兆瓦級風力發(fā)電機液壓偏航控制單元設計Megawatt wind turbine hydraulic yaw control unit design年 6 月摘 要當今能源如此緊缺，而最近幾年對風能的利用越來越受到人們的重視，一方面是風能的利用率，另一方面是對風電機壽命的重視。本文詳細深入研究風力發(fā)電機液壓偏航系統(tǒng)以及影響偏航的不同因素，本文使用的 MW 級風力發(fā)電機組事采用液壓偏航控制，而偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機的重中之重，本文闡述了其結(jié)構(gòu)及液壓原理圖，在此基礎上，重點闡述了液壓偏航控制系統(tǒng)如何實現(xiàn)自動偏航、90度側(cè)風、人工偏航以及自動解纜等功能，該系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)，具有較高穩(wěn)定性、可靠性。而且還能提高風力發(fā)電機利用風能的效率和風電機的使用壽命。關鍵詞：風力發(fā)電機;偏航;液壓控制系統(tǒng)ABSTRACTIn today's energy shortage, and the wind energy utilization in recent years more and more get the attention of people, on the one hand, the utilization rate of wind power, on the other hand is to the attention of the wind motor life. This paper in-depth studies wind turbine hydraulic yaw system, and the different factors affecting the yaw, MW grade wind turbine used in this paper using hydraulic yaw control, and the yaw system is the key of the wind turbine, this paper expounds the structure and hydraulic principle diagram, based on this, expounds the hydraulic yaw control system how to realize the automatic yaw, lateral wind 90 degrees, artificial yaw and automated solutions for cable, and other functions, the system adopts hydraulic system as the main control system, with high stability and reliability. But also can improve the efficiency of wind turbines use wind energy and wind motor service lifeKey Words：wind turbine generator; yaw control system;hydraulicI目 錄第一章 概述 .11.1 風能 11.2 國內(nèi)外風電發(fā)展概況 .11.2.1 國外風電發(fā)展 21.2.2 我國風電發(fā)展概況 .31.3 小結(jié) 3第二章 風力發(fā)電機偏航系統(tǒng) 42.1 偏航控制系統(tǒng)的功能 42.3 風向信號和風機位置對偏航工況的影響 .52.3.2 風速的測量 .62.3.3 風電機地理位置對偏航設備的影響 72.4 小結(jié) .7第三章 偏航系統(tǒng)的組成簡介及其液壓原理圖 .93.1.1 偏航大齒圈 .93.1.2 偏航側(cè)面軸承 .93.2 偏航驅(qū)動裝置 .113.2.1 液壓馬達的選取 .113.3 偏航附件裝置 .133.3.1 偏航計數(shù)器 .133.3.2 偏航限位開關 .133.3.3 偏航剎車盤 .133.3.4 接近開關、風速風向儀等 .133.5 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 143.2 液壓偏航控制原理圖設計 .14第四章 風電機偏航控制過程 174.1 偏航過程分析和算法流程 .184.1.1 自動偏航 184.1.2 90 度側(cè)風 194.1.3 人工偏航 21II4.1.4 自動解纜 234.2 本章小結(jié) 25第五章 總結(jié)與展望 265.1 全文總結(jié) .265.2 展望 26參 考 文 獻 .28致謝 29畢業(yè)設計1第一章 概述能源是人類生存的基本要素，國民經(jīng)濟發(fā)展的主要物資礎。