1241-風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)余浩
1241-風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)余浩,風(fēng)力,發(fā)電,偏航,減速器,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì),余浩
3第一章 緒論1. 1 課題的研究背景1. 1. 1 當(dāng)代能源危機(jī)問題能源是人類文明發(fā)展的“血液” ，同時(shí)也是一個(gè)國家發(fā)展的重要前提。自從 200 年以前工業(yè)革命開始到現(xiàn)在，全球的能源消耗就急速增長，能源已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大障礙。其中當(dāng)代所面臨的能源情況為：1) 能源資源從資源上來說，資源總量小，約為世界的 10%；人均水平低，為世界人均水平的40%；能源結(jié)構(gòu)單一，主要來自化石燃料—煤、石油和然氣；圖 1-1 示出了我國和世界一次商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。圖 1-1 我國和世界一次商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)截止到 2006 年底，探明總資源量為 8230 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明剩余可采總儲(chǔ)量 1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；剩余可采儲(chǔ)量的保證程度為煤炭 80 年、石油 15 年、天然氣 30 年汾別為世界平均水平的 1/2、1/3 和 1/2；資源中以煤為主，缺乏石油、天然氣資源。如圖 1-2所示。2) 人均能耗人均能源消耗是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)繁榮程度的晴雨表。我國目前的人均年消耗為1292 公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，為美國的 10%，日本的 22% ， OECD 國家的 19%，世界平均水平的 61%；要達(dá)到世界平均水平需要 30 億噸，達(dá)到 OECD 國家平均水平需要 85 億噸。1. 1. 2 環(huán)境問題近年來，環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，多人們帶來了很大的影響。其中化石燃料的消耗給人類所造成的環(huán)境污染和安全問題已經(jīng)成為社會(huì)的主要矛盾?；剂系娜紵嗣禾慨a(chǎn)生的揚(yáng)塵之外，還會(huì)釋放 C02， S02， NOx，和 CO 等。這些氣體(酸雨和酸沉降)的排放，會(huì)導(dǎo)致全球氣候變暖(溫室效應(yīng))及煤煙型大氣污染。主要依靠煤炭的發(fā)展中國家，4如中國、印度等的空氣污染已相當(dāng)嚴(yán)重，按目前污染排放推算，再過 100 年，人類將無法在地球生存。1. 1. 3 新能源的開發(fā)與應(yīng)用面對能源的短缺和環(huán)境污染所產(chǎn)生的一系列問題，我們必須大力開發(fā)利用可再生能源資源。其中風(fēng)能是世界上最具大規(guī)模應(yīng)用潛力的可再生能源。我國蘊(yùn)含著巨大的風(fēng)能資源，特別是東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙古和河西走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區(qū)，每年風(fēng)速在 3m/s 以上的時(shí)間近 4000 小時(shí)左右，一些地區(qū)年平均風(fēng)速可達(dá) 6~7m/s 以上，具有很高的開發(fā)利用價(jià)值。如圖 1-2 所示為中國的風(fēng)力資源分布情況，東南沿海屬于中強(qiáng)壓地帶，石油、煤炭資源匿乏，而且高速的經(jīng)濟(jì)增長對電力的需求又很大，所以風(fēng)能開發(fā)具有廣闊的前景。北方從通過甘肅到內(nèi)蒙古，是中國風(fēng)力資源最豐富的地區(qū)，而且這一地區(qū)的風(fēng)速穩(wěn)定，很少有紊流和咫風(fēng)現(xiàn)象，人口稀少，地域平坦，適合發(fā)展大型風(fēng)力發(fā)電廠，這一地區(qū)的風(fēng)能儲(chǔ)存量可以達(dá)到 500萬千瓦，年發(fā)電可以達(dá)到 1.8 億千瓦，是目前中國電力消費(fèi)量的 60%左右。圖 1-2 中國的風(fēng)力資源分布利用風(fēng)能，不僅可以擴(kuò)大能量來源、節(jié)約礦物資源，而且還有助于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)5孤立用電者的需要，具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)利益。風(fēng)力發(fā)電作為一種新型的可再生的能源形式，是近期內(nèi)技術(shù)成熟、環(huán)境友好，具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g(shù)，在遠(yuǎn)期風(fēng)能將成為世界上重要的補(bǔ)充能源。風(fēng)力發(fā)電是世界范圍內(nèi)增長最快的一種能源形式，在世界各地正得到越來越廣泛的應(yīng)用。1. 2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1. 2. 1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀在一些發(fā)達(dá)國家 ，風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)已經(jīng)到了一定的成熟階段。歐、 美己有多個(gè)風(fēng)電公共平臺(tái)， 例如歐洲風(fēng)能研究院( NWTC、EAWE) 、 德國風(fēng)能研究所 (DEW I)等。在德國，風(fēng)能是居水力發(fā)電之后最重要的再生能源來源，風(fēng)力發(fā)電在德國電力生產(chǎn)中所占的比例已達(dá)到 2.5%。目前，德國共擁有 9400 座風(fēng)力發(fā)電機(jī)，總?cè)萘拷?6100兆瓦，占?xì)W洲大陸風(fēng)能發(fā)電總?cè)萘康?50%，全球風(fēng)能發(fā)電總量的三分之一。在未來 10年里，德國風(fēng)力發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比例將達(dá)到 3.5%。聯(lián)邦風(fēng)能協(xié)會(huì)的估計(jì)更為樂觀，認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比例甚至可以提高到 30% 。不過，這一切都取決開發(fā)風(fēng)能發(fā)電的新領(lǐng)域—近海風(fēng)力發(fā)電的努力是否成功。美國是世界上最早重視風(fēng)力發(fā)電的國家之一，1994 年時(shí)裝機(jī)容量(163 萬 kW)就占當(dāng)年全球風(fēng)電裝機(jī)容量的 53%。雖然電力工業(yè)改組引起的混亂使美國 1991-1996 年的風(fēng)電業(yè)沒有太多增長，但隨著電力工業(yè)改組的完成，到 2000 年時(shí)，每年至少可交付 30萬 kW 的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品，形成 40 億美元的風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電平均價(jià)格將低于 4min/kW。到 2050 年時(shí)，全美風(fēng)力發(fā)電將占全國電力用量的 10% 印度從 20 世紀(jì) 90 年代以后大力引進(jìn)國外技術(shù)，并采取有力的政策措施促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。1995 年是其風(fēng)電裝機(jī)容量增長最快的一年，增量達(dá) 37.5 萬 kW，裝機(jī)總量達(dá) 56.5 萬 kW, 19%年又上升到 81.6 萬 kW，超過丹麥，成為世界第三個(gè)風(fēng)力發(fā)電最多的國家。荷蘭、英國等國的風(fēng)電事業(yè)，也在迅速發(fā)展。1. 2. 2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電是一種比較清潔的發(fā)電體系，我國風(fēng)能資源豐富，可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約 10 億 kW，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約 2.53 億 kW（陸地上離地 10m 高度資料計(jì)算） ，海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約 7.5 億 kW，共計(jì) 10 億 kw，風(fēng)是沒有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。但是，風(fēng)力發(fā)電要求的技術(shù)含量較高，成本高，對風(fēng)裝置用不長久。其中風(fēng)力發(fā)電對風(fēng)裝置試驗(yàn)臺(tái)的研制還處在初期階段。風(fēng)力發(fā)電作為未來可取代傳統(tǒng)能源的“ 綠色能源 ” 之一，其發(fā)展的速度在諸如太陽能、生物質(zhì)能和潮汐能等可再生能源中是最具有市場化規(guī)模及前景的。