毕业设计（论文）-基于PLC风机偏航系统解缆控制

摘 要

风能作为可再生能源中发展最快的清洁能源，其具有清洁，无污染，安全，储量丰富的特点，受到世界各国的普遍重视，是最具有大规模开发和商业发展前景的可再生能源。当前，中国风电市场蓬勃发展，由此带动中国风机制造产业呈现欣欣向荣的发展势态。然而，风电的超速发展可能造成很多隐患。其中设备故障而浪费大量人力资源维护的隐患应引起我们足够的重视。本文以风力发电模型机的解缆系统解缆控制为研究对象，采用PLC控制器作为上位机控制解缆装置，根据限位开关的信号确定解缆的方向，启解决风力发电机组存在的累计纽动执行相应的顺时针方向或逆时针方向机舱解缆程序。

缆次数较多、因纽缆造成的偏航时间较长、导致风力发电机组发电的停机解缆的技术问题。

关键词：风力发电，PLC控制器，解缆驱动器，解缆

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ABSTRACT

Windpower as the fastest growing renewable energy and clean energy, whichhas a clean, pollution-free, safe, abundant features, has gottengreat attention by the countries in the world. Wind power is the mostlarge-scale development and commercial prospects for development ofrenewable energy. At present, Chinese wind power market led theChinese manufacturing industry explosiondevelopment. However, wind power overspeed developing may cause a lotof hidden dangers. Because of equipment failure waste human resourcesto maintain a large number of hidden dangers should arouse ourattention. This articleis based on the model of wind power untwist system as the researchobject. Adopt PLC controller to untwist, According the limit switchsignals to determine the untwist direction. Start the correspondingcompilerto solve the problems as existing wind turbine twist and Yaw time toomuch.

Keywords: windpower, PLC, yaw motor, untwist

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目录

1绪论.........................................................1

1.1风力发电的介绍.....................................................11.2风力发电的发展历史、现状及趋势.....................................11.3毕业论文的工作及结构...............................................7

2风力发电机原理及解缆原理.....................................8

2.1风力机的种类.......................................................82.2风力发电机的基本原理...............................................82.3风力发电机结构.....................................................92.4风力发电机解缆控制系统的介绍及工作原理............................11

3风机解缆系统硬件结构设计.....................................12

3.1解缆系统硬件结构..................................................123.2解缆系统硬件的选型................................................123.3电气原理图........................................................19

4.1 解缆系统的控制方法设计............................................21 4 解缆系统设计.................................................21 4.2 解缆系统程序流程图................................................21

参考文献.......................................................32

附录1.........................................................33

附录2.........................................................39

致 谢.........................................................40

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1绪论

风力机作为大型机电设备，为使其稳定运行，关键在于合理的控制系统。本课题采用PLC控制器作为上位机控制解缆装置，解缆电机按照模拟风力发电机的需要进行，带动风力发电模型机的解缆驱动器转动，仿真风机的运行状况。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年将是16万兆瓦。预计未来20－25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争[1]。

风电发展到目前阶段，其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势。风电的优势在于：能力每增加一倍，成本就下降15%，近几年世界风电增长一直保持在30%以上。随

越多投资者的逐金之地。目前，中国风电市场蓬勃发展，由此带动中国风机制造产业呈现欣欣向荣的发展势 着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本有望再降。因此风电开始成为越来 过长是导致风电设备故障的一大原因。

全，带动风力发电机的解缆驱动器回转同转数，解开缠绕的电缆，确保电缆安全送电和信号电缆正常工作。可见其对于风力机组的重要意义。

1.1风力发电的介绍
人类早在中世纪就开始利用风能，起初只是将风力转化为机械能，比如利用风车提水、碾米、磨面，借风帆为船助航等。而今电力资源的缺乏日益严重，利用风能发电的构想应运而生，风力发电就是将风能转换为机械能，再将机械能转化为电能。如今风力发电已成为各个国家重要的发展项目之一。

