風(fēng)力發(fā)電液壓變槳姓名：狄萬學(xué)摘要：液壓獨立變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,對機組的安全、穩(wěn)定、高效運行具有十分重要的作用。風(fēng)力機液壓獨立變槳距系統(tǒng)的原理及特點，采用了帶實時故障排除的液壓冗余型電液伺服變槳距執(zhí)行機構(gòu);計算分析了槳葉的驅(qū)動力矩及液壓缸的負載力。關(guān)鍵字：液壓獨立變槳；高效；電液伺服變槳現(xiàn)代化的機械設(shè)備的控制技術(shù)手段是多種多樣的，電器方法、機械方法、液壓方法、電氣液壓方法以及氣動方法等等，均可以用來實現(xiàn)自動控制。其中，機一電一液一體化設(shè)計已成為當代機械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨向，沿用已久的分工脫節(jié)，各管一段的設(shè)計方法，不僅耗時，而且難以獲得一體化系統(tǒng)的最佳設(shè)計結(jié)果。本設(shè)計引入了機、電、液一體化系統(tǒng)的設(shè)計理念，尋求有效的設(shè)計理論和方法來實現(xiàn)槳葉的快速變距。變槳距調(diào)節(jié)有全槳葉變距與僅葉尖局部變距兩種。變距系統(tǒng)控制葉片的轉(zhuǎn)動，從而使風(fēng)力機具有最佳的剎車性能。變槳距系統(tǒng)還能夠起到主動調(diào)節(jié)（保持額定功率）和優(yōu)化（在小于額定風(fēng)速時優(yōu)化功率）的作用;在高風(fēng)速段保持額定功率。無論安裝地點的空氣密度多少，槳距控制系統(tǒng)都能使葉片角度調(diào)到最佳值，從而達到額定功率。這意味著孌槳距風(fēng)電機組對溫度和海拔高度的變化而引起的空氣密度的變化并不敏感。機械裝置設(shè)計的重點是同步盤、連桿和偏心盤。其中同步盤上的推桿與液壓缸上的出桿的連接很關(guān)鍵。液壓缸的驅(qū)動控制由液壓系統(tǒng)控制，在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用了電磁換向閥、蓄能器、單向閥和液控單向閥。電磁換向閥、單向閥和液控單向閥和電動機的控制均由電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)。整個裝置組成簡單，結(jié)構(gòu)精巧，控制方便，性能可靠，有很好的應(yīng)用前景。由以上分析可見，孌槳距風(fēng)力發(fā)電機組有很多優(yōu)越性，而孌槳距風(fēng)力發(fā)電機組核心便是孌槳距系統(tǒng)，因此使得對孌槳距系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。1液壓變槳距控制系統(tǒng)設(shè)計在目前國內(nèi)運行的大型風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距裝置仍有一部分采用液壓系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。所以對液壓變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計還是很有必要的。1.1液壓變槳距控制系統(tǒng)大型風(fēng)力發(fā)電機組隨著葉片長度和體積的增大，葉片的質(zhì)量也越來越大，葉片進行變槳時所用到的力矩也變大，而液壓控制系統(tǒng)具有傳動力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠保證更加快速、準確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定節(jié)距。在目前國內(nèi)運行的大型風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距裝置仍有一部分采用液壓系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)。如圖1所示為變槳距風(fēng)力發(fā)電機的簡圖。調(diào)速裝置通過增大槳距角的方式減小由于風(fēng)速增大使葉輪轉(zhuǎn)速加快的趨勢。當風(fēng)速增大時，變槳距液壓缸動作，推動葉片向槳距角增大的方向轉(zhuǎn)動使葉片吸收的風(fēng)能減少，維持風(fēng)輪運轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。當風(fēng)速減小時，實行相反操作，實現(xiàn)風(fēng)輪吸收的功率能基本保持恒定。目前國內(nèi)生產(chǎn)和運行的大型風(fēng)力發(fā)電機的變裝置大多采用液壓系統(tǒng)傳遞動力?風(fēng)圖1變槳距風(fēng)力發(fā)電機簡圖?風(fēng)圖1變槳距風(fēng)力發(fā)電機簡圖圖2所示為變槳距控制器的原理框圖。