在一些國家，風(fēng)能發(fā)電已能提供全國電能需求的 10% ～20% ，有的甚至達(dá)到 50%以上。雖然中國的風(fēng)電事業(yè)起步比較晚，但在國家政策大力支持下，過去 10 年內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)6容量年均增長速度達(dá)到了 55%以上，前景看好。在 2005 年全國風(fēng)電建設(shè)前期會(huì)議上，國家發(fā)展與改革委員會(huì)能源局提出：到 2010 年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 400 萬 kW，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)將進(jìn)一步降低；到 2020 年 ，裝機(jī)容量將 2000 萬 kW，風(fēng)能利用將遍及全國城鄉(xiāng)。由于風(fēng)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建設(shè)風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)就顯得極為重要。1.3 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)研制的目的及意義風(fēng)能，作為一種綠色能源，日益受到專家學(xué)者的重視。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的熱點(diǎn)。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢之一是單機(jī)容量不斷增大，利用效率提高，大功率(兆瓦級)、并網(wǎng)型機(jī)組己成為發(fā)展方向。提高偏航減速器的使用性能和使用壽命，是降低技術(shù)成本，提高風(fēng)場發(fā)電能力，高效利用風(fēng)能的重要手段。因此，風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)成為當(dāng)今主流產(chǎn)品。搭建風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)平臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上確定了偏航減速器的各種性能參數(shù)，達(dá)到更好利用對風(fēng)裝置。1.4 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的研究情況試驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的試驗(yàn)臺(tái)研究，用電動(dòng)機(jī)控制偏航減速器的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行和加載運(yùn)行，人們提出了不同的風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的方案。目前主要采用異步電機(jī)來驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行時(shí)按照改變電動(dòng)機(jī)的頻率來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)的偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)和加載運(yùn)行，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速輸出相應(yīng)的機(jī)械功率，輸出轉(zhuǎn)矩要能夠隨風(fēng)速的變化而變化。因此偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)需要對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｄ壳疤岢龅拇蟛糠衷囼?yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方法是基于異步電機(jī)的頻率控制方法，該方法根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩特性控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，具有良好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，但是異步電機(jī)的固有缺點(diǎn)限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，近年來國外基本上都采用改變異步電動(dòng)機(jī)的頻率來設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)，并初步完成了相關(guān)具體設(shè)計(jì)，圖 1-3 為風(fēng)力發(fā)電偏航減速器組。7圖 1-3 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器組1.5 本論文研究的內(nèi)容風(fēng)能的利用前景非常廣闊，怎樣更好地利用發(fā)電設(shè)備是一個(gè)很有意義的研究課題。本文的選題就是在這樣的背景下，由湘潭市江麓機(jī)電科技有限公司和湘潭大學(xué)一起來設(shè)計(jì)完成的，結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)檢測與控制技術(shù)的特點(diǎn)，以檢測實(shí)用性、操作方便性、使用可靠性為原則，完成整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。考慮試驗(yàn)環(huán)境清潔要求及測試能力的可擴(kuò)展性，本方案采用電機(jī)加載方式。本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)結(jié)構(gòu)簡要說明如下：第一章闡述了本文的研究背景，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀、風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)的研究狀況及本文的研究意義與研究內(nèi)容。第二章提出了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的要求和功能。第三章做了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)詳細(xì)的設(shè)計(jì)。首先講述了偏航減速器工作的原理，并考慮到怎樣合理來設(shè)計(jì)偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)。第四章講述了變頻器的工作原理，做了運(yùn)行控制部分的設(shè)計(jì)；具體講述了如何運(yùn)用 PLC 來控制整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行，并給出了詳細(xì)的電路及解釋。第五章論述了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)測試部分的設(shè)計(jì)。第六章總結(jié)全文，給出結(jié)論，并提出了下一步研究的內(nèi)容。8第二章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)工作的要求2.1 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本設(shè)計(jì)依據(jù)1） 測試對象：2MW 風(fēng)電機(jī)組偏航減速器。2）主要測試數(shù)據(jù); 輸入、輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)動(dòng)效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動(dòng)、被試件輸出小齒輪轉(zhuǎn)速。3） 測試數(shù)據(jù)精度要求：溫度±1°C,轉(zhuǎn)速±1%,轉(zhuǎn)矩±1%。4） 結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，功能可擴(kuò)展。5) 偏航減速器輸入功率 3KW、輸入轉(zhuǎn)速 940rpm、傳動(dòng)比 1330±1%、輸出轉(zhuǎn)速0.7-0.9rpm、輸出齒輪扭矩 24KW.M、工作壽命為滿載荷 1 年。2.2 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本功能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過分析偏航減速器的工作狀況，我們擬定在該試驗(yàn)臺(tái)上，完成偏航減速器空損、加載、超載以及疲勞壽命和峰值載荷五類性能檢測。擬設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)基本功能：1） 設(shè)置偏航減速器測試模塊，它的模塊分為兩個(gè)單元，進(jìn)行“空損+峰值載荷”試驗(yàn)和“加載+超載+疲勞壽命”試驗(yàn)。2） 采用電機(jī)加載方式，并實(shí)現(xiàn)能量回饋控制。3） 做空損檢測時(shí)，通過控制臺(tái)面板開關(guān)操作，可完成轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩檢測以及空損效率計(jì)算。