变桨系统

变桨系统

8.1变桨系统原理

整个系统结构如上图所示，包括三个相对独立的变桨轴箱，分别编号为轴箱 A、轴箱 B 和轴箱 C，以及与各轴箱连接的伺服电机、位置传感器和限位开关。每个轴箱单独控制一个桨叶，轴箱与轴箱、轴箱与电机之间通过电缆连接。电机通过减速箱连接至桨叶法兰齿轮。电机减速齿轮和法兰齿轮装置为轮毂部件。

系统外部进线经滑环接入系统，其进线有 3*400V+N+PE 三相供电电源回路，PROFIBUS-DP 通讯回路，其次还有安全链回路。如图 1 所示。以上三路由机舱柜引出连接至 A 柜，再由 A 柜连接至 B 柜，B 柜到 C 柜。三相电源在送入下一轴箱前倒换了相位，以避免各轴箱加热器、电机风扇等单相负载均使用同一相供电而造成三相电源不平衡。

三个轴箱内部布置基本相同，布置详见安装说明，其右侧 A 区安装电容 2C1、2C2、2C3、2C4，四个电容串联接线，以及安装有进线开关 1Q1、1F2，接线端子 1X1、1X2，转换开关6S1、6S2。左侧底部 B 区安装电源管理模块 1G1，交流伺服驱动器 2U1，以及加热器 1E1。考虑到 B 区散热需求，功率器件均安装于散热板上。C 区为控制板，C 板一侧装有合页，作夹层设计安装于 B 区上方，C 板安装有控制 PLC，24V 电源 2T1、2T2，温度控制开关 1S1，接线端子排 2X1、4X1，继电器组以及控制空开 2F2、2F3、2F4、1F4、1F5。轴箱背面为外部接线插头，其连接都经过过压保护端子 4X1。轴箱正面装有系统总开关和模式转换开关。

桨叶的位置由电机内置的光电编码器送出信号至 PLC 运算获得。为了校准和监视桨叶位置，桨叶上装有两只接近开关，一只负责3°~5°桨叶位置监视与校准，另外一只负责90°桨叶位置监视与校准。正常情况下，桨叶运行区间为0°到89°。当系统顺桨时，桨叶收回至89°。若 PLC 本身或与伺服通讯故障，收桨超过95°，触发限位开关，此时伺服断电、电机抱闸。95°限位开关作为变桨系统最后一条安全措施，保证了系统的安全运行。

系统每个轴箱均由一套独立 PLC 控制。PLC 需完成的控制任务有：1、轴箱作为风机主控的从站接受主控发送的指令信号，并且回传本轴运行状态，三个轴箱 PROFIBUS-DP 通讯站号分别设置为 51、52 和 53。2、监视变桨系统的运行状态，当出现异常情况时断开安全链，通知风机进入紧急状态。3、PLC 通过 CAN 总线连接伺服驱动器，控制电机到达所需位置。

由于变桨系统工作环境温度范围大，当温度较低时，为了避免 PLC 等控制器件失效，系统安装有轴箱加热装置 1E1。温度设定由 1S1 温控开关控制。当轴箱内部温度低于 5℃时， PLC 不启动，1S1 启动 1E1 模块加热，高于 15℃时，加热器断电。当温度高于 5℃，1S1 控制 PLC 正常启动。当系统启动后，其工作热耗散可维持正常工作温度。另外当轴箱内部温度大于 50℃时，PLC 启动 1E1 散热风扇。

本设计选用超级电容模组参数为 500F，16V。4 个模组串联，工作电压 60V，最大持续放电电流可达 150A。电源管理模块将系统电源和充电模块合二为一，超级电容模块并联于直流母线上，主备电源在紧急模式下可无延时切换。系统选用宽输入电压范围的 24V 开关电源为 PLC 和继电器等控制器件供电。

正常工作时变桨系统接受主控制指令控制桨叶到达设定位置。当风机系统故障，安全链断开时，变桨系统进入紧急模式，桨叶以9°/S 迅速顺桨至安全位置，保护了风机的安全运行。若变桨系统交流供电故障，则整个系统由超级电容供电，8 秒左右后变桨系统进入紧急模式，这样的设计满足了风机低电压穿越的要求。另外，由于本实用新型三个轴箱均由独立的 PLC 系统控制，若一台轴箱故障，另外两台接收到安全链断开信号后可保证风机系统安全停机。

8.2变桨系统逻辑原理

TR变桨系统由三个功能和结构相同的轴柜组成，每个轴柜结构如图所示：

1、自动模式下，变桨PLC接受风机主控位置指令，经过前馈与比例环节运算输出速度指令，通过CAN通讯传给AC2变频器，变频器完成速度环与电流环运算驱动电机至指定位置，以下是各核心部件功能。

2、变频器与电机：直接从DC Link获取能量，正常情况下，接受PLC速度指令，完成驱动功能，当PLC或CAN通讯故障时，直接驱动变桨至限位开关动作停止。

3、PLC控制器：接受风机主控指令，完成位置环运算，控制变桨跟随风机主控位置指令，返回变桨状态至风机主控，同时监视变桨自身状态，完成各种逻辑保护功能及其它辅助回路控制。

4、电源管理模块：从滑环获取主电源，维持DC Link电压恒定，当主电源故障时，通过综合报警信号告知PLC电源出现故障。

5、超级电容：正常工作时，支撑DC Link电压。主电源故障时，作为后备电源为变桨提供足够的顺桨能量。

6、每个轴柜都有完全独立的控制及功率驱动部分，三柜之间无任何联系。

7、当系统输入主电源出现故障时，变桨系统依靠后备电源顺桨，其它情况均依靠主电源供电。

8、变桨系统故障均由自身PLC判断并进入紧急模式，紧急模式下，变桨主动断开安全链且将故障上传至风机主控。安全链断开后，变桨自行顺桨至安全位置。

9、动维护模式下，任意时刻只允许一个桨叶离开安全位置。