变桨系统
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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。