做性能測試時(shí)，通過控制臺(tái)面板開關(guān)、旋鈕等操作，對偏航減速器的正反方向加載系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以完成對兩類減速器的變負(fù)荷加載、超載、疲勞壽命等項(xiàng)目的檢測。4） 利用數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集，并通過工控機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理（如損失功率估算、傳動(dòng)效率估算等計(jì)算），保存、實(shí)時(shí)顯示和打印等功能；同時(shí)可以監(jiān)測整個(gè)測試過程，并進(jìn)行故障報(bào)警指示及相應(yīng)保護(hù)；5） 采用工控機(jī)對試驗(yàn)臺(tái)顯示系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)時(shí)直觀地顯示測試轉(zhuǎn)速、測試轉(zhuǎn)矩、測試溫度等性能參數(shù)；6） 本方案符合關(guān)鍵元器件都選擇符合國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級產(chǎn)品，以保證檢測結(jié)果符合國家各工廠標(biāo)準(zhǔn)。2.3 本章小結(jié)本章首先講述了本文的總體控制要求，然后提出了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)控制要實(shí)現(xiàn)的基本功能，為下面研究做了很好的鋪墊。9第三章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)方案及其具體設(shè)計(jì)3.1 試驗(yàn)臺(tái)整體方案試驗(yàn)臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括偏航減速器測試模塊、電機(jī)控制模塊、測試模塊等，測試控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)地遠(yuǎn)程集中控制和數(shù)據(jù)檢測，電機(jī)控制柜為變頻器和邏輯控制元器件提供安裝平臺(tái)。偏航減速器工作狀態(tài)為垂直安裝，在本系統(tǒng)中，偏航減速器仍采用垂直安裝方式，并通過法蘭與機(jī)架相連接。工作臺(tái)置于平整的地面上（不需要地腳螺釘）。考慮到該減速器為大傳動(dòng)比、大扭矩輸出，陪試件采用與被試件相同的偏航減速器，兩個(gè)減速器采用惰輪過渡組成傳動(dòng)系統(tǒng)。為保證電機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器之間的連續(xù)可靠性。鑒于中間惰輪的拆裝難度大、而空損試驗(yàn)臺(tái)使用頻率高，空損試驗(yàn)另外設(shè)置一個(gè)工位，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)和及測控系統(tǒng)依舊與加載試驗(yàn)共用一個(gè)，以達(dá)到資源共享、提高可靠性、降低成本的目的。3.2 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)工作的原理偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)包括：減速器運(yùn)行控制、減速器輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量、減速器輸入輸出功率及傳動(dòng)效率、減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動(dòng)等參數(shù)檢測，異常情況下的報(bào)警、保護(hù)處理和人為干預(yù)；計(jì)算機(jī)參與全程監(jiān)測并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、分析、顯示和打印輸出。根據(jù)信號流不同，試驗(yàn)臺(tái)可分為運(yùn)行控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)。運(yùn)行控制系統(tǒng)通過對變頻電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)減速器工況的模擬：控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)減速器輸入轉(zhuǎn)速的模擬；控制加載電機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬。測試系統(tǒng)通過傳感器、儀表。采集卡和工控機(jī)等實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的檢測。3.3 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分的具體設(shè)計(jì)3. 3. 1 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分總體設(shè)計(jì)偏航減速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括負(fù)載實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和空載實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，并排布置在梯形槽平板上。梯形槽平板的尺寸為 2200×1200，見圖 3-1。在梯形槽平板上安裝有支撐板、在下支撐板上安裝箱體，在箱體上安裝有箱體支撐板，在箱體支撐板上安裝偏航減速器，在偏航減速器上安裝傳感器安裝架。在安裝架上分別安裝轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)（負(fù)載）電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)型號參數(shù)完全相同，豎直安裝，以保證試驗(yàn)條件與工況條件一致。 在進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)時(shí)，偏航減速器安裝在空載臺(tái)架上，其上安裝有傳感器安裝架。在進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩偏航減速器安裝在負(fù)載實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，其上分別安裝傳感器安裝架，箱體中的惰輪分別與兩偏航減速器的輸出齒輪嚙合，以傳遞負(fù)載。102012025圖 3-1 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)梯形槽3. 3. 2 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)1）齒輪部分偏航減速器輸出齒輪齒輪的材料采用為 20CrMnTi，偏航減速器輸出齒輪的模數(shù) m1=20，齒數(shù) Z=12，分度圓直徑 d=240。惰輪的設(shè)計(jì)由于惰輪和偏航減速器輸出齒輪嚙合，因此，惰輪和偏航減速器輸出齒輪的模數(shù)相等，即 。本設(shè)計(jì)采用的是偏航減速器輸出齒輪和惰輪是在一條直線上120m?嚙合傳動(dòng)，所以惰輪的分度圓直徑要比偏航減速器輸出齒輪要大，同時(shí)為了防止根切，取惰輪的齒數(shù) ，則惰輪的分度圓直徑 。惰輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角3z 60dmz?，齒頂圓直徑 ，齒根圓直徑 ，齒距02???12dzh????22azhm??，齒厚為 P/2=31.4，齒寬 ，齒輪寬 。惰輪的圖形為6.8p??? 31.4e145B?圖 3-2。11AA剖剖 A-圖 3-2 惰輪2）電機(jī)的選型由 ，則 p 輸入= p 輸出=3KW，因此，選用額定功率為 4KW 的異步電機(jī)，pn?輸 入 輸 出偏航減速器的輸入轉(zhuǎn)速為 940r/min，則電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 n 電≥940r/min ，其中=30.48N.m。根據(jù)偏航減速器轉(zhuǎn)速和扭矩可知：可選用額定功率為950T=?4KW、同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min、額定轉(zhuǎn)速為 1435rpm，型號為 112M4A。3）聯(lián)軸器的選型由 =9550 4/1000=38.2N.m，電機(jī)轉(zhuǎn)矩 Tas=2.5Ta=95.5N.m，由表可950pn?知：都選用型號為 ROTEX-24 的聯(lián)軸器，選用鋼質(zhì)材料，其中成品直徑d1=28， d2=25。4）惰輪軸的設(shè)計(jì)由綜合性能可知，軸的材料選用 20CrMnTi。由于惰輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到兩個(gè)相同的切應(yīng)力，則惰輪軸不受轉(zhuǎn)矩的作用，因此采用許用力法來計(jì)算軸的最小軸徑（直徑）。 ????221340.1MTd?????????式中 ——軸的對稱循環(huán)用彎曲應(yīng)力（Mpa）?D ——計(jì)算截面處軸的直徑12M ——計(jì)算截面處軸所受彎矩T——計(jì)算截面處軸所受扭矩進(jìn)行軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù) M、 T 及 d 的大小確定危險(xiǎn)截面作為計(jì)算截面，必要時(shí)選幾個(gè)截面進(jìn)行校核。