在發(fā)動機并入電網(wǎng)之前由速度控制器根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速反饋信號進行變槳距控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速及風(fēng)速信號來確定槳葉處于待機或順槳位置；發(fā)動機并入電網(wǎng)之后，功率控制器起作用，功率調(diào)節(jié)器通常采用PI（或PID控制，功率誤差信號經(jīng)過PI運算后得到槳距角位置。當風(fēng)力機在停機狀態(tài)時，槳距角處于90。的位置，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩當風(fēng)力機由停機狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)時，槳距角由90°以一定速度（約1°/s）減小到待機角度（本系統(tǒng)中為15°）；若風(fēng)速達到并網(wǎng)風(fēng)速，槳距角繼續(xù)減小到3°（槳距角在3°左右時具有最佳風(fēng)能吸收系數(shù)）；發(fā)電機并上電網(wǎng)后，當風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，使槳距角保持在3°不變；當風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，根據(jù)功率反饋信

號，控制器向比例閥輸出-10V—+10V電壓，控制比例閥輸出流量的方向和大小。變槳距液壓缸按比例閥輸出的流量和方向來操縱葉片的槳距角，使輸出功率維持在額定功率附近。若出現(xiàn)故障或有停機命令時，控制器將輸出迅速順槳命令，使得風(fēng)力機能快速停機，順槳速度可達20°/s。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速給定「11由速度控

制器一*功率給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速給定「11由速度控

制器一*功率給定功率控

制器變漿距變槳機控制器「槳距，增速相*發(fā)電機-全球投入商業(yè)運行的兆瓦級以上風(fēng)力發(fā)電機均采用了變槳距技術(shù)，變槳距控制與變頻技術(shù)相配合，提高了風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率和電能質(zhì)量，使風(fēng)力發(fā)電機在各種工況下都能夠獲得最佳的性能，減少風(fēng)力對風(fēng)機的沖擊，它與變頻控制一起構(gòu)成了兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的核心技術(shù)。液壓變槳系統(tǒng)具有單位體積小、重量輕、動態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)矩大、無需變速機構(gòu)且技術(shù)成熟等優(yōu)點。1.2變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)變槳距風(fēng)力發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。1.2.1起動狀態(tài)變槳距風(fēng)輪的槳葉在靜止時，節(jié)距角為90°，氣流對槳葉不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，當風(fēng)速達到起動風(fēng)速時，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風(fēng)輪起動。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號控制。轉(zhuǎn)速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整槳葉節(jié)距角，進行速度控制。1.2.2欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指發(fā)電機并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。為了改善低風(fēng)速時的風(fēng)輪氣動特性，即根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。1.2.3額定功率狀態(tài)當風(fēng)速達到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。在傳統(tǒng)的變槳距控制方式中，將轉(zhuǎn)速控制切換為功率控制，變距系統(tǒng)開始根據(jù)發(fā)電機的功率信號進行控制。