PLC控制風力發(fā)電機

PLC控制風力發(fā)電機,plc,控制,節(jié)制,風力發(fā)電機 PLC控制風力發(fā)電機 摘 要 PLC是計算機技術為核心的通用工業(yè)自動化裝置。它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計算機技術結合在一起，具有高可靠性、靈活運用、易于編程、使用方便等特點，因此近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產業(yè)等方面得到了廣泛的應用。被譽為現代工業(yè)生產自動化的三大支柱之一。 風力發(fā)電機作為動力源代替人力、蓄力。對生產力的發(fā)展發(fā)揮過重要作用。PLC在風力發(fā)電機的應用方面以及系統(tǒng)控制等諸多方面都起到極為核心的作用。伴隨時代發(fā)展，進入21世紀嶄新工業(yè)控制領域，PLC仍然能夠引導其發(fā)展。主要是由于在最初其采用計算機的設計思想和適應各種現場應用，隨著PLC的飛速發(fā)展，它已經可以在各個領域去適應不同的客戶要求。這就是PLC的生命力，具有一個非常靈活的大腦，和可以隨時變化和更新的身體部件。PLC的控制和處理，還能給用戶的改造和維護帶來了極大的便利，并且提供強大的功能和良好的性能。 關鍵詞:風力發(fā)電機；PLC；自動控制 第一章 緒論 我國風力發(fā)電機組的研制工作開展較早，但是沒得到足夠的重視與支持，因而發(fā)展較慢。五十年代后期由過一個興旺時期，吉林、遼寧、內蒙古、江蘇、安徽和云南等省都研制過千瓦級以下的風車，但是沒有做好鞏固和發(fā)展成果的工作。七十年代后，隨著國民經濟的較快發(fā)展出現了能源供應緊張、環(huán)境污染嚴重等現象，另外由于科技意識日漸深入人心，可再生無污染的風能利用受到了足夠的重視。在浙江、黑龍江、福建研制出了較大功率的機組；內蒙古的有關單位研制的小型風力發(fā)電機已有批量生產，用于解決地處偏遠、居住分散的農牧民住戶、蒙古包的生活用電和少量生產用電。八十年代以來，風力發(fā)電在我國得到了相應的發(fā)展。目前微型（<1KW）、小型（1-10 KW）風力發(fā)電機的技術日漸成熟， 已經達到商品化程度。同時大型風力發(fā)電機組（600 KW）也研制成功，并已投入了運行。此外，從國外引進了大型風力發(fā)電機組建設了20余個風電場?？傃b機容量達到了近25MW。從統(tǒng)計資料來看，在我國風能利用與風力發(fā)電技術雖然有了一定的進展，與國外先進國家相比較仍然存在差距，尤其是在大型風力發(fā)電機組的開發(fā)與研制方面。 采用軟PLC的典型的系統(tǒng)結構是工控機加I/O接口加軟PLC軟件包。軟PLC產品是基于PC機開放結構的控制裝置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術可將標準的工業(yè)PC轉化成全功能的PLC過程控制器。軟PLC綜合了計算機和PLC的開關量控制、模擬量控制、數學運算、數值處理、通信網絡等功能，通過1個多任務控制內核，提供了強大的指令集、快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種I/O系統(tǒng)及網絡的開放式結構。通過采用軟PLC和高精度控制性能的伺服電機作為驅動系統(tǒng)的全電動注塑機能極大的提高設備的易操作性，產品的質量和生產效率。 一 PLC的產生、特點和發(fā)展 1.PLC的產生 可編程控制器（Programmable Controller）簡寫成 PLC，其中 L為邏輯（Logic）的意思，第一臺可編程控制器是1969年在美國面世的。經過30多年的發(fā)展，現在可編程控制器已經成為重要、可靠、應用場合廣泛的工業(yè)控制微型計算機。可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數和算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式輸入／輸出控制各種類型的機械或生產過程。 2.PLC的特點 可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設計?？删幊炭刂破骶哂兄T多優(yōu)點： 1）PLC的生產廠家都著力于提高可靠性的指標； 2）PLC還具有編程方便、易于使用的優(yōu)點； 3）PLC控制功能極強，除基本的邏輯控制、定時、計數、算術運算等功能外，配合特殊功能模塊還可實現點位控制、PID運算、過程控制、數字控制等功能，為方便工廠管理又可以與上位機通信，通過遠程模塊可以控制遠方設備； 4）PLC的擴展以及與外部聯(lián)接極為方便。 3.PLC的發(fā)展 PLC誕生不久就顯示了其在工業(yè)控制領域的重要作用。如日本、德國和法國等國家相繼研制成各自的PLC，PLC技術隨著計算機和微電子技術的發(fā)展而發(fā)展，由1位機發(fā)展成8位機，隨著微處理器CPU和微型計算機技術在PLC中的應用，形成了現代意義的PLC。