20CrMnTi 的抗拉強(qiáng)度為 1080MPa，彎曲應(yīng)力 =480Mpa。1??而偏航減速器的傳動(dòng)比為 ，則 n 出=0.8rmp,輸出齒輪的扭矩為 24KN.M。12??軸的受力簡圖軸受水平、圓周和垂直方向的力，其受力簡圖為圖 3-3，受力簡化圖為圖 3-4。FNV1NH1FNV2NH2Ftt圖 3-3 軸的受力簡圖FNV1NH1FNV2HMt圖 3-4 軸的受力簡化圖由于軸承垂直安裝，在試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過程中軸承對軸垂直方向的力幾乎為零，則相當(dāng)只受水平方向的力，水平圖為圖 3-5。132FtFNH1 FNH2163.563.5圖 3-5 水平受力圖軸的強(qiáng)度校核及軸的最小軸徑計(jì)算由 及t2Td?tanr??式中：T1——齒輪傳遞的扭矩d1——齒輪的分度圓直徑a——嚙合角則 Ft=80KN，偏航減速器的重量 G=200Kg。由此可知， 和力偶平衡 由圖 3-312NHtFF??210cNHNHMFL????可知：齒輪軸受到兩個(gè)相同方向相同的力，則水平力 ,扭矩 T=0 N.m。1?惰輪軸受到彎矩的作用，彎矩為:取 I 截面：則 ??11063.5NHNHMXX???、蚪孛妫簞t ??237.27F??由彎矩圖可知: 在惰輪中間部分所受的力最大，則惰輪軸中間部分所受力最大，此處為危險(xiǎn)截面。當(dāng) X=163.5 時(shí)最大，則 M=13080 KN.mm。則彎矩圖為圖 3-6。14+-M0138kN.m圖 3-6 彎矩圖由 可知，d≥65，則只要軸的直徑大于等于 65，軸????221340.1MTd?????????就達(dá)到所需要的強(qiáng)度。因此，取軸的最頂端的直徑 d1=110，與滾動(dòng)軸承相配合的軸直徑 d2=160，軸的結(jié)構(gòu)圖形為圖 3-7。圖 3-7 軸的結(jié)構(gòu)圖5）滾動(dòng)軸承的選擇深溝球軸承本試驗(yàn)臺(tái)中軸配合的滾動(dòng)軸承采用深溝球軸承，選用 d=160, D=290, B=48,15Cr=215/KN,軸承代號為 6232。軸承壽命計(jì)算1>求比值0Far?根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表 12-7 可知：深溝球軸承的最大 e 值為 0.44，則此時(shí) ，F(xiàn)are?所以 X=1,Y=0,。2>初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷 P根據(jù)式 ??rappXFYf??按照機(jī)械設(shè)計(jì)書表 13-6 可知：fp=1.0—1.2,取 fp=1.2則 P=96000N，C=21500N。根據(jù)式 ，其中 n=0.8rpm.，可知： =29705. 2（h） 。610hCLnP????????hL推力球軸承由于推力球軸承和 d1=110 的軸配合，則選用 d=110,D=160,T=38。6）箱體的設(shè)計(jì)根據(jù)上面做確定的各尺寸可定出箱體的各尺寸，箱體的圖像為圖 3-8。7）惰輪支架的設(shè)計(jì)為了將各零件拆裝方便，潤滑較充分，惰輪支架放在箱體里面，惰輪支架的圖形為圖 3-10。8）鍵的選擇由于鍵槽要是惰輪和軸定位，則根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知，鍵采用L=125，R=45,h=28。9）支撐板的設(shè)計(jì)箱體支撐板根據(jù)惰輪支架和箱體的定位可知，設(shè)計(jì)支撐板的長度L=1450，h=60，B=800。10）端蓋和端蓋軸套的設(shè)計(jì)端蓋的各尺寸是根據(jù)讓深溝球的內(nèi)圈定位所確定的，端蓋的總長 L=373,h=80，其具體各尺寸為圖 3-9，端蓋軸套的各尺寸是根據(jù)使深溝球軸承周向定位確定的，其內(nèi)圈的直徑 d=280。16AA420 42081914505058050+0.16 125u0.890340剖剖 A-圖 3-8 箱體3029037612圖 3-9 端蓋17505017247圖 3-10 惰輪支架11）螺栓、墊片和螺釘?shù)倪x型為了讓各零件能夠裝配起來和定位，螺栓選擇為 M12×60、M16 ×55、M20×65、M24×100；螺釘選擇為M8×50、M20×65、M24×95；墊片選擇為 M10×2、M12×2.5、M16×3。12）偏航減速試驗(yàn)臺(tái)總體圖偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)總體工程圖為圖為 3-11，爆炸圖為圖 3-12，實(shí)體圖為圖 3-13、3-14 ，181360860137012080950圖 3-11 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)總體圖圖 3-12 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)總體爆炸圖19圖 3-13 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體圖 圖 3-14 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體圖3. 3. 3 偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)空載試驗(yàn)臺(tái)中只有箱體和負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)不箱體，其它各零件尺寸和選型與偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)相同。其中偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的箱體尺寸為圖 3-15。偏航減20速器空載試驗(yàn)臺(tái)的爆炸圖為圖 3-16，實(shí)體圖為 3-17。807056040圖 3-15 箱體21圖 3-16 偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的爆炸圖圖 3-17 偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)體圖3.4 本章小結(jié)本章講述了偏航加減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案和具體設(shè)計(jì)，同時(shí)明確了怎么樣合理的22設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)，達(dá)到最好的檢測效果。23第四章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行控制系統(tǒng)通過對變頻電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)減速器運(yùn)行工況的模擬：控制加載電機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬，采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接矢量控制，以提高轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精確性；采用共直流母線的方式實(shí)現(xiàn)能量的回饋；以測試控制臺(tái)的旋鈕實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負(fù)荷的遠(yuǎn)程控制。按照測試對象不同，運(yùn)行控制系統(tǒng)為偏航減速器運(yùn)行控制系統(tǒng)。4. 1 變頻調(diào)速基本概念三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 試中： 為電動(dòng)機(jī)同????106fnss???0n步轉(zhuǎn)速，p 為極對數(shù)，s 為轉(zhuǎn)差率，f1 為供電頻率。從上試中得知，改變供電電壓的頻率可以實(shí)現(xiàn)對交流電動(dòng)機(jī)的速度控制，這就是變頻調(diào)速?，F(xiàn)在變頻器在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，這得益于變頻調(diào)速性能的提高和變頻器價(jià)格的大幅度的降低。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)：一是大功率開關(guān)器件。雖然早就知道變頻調(diào)速是交流調(diào)速中最好的方法，但受限于大功率電力電子器件的實(shí)用化問題，變頻調(diào)速直到 20 世紀(jì) 80 年代才取得了長足的發(fā)展。二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深入研究使得變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性。變頻調(diào)速的特點(diǎn)：可以使用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，可以連續(xù)調(diào)速，可以通過電子回路改變相序、改變轉(zhuǎn)速方向。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動(dòng)機(jī)可以高速化和小型化，防爆容易，保護(hù)功能齊全等。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)非常廣泛，它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)、精紡機(jī)和壓縮機(jī)，原因是節(jié)能效果。