由于煤、石油等資源的開采利用，人類環(huán)境的污染已不容小視，而風力發(fā)電機卻大大的彌補了排放污染的缺點，風力發(fā)電作為一種新興的無污染的能源，已倍受世界所矚目。其優(yōu)點主要是無污染，發(fā)電效率高，還有一個就是取之不盡用之不竭[1]。因為風是無窮無盡的，如果能把風能加以利用，那對世界能源發(fā)展將會是一個很大的推動?，F(xiàn)如今，兆瓦級風力發(fā)電機已成為社會風力發(fā)電機的主流產(chǎn)品，其偏航設備大多用的是雙饋型電氣控制，而本文則把偏航系統(tǒng)加以創(chuàng)新與改良，改為了液壓系統(tǒng)。相較電氣設備，液壓系統(tǒng)更穩(wěn)定，將發(fā)電機改為液壓馬達并取消了變速箱，使偏航設備整體的重量減輕。1.1 風能風力發(fā)電現(xiàn)如今是新興的科技產(chǎn)業(yè)。自從人類解除能源危機后，人們的環(huán)保意識就大大增強，國內(nèi)外風電事業(yè)發(fā)展呈上升曲線，風電機裝配數(shù)量逐年遞增，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)也日臻成熟。能源對于中國來說非常重要，而現(xiàn)如今石油的開采，煤礦的挖掘已漸漸不能滿足國內(nèi)需求，中國不是沙特那樣的石油大亨，也不是美帝國那樣的金融國家，國內(nèi)可以發(fā)展的煤礦業(yè)如今想要控制為時已晚，山西大同是煤礦寶地，現(xiàn)如今基本虧空。所以為了滿足我國的能源需求，必須換一種新的方式，開發(fā)新型能源制造業(yè)，最安全最省力最無污染的當屬風力發(fā)電。風，來自大自然，既然來自大自然，那么最重要的一點就是取之不盡用之不竭。風是由太陽輻射引起的自然現(xiàn)象，其總量是不容小覷的，雖然太陽能轉(zhuǎn)化為風能的比率很小，但太陽能的總量是非常龐大的，盡管只有 2%-3%[2]，但其風能的能源還是很可觀的，故我國是具備成批大規(guī)模發(fā)展風力發(fā)電機的條件。1.2 國內(nèi)外風電發(fā)展概況近年來，風電機發(fā)展呈迅速遞增式發(fā)展，每年的產(chǎn)量均比往年高出很多很多，并且始終保持著世界能源發(fā)展增長最快的龍頭地位。就目前形勢來看，國內(nèi)外風電技術的發(fā)展前沿包括：風電機葉輪大小的改變、風電機容量的增大、風電機塔架高度的上升、內(nèi)部監(jiān)控與控制技術的日臻完善、直接驅(qū)動和混合驅(qū)動技術、海上風力發(fā)電等。畢業(yè)設計2在 1999～2005 年這發(fā)展的 7 年中，國內(nèi)外風電裝機容量年平均增長率達到 30.53%[3]。單就 2004 年一年而言，全球有超過 8233MW 的新增裝機容量并入電網(wǎng)系統(tǒng)。截止到2004 年年底，世界風電裝機總?cè)萘烤瓦_到 47620MW，風力發(fā)電量已經(jīng)占到世界總電量的 0.6%。綠色和平組織及歐洲風能協(xié)會在近期發(fā)表的一份報告中[4]，詳細的分析了未來世界風力發(fā)電的前景，給予了非常大的肯定，所以說，當緊要務就是發(fā)展風力發(fā)電，這將成為全球性的必不可少的能源力量。1.2.1 國外風電發(fā)展其實風能不是近幾年才被開采利用，早在數(shù)千年前，人類就已經(jīng)會利用風能做事情了，比如將風能轉(zhuǎn)化為機械能，其用處大約就是磨面、澆灌之類的用于農(nóng)業(yè)發(fā)展。而現(xiàn)如今風能的利用可不僅僅局限于灌溉了，其主要發(fā)展形勢是利用風能來發(fā)展電能，，也就是用風來發(fā)電。最早這種想法來著于丹麥的一位科學家，他在 1890 年謀劃了一臺風電機，這在當時受到很多人追捧，只不過由于制造條件達不到要求，于是在 20 年后才研制出了第一批 10kw 的風力發(fā)電機，大約在 70 臺左右。一經(jīng)推出就席卷了全世界，不止美國，連歐洲各國均紛紛效仿，于是不同類型的風電機也都相繼問世。1931年前蘇聯(lián)采用機翼技術研制出一臺 100kw 的風力發(fā)電機，在當時可謂是全世界最大的。而這記錄僅僅保持了 10 年，在十年后即 1941 年，美國自主研制的 1250kw 的風力發(fā)電機一經(jīng)問世又引起了轟動，只不過由于制造成本太高，機器可行性與可操作性都很低，于是便沒有得到重視，這一想法也煙消云散了[5]。