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制，對快速變化的風(fēng)速，通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計的變槳風(fēng)力發(fā)電機組在進行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風(fēng)速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，當風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，允許發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動能的形式儲存起來；轉(zhuǎn)速降低時，再將動能釋放出來，使功率曲線達到理想的狀態(tài)1.3液壓控制變槳液壓變槳系統(tǒng)的連續(xù)變槳過程是由液壓比例閥控制液壓油的流量大小來進行位置和速度控制的。當風(fēng)機停機或緊急情況時，為了迅速停止風(fēng)機，槳葉將快速轉(zhuǎn)動到90°，讓風(fēng)向與槳葉平行，使槳葉失去迎風(fēng)機變槳調(diào)節(jié)。風(fēng)機的變槳作業(yè)大致可分為兩種工況，即正常運行時的連續(xù)變槳和停止（緊急停止）狀態(tài)下的全順槳。風(fēng)機開始啟動時槳葉由90°向0°方向轉(zhuǎn)動以及并網(wǎng)發(fā)電時槳葉在0°風(fēng)面；二是利用槳葉橫向拍打空氣來進行制動，以達到迅速停機的目

的，這個過程叫做全順槳。液壓系統(tǒng)的全順槳是由電磁閥全導(dǎo)通液壓油回路進行快速順槳控制的。液壓變槳系統(tǒng)由電動液壓泵作為工作動力，液壓油作為傳遞介質(zhì)，電磁閥作為控制單元，通過將油缸活塞桿的徑向運動變?yōu)闃~的圓周運動來實現(xiàn)槳葉的變槳距。變槳距伺服控制系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。變槳距控制系統(tǒng)由信號給定、比較器、位置（槳距）控制器、速率控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機構(gòu)和反饋回路組成。給腿「"呵..?.'A電光炒:位#變槳網(wǎng).枷七給腿「"呵..?.'A電光炒:位#變槳網(wǎng).枷七在液壓變距型風(fēng)機中根據(jù)驅(qū)動形式的差異可分為葉片單獨變距和統(tǒng)一變距兩種類型，前者3個液壓缸布置在輪轂內(nèi)，以曲柄滑塊的運動形式分別給3個葉片提供變距驅(qū)動力，因為變距過程彼此獨立，一組變距出現(xiàn)故障后，機組仍然可以通過調(diào)整其余兩組變距機構(gòu)完成空氣動力制動。因此這種設(shè)計可靠性較高，但是由于三組液壓缸位于輪轂內(nèi)部與液壓泵之間有相對轉(zhuǎn)動，為此需要加裝旋轉(zhuǎn)接頭，此外該系統(tǒng)需要精確的同步變距控制以避免個葉片槳距角的差異。統(tǒng)一變距類型通過1個液壓缸驅(qū)動3個葉片同步變槳距，液壓缸放置在機艙里，活塞桿穿過主軸與輪轂內(nèi)部的同步盤連接。變距機構(gòu)工作原理過程如下：控制系統(tǒng)根據(jù)當前風(fēng)速，通過預(yù)先編制的算法給出電信號，該信號經(jīng)液壓系統(tǒng)進行功率放大，液壓油驅(qū)動液壓缸活塞運動，從而推動推桿、同步盤運動，同步盤通過短轉(zhuǎn)軸、連桿、長轉(zhuǎn)軸推動偏心盤轉(zhuǎn)動，偏心盤帶動葉片進行變距。2液壓系統(tǒng)設(shè)計液壓系統(tǒng)作為孌槳距系統(tǒng)的重要部分，設(shè)計時必須滿足系統(tǒng)工作循環(huán)所需的全部技術(shù)要求，且靜動態(tài)性能好，結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠、壽命長，經(jīng)濟性好，使用維護方便。為此，液壓系統(tǒng)要與總體設(shè)計（包括機械、電氣設(shè)計）綜合考慮，做到機、電、液的相互配合，保證整個裝置的性能最高。2.1液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計一、回路方式的選擇本設(shè)計中選用了開式回路，即執(zhí)行元件的排油回油箱，油液經(jīng)過沉淀、冷卻后再進入液壓泵的進口。二、執(zhí)行元件的選擇選用活塞液壓缸實現(xiàn)直線運動，因為要求液壓缸兩個方向工作，正向關(guān)槳，反向開槳，應(yīng)選用雙作用液壓缸。三、調(diào)速方式的選擇采用三位四通電磁比例閥實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)與換向，這樣能保證系統(tǒng)的實時控制。在本設(shè)計中選用了M型比例閥。四、調(diào)壓方式的選擇在先導(dǎo)型溢流閥的遙控口上遠接一個二位二通電磁換向閥。當電磁換向閥通電時，系統(tǒng)卸荷。溢流閥調(diào)定泵的出口壓力。整個系統(tǒng)需要穩(wěn)定的恒壓源，所以此溢流閥為保壓閥。五、換向回路的選擇本設(shè)計的液壓設(shè)備要求的自動化程度較高，因此應(yīng)該選用電動換向，即應(yīng)選擇電磁換向，所以選用了三位四通的電磁換向閥。當閥芯處于中位時截斷對液壓缸供油，使槳葉不動；閥芯處于左位時，液壓缸活塞縮回，槳葉開槳；處于右位時，液壓缸活塞伸出，槳葉關(guān)槳。