4.2 變頻調(diào)速的類型變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)必須使用變頻器，變頻器的類型有多種，其分類方法也有很多。1. 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類1) 交-直-交變頻器先把恒壓恒率的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電。由于把直流電流逆變成交流電的環(huán)節(jié)比較容易控制，所以該方法在頻率的調(diào)節(jié)范圍和改善變頻后電動(dòng)機(jī)的特性方面都具有明顯的優(yōu)勢。大多數(shù)變頻器都屬于交-直-交型。2) 交-交變頻器把恒壓恒頻的交流電直接變換成電壓和頻率均可調(diào)的交流電，通常由三相反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成。它具有過載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在著輸出頻率低、使用功率器件多。功率因素低等缺點(diǎn)。該類變頻器只在低轉(zhuǎn)速、24大容量的系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等場合使用。2. 根據(jù)直流電路的濾波方式分類1) 電壓型變頻器在逆變器前使用大電容來緩沖無功功率，直流電壓波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè)理想情況下內(nèi)阻抗為零的恒壓源。對負(fù)載電動(dòng)機(jī)來說，變頻器是一個(gè)交流電源，在不超過容量的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。2) 電流變頻器在逆變器前使用大電感來緩沖無功功率，直流電流波形比較平直；對應(yīng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)來說，變頻器室一個(gè)交流電源。其突出特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于頻繁急加減速的大容量電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。3. 根據(jù)控制方式分類1) V/F 型控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由電源頻率和極對數(shù)決定，所以改頻率，就可以對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但是頻率改變時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻抗也改變，僅改變頻率，將會(huì)產(chǎn)生有弱勵(lì)磁引起的轉(zhuǎn)矩不足或由過勵(lì)磁引起的磁飽和現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)功率因素和效率顯著下降。V/F 控制是這樣一種控制方式，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，在較廣泛的范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率因素和效率不下降。這就是控制電壓和頻率之比，所以稱做 V/F 控制。作為變頻器調(diào)速控制方式，V/F 控制方式屬于轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，比較經(jīng)濟(jì)。但開環(huán)方式下不能達(dá)到較高的控制性能。V/F 控制方式多用于通用變頻器，如風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行、生產(chǎn)流水線的傳送控制和空調(diào)等家用電器中。V/F 控制方式變頻器的特點(diǎn)：它是最簡單的一種控制方式，不用選擇電動(dòng)機(jī)，通用性優(yōu)良。與其他控制方式相比，在低速區(qū)內(nèi)電壓調(diào)整困難，故調(diào)速范圍窄，通常在1：10 左右的調(diào)速范圍內(nèi)使用。急加速、或負(fù)載過大時(shí)，抑制過電流能力有限。不能精密控制電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度，不適合用于同步運(yùn)轉(zhuǎn)場合。1) 矢量控制直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)，其調(diào)速和控制性能非常優(yōu)良。矢量控制按照直流電動(dòng)機(jī)電驅(qū)電流控制思想，在交流異步電動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)控制方法，并且達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制性能。矢量控制是這樣的一種控制方式，即將供給異步電動(dòng)機(jī)的定子電流在理論上分成兩部分：產(chǎn)生磁場的電流分量和與磁場相垂直、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。該磁場電流、轉(zhuǎn)矩電流與直流電動(dòng)機(jī)的磁場電流、電驅(qū)電流相當(dāng)。對異步電動(dòng)機(jī)來講，其定子電流25在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，利用電磁感應(yīng)作用，可在電氣上分解為磁場電流和垂直的轉(zhuǎn)矩電流。矢量控制就是根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用坐標(biāo)變換的方法，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并加以控制。兩者合成后，決定定子電流大小，然后供給異步電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制變頻器的特點(diǎn)是：需要使用電動(dòng)機(jī)參數(shù)，一般用做專用用做專用變頻器。調(diào)速范圍在 1：100 以上。速度相應(yīng)性極高，適合于急加速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)和連續(xù) 4 象限運(yùn)轉(zhuǎn)，能使用于任何場合。4 . 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類1) PAM 方式脈沖幅值調(diào)制（PAM,Pulse Amplituden Modulation）方式通過改變直流電壓的幅值來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率。采用直流斬 波器調(diào)壓時(shí)，供電電源的功率因素在不考慮諧波影響時(shí)，可以達(dá)到 COSФ≈1.2) PWM 方式脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）方式在改變輸出頻率的同時(shí)也改變了電壓脈沖的占空比。PWM 方式只需控制逆變電路即可實(shí)現(xiàn)。通過改變脈沖寬度來改變電壓幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率。5 . 根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類1) 單相變頻器 變頻器輸入端為單向交流電，輸出端為三相交流電。適應(yīng)于家用電器和小容量的場合。2) 三相變頻器變頻器輸入端和輸出端均為三相交流電。絕大多數(shù)變頻器都是三進(jìn)/三出型。 4.3 變頻器的組成變頻器的電路一般由主電路、控制電路和保護(hù)電路等部分組成。主電路用來完成電能的轉(zhuǎn)換（整流和逆變）；控制電路用以實(shí)現(xiàn)信息的采集、變換、傳送和系統(tǒng)控制；保護(hù)電路除用于防止因變頻器主電路的過壓、過電流引起的損壞外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。4.4 變頻器的主要功能隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和功率器件的發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)大?，F(xiàn)在變頻器的主要功能有：頻率給定功能，升速、降速和制動(dòng)控制，控制功能和保護(hù)功能。4. 4. 1 頻率給定功能有三種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定：261) 面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。2) 外接給定方式 通過控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定送給變頻器。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動(dòng)機(jī)的選擇方向，以及完成分段頻率的控制。3) 通信接口方式 可以通過通信接口，如 RS-485,PROFIBUS 等，來進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。4. 4. 2 升速、降速和制動(dòng)功能1) 升速和降速功能可以通過預(yù)置升/降速方式等參數(shù)來控制電動(dòng)機(jī)的升/降速，利用變頻器的升速控制可以很好地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。升/降速有線性方式、S 型方式和半 S 型方式。