知道上世紀七十年代左右，世界石油危機的爆發(fā)，才另各國重新認識與重視風力發(fā)電這一偉大創(chuàng)舉。自那以后，世界各國加大力度開發(fā)風能，不僅僅是表面功夫，在金錢方面也紛紛出力提供資金的支持，為風電機的發(fā)展奠定了良好的基礎。在風力發(fā)電機制造方面，由于早期前蘇聯(lián)和美國等歐洲國家的研究，其技術較發(fā)達，故發(fā)展相較其他國家非常迅速，在 2005 年歐洲和美國發(fā)展的風力發(fā)電制造業(yè)就占據(jù)了全世界 90%的比例，近十年來，全球的風電機組裝容量一直在以 25%的比例逐年遞增，在 2010 年，增長率就達到了 40%，裝機總量更是達到了 230.5GW[6]，完全沒有受到經(jīng)濟危機的影響。風電成本逐年降低雖然制造風電機成本不菲，但總體來講其價格的發(fā)展趨勢是逐年降低呈負增長的。[7]這其中的原因不言而喻，當今社會風電機發(fā)展速度之快令人咋舌，隨之而來的成本畢業(yè)設計3降低也是大勢所趨，如今風電機技術的改進和當初是無法比擬的，日后風電機會越來越便宜，越來越高效率。一方面，風電機組單機容量的增大就會減少很多建造基礎設施的費用，另一方面，相同數(shù)量的裝機容量而機組數(shù)變少，這又減少了很多制造成本。伴隨著投資成本的降低和經(jīng)銷商與開發(fā)商的經(jīng)驗的日臻豐富，風電機組制造成本也必然會降低。海上風電悄然興起一般來講風電機的發(fā)展是在陸地上而且沿海城市或者郊區(qū)最好，因為能給風電機提供充足的風能，然而受地形影響，有時就會出現(xiàn)以下偏航不準確的情況：1、風向標信號不準確；2、偏航制動扭轉(zhuǎn)力矩始終達不到機組要求的設定值；3、偏航系統(tǒng)的阻尼力矩相較標準偏大或偏?。?、偏航系統(tǒng)的偏航大齒圈與偏航驅(qū)動裝置的齒輪間隙過大。這其中的第一點就與地形有關，內(nèi)陸地區(qū)就很容易出現(xiàn)風向不穩(wěn)定導致風向信號不穩(wěn)定的發(fā)生。然而與陸地不同的海上就有很特殊的地理條件，一方面海上有豐富的風能資源，另一方面海上一望無際，擁有廣闊無際的區(qū)域，這對于發(fā)展風電事業(yè)是和廣闊平坦的區(qū)域一種很熱門的方式。這也促使臨海風電技術成為近幾來專家研究的熱門話題。多兆瓦級風電機組在臨海風電場的發(fā)展運行是風電機組發(fā)展的新趨勢[4]。 1.2.2 我國風電發(fā)展概況在我國，能夠快速發(fā)展風能的地區(qū)主要集中在我國東北部和西部地區(qū)，還有戈壁沙灘以及東部等沿海城市以及附近臨海的島嶼上。這些地區(qū)特點就是這些地區(qū)缺少煤炭及其他常規(guī)能源，并且冬春季節(jié)風速高，雨水少；夏季風速小，降雨多，風能和水能具有非常好的季節(jié)補償。另外在中國內(nèi)陸地區(qū)，由于特殊的地理條件，有些地區(qū)具有豐富的風能資源，適合發(fā)展風電，比如江西省都陽湖地區(qū)以及湖北省通山地區(qū)。目前我國的風能利用方面與國際水平還有一定差距，但是發(fā)展很快，無論在發(fā)展規(guī)模上還是發(fā)展水平上，都有很大提高。1.3 小結(jié)隨著世界能源危機逐年的加深，國內(nèi)外各個國家都在加強風能的開發(fā)和利用，特別是我國這種能源消耗異常大的這種，更要積極快速的發(fā)展風點事業(yè)，尤其是我國能源耗費相對較大，這樣對能源緊張的情況會有所改變。雖然現(xiàn)在我國發(fā)展風電事業(yè)還處在起步階段，面臨而來的挑戰(zhàn)也層出不窮，這需要國家政府的大力扶持才行，目前畢業(yè)設計4來講國家給予的援助對研發(fā)的投入使用非常重要的，相信我國風電事業(yè)在今后會蒸蒸日上的。第二章 風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)2.1 偏航控制系統(tǒng)的功能NYNY開始將機艙位置與風向值相減求出相應角度差角度差是否在允許范圍內(nèi)風相差≤180°偏航電機正轉(zhuǎn)將現(xiàn)在機艙位置與上次機艙位置相減求已轉(zhuǎn)角度將已轉(zhuǎn)角度和機艙位置與風向值的角度差比較在允許范圍內(nèi)記錄現(xiàn)在機艙位置偏航電機反轉(zhuǎn)畢業(yè)設計5圖 2-1 偏航基本流程圖偏航系統(tǒng)是水平軸風力發(fā)電機組的重要組成部分，其功能主要有兩個:第一是要控制風輪隨時跟蹤風向的變化；第二是當風電機組出現(xiàn)單方向的持續(xù)偏航,機艙內(nèi)的電纜發(fā)生纏繞時,能夠自動解除電纜纏繞。