基于plc變槳系統的研究畢業論文(1)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 8 風作用在風輪上的力由 Euler 理論寫出： )( 21 vvAvF ?? ? () 式中 ? — 空氣密度 ,(kg/m3)故風能吸收的功率為： )( 212 vvAvFvP ??? ? () 上游至下游動能的變化為： )(21 2221 vvAvE ??? ? () 由于功率是由動能轉換而來的 ,所以 ,式 ()與式 ()相等 ,得 2 21vvv ?? () 則作用在風輪上的力和提供的功率分別為： )(21 2121 vvAvF ?? ? () ))((41 212221 vvvvAvP ??? ? () 給定上游風速 ? 1,對 ? 2 取微分： )32(41 2221212 vvvvAvdvdP ??? ? () 最大功率 02 ?dvdP即，求得兩解 1) ? =? ，沒用物理意義； 2） 312 vv ? 以第二解代入式 ()，得最大功率； 31m ax 278 AvP ?? () 將公式 ()除以氣流通過掃掠面 A 時風所具有的動能，可推出風力機的理論最大效率： 21)278(21 313131m a xm a x ???AvAvAvP???? () 上式即為著名的貝茲 (Betz)理論的極限值。它表明，風力機從自然風中所能獲取的能量是有限的。這就引出了風能利用系數 Cp 的概念。風能利用系數 Cp 表示的 321 AvpCp ?? () 是風力機從自然風能中吸收能量的大小程度，式中 p — 風力機實際獲取的軸向功率。 對于變槳距風力機 ,風能利用系數 Cp 與尖速比λ和槳葉的節距角 ? 成非湖南電氣職業技術學院畢業設計 9 線性關系。尖速比λ即為槳葉尖部的線速度與風速之比： vvRn ???? ?? 2 () 式中 n — 風輪的轉速 ,(r/s)； ? — 風輪轉動角速度 ,(rad/s)； ? 風輪直徑 ,(m) 據有關資料的記載和研究，風能利用系數 Cp 可近似用以下公式表示： ?????? )3(0 0 1 8 ] )3(s i n [)0 1 6 ( ??? ???Cp () 圖 22 變槳距風力機特性曲線 由公式 ()得變槳距風力機特性曲線 )( TSRCp? 如圖 22 所示的平面圖。從圖中可歸納以下兩點： 1)對于某一固定槳葉節距角?,存在唯一的風能利用系數最大值 maxCp 。 2）對 于任意的尖速比 ? ,槳葉節距角 ? =0 下的風能利用系數 Cp相對最大。隨著槳葉節距角 ? 增大 ,風能利用系數 Cp,明 顯減小。以上兩點為變速恒頻變槳距控制提供了理論基礎 :在風速低于額定風速時 ,槳葉節距角 ? =0,通過變速恒頻裝置 ,隨風速變化改變發電機轉子轉速使風能利用系數恒定在 maxCp ，捕獲最大風能，并輸出電能頻率不變：在風速高于額定風速時，調節槳葉節距角從而改變發電機輸出功率 ,使輸出功率穩定在額定功率附近。 湖南電氣職業技術學院畢業設計 10 風速特性分析 上文對于風速的空氣動力學的分析是基于風速在空間均勻分布 ， 不隨時域變化的前提條件下的。然而，自然界的風在時間和空間上都是變化的，因此，風輪平面內風速分布是不均勻的。影響風速的因素有很多，其中作用最為顯著的是高度，尤其隨著風機的大型化，風輪直徑的增加，高度對于風輪平面內風速的影響就越來越明顯，而其它隨機干擾反而可能會因為葉片長度的增加相互抵消而減弱。風速在豎直方向上的變化主要是由風切變和塔影效應導致的。 電機結構類型及特點 發電機是風力發電中重要的組成部分，風力發電系統的能量轉換分為 兩個過程 :將風能轉化為機械能和將機械能專換為電能。前者由風力機實現，后者由發電機實現。風力機是吸收風能并將其轉換成機械能的部件，風以一定的速度和偏向角作用在葉片上，使葉片產生旋轉力矩而轉動，進而將風能轉變成機械能。所轉化來的機械能帶動發電機轉動，進一步轉化為電能。 目前國內的總體情況，可以將風力發電機 大致分為兩類 。 雙饋式風力發電機 雙饋是指發電機的定子繞組和轉子繞組都與電網有電氣連接，都可以與之進行功率交換，風力發電機組的定子繞組和電網直接連接，輸出電壓頻率可以通過轉子繞組中的交流勵磁電流的頻率調 節加以控制 雙饋 （圖 ）： 主要有孤島并網和空載并網兩種方式，關鍵是調節轉子勵磁讓定子發出的電壓和電網電壓符合并網條件 2. 雙饋電機成本低，技術成熟；電力電子變流裝置所需要的容量小；可以在小容量情況下采用全風冷； 3.發電所需要的風速范圍要求太高，一般在同步速的＋ 20％－－ 20％以內，發電量受限制，容易脫網，發電的經濟性和穩定性很差；有三級行星齒輪箱， 5 年需要更換一次，維護成本很高 ， 技術上及其困難，電網的適應性差，功率因數受限制，一般只能到 湖南電氣職業技術學院畢業設計 11 圖 雙饋式發電機 直驅式風力發電機 直驅是指風力機與發電機之間沒有變速機構（即齒輪箱），而是由風力機直接驅動發電機的轉子旋轉。