現在PLC產品已經使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現了多處理器的多信道處理，通信技術使PLC的應用得到進一步的發(fā)展。目前，PLC技術已經比較成熟。 二 PLC的基本結構 1.PLC的結構 用可編程控制器實施控制，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現。入出變換 、物理實現可以說是PLC實施控制的兩個基本點。而入出變換實際上就是信息處理，信息處理當今最常用的是微處理機技術，PLC也是用它，并使其專用化，應用與工業(yè)現場。至于物理實現，正是它與普通微機相區(qū)別之點，普通微機多只考慮信息本身，別的不多考慮，而PLC要考慮實際的控制需要。物理實現要求PLC的輸入， 應當排除干擾信號適應于工業(yè)現場。輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O電路專門設計。根據PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算結構。主要是由CPU、RAM、ROM和專門設計的輸入輸出接口電路組成，如圖1。 中央處理器（CPU）一般由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一個芯片上。CPU通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出（I/O）接口電路相連接。CPU按掃描方式工作，從0000首址存放的第一條用戶程序開始，到用戶程序最后一個地址，不停的周期性掃描，每掃描一次，用戶程序就執(zhí)行一次。 圖1 PLC的典型結構 CPU的主要功能為： ①從存儲器中讀取指令。CPU從地址總線上給出存儲地址，從控制總線上給出讀指令，從數據總線上得到讀出的命令，并存入CPU內的指令寄存器中。 ②執(zhí)行指令。對存放在指令寄存器中的指令操作碼進行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，如讀取輸入信號，取操作數，進行邏輯運算和算術運算，將結果輸出給有關部分。 ③準備取下一個指令。CPU執(zhí)行完一條指令后，能根據條件產生下一條指令的地址，以便取出和執(zhí)行下一條指令，在CPU的控制下，程序的指令既可以順序執(zhí)行，也可以分支或跳轉。 ④處理中斷。CPU除順序執(zhí)行程序外，還能接收輸入輸出接口發(fā)來的中斷請求，并進行中斷處理，中斷處理完后，再返回原址，繼續(xù)順序執(zhí)行。 存儲器用于存放系統(tǒng)程序，一般系統(tǒng)程序是由PLC廠家編寫的，不能由用戶直接存取。系統(tǒng)程序存儲器用來存放有關系統(tǒng)管理解釋指令、標準程序系統(tǒng)調用等程序。一般用PROM或EPROM構成。 由用戶編寫的程序稱為用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲器中，用戶程序存儲器的容量不大，一般只有幾K 的容量，常用ROM構成。 C．輸入/輸出部分 這是PLC與被控設備相連接的接口電路。用戶設備輸入PLC的各種控制信號，如限位開關、操作按扭、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量（要通過模數變換進機內）等，通過輸入輸出電路將這些信號轉換成中央處理器能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將中央處理器送出的弱電控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器、電機等被控設備的執(zhí)行元件。 a）輸入接口電路 現場輸入接口電路一般由光電耦合電路和微電腦輸入接口電路成。 光電耦合電路：采用光電耦合電路與現場輸入信號相連是為防止現場的強電干擾進入PLC。光電耦合電路的關鍵器件是光電耦合器，一般由發(fā)光二極管和光電三極管組成。光電耦合器的抗干擾性能：由于輸入和輸出段是靠光信號耦合的，在電器上是完全隔離的，因此輸出端的信號不會反饋到輸入端，也不會產生地線干擾和其他串擾。 微電腦的輸入接口電路：它一般由數據輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構成，這些電路集成在一個芯片上?，F場的輸入信號通過光電耦合送到輸入數據寄存器，然后通過數據總線送給CPU。 b）輸出接口電路 一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。 微電腦輸出接口電路：一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷電路集成而成。CPU通過數據總線將要輸出的信號放到輸出數據寄存器中。 