六、動作轉(zhuǎn)換控制方式在本液壓系統(tǒng)的動作控制中，均采用了位置傳感器及工控機來控制液壓缸的動作。當活塞的位置達到一定值后，工控機就會發(fā)出訊號，使油路中的執(zhí)行元件的動作停止。2.2截止式換向閥的選取這種換向閥可絕無泄漏地直接控制執(zhí)行元件及作為先導(dǎo)閥用于其他液壓系統(tǒng)的控制（先導(dǎo)式控制）。此種閥為彈簧加載球式截止結(jié)構(gòu)并由角度杠桿和推桿克服彈簧壓力和液體壓力進行換向。裝在進油口上的濾網(wǎng)能防止較大雜質(zhì)的侵入。經(jīng)過平磨閥板上的油口均設(shè)有O型密封圈。對于管式連接可自己制作底板或閥塊。該閥密封性能極好，絕無內(nèi)泄漏。即使高壓下工作，閥芯也不會卡死，而且動作十分可靠。由于杠桿與操縱力之間具有極佳的比率，故該閥換向平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象。為了避免不利的影響，絕大多數(shù)的換向閥均可組裝插裝式單向閥與背壓閥或在進油口組裝插裝式節(jié)流閥。在管接式單只閥的地板可集成旁通單向閥及橋式回路形式的單向閥。3液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計和擬定液壓原理圖2.3.1選取液壓泵a.確定液壓泵的最大工作壓力PpP>P+^APPa式中P1取液壓缸或液壓馬達最大工作壓力XapAP從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。AP的準確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進行，初算時可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)Xap選?。汗苈泛唵?、流速不大的，取AP=（0.2?0.5）MPa;管路復(fù)雜，進口有調(diào)速閥的，（.5?1.5）MPa本設(shè)計的系統(tǒng)壓力為15MPa,故液壓泵的出口壓力％為16眄。b.確定液壓泵的流量Q多液壓缸或液壓馬達同時工作時，液壓泵的輸出流量應(yīng)為：pQp>K(ZQ)m3/s式中K----系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1?1.3ZQmax-—同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大總流量，對于在工作過程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取0.5X10-403/8系統(tǒng)使用蓄能器作輔助動力源時Q￡性QpzTi=1t式中K----系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.2二液壓設(shè)備工作周期sVi——每一個液壓缸或液壓馬達在工作周期中的總耗油量m3z——液壓缸或液壓馬達的個數(shù)兀D2Q=-^-V=3.5168X10-4m3/s=21.1L/min所以，Qp=23.21L/minPV2R系列葉片的額定壓力為16MPa，該系列泵的結(jié)構(gòu)類似于七系列泵，PV2氣該泵采用減薄葉片厚度(最小厚度僅1.6mm)的措施，減小葉片在中、高壓下對吸油區(qū)定子的壓緊力以降低磨損；同時提高定子強度，使該系統(tǒng)適應(yīng)中高壓力的要求；定子曲線為高次曲線，降低了泵的噪聲。2.3.2選取電動機一、電動機選用的一般原則在選擇電動機的類型時要根據(jù)工作機的要求來選取。負荷平穩(wěn)且無特殊要求的長期工作制機械，應(yīng)首先采用鼠籠型異步電動機。電動機的結(jié)構(gòu)有開啟式、防護式、封閉式和防爆式，應(yīng)根據(jù)防護要求及環(huán)境條件進行選擇。選用電動機的類型，除滿足工作機械的要求外，還需滿足電網(wǎng)的要求。如啟動時能維持電網(wǎng)電壓水準，保持功率因數(shù)在合理的范圍內(nèi)等。電動機功能應(yīng)有適當?shù)膫溆萌萘?。通常對在變載荷作用下，長期穩(wěn)定連續(xù)運行的機械，所選用的電動機額定功率應(yīng)稍大于工作機的功率。二、選取電機：p=p-Qp=16X10eX(23.21X10-3/60)=6.2X103kw本設(shè)計選用了Y132M-4電動機功率7.5KW，轉(zhuǎn)速1440〈抽，同步轉(zhuǎn)速1500/^，電流15.4A，該電動機的特性：Y系列電動機是封閉風(fēng)扇自冷式鼠籠式三相異步電動機。我國統(tǒng)一設(shè)計的取代JO2系列的更新?lián)Q代產(chǎn)品。Y系列電動機效率高、節(jié)能、啟動轉(zhuǎn)矩高、噪聲低、振動小、運行安全可靠。安裝尺寸和功率等級完全符合國際標準(IEC)Y系列電動機為一般用途的電動機，適用于驅(qū)動無特殊性能要求的各種機械設(shè)備，如金屬切削機床、鼓風(fēng)機、水泵等。2.3.3液壓缸的設(shè)計設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機變槳液壓缸主要技術(shù)參數(shù)：壓力機額定輸出壓力：F=6噸(60000N)液壓缸安裝方式：豎式布置、鉸鏈固定。