1.2风力发电的发展历史、现状及趋势
风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比．风力发电不依赖外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定。也没有碳排放等环境成本，此外可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，发展迅速[2]。第一台风力发电机建造于1887－1888年，位于美国俄亥俄州的Claveland。它的建造者CharlesF. Brush（1849－1929）不仅是风力发电
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技术的先驱，更大意义上是美国电气工业的奠基人之一，有着杰出的成就。他发明的一种高效直流发电机被用于当时的公共电网，他开发了第一款商品化的弧光灯；他还发明了高效的制造铅酸蓄电池的方法。他所创立的公司在1892年并入了爱迪生通用电气公司，也就是现在通用电气的前身。

在能源紧张和气候变化的强大压力下，人们对风电的发展给予厚望，在欧洲风能协会和绿色和平组织编写的《风力12》[3]中，计划到2020年将全球风力发电量占到世界电力总量的12％，而2006年前该数值刚刚超过1%。

经过了近百年的技术和经验的积累，加上市场应用的出现，大型风力发电机的商业化阶段在上世纪八十年代后开始逐渐来临。大规模的商业应用首先出现在北欧，（这与该地区的其它能源相对缺乏有关，以丹麦为代表），各种不同的风机概念相继出现，各种商业公司纷纷推出相应的产品，整个市场在群雄逐鹿的过程中成熟起来。伴随着各种优势资源的整合，许多著名的风电厂商如Vestas,NEGMicon, Bonus,Enercon等在竞争和优胜劣汰中逐渐胜出，水平轴三叶片风力发电机更是成为了商业应用的绝对主流。

至今，各种技术路线还在不断的互相借鉴并不断的改进和完善，各种新的概念和技

术仍在不断的推出并应用于风电领域。如德国Aerodyn 公司借鉴市场上直驱机型和非直 功的实践应用。德国的EU Energy 公司在其Dewind D8 机型上最新引入了Voith 公司的 液压无级变速技术以避免齿轮箱故障。德国Enercon 公司将其同步电机绕组采用独立模 驱机型的优点，推出半直驱的设计概念，这种设计概念在Multibrid 5MW 风机上得到成 状态下正常发电。 创新能力是当务之急。

中国风能利用的历史相当久远，可上述千年，但现代风力发电技术的发展起步却很晚，还和国外有着很大的差距，技术和经验积累都还显得远远不足。目前中国风电迎来了突破式的发展，许多风电界的老前辈对此都欣喜不已，但同时他们又对发展的质量和风险有着一定的忧虑和担心。在我国风电产业努力追赶的同时，风电发电技术已经曲曲折折的发展了一百多年，在这一百多年里，充满了各式各样的尝试、创新、成功和失败。经过了百年的洗礼，风电技术才逐渐成熟应用起来。我们的风电产业要迅速发展，引进和借鉴国外先进的技术是快速有效可行的路径。但时间可以节省，过程却很难跨越，我们对引进技术的理解和认识还不够充分，对技术的历史发展也不够了解。了解历史，积极的吸取风电技术发展过程中的经验和教训，避免多走弯路，就显得相当的重要。

根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电产业正以惊人的速度增长。在过去10年平均年增长率达到28%，2007 年年底，全球装机总量达到了9400 万千瓦，每年新增2000 万千瓦，意味着每年在该领域的投资额达到了200 亿欧元。2007 年，全球风电资金中15%投向了中国，总额达340 亿人民币即34 亿欧元左右。中国真正成为全球最大

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的风电市场。

我国具有丰富的风力资源风电产业的发展有良好的资源基础。据估计，内地及近海风能资源技术可开发量约为10亿千瓦，主要分布在东南沿海及附近岛屿。内蒙古、新疆和甘肃河西走廊，以及华北和青藏高原的部分地区。

我国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代

能源技术之一，给予了有力的扶持。如设立了2010年和2020年风电装机容量分别达到1000万千瓦和3000万千瓦的目标，制定了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标“等措施推动技术创新、市场培育和产业化发展。截至2007年年底，我国累计风电装机容量达到604万千瓦过去10年的年均增长速度达到50%以上，我国在风电装机容量的世界排名中。2004年居第10位，2007年跃居第5位，并有望建立起世界最大的风电市场。