2) 制動(dòng)方式一般有兩種方式控制電動(dòng)機(jī)的停車。一種是變頻器由工作頻率按照用戶設(shè)定的下降曲線到 0 使電動(dòng)機(jī)停車，這種方式也稱做斜坡制動(dòng)。有些場合因?yàn)橛休^大的慣性存在，為防止“爬行”現(xiàn)象出現(xiàn)，要求進(jìn)行直流制動(dòng)，即傳統(tǒng)的能耗制動(dòng)，這是另一種制動(dòng)控制。4. 4. 3 控制功能變頻器可以由外部的控制信號或者可編程程序控制等控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，也可以完全由自身按預(yù)先設(shè)置好的程序完成控制。大部分場合變頻器需要和可編程序控制器一起組成控制系統(tǒng)，只有在比較簡單的調(diào)速控制場合才單獨(dú)使用。4. 4. 4 保護(hù)功能變頻器實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能主要有：過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、變頻器過載保護(hù)、防止失速保護(hù)、主器件自保護(hù)和外部報(bào)警輸入保護(hù)等。4.5 本試驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器及 RMIO 板接口4. 5. 1 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器本偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)采用的是 ACS800 變頻器，通過 I/O 接口來控制單元。變頻器 RMIO 板上的可選模塊為：27其中變頻器的圖形為圖 4-1，變頻器的傳動(dòng)單元控制接口和主電路為圖 4-2，電纜功率圖為圖 4-3。圖 4-1 變頻器的外圖形28圖 4-2 變頻器的傳動(dòng)單元控制接口和主電路29圖 4-3 功率電纜接線圖4. 5. 2 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器的 RMIO 板接口下圖 4-4 顯示了轉(zhuǎn)矩 宏的外部控制連接,在 RMIO 板上標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn) I/O 的端子號。30圖 4-4 RMIO 板上標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn) I/O 的端子號4.6 運(yùn)行控制系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)方式運(yùn)行控制系統(tǒng)只要依靠變頻器對電機(jī)頻率的控制而實(shí)現(xiàn)，從電路上來看，該電路有主電路和控制電路組成，主電路實(shí)現(xiàn)功率級的電機(jī)控制，控制電路實(shí)現(xiàn)信號級的控制。主電路為圖 4-5，控制電路為 4-6、4-7、4-8 ，采用的是 PLC S7-200，程序梯形圖為 4-9，具體控制如下：4. 6. 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)首先，設(shè)置變頻器 1 的參數(shù)，將端子 3 設(shè)置為速度信號模擬輸入，利用變頻器輸出的 10V 電源及測試控制臺(tái)面板上的電位器旋鈕 R1，組成簡單可靠地電路，可以方便地給該端子一個(gè) 0~10V 的電壓信號，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的無極調(diào)節(jié)。因此，可以通過改變 R1 的阻值，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4. 6. 2 加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)設(shè)置變頻器 2 的參數(shù)，將端子 3 設(shè)置為轉(zhuǎn)矩信號模擬輸入，利用變頻器輸出的10V 電源及測試控制臺(tái)面板上的電位器旋鈕 R2，組成簡單可靠地電路，可以方便地給該端子一個(gè) 0~10V 的電壓信號，實(shí)現(xiàn)加載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的無極條調(diào)節(jié)。因此，可以通過改變 R1 的阻值，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。314. 6. 3 驅(qū)動(dòng)、加載電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制設(shè)置變頻器的參數(shù)，將變頻器上設(shè)有正反轉(zhuǎn)信號輸入端子，利用變頻器自帶的24V 輸出電源及測試控制面板上的 3 位旋鈕開關(guān) S3 和 S5 控制這兩個(gè)端子的通斷，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，當(dāng) S3 按鈕接通 1 時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) S3 按鈕接通 2 時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)旋鈕開關(guān)處于中位時(shí)，變頻器不輸出任何控制電流，即使按下了運(yùn)行控制按鈕。4. 6. 4 啟動(dòng)、停止的實(shí)現(xiàn)在沒有接收到正反轉(zhuǎn)信號之前，變頻器不會(huì)對電機(jī)輸出控制電流，當(dāng)按下空氣開關(guān)時(shí)，繼電器 KF2 和 KF6 通電，點(diǎn)亮了上電指示燈 GL1。利用測試控制臺(tái)面板上的常開按鈕 S8、常閉按鈕 S7 及中間繼電器 KF1，以及故障信號 KF4 和 KF8 的常閉觸點(diǎn)，組成啟動(dòng)、停止控制電路。見圖 4 的上部分。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕 S8 時(shí)，繼電器 KF1 通電，并實(shí)現(xiàn)自鎖，兩電機(jī)的正反轉(zhuǎn)信號輸入端子才能通電，電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)點(diǎn)亮運(yùn)行指示燈 GL2；當(dāng)按下停止按鈕 S7 時(shí)，繼電器 KF1 斷電，變頻器正反轉(zhuǎn)信號輸入端子立即斷電，變頻器中斷電流輸出，電機(jī)逐漸停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)時(shí)有制動(dòng)電阻 R 的保護(hù)。4. 6. 5 空損/加載試驗(yàn)工位的選擇在運(yùn)行加載試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)/停止按鈕控制兩個(gè)電機(jī)；運(yùn)行空損試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng) /停止按鈕通過中間繼電器 KF1 只控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該功能是利用測試控制臺(tái)面板上的 2 位旋鈕 S9 及繼電器 KF5 組成的電路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) KF5 不通電的時(shí)候，變頻器 2 的正反轉(zhuǎn)信號輸入端子不能通電，加載電機(jī)不能啟動(dòng)。4. 6. 6 急停功能的實(shí)現(xiàn)變頻器自帶斬波制動(dòng)單元，試驗(yàn)過程出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，可以按下測試控制臺(tái)的急停按鈕 S2 和 S6，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和加載電機(jī)可以在瞬間實(shí)現(xiàn)制動(dòng)停轉(zhuǎn)。4. 6. 7 超出正常工況的報(bào)警在試驗(yàn)過程中，由于不當(dāng)、或者減速器本身存在故障，電機(jī)輸出特性有可能進(jìn)一步趙成機(jī)械故障，變頻器具有自檢測功能，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩超過設(shè)計(jì)值時(shí)，變頻器即可輸出報(bào)警信號。利用 2 個(gè)變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制 2 個(gè)中間繼電器 KF4 和 KF8，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的輸出。任何 1 個(gè)變頻器報(bào)警時(shí)，繼電器即可輸出控制信號停止兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的故障報(bào)警燈 GL3 和 GL4。4. 6. 8 直流母線的通斷控制為了實(shí)現(xiàn)變頻器能量的循環(huán)、有效保護(hù)變頻器和確保系統(tǒng)地可靠性，直流母線并不是在任何時(shí)候都接通，只有在滿足以下 3 個(gè)條件時(shí)才允許直流母線接通：1）選擇了“加載”試驗(yàn)工位，2）變頻器 1 已經(jīng)上電，3）變頻器 2 已經(jīng)上電。該功能由變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制兩個(gè)中間繼電器 KF3 和 KF7 ,配合中間繼電器 KF5、接觸器 QA5 實(shí)現(xiàn)。