液壓缸行程：S=600mm液壓缸額定壓力：P=16MPa液壓缸背壓：1MPa環(huán)境溫度：-30—70°C液壓缸的類型和多部分結(jié)構(gòu)的選擇結(jié)構(gòu)初型：采用軸線固定類中的頭部內(nèi)法蘭式局部結(jié)構(gòu)初選1）缸筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用法蘭連接；2）缸筒的材料：采用45號無縫鋼管，根據(jù)《GB-T3087-2007優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼冷拉剛才技術(shù)條件》中查的45號鋼退火后抗拉強度為3）缸底：采用45號鋼，與缸筒采用法蘭連接；4）缸蓋：采用45號鋼，與缸筒采用法蘭連接；5）缸體與外部的鏈接結(jié)構(gòu)為剛性固定：采用鉸鏈連接；6）活塞：活塞采用鑄鐵7）活塞桿：活塞缸采用45號鋼，設(shè)計為實心8）排氣裝置：在缸筒尾端采用組合排氣塞9）密封件的選用：活塞和活塞桿的密封件采用O形密封圈加擋圈。（3_確定基本參數(shù)液壓缸負載主要包括：壓制力、摩擦力、慣性阻力、慣性密封阻力和背壓阻力等。1）壓制力：根據(jù)油缸和活塞桿的連接形式知：F=60KN2）摩擦阻力、重力：由于液壓缸的摩擦阻力和重力相對壓制力很小，固可忽略不計。3）慣性阻力：由于液壓缸工作運動時速度小，不屬于快速往復(fù)運動型，固慣性阻力可忽略不計。4）密封阻力和背壓阻力：將密封阻力考慮在液壓缸的機械效率中去，去液壓缸的機械效率為：0.92；背壓阻力是為1MPa缸筒內(nèi)徑D和活塞桿直徑d（在此設(shè)計的液壓缸以無桿腔為工作腔）：由于單柱壓力機以力為主，對工作速度無太嚴格要求，則活塞桿直徑工作壓力的關(guān)系為：則活塞桿直徑為D=0.7d=70mm根據(jù)國家標準GB/T2348-93，取標準直徑D=125mm，d=70mm。液壓缸軸向各尺寸對于一般油缸，最小導(dǎo)向長度滿足下試條件：在缸筒內(nèi)徑D>80mm時，導(dǎo)向滑面的長度A則取活塞桿直徑的0.61.0倍，活塞寬度B取缸筒內(nèi)徑D的0.61.0倍?，F(xiàn)在試取A=0.6d=48mm，B=0.6D=75mm.在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套K,長度為C,有以下公式確定：經(jīng)查GB/T2879-2005得，活塞桿動密封溝槽軸向尺寸為M=12.5mm,徑向深度為7.5mm(4)缸筒壁厚和外經(jīng)計算以薄壁試計算缸筒壁厚：缸筒采用45號鋼，經(jīng)查國標GB-T3078-94，45號鋼退貨后抗拉強度為540MPa全安全系數(shù)n=5,則液壓缸的額定壓力則py=1.5pn=15MPa則根據(jù)公式得缸壁厚度，得缸筒外徑為118mm，根據(jù)國標JB1068-67缸筒外徑圓整為120mm，則,D/d=125/10.5=11.910,那么以薄壁計算符合要求。缸底采用平底缸底，則缸底止口內(nèi)徑缸底采用45號鋼，退火后抗拉強度為540MPa，安全系數(shù)n=5；(5).活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性計算活塞桿強度計算活塞桿上的作用力為F=60000N活塞桿采用45號鋼，退火后抗拉強度為，許用應(yīng)力為活塞桿的直徑按下式進行校核液壓缸穩(wěn)定性計算活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的力尸不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負載氣，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。氣的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。經(jīng)計算：活塞桿安裝長度L=1025_活塞桿橫截面最小回轉(zhuǎn)半徑r=J：J=d=20.k\A4經(jīng)查表得：柔性系數(shù)中廣14，末端系數(shù)中2=85f=4.9X108Pa,a=1/5000得l/r=16.45<42.5=%匝頂F=—afAi_=2.4x1063機械設(shè)計與計算2rk3.1原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求最大輸出力為6噸。行程小于600毫米。3?系統(tǒng)響應(yīng)速度為0.01秒。系統(tǒng)壓力為16兆帕?；钊倪\動速度為0.1米每秒。3.2擬定設(shè)計方案機械機構(gòu)主要包括推桿，連桿。活塞桿通過一個套與推桿相連，因為推桿與活塞桿之間存在相對轉(zhuǎn)動，在傳遞軸向力的同時推桿還要沿軸線轉(zhuǎn)動，所以在軸套中采用兩組軸承一深溝球軸承和推力球軸承。推桿與同步盤采用鍵連接，用螺栓固定。因風(fēng)電機有三個槳葉，故同步盤有三個角，成120度排列。每個角都是相同的，所以只設(shè)計一個角就可以。同步盤與連桿用一銷軸連接，其與同步盤之間用螺紋固定連接，與連桿之間用一關(guān)節(jié)軸承連接，可以有一定的振動。連桿由兩個螺紋軸和一個螺紋套組成，可以實現(xiàn)一定的尺寸補償。偏心盤與槳葉用螺栓固定。安裝時槳葉與推桿之間有相位要求，故安裝精度要求較高。3.3確定系統(tǒng)的機械參數(shù)本機構(gòu)主要是傳動軸向力，所以只要校核推桿就可以了。液壓缸輸出的最大力為6噸，推桿最小的面積為S==71=1256mm2=1.256x10-3m23.4變槳控制液壓原理圖如圖5所示。從中可以看出，通過改變液壓比例閥的電壓可以