根据目前的发展势头，政府设立的2010年的发展目标有望于2008年提前完成。风电已经在节约能源、缓解我国电力供应紧张的形势、降低长期发电成本、减少能源利用造成的

大气污染。以及温室气体减排等方面崭露头角，开始有所作为。

我国风电市场的扩大，直接促进了国产风电产业的发展。据不完全统计。2007年年底．我国风电制造及相关零部件企业l00多家，在2007年风电的新增市场份额中国内产

风电开发建设方面。我国已经建成了200多个风电场掌握了风电场运行管理的技术和经验，培养和锻炼了一批风电设计和施工的技术人才，为风电的大规模开发和利用奠定了 品占55%。比2006年又提高了10个百分点国产风电机组装备制造能力得到大幅提高，在 外， 1.2.1 世界风力发电发展近况

现状，2001年以来，全球每年风电装机容量增长速度为20%～30%，仅2007年就增加了20GW的风电装机容量，约合310亿美元。2007年，全球风电装机容量达到94GW，且主要为陆上风电。风电装机容量的增加有3/4主要来自参加IEA风能合作协议的20个IEA国家。

图1-1 1983～2007年全球风电装机容量

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图1-2各国风电装机容量占有率

表1-1全球风力发电量前十位国家

欧洲式全球风电装机容量最多的国家，达到57GW。北美和亚洲风电发展速度也比较快。据报道，美国2007年新增风电装机容量5244MW，是2006年的2倍还要多。印度是全球第四大风电市场，2007年新增风电装机容量1730MW。中国2007年新增风电装机容量3449MW。

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图1-3全球风力发电分布情况

预计到2050年，全球风电装机容量在ACT系列（让全球的二氧化碳排放量在2050

年之前恢复到现在的水平）情景下会达到1360GW，在BLUE系列（2050年二氧化碳排

放量减少50%作为目标）情景下达到2010GW，在ACT系列情景下，2030年，全球风力

发电每年增加2712TWh，2050年每年增加3607TWh。在BLUE 系列情景下，2030年，全 12%。在基准情景下，全球风力发电占总发电量的2%，每年能够减少2.14Gt 的CO2排放。球风力发电每年增加2663TWh， 全球风力发电占总发电量的

图1-4 不同情景下全球风机装机容量 论文

1.2.2中国风力发电的发展现状
由以上的图表可见，中国在国家相关政策的大力支持下，风电行业得到了迅猛的发展。截止到2008年10月1日，中国境内的风电机组整机生产商已经达到76家，另外，还有一些整机的项目处于调研阶段。中国风电机组整机单机容量、产品型号、生产能力、产品布局、产品开发能力等都有了一个新的飞跃。预计到2008年底，中国风电机组整机市场将出现2.5MW、2.7MW和3.0MW等机型，中国风电企业将可以生产600KW～3000KW全系列风电整机。

中国风电机组新增装机容量将达到745.0万千瓦，累计装机容量将达到到目前为止，
1335.6万千瓦，新增装机容量增长率预计将达到111.71%。至此，中国将在25个省份、直辖市、自治区具有风电装机，其中在云南、江西和重庆三个省市实现风电装机零的突破[5]。

图1-52001-2008年中国风电装机容量及其同比增长趋势图

图1-6 2001-2008年中国风电新增装机容量及其同比增长趋势图

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1.3毕业论文的工作及结构
通过上述的介绍与分析，本文的主要研究内容为利用PLC对解缆驱动器进行解缆控制系统的设计。