風向信號+-風輪方向圖 2-2 偏航基本原理框圖偏航系統(tǒng)的基本原理框圖如圖所示工作原理為：通過風向傳感器將風向的變化情況通過電信號傳遞到液壓偏航系統(tǒng)的控制回路中，判斷后決定偏航方向和偏航角度，最終達到對風目的。為了減少偏航帶來的扭轉(zhuǎn)力矩，將選用液壓馬達作為動力系統(tǒng)，這樣就會減少變速箱設備，從而減輕設備重量，減輕負載。當對風結(jié)束后，風向傳感器無電信號傳遞，電機停止工作，結(jié)束偏航。2.3風向信號和風機位置對偏航工況的影響風向信號作為液壓偏航控制系統(tǒng)中的輸入信號，信號準確與否是會影響整個液壓偏航控制系統(tǒng)的。風是矢量，既有大小，又有方向，對風的主要研究就是風速和風向[8]。2.3.1風向的測量1.風向標：風向標一般是由旋轉(zhuǎn)主軸、平衡錘、指向桿、以及尾翼四部分組成的首尾不對稱控制器 放大器 偏航機構(gòu) 風力發(fā)電機偏航計數(shù)檢測裝置畢業(yè)設計6的平衡裝置。其重心在風向標支撐軸的軸心上，整個風向標都可以繞垂直軸自由搖擺。在矢量風的作用下，風向標會平衡來向的一個平衡位置，這就是風向的來源。2.風向表示方法：風向一般用 16 個方位表示，即東(E)、東北(NE)、東東北(EEN)、東東南(EES)、東南(SE)、南(S)、南東南(SES)、南西南(SWS)、西(W)、西南(SW)、西西南(WWS)、西西北(WWN)、西北(WN)、北(N)、北東北（NEN）、北西北(NWN)。靜風記做 C。風向也能夠用角度來表示，以正北為基準，順時針方向旋轉(zhuǎn)，東風為 90°南風為180°西風為 270°北風為 360°2.3.2 風速的測量風速是單位時間內(nèi)空氣在水平方向上所移動的距離。風速的測量有使用散熱式風速計、旋轉(zhuǎn)式風速計和超聲波風速計，但是使用普遍大眾化的是旋轉(zhuǎn)式風速計[9]。（1）旋轉(zhuǎn)式風速計旋轉(zhuǎn)式風速計的是一個感應部件固定在轉(zhuǎn)軸上風速計，常用的有螺旋葉片、風速杯和平板葉片三種類型[9]。測量風速使用最多的傳感器就是風速杯，風速杯的最大優(yōu)點是它與風向來源無關。風速杯旋轉(zhuǎn)軸始終能夠垂直于風的來向，平板葉片和螺旋葉片旋轉(zhuǎn)軸與風的來向平行。風速杯一般由 3 至 4 個拋物錐形或半球形的空心杯殼組成。風速杯的組成有兩種方式，分別是互成 120 度角的三叉形和互成 90 角的十字架形，杯的凹面同向，風速杯橫臂架垂直固定在可旋轉(zhuǎn)的垂直軸上。由于風速杯的凸凹二面所受風壓力不等，在風速杯受到來自風的扭轉(zhuǎn)力作用時就會順從風向旋轉(zhuǎn)，風速杯風速與轉(zhuǎn)速之間存在某種關系。由實驗結(jié)論可得出A=2πRK （2-1) V=B+AM+CM (2-2)式中：A 為風速表系數(shù)，它與風杯的結(jié)構(gòu)和大小有關；B 為常數(shù)，和風速相等，通常為0.6～1.3m/s；C 是一個系數(shù)，C/A≈10 ，表明風速與風杯并沒有線性關系。M 為單位4?時間內(nèi)風速杯的轉(zhuǎn)數(shù)。（2）風杯風速記錄畢業(yè)設計7風速記錄實現(xiàn)方式是通過信號的轉(zhuǎn)換方法。它的原理是風速杯帶動旋轉(zhuǎn)軸上的圓盤旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)過不連續(xù)的等距的孔，這樣就可以形成光脈沖信號，光脈沖信號經(jīng)過光電半導體元件后，將接收到的光脈沖信號放大，轉(zhuǎn)變成電脈沖信號輸出，就這樣每一次光脈沖轉(zhuǎn)變的電脈沖信號就可以表示一定的風的行程。圖 2-3 風速杯2.3.3 風電機地理位置對偏航設備的影響影響風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)的因素除了風向信號這一因素外，還會有其他不確定的因素，這些不確定因素歸根結(jié)底就是風力發(fā)電機地理位置的情況[10]。如低洼地區(qū)有大山阻擋，風進不來，風的主氣流為繞流成分，對風向的變化極為敏感，不易進行精確偏航。反之，若在大風情況下偏航，葉輪在旋轉(zhuǎn)中自身產(chǎn)生回位畢業(yè)設計8扭轉(zhuǎn)力矩，該扭轉(zhuǎn)力矩是由于風輪扭轉(zhuǎn)后偏于塔架中心造成的，這樣的回位扭轉(zhuǎn)力矩特別容易對偏航系統(tǒng)造成沖擊，其后果就是會導致主軸扭斷[11]。2.4 小結(jié)本章對風力機偏航系統(tǒng)的基本功能和原理做了詳細介紹。風向信號作為偏航系統(tǒng)的一個關鍵的輸入信號，對偏航系統(tǒng)的運行工況，有著非常重要的作用，本章節(jié)針對測風裝置展開了較為詳盡的闡述，介紹了風速儀和風向傳感器的工作原理。