基于plc变桨系统的研究毕业论文(1)(编辑修改稿)

基于plc变桨系统的研究毕业论文(1)(编辑修改稿)内容摘要：

8 风作用在风轮上的力由 Euler 理论写出： )( 21 vvAvF   () 式中  — 空气密度 ,(kg/m3)故风能吸收的功率为： )( 212 vvAvFvP   () 上游至下游动能的变化为： )(21 2221 vvAvE   () 由于功率是由动能转换而来的 ,所以 ,式 ()与式 ()相等 ,得 2 21vvv  () 则作用在风轮上的力和提供的功率分别为： )(21 2121 vvAvF   () ))((41 212221 vvvvAvP   () 给定上游风速  1,对  2 取微分： )32(41 2221212 vvvvAvdvdP   () 最大功率 02 dvdP即，求得两解 1)  = ，没用物理意义； 2） 312 vv  以第二解代入式 ()，得最大功率； 31m ax 278 AvP  () 将公式 ()除以气流通过扫掠面 A 时风所具有的动能，可推出风力机的理论最大效率： 21)278(21 313131m a xm a x AvAvAvP () 上式即为著名的贝兹 (Betz)理论的极限值。 它表明，风力机从自然风中所能获取的能量是有限的。 这就引出了风能利用系数 Cp 的概念。 风能利用系数 Cp 表示的 321 AvpCp  () 是风力机从自然风能中吸收能量的大小程度，式中 p — 风力机实际获取的轴向功率。 对于变桨距风力机 ,风能利用系数 Cp 与尖速比λ和桨叶的节距角  成非湖南电气职业技术学院毕业设计 9 线性关系。 尖速比λ即为桨叶尖部的线速度与风速之比： vvRn   2 () 式中 n — 风轮的转速 ,(r/s)；  — 风轮转动角速度 ,(rad/s)；  风轮直径 ,(m) 据有关资料的记载和研究，风能利用系数 Cp 可近似用以下公式表示：  )3(0 0 1 8 ] )3(s i n [)0 1 6 (  Cp () 图 22 变桨距风力机特性曲线 由公式 ()得变桨距风力机特性曲线 )( TSRCp 如图 22 所示的平面图。 从图中可归纳以下两点： 1)对于某一固定桨叶节距角,存在唯一的风能利用系数最大值 maxCp。 2）对 于任意的尖速比  ,桨叶节距角  =0 下的风能利用系数 Cp相对最大。 随着桨叶节距角  增大 ,风能利用系数 Cp,明 显减小。 以上两点为变速恒频变桨距控制提供了理论基础 :在风速低于额定风速时 ,桨叶节距角  =0,通过变速恒频装置 ,随风速变化改变发电机转子转速使风能利用系数恒定在 maxCp ，捕获最大风能，并输出电能频率不变：在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而改变发电机输出功率 ,使输出功率稳定在额定功率附近。 湖南电气职业技术学院毕业设计 10 风速特性分析 上文对于风速的空气动力学的分析是基于风速在空间均匀分布 ， 不随时域变化的前提条件下的。 然而，自然界的风在时间和空间上都是变化的，因此，风轮平面内风速分布是不均匀的。 影响风速的因素有很多，其中作用最为显著的是高度，尤其随着风机的大型化，风轮直径的增加，高度对于风轮平面内风速的影响就越来越明显，而其它随机干扰反而可能会因为叶片长度的增加相互抵消而减弱。 风速在竖直方向上的变化主要是由风切变和塔影效应导致的。 电机结构类型及特点 发电机是风力发电中重要的组成部分，风力发电系统的能量转换分为 两个过程 :将风能转化为机械能和将机械能专换为电能。 前者由风力机实现，后者由发电机实现。 风力机是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和偏向角作用在叶片上，使叶片产生旋转力矩而转动，进而将风能转变成机械能。 所转化来的机械能带动发电机转动，进一步转化为电能。 目前国内的总体情况，可以将风力发电机 大致分为两类。 双馈式风力发电机 双馈是指发电机的定子绕组和转子绕组都与电网有电气连接，都可以与之进行功率交换，风力发电机组的定子绕组和电网直接连接，输出电压频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调 节加以控制 双馈 （图 ）： 主要有孤岛并网和空载并网两种方式，关键是调节转子励磁让定子发出的电压和电网电压符合并网条件 2. 双馈电机成本低，技术成熟；电力电子变流装置所需要的容量小；可以在小容量情况下采用全风冷； 3.发电所需要的风速范围要求太高，一般在同步速的＋ 20％－－ 20％以内，发电量受限制，容易脱网，发电的经济性和稳定性很差；有三级行星齿轮箱， 5 年需要更换一次，维护成本很高 ， 技术上及其困难，电网的适应性差，功率因数受限制，一般只能到 湖南电气职业技术学院毕业设计 11 图 双馈式发电机 直驱式风力发电机 直驱是指风力机与发电机之间没有变速机构（即齿轮箱），而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。 