全文的研究内容包括以下几个方面：
第一章：主要介绍了世界风力发电的发展历史、现状和趋势及论文研究的目的及意义。第二章：介绍风力发电机原理及解缆原理。

第三章：简单介绍了风机解缆硬件及硬件的选型，包括限位开关、位置传感器、电动机等。对解缆控制方法进行研究。

第四章：总体的系统设计，包括PLC的使用方法及程序编写、硬件线路连接、控制系统的调试及最后达到的效果。

第五章：对论文研究内容进行了总结。

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2风力发电机原理及解缆原理

2.1风力机的种类

目前，风力机的结构有很多种，可以从不同角度分为很多种。

（1）根据主轴与地面之间的相对位置，可以分为垂直轴和水平轴风电机。（2）根据叶片的工作原理，可分为阻力型和升力型风电机。

（3）由叶片的数量分类，一般风力发电机叶片数量取1~4片，其中3片式风力发电机居多。

（4）按照风力机的用途，可分为风力发电机、风力提水机、风力碾磨机等[6]。本文研究的是三叶片水平轴发电机。

2.2风力发电机的基本原理

风力机是利用风轮接收风能，并将风能转化为机械能使得轮轴转动，再由风轮带动

发电机轴承转动，通过电网传输出去。

风轮主要由螺旋桨式的叶片组成。当气流流经翼型叶片时，叶片上面气流速度增高，

分解成与气流方向平行的力FX（称为阻力）左方吹来，叶片产生的升力FY和阻力FX。阻力是风对风轮的正面压力，由风力机的塔架和与气流方向垂直的力FY（称为升力）。风从压力下降，叶片下面几乎保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的作用力。此力可 承受；升力是推动风轮旋转的动力。

图2-1气体流经叶片的受力示意图
现代风力发电机的叶片都制成螺旋桨式的，其原因如下所述。风以V的速度吹向风轮旋转平面，风轮以ω角速度旋转，风相对翼型的风速为

v r		w r		v	(2-1)
假如相对风速Vr 与翼型的弦的夹角а是最佳攻角值，此时的升力系数为CYmax(约为12~14˚)，这是我们所希望的。然而，由于叶片各截面的旋转半径r 不同，因此，各截 面的相对风速Vr 也不同，甚至在某些截面上升力系数为负值。所以，要把叶片制成沿

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叶片长度方向呈扭曲的螺旋状，让整个叶片由根部到尖部各截面翼型的弦与对应处的相

对风速Vr大致相同，并应使其在最佳攻角值附近。使风力尽可能多的转换成叶片的升

力。此升力由叶柄传给风轮轴，再由风轮轴将机械能输送出去[7]。

2.3风力发电机结构

风力发电机的样式虽然很多,但其原理和结构总的说来还是大同小异的。在目前主

要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和

变转速发电机[8]。一般风力发电机主要由以下几部分组成:风轮、传动机构(增速箱)、

发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等[9]。

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（1）叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。 （2）轮毂：轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片根部与主轴的连接件。 （5）主轴。 （6）齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50 倍。

（7）刹车盘：紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。（8）发电机的连接。

（9）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

（10）散热器：降低风机内部工作温度，确保运行稳定。

（11）冷却风扇：用于冷却发电机的风扇。

（12）风测量系统：用于测量风速及风向。

（13）控制系统：控制系统可以自动停止风电机的转动，防止任何故障（如齿轮箱

或发电机的过热），通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。 （14）液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。 （15）偏航驱动：控制偏航，借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置
由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。

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（16）偏航轴承：解缆驱动器下面有一个小齿轮与一个大的齿轮啮合，这个大齿轮称作偏航轴承。

（17）机舱盖：将机舱与外界隔离，减少天气因素对风力发电机正常工作的影响。

（18）塔架：风力机的塔架除了要支撑风力机的重量,还要承受吹向风力机和塔架 风电机塔的风压,以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系,。

载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。塔架可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。

（19）桨叶连接。

2.4风力发电机解缆控制系统的介绍及工作原理
解缆控制系统一般分为液压控制和电机控制两种。

（1）液压控制在大功率风电机的控制驱动系统中的应用非常广泛，它的优点在于结构紧凑，调速范围广，分离式单元设计利于空间配置等特点。但是由于它分离式单元设计的独特性，也存在着功能设计不够完善，控制精度不高的缺点。另外由于风力发电机所处的工作环境，使其受到风雨沙尘的侵蚀和风机自身振动会对液压系统的元件失效

或产生误动作[10]。 制对于调速方面没有过高的要求，所以这一方面的不足可以忽略不计。 （2）电机控制的优势在于结构简单，维护方便。缺点是调速性不高。由于解缆控 缆缠绕达到设定值时，解缆控制系统根据纽缆传感器发出的信号控制解缆驱动器回转相

同转数进行电缆解绕，确保电缆的安全送电和信号电缆的正常工作。若控制系统由于故障或其他原因没有自动进行解缆，当电缆缠绕达到允许的极限时，触发纽缆开关的安全链保护，风力发电机紧急强制停机，等待人工处理[11]。