功率放大電路：是為了適應工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出。 D．電源部件 將交流電源轉換成供PLC所需的直流電源。目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電。 2.PLC的軟件系統(tǒng) A．系統(tǒng)程序 它由PLC的制造企業(yè)編制，固化在PROM或EPROM中，按裝在PLC上，隨產品提供給用戶。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和供系統(tǒng)調用的標準程序模塊等。 系統(tǒng)管理程序其主要功能為： a）：時間分配的運行管理，即實現PLC輸入、輸出運算，自檢及提供通信時序； b）：存儲空間的額分配管理，即生成用戶環(huán)境，規(guī)定各種參數、程序的存放地址，將用戶使用的數據參數存儲地址轉化為實際的數據格式及物理存儲地址； c）：系統(tǒng)的自檢程序，即對系統(tǒng)進行出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗、警戒時鐘運行等。在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個PLC能正確、有效地工作。 用戶指令解釋程序：它可將用戶用各種編程語言（梯形圖、語句表等）編制的應用程序翻譯成CPU能執(zhí)行的機器指令。 供系統(tǒng)調用的標準程序模塊：它由許多獨立的程序組成，各自完成包括輸入、輸出、特殊運算等不同的功能。PLC的各種具體工作都由這部分來完成。 B. 用戶程序 它是根據生產過程控制的要求由用戶使用制造企業(yè)提供的編程語言自行編制的應用程序。用戶程序包括開關量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環(huán)控制程序和操作站系統(tǒng)應用程序等。 開關量邏輯控制程序：它是PLC用戶程序中最重要的一部分，一般采用梯形圖、助記符或功能塊圖等編程語言編制，不同的PLC制造企業(yè)提供的編程語言有不同的形式，至今沒有一種能全部兼容的編程語言。 模擬量運算程序及閉環(huán)控制程序：通常，它是在大中型PLC上實施的程序，由用戶根據需要按PLC提供的軟件和硬件功能進行編制。編程語言一般采用高級語言或匯編語言。一些制造企業(yè)為了方便用戶編程，也提供相應編程軟件供用戶編制模擬量和PID控制等的程序。 操作站系統(tǒng)程：它是大型PLC系統(tǒng)經過通信聯(lián)網后，由用戶進行信息交換和管理而編制的程序。它包括各類畫面的操作顯示程序，一般采用高級語言實現，一些制造企業(yè)也提供了人機界面的有關軟件，用戶可以根據制造企業(yè)提供的外交使用說明進行操作站的系統(tǒng)畫面組態(tài)和編制相應的應用程序。 三 PLC的工作過程及原理 1.PLC的工作過程 PLC大多采用成批輸入/輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運行，一個完整的周期可分為三個階段： a）輸入刷新階段： 程序開始時，監(jiān)控程序使機器以掃描方式逐個輸入所有輸入端口上的信號，并依次存入對應的輸入映象寄存器。 b）程序處理階段： 所有的輸入端口采樣結束后，即開始進行邏輯運算處理，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應的邏輯運行結果，存入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。 c）輸出刷新階段： 將輸出元件映象寄存器+的內容，從第一個輸出端口開始，到最后一個結束，依次讀入對應的輸出鎖存器，從而驅動輸出器件形成可編程的實際輸出。一般地，PLC的一個掃描周期約10ms，另外，可編程序控制器的輸入/輸出還有響應滯后（輸入濾波約10ms），繼電器機械滯后約10ms，所以，一個信號從輸入到實際輸出，大約有20--30ms的滯后。 2. PLC的工作原理 PLC雖然以微處理器為核心，具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機采用等待命令和中斷的工作方式，而PLC則是采用"順序掃描、不斷循環(huán)"的方式進行工作的，包括輸入采樣、系統(tǒng)處理、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新四個階段。完成四個階段稱為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行這四個階段。 a）輸入采樣階段：順序訪問PLC的所有輸入單元的信號狀態(tài)，將其放入輸入緩沖區(qū)內。 b）系統(tǒng)處理階段：對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行檢查，對I/O單元及外部設備進行定期服務。 