同時針對影響偏航系統(tǒng)的另一個不確定因素——風電機的機位做出了分析，舉例大風條件和大山條件風電機的偏航會受何種影響并做簡單闡述，指出了偏航系統(tǒng)實際運行工況所遇到的復雜情況，給出了設計偏航系統(tǒng)時應該注意的不確定因素有哪些，具有一定的研究價值和現(xiàn)實意義。畢業(yè)設計9第三章 偏航系統(tǒng)的組成簡介及其液壓原理圖3.1.1 偏航大齒圈位于偏航電機下方的與小齒輪嚙合的一個巨大的齒輪，大齒圈是通過 88 個螺栓緊固在塔筒法蘭上面的，即是說大齒圈是不可能旋轉(zhuǎn)的，那么只能夠是小齒輪圍繞著大齒圈旋轉(zhuǎn)帶動主機架旋轉(zhuǎn)，直到機艙位置與風向儀測得的風向相同。圖 3-1 偏航大齒圈3.1.2 偏航側(cè)面軸承側(cè)面軸承是一個呈弧狀的階梯塊，共有 6 塊，每塊都有 5 個 Φ105 的沉孔分布于圓弧之上，用于放置定位銷、圓形彈簧和壓板，每個孔的底部均有 M32 的螺紋孔，用于安裝調(diào)整螺栓，因為下滑動襯墊是粘合在壓板上的，所以調(diào)整螺栓的旋入深度就可以調(diào)整滑動襯墊與大齒圈之間的緊密程度，從而得到最佳阻尼。當機艙需要偏航時，側(cè)面軸承就會帶動滑動襯墊隨機架共同旋轉(zhuǎn)[12]。畢業(yè)設計10風力發(fā)電機所用偏航軸承為四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，是一種分離型軸承，當無載荷或是純徑向載荷作用時，鋼球和套圈呈現(xiàn)為四點接觸，這就是其名字由來。四點球接觸軸承適用于高速旋轉(zhuǎn)的場合。關于軸承的選用，查閱相關資料后，最終選用 LYJW 的型號為 132.50.4500 的材質(zhì)為 42CrMn 的軸承，是預硬塑料模具鋼，具有良好的可加工性和耐磨損性，加工變形微小。齒輪模數(shù)為 20，齒數(shù)為 128。分度圓直徑：d=mz=20x128=2560mm ；外徑：dz=m(z+2)=20(128+2)=2600mm；內(nèi)徑：d-m=2560-20=2540mm；重量：1930kg；厚度：h=mzsin(90/z)=256mm。圖 3-2 偏航齒圈側(cè)面軸承畢業(yè)設計11圖 3-3 偏航機構(gòu)3.2 偏航驅(qū)動裝置小齒輪是與大齒圈相嚙合的，與偏航液壓馬達、聯(lián)軸器統(tǒng)一稱為偏航驅(qū)動裝置，是通過聯(lián)軸器與偏航齒圈連接在一起的，聯(lián)軸器外有一支架，把偏航馬達和齒圈架起，聯(lián)軸器只負責旋轉(zhuǎn)，不至于承受很大的力，從而保護了設備。偏航驅(qū)動裝置共有 4 組，每一個偏航驅(qū)動裝置與主機架連接處的圓柱表面都是偏心的，以達到通過旋轉(zhuǎn)整個驅(qū)動裝置調(diào)整小齒輪與大齒圈嚙合側(cè)隙的目的3.2.1 液壓馬達的選取液壓馬達習慣上是指輸出旋轉(zhuǎn)運動的，將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能量轉(zhuǎn)換裝置[13]。A.葉片式馬達：具有結(jié)構(gòu)緊湊、輪廓尺寸較小、噪聲低、壽命長等優(yōu)點，其慣性比柱塞馬達小、但抗污染能力比齒輪馬達差、且轉(zhuǎn)速不能太高、一般在 200r/min 以下工作。葉片馬達由于泄漏較大，故負載變化或低速時不穩(wěn)定[14]。畢業(yè)設計12圖 3-4 葉片式馬達B.軸向柱塞式馬達：軸向柱塞馬達的工作原理為，配油盤和斜盤固定不動，馬達軸與缸體相連接一起旋轉(zhuǎn)。當壓力油經(jīng)配油盤的窗口進入缸體的柱塞孔時，柱塞在壓力油作用下外伸，緊貼斜盤斜盤對柱塞產(chǎn)生一個法向反力 F，此力可分解為軸向分力Fx 及和垂直分力 Fy。Fx 軸向柱塞馬達產(chǎn)生的瞬時總轉(zhuǎn)矩是脈動的。若改變馬達壓力油輸入方向，則馬達軸按順時針方向旋轉(zhuǎn)。斜盤傾角 α 的改變、即排量的變化，不僅影響馬達的轉(zhuǎn)矩，而且影響它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。斜盤傾角越大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低[14]。圖 3-5 軸向柱塞式馬達C.徑向柱塞式馬達：徑向柱塞式液壓馬達工作原理，當壓力油經(jīng)固定的配油軸 4的窗口進入缸體內(nèi)柱塞的底部時，柱塞向外伸出，緊緊頂住定子的內(nèi)壁，由于定子與缸體存在一偏心距。在柱塞與定子接觸處，定子對柱塞的反作用力為 。力可分解為和 兩個分力。