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3风机解缆系统硬件结构设计

3.1解缆系统硬件结构

限位开关

PLC

解缆驱动器

风速仪

接近开关

机舱

偏航齿轮

减速器

图3-1解缆系统硬件结构框图

PLC：为解缆系统的核心元件，根据风速仪，接近开关，限位开关的信号，控制风 风速仪：检测风速。 力发电机进行解缆运行。 解缆时检测记录回转相同齿数。

限位开关：检测风力发电机绕缆到达3圈或4圈。

3.2解缆系统硬件的选型

解缆系统由PLC，解缆驱动器（三相异步电机），限位开关，位置传感器、风速仪

组成。

3.2.1电动机选型

由于电机是用于解缆控制，需要电机有以下几种特性：

（1）制动迅速。

（2）结构简单。

（3）可靠性高。

（4）准确性好。 （5）通用性强。

根据以上几点要求，选用YEJ系列制动电动机。它是全封闭自扇冷式鼠笼型具有附

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加圆盘型直流制动器的三相异步电动机，具有以上所需的优点。此外制动器具有人工释放机构，被广泛应用于各种要求快速停止和准确定位的机械设备和传动装置中。YEJ系列制动电动机的直流圆盘制动器安装在电机非轴伸端的端盖上。当制动电动机接入电源，制动器也同时工作。由于电磁吸力作用，电磁铁吸引衔铁并压缩弹簧，制动盘于衔铁端盖脱开，电动机开始运转。当切断电源时，制动器电磁铁失去磁吸力，弹簧推动衔铁压紧制动盘，在摩擦力矩作用下，电动机立即停止。

防护等级YEJ系列电动机额定电压为380V、额定频率为50Hz、绝缘等级为B级。

电机部分为IP44、制动器部分为IP23。电磁制动器的电源由电动机接线盒内的整流电源供给，制动电压为D.C99V。

表3-1YEJ-80M2-4(380V 50HZ) 电动机参数

3.2.2限位开关选型
1.限位开关的介绍
限位开关开关又称行程开关（用于风力机解缆）也可称作纽缆传感器，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产工作中，将限位开关安装在预先设定的位置，当装于生产机械运动部件上的模块触发限位开关的触点后，进行电路的切换。因此，限位开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护[12]。限位开关在风电系统中的作用为控制解缆系统的启停，确定解缆方向，并将信号传给PLC。

2.用于风电相关的限位开关在选择时应该注意以下几点：

（1）根据安装位置和尺寸空间选择合适的外形、重量。（2）根据动作的需要，选择合适的凸轮个数。 （3）根据电路信号需求，选择触头对数及常开或常闭。

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（4）根据工作环境的需要，选择允许的工作温度，保证其稳定工作。

因此，从以上几方面考虑，选用B-COMMAND公司FCN型限位开关。

表3-2FCN 型限位开关参数

额定电压（V）	250
最大工作电压（V）	250
工作温度（°C）	-20～+60
绝缘等级	二级
防护等级	IP 65
轴直径（mm）	12
重量（g）	≈300
转速比	1:15；1:25；1:35；1:50；1:75
凸轮及驱动角（°）	20；45；90；180

限位开关结构图如图3-2所示。

图3-2限位开关结构图

（1）外壳。

（2）凸轮：A型（白色）；B型（灰色）；C型（红色）；D型（白色）。

（3）动作触点。

（4）齿轮。

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（5）阳端接口。
（6）柔性轴。
（7）法兰盘。

3.2.3位置传感器选型
1.位置传感器介绍
近年来随着工业自动化的发展，位置传感器被广泛应用于控制系统中，例如PLC输入接点的逻辑信号变量，使控制系统各部分协调动作并井然有序的工作。位置传感器可称位移传感器又可以被称为线性传感器，它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器等。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件接通电源后在开关的感应面将产生一个交变磁场当金属物体接近此感应面时，金属中会产生涡流，而吸收了震荡器的能量，使震荡器输出幅度线性衰退.然后根据衰减置的变化来完成接触监测物体的目的。