c）用戶程序執(zhí)行階段：執(zhí)行預先設定的用戶程序，將處理結果分別放入動態(tài)數據區(qū)和輸出緩沖區(qū)。 d）輸出刷新階段：將輸出緩沖區(qū)的所有信號送到輸出單元，刷新輸出單元鎖存器的原有狀態(tài)。 四 PLC的編程語言的基本指令系統(tǒng)和編程方法 1.語言的形式 最常用的兩種編程語言，一是梯形圖，二是助記符語言表。采用梯形圖編程，因為它直觀易懂，但需要一臺個人計算機及相應的編程軟件；采用助記符形式便于實驗，因為它只需要一臺簡易編程器，而不必用昂貴的圖形編程器或計算機來編程。 雖然一些高檔的PLC還具有與計算機兼容的C語言、BASIC語言、專用的高級語言（如西門子公司的GRAPH5、三菱公司的MELSAP），還有用布爾邏輯語言、通用計算機兼容的匯編語言等。不管怎么樣，各廠家的編程語言都只能適用于本廠的產品。 2.編程指令 指令是PLC被告知要做什么，以及怎樣去做的代碼或符號。從本質上講，指令只是一些二進制代碼，這點PLC與普通的計算機是完全相同的。同時PLC也有編譯系統(tǒng)，它可以把一些文字符號或圖形符號編譯成機器碼，所以用戶看到的PLC指令一般不是機器碼而是文字代碼，或圖形符號。常用的助記符語句用英文文字（可用多國文字）的縮寫及數字代表各相應指令。常用的圖形符號即梯形圖，它類似于電氣原理圖是符號，易為電氣工作人員所接受。 a ）指令系統(tǒng)：一個PLC所具有的指令的全體稱為該PLC的指令系統(tǒng)。它包含著指令的多少，各指令都能干什么事，代表著PLC的功能和性能。一般講，功能強、性能好的PLC，其指令系統(tǒng)必然豐富，所能干的事也就多。在編程之前必須弄清PLC的指令系統(tǒng)。 b ）程序：PLC指令的有序集合，PLC運行它，可進行相應的工作，當然，這里的程序是指PLC的用戶程序。用戶程序一般由用戶設計，PLC的廠家或代銷商不提供。用語句表達的程序不大直觀，可讀性差，特別是較復雜的程序，更難讀，所以多數程序用梯形圖表達。 c ）梯形圖：梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內部橫豎線。內部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實現輸出控制，或為數據控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進行相應的工作。母線是用來連接指令組的。 3.基本指令系統(tǒng)特點 ? PLC的編程語言與一般計算機語言相比，具有明顯的特點，它既不同于高級語言，也不同與一般的匯編語言，它既要滿足易于編寫，又要滿足易于調試的要求。目前，還沒有一種對各廠家產品都能兼容的編程語言。如三菱公司的產品有它自己的編程語言，OMRON公司的產品也有它自己的語言。但不管什么型號的PLC，其編程語言都具有以下特點： a )圖形式指令結構：程序由圖形方式表達，指令由不同的圖形符號組成，易于理解和記憶。系統(tǒng)的軟件開發(fā)者已把工業(yè)控制中所需的獨立運算功能編制成象征性圖形，用戶根據自己的需要把這些圖形進行組合，并填入適當的參數。在邏輯運算部分，幾乎所有的廠家都采用類似于繼電器控制電路的梯形圖，很容易接受。如西門子公司還采用控制系統(tǒng)流程圖來表示，它沿用二進制邏輯元件圖形符號來表達控制關系，很直觀易懂。較復雜的算術運算、定時計數等，一般也參照梯形圖或邏輯元件圖給予表示，雖然象征性不如邏輯運算部分，也受用戶歡迎； b )明確的變量常數：圖形符相當于操作碼，規(guī)定了運算功能，操作數由用戶填人，如：K400，T120等。PLC中的變量和常數以及其取值范圍有明確規(guī)定，由產品型號決定，可查閱產品目錄手冊； c )簡化的程序結構：PLC的程序結構通常很簡單，典型的為塊式結構，不同塊完成不同的功能，使程序的調試者對整個程序的控制功能和控制順序有清晰的概念； d )簡化應用軟件生成過程：使用匯編語言和高級語言編寫程序，要完成編輯、編譯和連接三個過程，而使用編程語言，只需要編輯一個過程，其余由系統(tǒng)軟件自動完成，整個編輯過程都在人機對話下進行的，不要求用戶有高深的軟件設計能力； e )強化調試手段：無論是匯編程序，還是高級語言程序調試，都是令編輯人員頭疼的事，而PLC的程序調試提供了完備的條件，使用編程器，利用PLC和編程器上的按鍵、顯示和內部編輯、調試、監(jiān)控等，并在軟件支持下，診斷和調試操作都很簡單 總之，PLC的編程語言是面向用戶的，對使用者不要求具備高深的知識、不需要長時間的專門訓練。 第三章 風力發(fā)電機概述 一 風力發(fā)電機簡介 風速啟動、低風速發(fā)電、變槳矩、多重保護.