當作用在柱塞底部的油液壓力為 F，柱塞直徑為 D，力和之間的夾角為 α時，力對缸體產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，使缸體旋轉(zhuǎn)。缸體再通過端面連接的傳動軸向外輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。低速液壓馬達通常是徑向柱塞式結(jié)構(gòu)，為了獲得低速和大轉(zhuǎn)矩，采用高壓和大排量，但它的體積和轉(zhuǎn)動慣量很大，不能用于反應靈敏和頻繁換向的場合。低速液壓馬達的主要特點是：排量大，體積大，轉(zhuǎn)速低，可以直接與工作機構(gòu)連接，不需要畢業(yè)設計13減速裝置，使傳動機構(gòu)大大簡化，低速液壓馬達的輸出扭矩較大，可達幾千到幾萬Nm，因此又稱為低速大扭矩液壓馬達[14]。根據(jù)以上匹配選型 可以判斷適合風力發(fā)電機液壓偏航系統(tǒng)的就是第三種徑向柱塞式馬達。圖 3-6 徑向柱塞式馬達3.3 偏航附件裝置3.3.1 偏航計數(shù)器偏航計數(shù)器的是用來記錄液壓偏航系統(tǒng)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當液壓偏航系統(tǒng)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)達到計數(shù)器設定值，系統(tǒng)則觸發(fā)自動解纜，風電機進行自動解纜并恢復至初始位置。偏航計數(shù)器的設定原則是要小于電纜所能承受旋轉(zhuǎn)的最大角度。畢業(yè)設計14圖 3-7 偏航結(jié)構(gòu)俯視圖3.3.2 偏航限位開關限位開關是作為極限位置開關使用的，當機艙繼續(xù)旋轉(zhuǎn)達到± 720 度時，限位開關被觸發(fā)而使得風電機組快速停機。3.3.3 偏航剎車盤當偏航過程結(jié)束時，偏航剎車盤會抱死軸承，使其固定，完成偏航對風。3.3.4 接近開關、風速風向儀等接近開關是一種用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中以實現(xiàn)檢測、控制并與輸出環(huán)節(jié)全盤無觸點化的新型開關元件。當開關接近某一物體時，即發(fā)出控制信號[15]。機艙是可以順時針旋轉(zhuǎn)也可以逆時針旋轉(zhuǎn)的，在偏航過程中，機艙不能總是朝向一個方向旋轉(zhuǎn)，因為機艙底部大齒圈內(nèi)部布置著多根電纜，機艙旋轉(zhuǎn)電纜也就跟著扭轉(zhuǎn)，所以為了防止電纜扭轉(zhuǎn)破壞特地控制機艙同一方向旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不得超過 720 度（從0 度開始，0 度為安裝風電機組時確定的位置） 。這種控制方法就是靠偏航接近開關和限位開關來實現(xiàn)的，接近開關一左一右共兩個，負責記錄機艙位置，當機艙達到＋720度或－720 度時發(fā)出信號，控制系統(tǒng)控制偏航電機反向旋轉(zhuǎn)解纜。風速風向儀的功能是采集風向，測量風速。3.5 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畢業(yè)設計15圖 3-8 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2 液壓偏航控制原理圖設計根據(jù)風速風向儀的信號，風電機對準風向時需將風力機底盤與塔架固定鎖緊，阻尼力矩需要在對風過程中被提供。為達到此目的，采用液壓控制，偏航液壓系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單，風力發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時，偏航閘靠彈簧力使其處于鎖緊狀態(tài)，此時液壓系統(tǒng)則不向偏航液壓缸提供壓力。畢業(yè)設計16圖3-9 偏航系統(tǒng)液壓原理圖如圖所示，該模塊包括液壓動力單元1000和偏航單元2000。液壓動力單元1包括雙聯(lián)內(nèi)嚙合泵1001、順序閥F1、溢流閥F1、溢流閥F3、二位四通換向電磁閥F4、過濾器G1、單向閥D1、單向閥D2、以及單向閥D3。二位四通換向電磁閥F4具有四個接口。其中雙聯(lián)內(nèi)嚙合泵1001生產(chǎn)兩條油路，一條為主油路P、一條為副油路P1。順序閥F1在副油路P1上與雙聯(lián)內(nèi)嚙合泵1001連接，與溢流閥F1并聯(lián)。經(jīng)過濾器G2通向油箱1001.溢流閥F3是一個壓力閥，起到對副油路P1的限壓作用。