2.位置传感器的选择
位置传感器品种繁多，门类广泛，型号众多，为使用者提供很好的应用场所。当我

们选用时，首先必须了解它的性能，参数，原理，以及各种使用条件，工况条件，环境 缘防护等级高，工作温度范围大，稳定性强，精度较高、体积小、响应速度快等特点 气候条件，温湿度要求进而选择符合要求的产品。风机中使用的位置传感器，需符合绝 示。

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续表3-3

短路保护	有
Ie 压降	≤1.8V
断路/反接保护	有
输出	3 线制，常开，PNP
开关频率	≤0.5kHz
显示开关状态	黄色LED 灯

Ni8-M18-AP6X型位置传感器的输出是三线制接线方式，输出级为PNP型的OC门（OpenCollector Door，集电极开路输出门）。工作原理是当被测物体未靠近传感器时，OUT端为低电平；当被测物体靠近传感器时，OUT端为高电平，LED灯点亮。

3.2.4 风速仪的选型 5 至40m/s、高速型 热线或热膜探头等[14]。

考虑到风速仪的工作环境，尤其是运用于风力发电机上的风速仪，需要具备以下几

点要求。

（1）坚固耐用。

（2）精确度高：避免振动或天气因素导致测量误差大。
（3）体积小，易于安装。

（4）数据易于采集及运用。

（5）绝缘、超压保护：避免雷电、雨水损坏元件。
（6）有可调加热装置优化工作温度范围。

参数如表3-4根据以上要求，本次选用KRIWAN公司13N219S34型转轮式风速仪。

所示。

表3-413N219S34型风速仪参数

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续表3-4

图3-4 风速仪连接图 风速仪输出特征为风速与输出电流成线性关系，风速传感器输出的是4~20mA电流， 当风速超过50 米/秒时，风速仪输出量最大不会超过20.5mA，输出特性如图3-5 所示。

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图3-5风速仪的输出特征

3.2.4PLC 选型
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。

1.PLC品种简介：

目前各国生产的PLC 品种繁多，发展迅速。在中国的市场上最具竞争力的有德国 推出的PLC 均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。 西门子公司、德国力士乐IndraControl 系列、日本三菱公司、欧姆龙公司、AB 公司所 PLC 控制系统的技术经济指标有着重要意义。 求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

在选用PLC上，考虑到是对风电机的解缆控制，输入、输出端口一般需要6~8个，能够方便功能的扩展，而且可能需要能够通过网络或其他方式做远程控制。因此，从稳定性，使用性，经济性等方面因素的考虑。我们决定选用力士乐IndraControlL20，它适用于较低性能要求的集中式或分布式应用。考虑到对整个IndraControlL控制平台的兼容性，此PLC采用力士乐InlineI/O产品系列，可方便灵活的实现输入输出进行扩展。与其他IndraLogicL系统一样，固化软件和应用数据可记录到可交换的CF存储卡中。使用IndraWorks软件，能够实现所有力士乐系统解决方案的无缝设计[15]。

表3-5IndraControl L20技术参数

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续表3-5

任务数	8
扫描周期（1000 命令IL，位和字命令）	典型，150us（1000 条指令表指令）
I/O	256 I/O（集中式的），通过DP 接口进行分布（最大126 单元，每单元8KB I/O）
编程软件	IndraWorks
编程接口	RS232，以太网
包含的库文件	PLCopen，通讯，标准IEC 61131-3
通讯接口	RS232，PROFIBUS-DP，以太网

3.3电气原理图

3.3.1I/O对照表：

表3-6I/O分布清单

表中“%IX”表示单一位位地址，“%IW”表示字节地址。

3.3.2元器件清单

表3-7元器件明细表

元件	型号	数量
PLC	Indralogic L20	1
电源	明盛S-250-24	1
断路器	CHNT DZ47-60	3
接触器	CHNT CJX1-9Z	2

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续表3-7

位置传感器	Ni8-M18-AP6X	2
三相异步电机	YEJ-80M2-4	1
数字量输入扩展模块	R-IB IL DI 32/HD	1
数字量输出扩展模块	R-IB IL DO 32/HD	1
模拟量输入扩展模块	R-IB IL AI 2/SF	1
风速传感器	13N219S34	1
限位开关	FCN	1