太陽能光伏發(fā)電30元/瓦左右的價格受大眾所認可，可轉化率僅有15%左右；而中小型風力發(fā)電的價格僅為同等的1/5-1/6轉化率卻有60%-80%目前我國生產的小型風力發(fā)電機按額定功率分為１０種，分別為１００Ｗ、１５０Ｗ、２００Ｗ、３００Ｗ、５００Ｗ、１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ。其技術特點是：２～３個葉片、側偏調速、上風向，配套高效永磁低速發(fā)電機，再配以尾翼、立桿、底座、地錨和拉線。機組運行平穩(wěn)、質量可靠，設計使用壽命為１５年。風輪的最大功率系數已從初期的０．３０左右提高到０．３８～０．４２，而且啟動風速低，葉片材料已多樣化：木質、鐵質、鋁合金、玻璃鋼復合型和全尼龍型等。風輪采用定槳距和變槳距兩種，以定槳距居多。發(fā)電機選配的是具有低速特性的永磁發(fā)電機，永磁材料使用的是稀土材料，使發(fā)電機的效率從普通電機的０．５０提高到現在的０．７５以上，有些可以達到０．８２。小型風力發(fā)電機組的調向裝置大部分是上風向尾翼調向。調速裝置采用風輪偏置和尾翼鉸接軸傾斜式調速、變槳距調速機構或風輪上仰式調速。功率較大的機組還裝有手動剎車機構，以確保風力機在大風或臺風情況下的安全。風力發(fā)電機組配套的逆變控制器，除可以將蓄電池的直流電轉換成交流電的功能外，還具有保護蓄電池的過充、過放、交流卸荷、超載和短路保護等功能，以延長蓄電池的使用壽命。機組的價格較低，且適合于我國的低速地區(qū)應用。 二 風力發(fā)電機的原理 是將風能轉換為機械功的動力機械，又稱風車。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發(fā)動機。風力發(fā)電利用的是自然能源。相對柴油發(fā)電要好的多。但是若應急來用的話，還是不如柴油發(fā)電機。風力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。 風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。 風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染。 風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)：風力發(fā)電機＋充電器＋數字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能；機頭的轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。 風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。 機械連接與功率傳遞水平軸風機槳葉通過齒輪箱及其高速軸與萬能彈性聯(lián)軸節(jié)相連,將轉矩傳遞到發(fā)電機的傳動軸,此聯(lián)軸節(jié)應按具有很好的吸收阻尼和震動的特性，表現為吸收適量的徑向、軸向和一定角度的偏移，并且聯(lián)軸器可阻止機械裝置的過載。另一種為直驅型風機槳葉不通過齒輪箱直接與電機相連風機電機類型。 三 風力發(fā)電機的結構 機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉子，即轉子葉片及軸。 轉子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉子軸心?，F代600千瓦風力發(fā)電機上，每個轉子葉片的測量長度大約為20米，而且被設計得很象飛機的機翼。 軸心：轉子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。 低速軸：風力發(fā)電機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現代600千瓦風力發(fā)電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。 齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。 高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時。 發(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現代風力發(fā)電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。 偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖中顯示了風力發(fā)電機偏航。通常，在風改變其方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉幾度。 電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發(fā)電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力發(fā)電機操作員。 