與其他型式的風電機相比，減輕了成本，減輕機艙的重量，同時裝軸連接的可靠性也提高了。為了解決風速變化帶來的輸出電壓頻率變動的問題，需要在發電機定子繞組和電網之間配置換流器（變頻器），先將風力發電機輸出的交流電 壓整流，得到直流電壓，再將該直流電壓逆變未頻率、幅值、相位都滿足要求的交流電，送入電網 直驅（圖 ）： 直驅電機和電力電子裝置成本高； 熟； ，導致電機的級對數極多，一般都超過 100 對，使電機的體積很大； 冷卻困難； 壓符合并網條件就行了 圖 直驅式發電機 結語： 雙饋技術已經在過去的十多年中成為不可爭辯的主流技術，而直驅和永磁直驅技術目前來看尚無法動搖帶齒輪箱技術的主流地位。可以肯定的是，風電機組技術的成熟性、質量的穩定 性和可靠性、及時而低成本的維修和維護將湖南電氣職業技術學院畢業設計 12 是市場選擇的最重要標準，特別是在海上風電的機組選擇中，目前看來，帶齒輪箱的風電機組仍是海上風電的絕對主流 。 湖南電氣職業技術學院畢業設計 13 第 3 章 PLC 控制理論研究 PLC 的基本概念 隨著微處理器、計算機和數字通信技術的飛速發展，計算機控制已經廣泛幾乎所有的工業領域，現代社會要求制造業對市場需求作出迅速的響應，生產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品，為了滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器正是順應這一要求出現的，它是以微處理器為基 礎的通用工業控制裝置。 PLC 的組成部分 可編程控制器簡稱為 PLC，它的應用廣泛、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要支柱之一，在工業生產的所有領域得到了廣泛的使用。 它具有以下特點 :編程簡單易學、功能強、性價比高、硬件配套齊全、可靠性高、抗干擾能力強、系統的設計、安裝工作量少、維修方便、體積小、功耗低。 本設計使用的是西門子 S7300，它是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。它有以下幾部分組成： 1) 中央處理單元（ CPU） CPU 用于存儲和處理用戶程序，控制集中式 I/O 和分布 式 I/O。 2) 電源模塊（ PS） 用于將 AC 220V 的電源轉化為 DC 24V 電源，供 CPU 模塊和 I/O 模塊適用。 3) 信號模塊（ SM） 是數字量輸入 /輸出模塊和模擬量輸入 /輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓電流于 PLC 內部的信號電平匹配。數字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關和限位開關等來的開關量輸入信號。數字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設備。模擬量輸入模塊是接收傳感器和變送器等提供的連續變化的模擬量電流，電壓等信號。模擬量輸出模塊用來控制電動調節閥、湖南電氣職業技術學院畢業設計 14 變頻器等執行器。 4) 功能模塊（ FM） 是 智能的信號處理模塊，不占用 CPU 的資源，對來自現場的信號進行控制和處理，并將信息傳送給 CPU。 5) 通信處理器（ CP） 用于 PLC 之間、 PLC 和計算機或其它智能設備之間的通信。 6) 接口模塊 (IM) 用于多機架配置時連接主機架和擴展機架。 S7300的系統結構 采用的是緊湊的、無槽位限制的模塊結構，電源模塊、 CPU、信號模塊、功能模塊、接口模塊和通信處理器都安裝在導軌上。導軌是一種專用的金屬機架，只需將模塊鉤在 DIN 標準的安裝導軌上，然后用螺栓鎖緊就可以了。 電源模塊安裝在最左邊， CPU 模塊緊接著電源模 塊，如果有接口模塊，它放在 CPU 模塊的右側。 S7300 用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。每個機架最多只能裝 8 個信號模塊、功能模塊或通信處理器模塊，組態時系統自動分配模塊的地址。如果這些模塊超過 8 個，可以增加擴展模塊。除了中央機架最多可以增加擴展 3個擴展機架，因此最多可以安裝 32個模塊。其中0 號機架的 DC 5V 電源由 CPU 模塊產生，其額定電流與 CPU 的型號有關。擴展機架的背板總線電源由接口模塊 IM361 產生。