當副油路P1中的油壓處于正常范圍時，溢流閥F3是關閉的，一旦副油路P1中的油壓高于設定值，溢流閥便會自動打開，將過多的油液經(jīng)過濾器G2過濾后排回到油箱1001中。二位二通換向電磁閥F5在此起到一個類似開關的作用，當次閥處于常態(tài)時，副油路P1中的液壓油就直接回油箱1001，當二位二通換向電磁閥F5和換向電磁閥F4同時得電偏航馬達剎車松開，偏航馬達才能旋轉(zhuǎn)。主油路P一端連接雙聯(lián)內(nèi)嚙合泵1，另一端依次經(jīng)并聯(lián)的單向閥D2和過濾器G2、單向閥D2連接二位四通換向電磁閥F5的第一接口。二位四通換向閥F5的第二接口連接單向閥D3，溢流閥F2和單向閥D2之間有一條支路，經(jīng)過濾器G2通向油箱1001。過濾器G1對雙聯(lián)內(nèi)嚙合泵1001泵出的油進行過濾，可以保證主油路P中的油液的清潔度。如果過濾器G1堵塞，雙聯(lián)內(nèi)嚙合泵1001泵出的油從單向閥D1流過，溢流閥F2也是一個單向壓力閥，起到對主油路的限壓作用。當主油路P中的油壓處于正常范圍時溢流閥F2是關閉畢業(yè)設計17的，一旦主油路P中的油壓高出設定值，溢流閥F2便會自動打開，將過多的油液經(jīng)過濾器G2排回到油箱1001中。二位四通換向電磁閥F5是一種電磁閥，由于油路切換，在平常情況下，第一接口和第二接口連通，第一接口和第四接口不通，在得電情況下，第一接口和第四接口連通，第一接口和第二接口不通。偏航單元包括三個偏航馬達2001、三個偏航馬達剎車2002、六個偏航剎車2003，H型換向電磁閥F9，溢流閥F7、F8，順序閥F10。其中，三個偏航馬達剎車并聯(lián)后與溢流閥F2連接，在失油條件下將三個偏航馬達剎住，當再要啟動偏航馬達2001時，副油路P1中經(jīng)過順序閥F1給偏航馬達剎車2002注油，使偏航馬達剎車2002松開，釋放偏航馬達2001。在偏航馬達剎車和順序閥F1之間還有通向油箱的支路該支路連接換向電磁閥F5，其作用是在偏航馬達不工作時給偏航馬達剎車泄壓，使偏航馬達剎車2002回復到剎緊偏航馬達2001的狀態(tài)。H型換向電磁閥F9具有四個接口，其中第一接口連接溢流閥F8和二位四通換向電磁閥F5第四接口，第二接口連接單向閥D4，通向油箱1001，三個偏航馬達并聯(lián)后連接在H型換向電磁閥F9的第三第四接口之間。該H型換向電磁閥F9在不需要偏航馬達工作的時候，H型換向電磁閥失電，從二位四通換向電磁閥F5的第三接口進來的油會經(jīng)過H型換向電磁閥F9的第一接口、第二接口流進油箱中，不會驅(qū)動偏航馬達2001；當H型換向電磁閥得電時，換向電磁閥F9的第一接口和第三接口會貫通，第二接口和第四接口會貫通，從二位四通換向電磁閥F6的第三接口進來的油會經(jīng)H型換向電磁閥F9的第一接口、第三接口偏航馬達2001、第四接口、第二接口流入油箱中，驅(qū)動偏航馬達2001正向轉(zhuǎn)動；當H型換向電磁閥F9的B向得電時，換向電磁閥F9的第一接口和第四接口會貫通，第三接口和第二接口會貫通，從二位四通換向電磁閥F5的第三接口進來油會經(jīng)過H型換向電磁閥F9的第一接口第四接口、偏航馬達2001、第三接口、第二接口流入油箱中，驅(qū)動偏航馬達反向旋轉(zhuǎn)。此液壓系統(tǒng)就是這樣實現(xiàn)偏航馬達的正、反向轉(zhuǎn)動，從而控制風電機的轉(zhuǎn)向。為了對流進液壓馬達2001的油進行限壓，溢流閥F8連接在H型換向電磁閥F9的第一接口，另一端并聯(lián)溢流閥F7，當流進液壓馬達的油壓超過設定值，多余的油液會經(jīng)由溢流閥F8流回油箱。畢業(yè)設計18開始第四章 風電機偏航控制過程根據(jù)風電機的偏航功能，大致分為幾個模塊：自動偏航、90 度側(cè)風、人工偏航以及自動解纜。其主程序流程圖如圖 4-1 所示：N N N NY Y Y Y圖 4-1 主程序流程圖 定時掃描程序90 度側(cè)風自動解纜人工偏航自動偏航執(zhí)行 90 度側(cè)風程序執(zhí)行自動解纜程序執(zhí)行人工偏航程序執(zhí)行自動偏航程序畢業(yè)設計194.1 偏航過程分析和算法流程4.1.1 自動偏航自動偏航是指風電機能夠根據(jù)風向與機艙的夾角,自動調(diào)節(jié)機艙位置,以確保葉片能夠準確垂直風向,確保風電機吸收風能的功率為最大。因此必須使葉片法線方向與風向基本相同。當風向改變，超過允許誤差范圍時，自動偏航指令將由系統(tǒng)計算機發(fā)出，偏航電機和傳感器組成的對風系統(tǒng)校正動作將會執(zhí)行，以確保機艙能夠準確對風。設風向標測得的偏航誤差角為 a。機艙偏航角度和為 b，設偏航的容許誤差為c(一般 15°左右)，機艙順時針方向調(diào)向時為正，逆時針為負，當風向標測得的角度?a≤c 不進行偏航操作。