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1、金风1.5MW风力发电机组的变桨系统介绍 作者：孙伟 主要内容： 一、变桨系统的机械结构 二、变桨距控制的目的 三、变桨系统的硬件组成 四、主要元件的功能原理 五、变桨系统的手动操作 六、变桨系统的维护和故障判断 一、变桨系统的机械结构 控制系统 二、变桨距控制的目： 使叶片的攻角在一定范围（0度-90度）变化，以便调节输 出 功率，避免了定桨距机组在确定攻角后，有可能夏季发电低 ， 而冬季又超发的问题。在低风速段，功率得到优化，能更好 的 将风能转化电能。 变桨机组的控制策略为： a额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样 可以 跟踪最优Cp； b额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控
2、制器共同作用，使 得功 率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。 额定风速以下阶段：要实现的主要目标就是让叶轮尽 可能多的吸收风能。 Cp越大,吸收的风能越多。由于额定风速以下风速较小 ，因此，此时没有必要变桨，只需要此时将叶片角度 设置为规定的最小桨矩角。 额定风速以上阶段：变速控制器（扭矩控制器）和变 桨控制器同时发挥作用。通过变速控制器即控制发电 机的扭矩使其恒定,从而恒定功率。通过变桨调整发电 机的转速,使得其始终跟踪转速设置点。 下图为不同最小桨矩角对应的Cp及曲线图 相同容量的定桨距和变桨距机组功率曲线的对比 三、变桨系统的硬件组成 变桨控制柜内的布局 变桨系统分布结构 线路连接 3.1
3、变桨系统驱动原理 变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨 距角使输出功率保持在额定状态。变桨控制柜主电路采用交流-直流-交流回 路，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨 电机转速调节。 每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储 备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7/s 的速率，从0顺桨到90。当来自滑环的电网电压掉电时，备用电源直接给变 桨控制系统供电，仍可保证整套变桨电控系统正常工作。相比密封铅酸蓄电池 作为备用电源的变桨系统，采用超级电容的变桨控制系统具有下列优点： a、充电
4、时间短； b、交流变直流的整流模块同时作为充电器，无须再单独配置充放电管理电路 ； c、超级电容随使用年限的增加，容量减小的非常小； d、寿命长； e、无须维护； f、体积小，重量轻等优点； g、充电时产生的热量少。 型号：4- BMOD2600-6 额定电压：60VDC 总容量：125F 总存储能量：150kJ 四组串联 单组电容电压： 16VDC 单组电容容量： 500F 变桨超级电容 四、主要元件的功能原理 滑环 滑环整体图 上面的插头：5芯线+屏蔽，24VDC ，机舱到变桨的安全链； 中间的插头：Profibus DP现场总线 ，2芯线+屏蔽，10VDC； 下面的插头：5芯线，400V
5、AC，机 舱到变桨系统的电源 Profibus DP数据传输速率：3Mbit/s Harting连接端子 变桨电机 类型：IM3001(3相笼型转子异 步电机) 额定功率：4.5kW，1500rpm 最大转矩：75Nm 制动转矩：100Nm 额定电压：29V 额定电流：125A 额定功率因数：0.89 绝缘等级：F 转动惯量：0.0148kgm2 防护等级：IP54 变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨 电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来 控制电机的转速）。相比采用直流电机调速的 变桨控制系统，在保证调速性能的前提下，避 免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量 大、成本增加的缺点。