与其他型式的风电机相比，减轻了成本，减轻机舱的重量，同时装轴连接的可靠性也提高了。 为了解决风速变化带来的输出电压频率变动的问题，需要在发电机定子绕组和电网之间配置换流器（变频器），先将风力发电机输出的交流电 压整流，得到直流电压，再将该直流电压逆变未频率、幅值、相位都满足要求的交流电，送入电网 直驱（图 ）： 直驱电机和电力电子装置成本高； 熟； ，导致电机的级对数极多，一般都超过 100 对，使电机的体积很大； 冷却困难； 压符合并网条件就行了 图 直驱式发电机 结语： 双馈技术已经在过去的十多年中成为不可争辩的主流技术，而直驱和永磁直驱技术目前来看尚无法动摇带齿轮箱技术的主流地位。 可以肯定的是，风电机组技术的成熟性、质量的稳定 性和可靠性、及时而低成本的维修和维护将湖南电气职业技术学院毕业设计 12 是市场选择的最重要标准，特别是在海上风电的机组选择中，目前看来，带齿轮箱的风电机组仍是海上风电的绝对主流。 湖南电气职业技术学院毕业设计 13 第 3 章 PLC 控制理论研究 PLC 的基本概念 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经广泛几乎所有的工业领域，现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的响应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基 础的通用工业控制装置。 PLC 的组成部分 可编程控制器简称为 PLC，它的应用广泛、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用。 它具有以下特点 :编程简单易学、功能强、性价比高、硬件配套齐全、可靠性高、抗干扰能力强、系统的设计、安装工作量少、维修方便、体积小、功耗低。 本设计使用的是西门子 S7300，它是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求。 它有以下几部分组成： 1) 中央处理单元（ CPU） CPU 用于存储和处理用户程序，控制集中式 I/O 和分布 式 I/O。 2) 电源模块（ PS） 用于将 AC 220V 的电源转化为 DC 24V 电源，供 CPU 模块和 I/O 模块适用。 3) 信号模块（ SM） 是数字量输入 /输出模块和模拟量输入 /输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压电流于 PLC 内部的信号电平匹配。 数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关和限位开关等来的开关量输入信号。 数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯等输出设备。 模拟量输入模块是接收传感器和变送器等提供的连续变化的模拟量电流，电压等信号。 模拟量输出模块用来控制电动调节阀、湖南电气职业技术学院毕业设计 14 变频器等执行器。 4) 功能模块（ FM） 是 智能的信号处理模块，不占用 CPU 的资源，对来自现场的信号进行控制和处理，并将信息传送给 CPU。 5) 通信处理器（ CP） 用于 PLC 之间、 PLC 和计算机或其它智能设备之间的通信。 6) 接口模块 (IM) 用于多机架配置时连接主机架和扩展机架。 S7300的系统结构 采用的是紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块、 CPU、信号模块、功能模块、接口模块和通信处理器都安装在导轨上。 导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在 DIN 标准的安装导轨上，然后用螺栓锁紧就可以了。 电源模块安装在最左边， CPU 模块紧接着电源模 块，如果有接口模块，它放在 CPU 模块的右侧。 S7300 用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。 每个机架最多只能装 8 个信号模块、功能模块或通信处理器模块，组态时系统自动分配模块的地址。 如果这些模块超过 8 个，可以增加扩展模块。 除了中央机架最多可以增加扩展 3个扩展机架，因此最多可以安装 32个模块。 其中0 号机架的 DC 5V 电源由 CPU 模块产生，其额定电流与 CPU 的型号有关。 扩展机架的背板总线电源由接口模块 IM361 产生。