液壓系統(tǒng)：用于重置風力發(fā)電機的空氣動力閘。 冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內的油。一些風力發(fā)電機具有水冷發(fā)電機。 塔：風力發(fā)電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大?，F代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。 風速計及風向標：用于測量風速及風向 四 風力發(fā)電機的展望 通常人們認為，風力發(fā)電的功率完全由風力發(fā)電機的功率決定，總想選購大一點的風力發(fā)電機，而這是不正確的。目前的風力發(fā)電機只是給電瓶充電，而由電瓶把電能貯存起來，人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內地，小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量。當無風時人們還可以正常使用風力帶來的電能，也就是說一臺200W風力發(fā)電機也可以通過大電瓶與逆變器的配合使用，獲得500W甚至1000W乃至更大的功率出。 使用風力發(fā)電機，就是源源不斷地把風能變成我們家庭使用的標準市電，其節(jié)約的程度是明顯的，一個家庭一年的用電只需20元電瓶液的代價。而現在的風力發(fā)電機比幾年前的性能有很大改進，以前只是在少數邊遠地區(qū)使用，風力發(fā)電機接一個15W的燈泡直接用電，一明一暗并會經常損壞燈泡。而現在由于技術進步，采用先進的充電器、逆變器，風力發(fā)電成為有一定科技含量的小系統(tǒng)，并能在一定條件下代替正常的市電。山區(qū)可以借此系統(tǒng)做一個常年不花錢的路燈；高速公路可用它做夜晚的路標燈；山區(qū)的孩子可以在日光燈下晚自習；城市小高層樓頂也可用風力電機，這不但節(jié)約而且是真正綠色電源。家庭用風力發(fā)電機，不但可以防止停電，而且還能增加生活情趣。在旅游景區(qū)、邊防、學校、部隊乃至落后的山區(qū)，風力發(fā)電機正在成為人們的采購熱點。無線電愛好者可用自己的技術在風力發(fā)電方面為山區(qū)人民服務，使人們看電視及照明用電與城市同步，也能使自己勞動致富。 2009年5月，國家投資3萬億資金支持新能源，特別是風力發(fā)電行業(yè)。國家大力支持風電的發(fā)展！ 第四章 自制PLC控制風力發(fā)電機的構成 一 風力發(fā)電機設計思想 風力發(fā)電機是通過風帶動葉片的旋轉產生的高速旋轉帶動發(fā)電機產生的交流電。由于自己的能力有限我將PLC運用于風力發(fā)電機的偏航系統(tǒng)，使其有效的得到風力致其成功發(fā)電。 本系統(tǒng)的風力發(fā)電機部分由葉片、變速箱、發(fā)電機、變換器、偏航系統(tǒng)(旋轉工作臺、旋轉編碼器、電動機、變頻器)組成。如圖2 變換器 偏航系統(tǒng) PLC控制器 圖2 二 自制PLC控制風力發(fā)電機的構成 1.風力發(fā)電機葉片材料選用介紹 隨著風機葉片設計技術的提高，風力發(fā)電向大功率、長葉片的方向發(fā)展。葉片長度增加勢必增加葉片的質量。經對長度10~60m的葉片進行的統(tǒng)計表明，葉片質量按長度的三次方增加。葉片輕量化對運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行時其重力產生交變載荷，使葉片本身及機組產生疲勞。葉片減重可相應減少輪轂、機艙、塔架等結構的質量。 對于大型葉片，剛度成為主要問題。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。既要減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強塑料（CFRP）。CFRP的拉伸性模量是GFRP的2~3倍。大型葉片采用CF增強可充分發(fā)揮其高彈輕質的優(yōu)點。據分析，采用CF/GFRP混雜增強的方案，葉片可減重20%~40%。據歐洲EC公司資助的研究計劃中介紹，在￠120m葉片轉子中添加CF能有效減輕總體質量達38%，另外亦可使其設計成本費用比GF減少14%。另外一個類似的研究分析也指出，添加CF制得的風機葉片質量會比GF減輕約32%。?　　 目前世界上最大的CF/GFRP混雜風機葉片是Nodex公司為海上風電5MW機組配套研制的長度56m的葉片。Nodex公司還開發(fā)了43m（9.6t）的CF/GFRP風機葉片，可用于陸上2.5MW機組。Enercon公司開發(fā)了供4.5MW風力機組使用的CFRP葉片。對于大型葉片是否需用CF增強，目前尚有爭議。一些人認為，在風能產業(yè)中引入CF工藝是“奇特”和昂貴的，如果可能應盡量避免。