6、 3.2 变桨系统主要部件: 控制柜内部电源及控制检测部分: 1、开关电源(NG5) 2、变桨变频器(AC2) 3、超级电容 4、A10自制模块 5、BC3150及beckoff模块 6、温度检测（PT100） 控制柜外部驱动及检测部分: 1、变桨电机 2、旋转编码器 3、温度检测（PT100） 4、0接近开关及90限位开关 名称型号功能及端口定义 开关电源ZIVAN功能：将50HZ线电压400V(三相)交流电输入转换为60V直流电输出。 AUX1 CAUX1 NO=开关电源正常输出信号 额定60V/80AON/OFF=开关电源工作/停止工作信号 LSENSE 电流检测通道 变频器SW:AC2
7、T2IFWMF145_HYSO4功能：将60VDC转换成三相频率可变的29VAC BATT/-BATT为直流输入,U V W为交流电输出； 额定48V/450A F3/F9控制变桨电机刹车电磁阀； E5=自动变桨控制信号；F4=自动变桨使能； E12=叶片向0度方向变桨信号；E13=叶片向90度方向变桨信号；F6/F12 外部过载信号； A10自制模块 功能：采集超级电容高低电压； X4:4=X4:3分别采集电容高低60V30V直流输入电压； X4:5=模块24V电源的接口；X4:9X4:10=电压检测模拟量输出； X4:11=电流检测模拟量输出 旋转编码器 1=旋边电源；3/7=正/负向SS
8、I脉冲输入；5=清零端；8/9=速度和位移 反馈；10=反馈旋边工作正常信号； 型号：Zivan Battery Charger NG5 输入电压：400VAC(+/-15%) 输出电压：60VDC 输出电流：80ADC 优点： 效率高； 体积小； 充电时间短； 充电不受交流电源变化的约束； 能够提供理想的充电曲线。 变桨开关电源NG5 基本原理图 控制部分的电源 DC/DC变换部分 反馈回路 IMS功率模块，Flash内存，微处理 器控制，Can Bus 型号：Zapi AC-2 电力电子器件：MOSFET 开关频率：8kHz 额定直流输入电压：60VDC 最大输出电流：450A AC-2异
9、步电机用高频MOSFET逆变器 基本原理图 A10自制 模块 基本原理图 旋转编 码器 25位分辨率，8192脉冲/4096 圈 格雷码或二进制码输出 自诊断功能 电子清零 可选组件：增量通道A，B； 绝对式旋转编码器GM 400 光电转换电路 轴承安装法兰光栅码盘 内部基本结构图 内部基本原理图 绝对位置从码盘上读取，在码盘上，每一位对 应一个码道，每个数位编码器对应一个输出电 路，每一个通道都包含一个光源的接收器，每 圈 (360) 读数完成后，将重复读数输出。 码盘的物理成像是通过光敏元件阵列实现 的，每位有两个光敏元件 / bit 差分信号 信号优化 旋转编码器的安装位置（在变桨电机的
10、末端） 变桨电机中 的散热风扇 变桨电机中的 旋转编码器 变桨电机中 的电磁刹车 这种温度传感器是利用导体铂 （pt）的电阻值随温度的变化 而变化的特性来测量温度的。 通常这样的温度传感器可以测 量负200到正500摄氏度的范围 ，而且在这个温度范围下，铂 的电阻值和温度具有良好的线 性关系。 温度传感器 （Pt 100） 接近开关（Bi5/8-M18-AP6X-H1141/S34） *带螺纹的圆筒，M18； *镀铬黄铜； *抗交流磁场和直流磁场 干扰； *3线直流连接， *1030VDC； *常开PNP输出； *连接头，M12； 最大电压400VAC 持续电 流5A 最大开关频率100/mi