3.3.3解缆系统电气原理图

电气原理图见附录2。

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4解缆系统设计

4.1解缆系统的控制方法设计
风力发电机的解缆方法，包括如下步骤：

(1)当机舱向同一方向累计偏转2圈后，若此时风速小于25m/s，解缆系统使机舱反方向旋转2圈进行解绕。

(2)若此时风速大于25m/s，则暂不自动解绕；但若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，解缆系统进行解绕。

(3)若因故障自动解绕未成功，在纽缆达到4圈时，此时为纽缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。

4.2解缆系统程序流程图

否

风机正常发电

00

否

否

是

是

是

03

确定解缆方向

04

启动解缆程序

05

回转同转速

06

停止解缆

图4-1 解缆系统程序流程图解缆系统程序流程步骤说明： （1）步骤00 为风力发电机正常发电状态。

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（2）步骤01为位置传感器检测到风力发电机纽缆达到2圈。

（3）步骤02为风速仪检测风速是否小于25米/秒。若满足此条件，则程序进入步骤03，若不满足条件，则程序进入步骤07。

（4）步骤03为通过位置传感器或限位开关信号判断确定解缆方向。

（5）步骤04为启动解缆程序。

（6）步骤05为解缆驱动器回转绕缆同转速。

（7）步骤06为解缆动作停住，程序回到步骤00。

（8）步骤07为限位开关检测到风力发电机纽缆达到3圈。若满足条件，程序进入步骤03，若不满足条件，则程序回到步骤00。

4.3解缆系统硬件参数设计

4.3.1解缆驱动器转速计算

由于采用三相异步电动机作为解缆驱动器，根据参数表3-1所得，它的额定转速是1390r/min。如果作为解缆速度，会对风力发电机造成非常大的冲击，显然这个速度太快。

所以需要控制降低电动机的转速，因为解缆控制对于电动机的调速性没有特别的要求， 对风力机造成损害。 所以只需在电动机的输出端安装减速器，从而降低转速，这样即能进行解缆动作又不会 n 2 n g （4-1）的减速器，根据传动比公式：
式中，	n	m	为电动机转速；
n		g	为通过减速器后的输出转速。

根据公式代入计算得：

n			n m		1390		10 . 775 r	/	min	（4-2）
	g		i		129

得到电动机通过减速器减速之后的转速为10.775r/min。

由于风力机的轮系特点，解缆电机齿轮是绕偏航齿轮固定圆周转动，所以解缆系统

轮系为周转轮系。

根据周转轮系传动比计算公式：

	n 	z	2
式中，n1 为解缆转速；	n 2	z 1		（4-3）
z2 为减速器输出部分的齿数；

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z1为偏航轴承的齿数。

取减速器输出部分与偏航轴承的齿数比为16:126，代入式（4-3）得解缆转速为：

n



n



z

2



1390



16



1 . 368 r

/

min

1

2

z 1

129

126

（4-5）

可见解缆时间在1~2分钟内，符合先前预定的范围。

4.3.2解缆角度计算

当风力发电机电缆缠绕达到设定值时，解缆控制系统根据限位开关发出的信号控制

解缆驱动器回转相同转数进行电缆解绕。这次设计的解缆方式，是利用位置传感器检测

风力发电机绕缆达到两圈时进行解绕。偏航齿轮有126个齿，则位置传感器的精度计算

可得：

360		2 . 857	（4-6）
126

解缆系统对于位置传感器精度看似要求不高，精度2.857°对于解缆系统来说还算

可以，解缆一圈产生的误差值几乎可以忽略不计，但是当风力机在长期的运行中经过多次解缆动作之后，误差值不断相加，它们和的绝对值对于风力机来说是个就是一个不容忽视的误差值。以此造成的误差可能导致风机运行不正常，增加人为维修的可能性。所 以增加一定的精度对于解缆系统来说也同样重要。

图4-2位置传感器的安装示意图

图中D 是两个接近开关中心位置的距离。

如图所示，当位置传感器A对准偏航齿轮一个齿的齿顶，位置传感器B对准同一个

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齿的齿底，此时位置传感器A输出为高电平，位置传感器B输出为低电平，将一个齿分为四种状态，则偏航齿轮的状态数计算可得：

位置传感器精度为：	126		4		504个	（4-7）
						（4-8）
	360
				0 . 714
	504