改變進槳或退槳速度，在風(fēng)力機出現(xiàn)故障或緊急停機時，可控制電磁閥V2閉合、V1和V3打開，使儲壓罐1中的液壓油迅速進入變槳缸，推動槳葉達到順槳位置（90°）。圖5液壓變槳距系統(tǒng)原理圖5液壓變槳距系統(tǒng)原理X13.4.1變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)在發(fā)電機并入電網(wǎng)時前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。如圖2-8所示，當風(fēng)力發(fā)電機組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當風(fēng)力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。圖7變槳控制轉(zhuǎn)速控制器A在風(fēng)力發(fā)電機組進入待機狀態(tài)或從待機狀態(tài)重新起動時投入工作，在這工作過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升。控制器也用于在同步速（50Hz時1500轉(zhuǎn)/min）時的控制。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速±10rmin內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機將切入電網(wǎng)。控制器包含著常規(guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因為當功率不變時，轉(zhuǎn)矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。當風(fēng)力發(fā)電機組從待機狀態(tài)進入運行狀態(tài)時，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45°，風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進入同步轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)速從0增加到1500rmin時，節(jié)距角給定值從45°線性的減小到5°。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動而且在風(fēng)速快速地增大時能夠快速起動。（4）速度控制器B發(fā)電機切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。速度控制器B受發(fā)電機轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在達到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)差率是4%。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。0kl功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風(fēng)速信號輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。2.4.3功率控制為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動，新型的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組采用了RCC（RotorCurrentControl）技術(shù)，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的控制來迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率，從而改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，吸收由于瞬變風(fēng)速引起的功率波動。功率控制系統(tǒng)它由兩個控制環(huán)節(jié)組成。外環(huán)通過測量轉(zhuǎn)速產(chǎn)生功率參考曲線。內(nèi)環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（RCC）對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，使發(fā)電機功率跟蹤功率給定值。