當 c-d，負向調(diào)向 a。當 a+b 小于條件解纜限位時，正向調(diào)整 360+a。畢業(yè)設計20YNYN YN YN Y YN圖 4-2 自動偏航流程4.1.2 90 度側(cè)風90度側(cè)風是在外界環(huán)境對風電機組有較大影響的情況下(如突然出現(xiàn)超強風)，為保證風電機組能夠安全所實施的措施，故在90 度側(cè)風時，應當使機艙走最短路徑，自動偏航指令將被屏蔽。在側(cè)風指令結(jié)束后偏航閘應當被抱緊，同時當風向變化時，繼續(xù)追蹤風向的變化，以確保風電機組的安全。開始檢測風向信號 aa≤±cc＜a≤9090＜a≤180-90＜a＜-c-180＜a≤-90正向偏航b＋a＜d負向偏航 360－a正向偏航 a負向偏航－ ab＋ a＞－ d 負向偏航－a正向偏航 360＋a畢業(yè)設計21對于90°側(cè)風，容許誤差仍取 c。90°側(cè)風的操作流程為:當風向標測得的角度?0a90-c，正向調(diào)整90-a；當90-c≤a≤90+c時，不操作；90+ca≤180，負向調(diào)整a-90,當風向標測得的角度c-90≤a0，負向調(diào)整90+a；當c-90≤a≤-90-c時，不操作;當-90-ca-180時，正向調(diào)整-90-a。YN YN YN YN Y圖 4-3 90 度側(cè)風流程圖開始 90－c≤a≤90＋c 或c－90≤a≤－90－c0≤a＜90－c90＋c ＜a≤180c－90≤a＜0－90－c＜a＜－180結(jié)束正向調(diào)整 90－a負向調(diào)整 a－90負向調(diào)整 90＋a正向調(diào)整－90－a畢業(yè)設計224.1.3 人工偏航人工偏航是指在自動偏航失效和需要人工解纜亦或是在需要維修的時候，通過人工指令來對風電機進行偏航操縱。人工偏航過程如下：首先檢查人工偏航啟停信號，觀察是否進行人工偏航。若此時有人工偏航信號，再檢查此時是否正在進行偏航操作，若無，停止自動偏航指令，使其停止工作。然后讀取人工偏航的方向信號，判斷與上次偏航方向是否一致，若一致，松開偏航閘，使其正常運轉(zhuǎn)；若不一致，則立即停止偏航電機，保持偏航閘為松閘狀態(tài)，向相反方向進行反轉(zhuǎn)并記錄轉(zhuǎn)向，直到出現(xiàn)相應的人工偏航停止信號的出現(xiàn)，抱閘，清除人工偏航標志。畢業(yè)設計23NYNNYNY圖 4-4 人工偏航流程圖開始人工偏航正在進行偏航么？清除自動偏航標志與上次偏航方向一致？繼續(xù)偏航操作人工偏航停止？停止偏航電機工作，抱閘清除人工偏航標志結(jié)束屏蔽自動偏航停止偏航電機工作偏航電機反轉(zhuǎn)，記錄轉(zhuǎn)向畢業(yè)設計244.1.4 自動解纜由于自然風不定向以及隨機性，風機的偏航方向也是不確定的。如風電機長時間持續(xù)向同一方向轉(zhuǎn)動，就有可能造成電纜纏繞，纏繞過多甚至會絞斷。因此自動解纜裝置成為了風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)的一個重要部分。當風機達到其自身規(guī)定的解纜角度時，偏航系統(tǒng)就會進行自動解纜，此時風電機會立即剎車停機，然后啟動偏航電機驅(qū)動機艙反向旋轉(zhuǎn),則會返回最初機艙無電纜纏繞位置。如果出現(xiàn)故障而自動解纜指令并未起到解纜作用，風電機也設置了一個極值角度,當電纜紐轉(zhuǎn)達到這個極值角度時，紐纜保護器被觸發(fā)，剎車停機，紐纜故障報告，等待進行人工解纜。紐纜保護器能在偏航系統(tǒng)失效情況下保護風電機電纜以防止過度纏繞。為了加大保險系數(shù)，紐纜保護器控制系統(tǒng)一般和偏航系統(tǒng)分開運轉(zhuǎn)。當限位開關被觸發(fā)時，偏航系統(tǒng)會根據(jù)限位開關發(fā)出的信息來判斷是進行順時針解纜還是進行逆時針解纜。設限位開關在許可范圍內(nèi)時輸出信號 O；正向時輸出信號為1；負向時輸出信號為-1。當系統(tǒng)檢測到限位開關的輸出信號為 1 時，負向驅(qū)動機艙旋轉(zhuǎn)進行解纜；當系統(tǒng)檢測到限位開關的輸出信號為-1 時，正向驅(qū)動機艙旋轉(zhuǎn)進行解纜。當自動解纜進行時，通常會同時檢測接近開關的信號，直到接近開關記錄的機艙偏航角度在某限定范圍內(nèi)時，解纜結(jié)束；此時偏航電機停止工作，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，接近開關向中心控制器發(fā)出自動解纜完成信號，解纜結(jié)束。設限位開關信號為 LS，接近開關記錄角度值為 RS。