然而許多結構方面的工程師確信，自然的規(guī)模法則顯示，當葉片長度增加時，質量的增加要快于能量的提取。因此采用CF或CF/GF混雜纖維對抑制質量的增大是必要的。同時為了降低風能的成本，發(fā)展具有足夠剛性的更長葉片也是必要的。? cnwpem 　　能否在風機葉片上大量采用CFRP取決于CF的價格。CFRP的性能雖然遠優(yōu)于GFRP，且不論葉片還是整個風力發(fā)電機組毫玩疑問都是最輕量的，但價格也是最貴的。即使CF價格降到11美元/Kg，用CFRP制備葉片的價格還是過高。因此現在正從原材料、工藝技術、質量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。 一般較小型的葉片（如長22m）選用量大價廉的E-GFRP，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯基酯樹脂或環(huán)氧樹脂。而較大型的葉片（如長42m以上）一般采用CFRP或CF/GFRP，樹脂基體以環(huán)氧樹脂為主。 發(fā)電機 發(fā)電機的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應定律和電磁力定律。因此，其構造的一般原則是：用適當的導磁和導電材料構成互相進行電磁感應的磁路和電路，以產生電磁功率，達到能量轉換的目的。 發(fā)電機的分類可歸納如下： 發(fā)電機 ： 直流發(fā)電機、交流發(fā)電機、同步發(fā)電機、異步發(fā)電機(很少采用) 交流發(fā)電機還可分為單相發(fā)電機與三相發(fā)電機。 ?? 圖3發(fā)電機原理 發(fā)電機通常由定子、轉子、端蓋.機座及軸承等部件構成。 定子由機座.定子鐵芯、線包繞組、以及固定這些部分的其他結構件組成。 轉子由轉子鐵芯(有磁扼.磁極繞組)滑環(huán)、(又稱銅環(huán).集電環(huán)).風扇及轉軸等部件組成。 由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子，轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁感線的運動，從而產生感應電勢，通過接線端子引出，接在回路中，便產生了電流。 變換器（Matrix Converter）作為一種新型的交—交變頻電源，其電路拓撲形式被提出，但直到1979年意大利學者M.Venturini和A.Alesina提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略后，其特點才為人們所關注和研究。普遍使用的是半控功率器件晶閘管。采用這種器件組成矩陣式變換器，控制難度是很高的。矩陣式變換器的硬件特點是要求大容量、高開關頻率、具有雙向阻斷能力和自關斷能力的功率器件，同時由于控制方案的復雜性，要求具有快速處理能力的微處理器作為控制單元，而這些是早期的半導體工藝和技術水平所難以達到的。所以這一期間矩陣式變換器的研究主要針對主回路的拓撲結構及雙向開關的實現，大多都處于理論研究階段，很少有面向工業(yè)實際的研究。高工作頻率、低控制功率的全控型功率器件如BJT ， IGBT等不斷涌現，推動了矩陣式變換器控制策略的研究。如圖3為變換器 圖4 變換器 變換器有直變換法、電流跟蹤法、間接變換法。 直接變換法是通過對輸入電壓的連續(xù)斬波來合成“輸出電壓”的，它可以分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法，所有這些方法雖各有一定的優(yōu)越性，但也存在一定的問題，限制了它們的應用范圍。如標量法的輸入相電流波形較好，但輸出諧波較大。 電流跟蹤法將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號相比較，根據比較結果和當前的開關電源狀態(tài)決定開關動作，它具有容易理解、實現簡單、響應快、魯棒性好等特點，但也有滯環(huán)電流共有的缺點：開關頻率不夠穩(wěn)定、諧波隨機分布，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波等。 間接變換法空間矢量調制技術，又稱為間接變換法、交—直—交等效變換法，是基于空間矢量變換的一種方法，它將交—交變換虛擬為交直和直交變換，這樣便可采用流行的高頻整流和高頻PWM波形合成技術，變換器的性能可以得到較大的改善。當然具體實現時是將整流和逆變一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制，但控制方案較為復雜，缺少有效的動態(tài)理論分析支持。它是在矩陣式變換器中研究較多也是較為成熟的一種控制策略，比較有發(fā)展前途。這種調制策略既能控制輸出波形，又能控制輸入電流波形. 旋轉編碼器 旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置，光電式旋轉編碼器通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出（REP）。