如果功率低于額定功率值，這一控制環(huán)將通過改變轉(zhuǎn)差率，進而改變槳葉節(jié)距角，使風(fēng)輪獲得最大功率。（2）轉(zhuǎn)子電流控制器原理轉(zhuǎn)子電流控制器由快速數(shù)字式PI控制器和一個等效變阻器構(gòu)成。它根據(jù)給定的電流值，通過改變轉(zhuǎn)子電路和電阻來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。在額定功率時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率能夠從1%到10%（1515到1650rfmin）變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子平均電阻從0到100%變化。當功率變化即轉(zhuǎn)子電流變化時，PI調(diào)節(jié)器迅速調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，使轉(zhuǎn)子電流跟蹤給定值，如果從主控制器傳出的電流給定值是恒定的，它將保持轉(zhuǎn)子電流恒定，從而使功率輸出保持不變。本系統(tǒng)中采用西門子公司的S7-200系列PLC為控制器。發(fā)電機的功率信號由高速功率變送器以模擬量的形式（0?10V對應(yīng)功率0?800KW）輸入到PLC，槳距角反饋信號（0?10V對應(yīng)槳距角0?90°）以模擬量的形輸入到PLC的模擬輸入單元;液壓傳感器1、2也要以模擬量的形式輸入。輸出信號為-10V?+10V，將信號輸出到比例閥來控制進槳或退槳速度；用計數(shù)器測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是通過檢測與發(fā)電機相連的光電碼盤，每轉(zhuǎn)輸出10個脈沖，輸入給計數(shù)器。(2)系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)的主要功能都是由PLC來實現(xiàn)的，當滿足風(fēng)力機起動條件時，PLC發(fā)出指令使葉片槳距角從90。勻速減小；當發(fā)電機并網(wǎng)后PLC根據(jù)反饋的功率進行功率節(jié)，在額定風(fēng)速之下保持較高的風(fēng)能吸收系數(shù)，在額定風(fēng)速之上，通過調(diào)整槳距角使輸出功率保持在額定功率上。在有故障停機或急停信號時，PLC控制電磁閥V1和V3打開，V2關(guān)閉，使得葉片迅速變到槳距角為90°的位置。風(fēng)力機起動時變槳控制程序流程如圖4.5所示。當風(fēng)速高于起動風(fēng)速時PLC通過模擬輸出單元向比例閥輸出1.8V電壓，使葉片以0.9°/s的速度變化到15°。此時，若發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于800r/min或者轉(zhuǎn)速持續(xù)一分鐘大于700r/min，則槳葉繼續(xù)進槳到3°位置°PLC檢測到高速計數(shù)單元的轉(zhuǎn)速信號大1000r/min時發(fā)出并網(wǎng)指令。若槳距角在到達3°后2分鐘未并網(wǎng)則由模擬輸出單元給比例閥輸出-4.1V電壓，使槳距角退到15°位置。發(fā)電機并上電網(wǎng)后通過調(diào)節(jié)槳距角來調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，功率調(diào)節(jié)程序流程圖如下圖所示，當實際功率大于額定功率時，PLC的模擬輸出單元輸出與功率偏差成比例的電壓信號，使輸出電壓限制在-4.1V（對應(yīng)變槳速度4.6°/s）以內(nèi)。當功率偏差小于零時需要進槳來增大功率，進槳時給比例閥輸出的最大電壓為1.8V（對應(yīng)變槳速度0.9°/s）。為了防止頻繁的往復(fù)變槳，在功率偏差在±10kW時不進行變槳。在變槳距控制過程中，高風(fēng)速段的變槳距調(diào)節(jié)功率是非常重要的部分，若退槳速度過慢則會出現(xiàn)過功率或過電流現(xiàn)象，甚至?xí)龤Оl(fā)電機；若槳距調(diào)節(jié)速度過快，不但會出現(xiàn)過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，使輸出功率波動較大，而且會縮短變槳缸和變槳軸承的使用壽命。會影響發(fā)電機的輸出功率，使發(fā)電量降低。在本系統(tǒng)中在過功率退槳和欠功率進槳時采用不同的變槳速度。退槳速度較進槳速度大，這樣可以防止大的陣風(fēng)時出現(xiàn)發(fā)電機功率過高現(xiàn)象。其程序流程圖如圖4.6所示。-10<AP<10AP>0?Ap<o?結(jié)束有停機或故障信號（開始）由PLC輸出模塊輸出一個數(shù)字重信號，使緊急順槳-10<AP<10AP>0?Ap<o?結(jié)束有停機或故障信號（開始）由PLC輸出模塊輸出一個數(shù)字重信號，使緊急順槳