11、n 机械寿命-开关动作次数106 工作温度-30+80oC 标准执行机构形态C 认证UL，CSA 重量0.16kg 限位开关 B C 3 1 5 0 KL 1 1 0 4 KL 1 1 0 4 KL 1 1 0 4 KL 2 4 0 8 KL 3 4 0 4 KL 5 0 0 1 KL 3 2 0 4 KL 4 0 0 1 KL 9 0 1 0 变桨控制柜中都有一个总线控制器BC3150，它是每个变桨控制系统的 核心，其内部有变桨控制程序。此程序一方面负责变桨控制系统与主控 制器之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围信号的采集处理和对 变桨执行机构的控制。紧急状态下（例如变桨控制系统突然失去
12、供电或 通信中断），三个变桨控制柜中的控制系统，可以分别利用各自柜内超 级电容存储的电能，分别对三个叶片实施90度顺桨停机动作。 BC3150及beckoff模块 BC3150有一个 PROFIBUS-DP 现场总线接口，可在 PROFIBUS-DP 系统中作为智能从站使用 。 “紧凑型”总线端子控制器 BC3150 比较小巧而且经济BC3150 通过 K-BUS 总线扩展技术，可连接 多达 255 个总线端子。 KL1104 数字量输入端子从现场设备获得二进制控制信号，并以电隔离的信号形式将数据传输到 更高层的自动化单元。每个总线端子含 4 个通道，每个通道都有一个 LED 指示其信号状态。
13、 KL2408（正极变换）数字量输出模块将自动化控制层传输过来的二进制控制信号以电隔离的信 号形式传到设备层的执行机构。 KL2408有反向电压保护功能。其负载电流输出有过载和短路保护功 能。每个总线端子含 8 个通道，每个通道都有一个 LED 指示其信号状态。 KL3404模拟量输入端子可处理 -10 V 和 +10 V 或 0 V 和 10 V 范围的信号。分辨率为 12 位，在 电隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。在 KL3404总线端子中，有 4 个输入端为 2 线制型，并 有一个公共的接地电位端。输入端的内部接地为基准电位。 KL5001 SSI 接口模块可直接连接 SSI 传感
14、器。传感器电源由 SSI 接口提供。接口电路产生一 个脉冲信号以读取传感器数据，读取的数据以字的形式传送到控制器的过程映像区中。各种操作模式 、传输频率和内部位宽可以永久地保存在控制寄存器中。 KL4001 模拟量输出模块可输出 0 V 到 10 V 范围的信号。该模块可为处理层提供分辨率为 12 位的电气隔离信号。总线端子的输出通道有一个公共接地电位端。KL4001是单通道型，适用于带有 接地电位的电气隔离信号。它通过运行 LED 显示端子与总线耦合器之间的数据交换状态。 KL3204 模拟量输入端子可直接连接电阻型传感器。总线端子电路可使用 2 线制连接技术连接传 感器。整个温度范围的线性
15、度由一个微处理器来实现。温度范围可以任意选定。总线端子的标准设置 为：PT100 传感器，分辨率为 0.1 C。 变桨方式分为以下几种： 自动变桨：正常工作，程序控 制； 手动变桨：调试、维护；只有 当两只叶片的位置在86度附近 ，第3只叶片才能朝0度变桨； 强制手动变桨：调试、维护；3 只叶片都可以朝0度变桨，不受 86度限制； Forward：朝0度变桨； Backward：朝90度变桨 注意：强制手动模式中，叶片能在-295桨距角范围内任意转动，而在非强制手动模式中，若要维护某 一叶片，如叶片朝0方向变桨，其桨距角不能小于5，如叶片朝90方向变桨，当碰到限位开关后，不能再 变桨，若要继续变桨，可采取强制变桨模式变桨，而其余两个叶片则要求转到桨距角不能小于86的位置。 强制手动模式时，叶片角度不被任何限定值控制或限制，这样叶片能转到任何可能的位置，操作不当对机 械部件可能引起相当大的损害。 五、变桨系统的手动操作 六、变桨系统的维护和故障判断 6.1 变桨系统的维护 定期检查变桨控制支架连接螺栓和所有附件 连接螺栓是否松动，如有松动，应紧固。 定期检查变桨控制柜是否有破损、裂纹、焊 缝开裂等现象。 定期检查与变桨控制柜相连的电缆，接头是 否牢固，是否磨损，变桨控制柜风扇是否工 作正常。 定期检查漆面的完好程度，检查门锁是否完 好。 定期检查变桨系统90