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組A/B相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。圖4為旋轉編碼器 圖5 旋轉編碼器 由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。 由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數量級，塑料碼盤是經濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。 分辨率—編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度5~10000線。 變頻器 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。國內技術較領先的品牌有匯川、歐瑞(原煙臺惠豐)、三晶、藍海華騰。圖5為變頻器 圖6變頻器 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[1]: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：最近大量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3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。 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。 第五章 設計流程 PLC控制風力發(fā)電機工作原理如圖所示，位置點在0號位置，工作臺上分為8個風向，編號是0-7，一個編碼器套在電動機軸上，N=360脈沖/轉。能以最高的效率調任意一個風向到位置點，低速旋轉式工作間的1.5倍。使用一位數字開關設置風向，數字開關接在X4-X7。圖7 圖七 一 程序流程圖 開始 風力帶動葉片轉動 增速箱增速 發(fā)電機發(fā)電 變 換 器 電 網 PLC控制變頻器 數字開關 旋轉工作臺旋轉 二 PLC輸入輸出地址表 表1 輸入 輸出 X0 A相脈沖開關 SB1 Y10 A相脈沖 KM5 X1 B相脈沖開關 SB2 Y11 B相脈沖 KM6 X2 零位開關 SB3 Y12 零位KM7 X4 數字開關 SQ1 Y13 啟動 X5 數字開關 SQ2 Y0 控制變頻器正轉KM1 X6 數字開關 SQ3 Y1 控制變頻器反轉KM2 X7 數字開關 SQ4 Y2 控制變頻器高速KM3 X10 高速正轉 SQ5 Y3 控制變頻器低速KM4 X11 低速正轉 SQ6 Y4 正轉指示燈亮HL1 X12 斷開 SQ7 Y5 反轉指示燈亮HL2 X13 高速反轉 SQ8 Y6 高低速指示燈閃爍HL3 X14 低速反轉 SQ9 SB1 SB2 SB3 SQ3 SQ2 SQ1 SQ4 X0 X1 X6 X2 X4 X5 X7 X10 X11 X12 X13 SQ5 SQ8 SQ7 KM4 KM3 Y0 Y1 Y2 Y3 COM1 AC220V H1 HL1 Y4 HL3 Y6 Y10 KM5 COM2 AC220V H1 Y11 KM6 Y12 KM7 FX2N-24MR KM1 KM1 KM2 X14 SQ9 三 外部接線圖 KM3 KM2 KM4 AC220V COM3 四 梯形圖 結束語 畢業(yè)設計可以鍛煉自己的自學能力，在這兩個月的學習過程中遇到了種種困難，我也在學習過程中學著克服這些困難。在指導老師殷勤奮的幫助下完成了畢業(yè)設計論文。寫論文是一個不斷學習的過程，從最初剛寫論文時對企業(yè)職位面臨的問題的模糊認識到最后能夠對該問題有深刻的認識，我體會到實踐對于學習的重要性，以前只是明白理論，沒有經過實踐考察，對知識的理解不夠明確，通過這次的做，真正做到林論時間相結合。 總之，通過畢業(yè)設計,我深刻體會到要做好一個完整的事情，需要有系統(tǒng)的思維方式和方法，對待要解決的問題，要耐心、要善于運用已有的資源來充實自己。同時我也深刻的認識到，在對待一個新事物時，一定要從整體考慮，完成一步之后再作下一步，這樣才能更加有效。 在這份畢業(yè)論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 參考文獻 1．劉永華 《電氣控制與PLC》 北京航空航天大學出版社 2007 2．羅宇航 《流行PLC實用程序及設計》 西安電子科技大學出版社 2007 3．伊宏業(yè) 《PLC可編程控制器教程》 航空工業(yè)出版社 1997 4．劉洪濤 黃海編 《PLC應用開發(fā)從基礎到實踐》 電子工業(yè)出版社 2007 5．姚興佳 宋俊 《風力發(fā)電機組原理與應用》 機械工業(yè)出版社 2009 29