324. 6. 9 電機(jī)散熱風(fēng)扇的延時(shí)關(guān)閉為確保電機(jī)充分散熱冷卻，每個(gè)電機(jī)風(fēng)扇，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)立即工作，但電機(jī)停轉(zhuǎn)后應(yīng)該再運(yùn)行一段時(shí)間再自行停轉(zhuǎn)。該功能通過運(yùn)行自通繼電器 KF9、通電延時(shí)繼電器 T37、接觸器 QA3、QA4 組成的邏輯電路實(shí)現(xiàn)。4. 6. 10 電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制當(dāng)進(jìn)行更換試件時(shí)，惰輪與試件輸出小齒輪不一定處于良好的嚙合狀態(tài)，引起試件的安裝干涉，為了消除此干涉，要求惰輪能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)，以改善惰輪和試件輸出小齒輪的嚙合狀態(tài)。該功能通過電機(jī)的“點(diǎn)動(dòng)”控制來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方式為：在運(yùn)行控制繼電器的旁路并聯(lián)兩個(gè)常開的開關(guān)按鈕 S1、S4 ，當(dāng)按下 S1、S4 時(shí)，電機(jī)馬上被啟動(dòng)，開始旋鈕；松開按鈕 S1、S4 后，電機(jī)變頻器終止輸出電流，電機(jī)停轉(zhuǎn)。4-5 主電路33變 頻 器 1上 電 運(yùn) 行故 障 點(diǎn) 動(dòng) 按 鈕 急 停KF234S13KFS2R1VN變 頻 器 2上 電 運(yùn) 行故 障 點(diǎn) 動(dòng) 按 鈕 電 源急 停KF678S45KF1S6R2圖 4-6 、4-7 變頻器的電路圖34KF6S78KF1KF148GL21KF48S9KF37KF5GL345KFQA918KFKF9KF7QA3954變 頻 器 1上 電 指 示 燈變 頻 器 2上 電 指 示 燈控 制 開 關(guān) 的 中 間 繼 電 器變 頻 器 運(yùn) 行 指 示 燈驅(qū) 動(dòng) 故 障加 載 故 障加 載 和 空 損直 流 母 線 的 上 電控 制 風(fēng) 扇 開 關(guān) 的 中 間 繼 電 器控 制 風(fēng) 扇 的 通 電 延 時(shí) 繼 電 器風(fēng) 扇 1的 啟 動(dòng)風(fēng) 扇 2的 啟 動(dòng)L N圖 4-8 電路控制圖 35I0.M0.I0.12Q0.3Q0.4I0.6M0.Q0.M0. I0.3I0.4Q0.1M0.3M0.4 Q0.3Q0.4I0.5M0.Q0.1I0.7I0.8Q0.5Q0.6Q0.1M0.2T37 M0.2M0.M0.2 T37Q0.5Q0.Q0.6Q0.8M0.2 Q0.9M0.2Q0.5 Q1.0啟 動(dòng) 點(diǎn) 動(dòng) 按 鈕 啟 動(dòng) 中 間 繼 電 器變 頻 器 1上 電變 頻 器 1運(yùn) 行Q變 頻 器 1故 障變 頻 器 2故 障故 障 信 號 1故 障 信 號 2 變 頻 器 2上 電變 頻 器 2運(yùn) 行加 載 啟 動(dòng)控 制 變 頻 器 2關(guān) 閉 的 中 間 繼 電 器變 頻 器 2關(guān) 閉 的 通 電 延 時(shí) 繼 電 器直 流 母 線 的 通 斷風(fēng) 扇 1啟 動(dòng)風(fēng) 扇 2啟 動(dòng)30INPTO10msQ0.7Q0.2M0.I0.4 電 動(dòng) 機(jī) 1反 向 運(yùn) 行I0.8M0. 電 動(dòng) 機(jī) 2反 向 運(yùn) 行急 停 按 鈕正 轉(zhuǎn) 按 鈕反 轉(zhuǎn) 按 鈕正 轉(zhuǎn) 按 鈕反 轉(zhuǎn) 按 鈕圖 4-9 程序梯形圖其中程序梯形圖的含義為：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕 I0.0 時(shí)，中間繼電器 M0.0 通電，同時(shí)也形成自鎖，這時(shí)風(fēng)扇 1 啟動(dòng)，變頻器 1 上電指示燈點(diǎn)亮，電機(jī)開始進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。36當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕 I0.4 時(shí)，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)。當(dāng)遇到故障信號 M0.3，這故障燈點(diǎn)亮，同時(shí)，M0.0 斷電，電動(dòng)機(jī)馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)按下按鈕 I0.2 時(shí),實(shí)行電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)。當(dāng)按下 I0.5 時(shí)，同時(shí)變頻器 2 開始運(yùn)行時(shí)，這時(shí) Q0.5、Q0.6 通電，加載變頻器開始上電和運(yùn)行風(fēng)扇 2 開始啟動(dòng)，加載電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)按下按鈕 I0.8 時(shí)，加載電機(jī)開始反轉(zhuǎn)。當(dāng)變頻器 1、變頻器 2 同時(shí)上電，同時(shí)加載電機(jī)運(yùn)行時(shí)，直流母線接觸器線圈 Q0.8 通電，直流母線接通，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)。按下停止按鈕 I0.1 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，T37 開始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間到了，M0.2 斷電，兩個(gè)風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)。4. 7 本章小結(jié)本章進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行控制部分的設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的電路及梯形圖。37第五章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的測試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:減速器輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測量，減速器輸入輸出功率及傳動(dòng)效率的計(jì)算，減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動(dòng)等參數(shù)測量；除了殼體振動(dòng)這種瞬變信號不通過控制器儀表顯示外，其它的信號都通過儀表顯示；計(jì)算機(jī)參與全程監(jiān)測并完成數(shù)據(jù)記錄、分析、顯示和打印輸出。5.1 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由工控機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽信號電纜等組成，完成信號的精準(zhǔn)測量以及無失真?zhèn)鬏?，在?shù)據(jù)采集時(shí)，傳感器經(jīng)變送器輸出的信號同時(shí)送送入二次儀表和工控機(jī)；軟件系統(tǒng)采用 NI 公司的虛擬儀器 LabVIEW 開發(fā)，開發(fā)成功的軟件系統(tǒng)具有友好的人際交互界面，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、變化趨勢的圖像顯示、存取及打印等功能。為了增加系統(tǒng)地可靠性，工控機(jī)監(jiān)測程序與測試控制臺(tái)面板上的儀表顯示相對獨(dú)立，測試系統(tǒng)可以通過監(jiān)測程序上的按鈕啟動(dòng)監(jiān)控程序運(yùn)行，也可以不運(yùn)行程序。操作面板圖為 5-1圖 5-1 操作面板布局圖5.2 測試系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式5.2.1 減速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量偏航減速器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的測量是實(shí)驗(yàn)臺(tái)最重要的任務(wù)，其選型原則首先考慮量程的適配性、其次是工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)綜合考慮，轉(zhuǎn)矩傳感器選用溫嶺電器機(jī)械廠（上海良標(biāo)）生產(chǎn)的 ZJ 型轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，偏航減速器測試系統(tǒng)選擇量程為50Nm 的 ZJ50 型轉(zhuǎn)矩傳感器。38由于 ZJ 型傳感器的輸出信號為 2 路感應(yīng)正弦信號，其轉(zhuǎn)矩的換算依靠 2 路信號的相位差，轉(zhuǎn)速信號依靠 1 路信號的頻率，普通的二次儀表和變送器無法直接顯示和轉(zhuǎn)換，必須借用湖湘測控的 TC-1 型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測試儀以完成儀表顯示，并通過其自帶的RS232 接口將數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。5.2.2 油溫及殼體溫度的測量油溫測量采用 STT 鉑電阻型熱電偶作為傳感器，可以定做 M14×1.5 的插入式封裝，直接安裝在放油口測量油池溫度。殼體溫度的測量（任意 2 處）采用強(qiáng)磁吸附式熱電偶作為傳感器，類型也采用 STT 鉑電阻式熱電偶。以上幾個(gè)熱電偶都選用北京賽億凌科技有限公司的產(chǎn)品，油池、殼體溫度都通過測試控制臺(tái)上的儀表顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。5.2.3 箱體振動(dòng)檢測箱體振動(dòng)測量是檢測偏航減速器運(yùn)行性能的一個(gè)重要參數(shù)，減速器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)異?？梢苑从吃缙诠收希瑥亩嗅槍π缘夭扇z修措施，確保主減速器的產(chǎn)品質(zhì)量,提高傳動(dòng)性能，同時(shí)還可以達(dá)到降噪目的。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的被試件要經(jīng)常拆卸，而且不能對被試件機(jī)殼表面造成破壞，因此選擇合適的振動(dòng)傳感器以及合理的安裝方法尤為關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用上海冉普電子科技有限公司磁吸式 RPY6700 型振動(dòng)傳感器，量程為±1mm，頻率范圍為：5 ～ 500 Hz。鑒于該信號為瞬變信號，儀表的顯示沒有任何參考意義，因此該信號只送入工控機(jī)，由軟件顯示，并計(jì)算平均振幅值予以參考。5.2.4 箱內(nèi)壓力檢測減速器運(yùn)行時(shí)，箱內(nèi)壓力會(huì)有所變化，該壓力變化范圍不能過大，否則會(huì)造成殼體漏油。箱內(nèi)壓力的檢測采用北京昆侖海岸科技有限公司的 JYB 型壓阻式傳感器，量程為 0.1MPa，該傳感器輸出的信號不僅通過測試控制臺(tái)儀表直接顯示，而且直接工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的檢測。5.2.5 減速器小齒輪轉(zhuǎn)速檢測減速器小齒輪轉(zhuǎn)速的測量，可以直接評價(jià)減速器輸出的平順性，偏航減速器輸出小齒輪的轉(zhuǎn)速非常低，難以通過計(jì)數(shù)式的轉(zhuǎn)速傳感器直接測量，必須借助光電編碼器才能實(shí)現(xiàn)。為了安裝方便，本系統(tǒng)采用測量惰輪轉(zhuǎn)速、換算小齒輪轉(zhuǎn)速的方案，編碼器選擇市場上應(yīng)用較多的歐姆龍 E6C2-CWZ6C 型光電編碼器，其分辨率為 1024。編碼器的輸出信號，一方面送入控制臺(tái)顯示儀表，另一方面送入工控機(jī)，控制臺(tái)39顯示儀表選用北京昆侖海岸科技有限公司的 KSM-C 型智能轉(zhuǎn)速表。5.2.6 數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)由于我們需要同時(shí)檢測 12 路模擬信號的數(shù)據(jù)，2 路數(shù)字信號的數(shù)據(jù)（4 路轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號通過 R232 接口數(shù)字傳輸） ，系統(tǒng)采用型號為 PCI-1711L 研華工控的數(shù)據(jù)采集卡 2 塊，該卡帶有 8 路雙端模擬輸入和 16 路數(shù)字輸入端口，可以滿足本系統(tǒng)的使用；工控機(jī)選擇研華的 IPC-610H 型工控機(jī)；數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)通過 PCI 插槽聯(lián)結(jié)，通過專用的 I/O 接線終端面板與傳感器信號傳輸電纜相連，型號為研華公司的 ADAM-3968。5.2.7 傳感信號抗干擾傳輸本系統(tǒng)既有強(qiáng)電交流信號，又有弱電傳感器信號，在傳輸過程中，如不采取措施，傳感器弱信號肯定受到強(qiáng)電信號的干擾，因此，本系統(tǒng)弱傳感信號傳輸過程中，全部采用計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)專用的信號屏蔽電纜，型號為 DJYVP。根據(jù)實(shí)際情況，從節(jié)約成本的角度考慮，只采用兩種信號電纜，一種為 3 芯電纜，用于除編碼器之外的所有信號傳輸；另一種為 2 組 4 芯電纜，用于編碼器輸出信號傳輸。5.2.8 測試系統(tǒng)元器件選型及價(jià)格綜合考慮可行性、工作可靠性、操作方便性及成本等各方面的因素，測試系統(tǒng)選用國內(nèi)、國際有良好質(zhì)量信譽(yù)公司的產(chǎn)品。5.3 本章小結(jié)本章講述了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)上的測試系統(tǒng)地設(shè)計(jì)方案，以及測試系統(tǒng)元件的選型。40第六章 結(jié)論目前在風(fēng)力發(fā)電測試性能的發(fā)展過程中，試驗(yàn)臺(tái)的檢測技術(shù)因其高效性和實(shí)用性正受到越來越多的重視。本文主要致力于研究風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的試驗(yàn)臺(tái)，利用異步電動(dòng)機(jī)對偏航減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上對變速器展開理論研究?？偨Y(jié)前面各個(gè)章節(jié)的介紹，本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作：（1）通過閱讀大量的相關(guān)資料和文獻(xiàn)，對目前國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及發(fā)展動(dòng)態(tài)作了較為全面的闡述。（2）提出了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的工作要求，確定了本論文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，即三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航減速器。（3）講述了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的工作原理及具體各零件的設(shè)計(jì)，采用三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行。（4）講述了采用 PLC 控制偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理；研究了變頻器的工作原及控制的方法，畫出了電氣控制圖和程序梯形圖。（5）做了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)上的測試系統(tǒng)地設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)，怎樣合理選擇各檢測元件。由于本人學(xué)識(shí)水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及時(shí)間、試驗(yàn)條件的限制，下面內(nèi)容還需要進(jìn)一步的研究與完善:（1）本文只是初步設(shè)計(jì)了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的軟件部分，對怎樣運(yùn)用 LabVIEW軟件來對計(jì)算機(jī)控制界面設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步的研究。（2） 在此試驗(yàn)平臺(tái)上，需要對各種風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)上的 PLC 控制程序進(jìn)行深入研究。41參考文獻(xiàn)[l] 濮良貴,紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京:高等教育出版社,2002.[2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊-第三卷[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.[3] 嚴(yán)陸光,倪受元.太陽能與風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與展望[ J ] .電網(wǎng)技術(shù),1995,20.[4] 李世蕓.Solid Edge 三維設(shè)計(jì)教程[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.7.[5] 侯國屏.LabVIEW7.1 編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M]. 清華大學(xué)出版社，2005.2.[6] 戴敬.LabVIEW 基礎(chǔ)教程[M].國防工業(yè)出版社，2002.[7] 孫垣,陳做模.機(jī)械原理[M].高等教育出版社，2006.5.[8] 解蕾,張延遲,解大.風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和研究[J].2007,34(11).3.[9] 懂泳,王洪杰.PLC 控制技術(shù)在礦用試驗(yàn)臺(tái)上的研究[J].2008，16(6):2. 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