变桨控制系统设计

6 失败经验
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3.通信干扰，驱动器通讯CAN总线关闭。直接导致通讯故障，风机紧急 收桨并停机。 解决方法： a.波特率由500改为250。经过计算，波特率为500和250时信号传播 速率都满足要求，而波特率为250时传输信号频率更低，其抗干扰能力 更强； b.通讯电缆增加磁环抑制干扰； c.驱动器输出端电缆采用单根屏蔽电缆。
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3 软件设计
系统工作模式切换图
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4 结构设计
设计要点：
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ 密封等级要求较高 针对海上型变桨距系统，选用抗腐蚀能力的柜体材料 提高焊接质量 密封件选用抗老化能力和适应环境能力强的产品 盖板上安装柜锁，方便维护时开启盖板
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部件分布合理，使走线均匀、动力线与信号线最大程度分开 柜体风扇及电机风扇的轴和轮毂旋转轴平行
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5 成功方法
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a.超级电容
c.双电源
b.驱动器
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5 成功方法
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4. 控制柜内部件的运行状态的DI都在驱动器上进行检测，所有故障进行 独立检测，主控制器在第一时间内采集到柜内状态信息。
驱动器辅助IO模块
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5 成功方法
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5. 安全链设计。整个系统三个变桨柜由安全链串联起来，一旦其中某一 环节出现故障，安全链断开同时通知其他二轴紧急收桨，安全停机。
2.6.1 用于低压电力网的配电电器 变桨距系统中的配电电器设计要点：
¾ ¾ 包括负荷开关、转换开关、空气断路器和熔断器等 断流能力强、限流效果在系统发生故障时保护动作准确，工作可 靠；有足够的热稳定性和动稳定性
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2 电气设计与选型
断路器
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2 电气设计与选型
熔断器 负荷开关
a
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b
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5 成功方法
键部件采用裕度设计。
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3.对控制系统里的核心部件和可靠性低的器件采用冗余设计，对某些关 由于主电掉电的潜在威胁，变桨系统的备用电源显得尤为重要，并且将 备用电源安放于轮毂内，也消除了滑环故障带来的致命影响。 同时控制回路采用双电源供电，230VAC/24VDC以及 450VDC/24VDC电源模块有力的保证了控制回路的24VDC 驱动器的选型存在一定的裕度。1.5MW配置为11KW的驱动器， 4.7KW电机，额定力矩达到29.9NM，峰值力矩达到2.9倍，远远满 足1.5MW风机的要求。
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2 电气设计与选型
2.2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ驱动器
1. 作用：
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通过DI/DO口对变桨控制系统部件进行监控及驱动部件动作；根 据自身编程及控制器指令实现变桨控制系统的模式转换并通过驱 动变桨电机实现变桨控制系统的电气功能。
2. 设计要点：
¾ ¾ ¾ 额定功率：依据所选电机来配，以能完全驱动所选电机为准。 额定输入电压：3相380V。 直流母线：a.可通过备用电源直接向直流母线供电以驱动电机。b. 通过备用电源供电时，当直流母线电压低于250VDC时，具有80%负 载输出能力。（根据实际情况设计参数可能会有变动，仅供参考，下同。）
变桨控制系统设计
三一电气有限责任公司
1 变桨控制系统设计概述
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1 变桨控制系统设计概述
变桨控制系统基本架构
人机界面 CAN通讯 风机主控 制器
绝对编 码器
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变桨距控制器 （PLC）
CAN通讯
通讯
每个桨叶配制一个
每个桨叶配制2个
限位开关
驱 动 器
驱 动 器
驱 动 器
超级电容 模块
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2 电气设计与选型
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2 电气设计与选型
2.3 变桨电机
1. 作用：
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根据驱动器指令运转，并通过减速机带动回转支撑的旋转，从而 调节桨叶的节距角；通过编码器将电机的位置信号反馈至驱动器。
2. 设计要点：
¾ ¾ ¾ ¾ 额定功率：需不小于于4.7KW。 额定转速：1450RPM 。 转矩：额定30NM；最大70NM。 由于轮毂内空间限制，安装法兰至轴端尺寸应满足空间要求。
继电器
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3 软件设计
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EPEC控制器模块负责与主控通讯和三个柜子的协调统一，三个备 用电源分别给三个变桨柜提供在主电掉电情况下供电，在接到主控命 令时，EPEC控制器将经过处理的指令传送给三个驱动器，驱动器驱动 电机执行相应的变桨指令。
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3 软件设计
系统工作模式：
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2 电气设计与选型
2.6.2用于电力拖动及自动控制系统的控制电器 变桨距系统中的控制电器设计要点：
¾ ¾ 包括接触器、起动器和各种控制继电器等 主要技术要求是操作频率高、寿命长，有相应的转换能力
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2 电气设计与选型
接触器
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2 电气设计与选型
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4 结构设计
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4 结构设计
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5 成功方法
变桨系统是整个风机可靠性保障的重要环节。
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1.整个柜体采用SUS304材料，料厚3mm ，柜门与柜体之间采用进口 橡胶圈，柜体与柜体之间的连接采用进口工业用连接器，整个柜体的防 护等级达到IP65
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模式0：系统准备好进入正常模式，电机上电，制动器闭合。 模式1：正常操作模式，系统将按照接收到的指令变桨。 模式2、3：故障模式。系统产生故障时自动进入该模式。 模式2：闭环顺桨模式，桨叶将经由驱动器采取闭环反馈顺 桨到指定位置，位置到达后制动器闭合。 模式3：开环顺桨模式，当电机编码器损坏或其他原因不能 闭环收桨时，打开工频旁路收桨。 模式4：手动操作模式，上电前将手动开关打开，系统上电后即 进入手动操作模式，此时，要靠手动操作盒来进行操作。
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6. 低压电器：断路器、继电器、接触器、负荷开关、选择开关、 熔断器、防雷器件等 7. 重载连接器和电缆等
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2 电气设计与选型
2.1 控制器
1. 作用：
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与风机主控制器之间以CANopen实现双向通讯；检测3个驱动器状 态并同时与驱动器进行信息传递；对冗余编码器进行信号处理； 手动信号DI输入。
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5 成功方法
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6. 超速开环设计。增加风机硬件超速保护，对主控系统超速开关动作直 接进行开环顺桨，快速停机，保障风机安全。由其中超速开关在超 速保护动作时直接控制变桨系统6K3动作，变桨系统开环工频收桨。
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6 失败经验
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总结失败经验，不足的地方一共包括结构、电气、软件公六大问题 1.在SANY变桨控制样机中，手动/自动模式转换旋钮开关曾被设计安装在控制柜
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2 电气设计与选型
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2 电气设计与选型
2.5.2 冗余编码器 1. 作用：
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起冗余作用的独立于电机编码器的旋转编码器，在不同桨叶角度 误差过大时使桨叶紧急收桨，确保变桨控制系统可靠运行。
2. 设计要点：
¾ ¾ 计数方式：绝对值。 数据传输方式：CANopen。
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2 电气设计与选型
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¾
具有PLC编程功能。
¾ 驱动器安装方式：穿墙式安装（散热片可伸出柜外）。
¾ ¾ ¾ ¾ DI/DO口：自带DI/DO口，并可通过DI/DO口模块进行扩展。 转矩：额定转矩30NM；最大转矩90NM。 刹车输出：１个。 编码器接口：若电机配SSI编码器则要求驱动器具有SSI编码器接 口；若电机配旋转变压器则要求驱动器具有旋转变压器接口。
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2 电气设计与选型
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2 电气设计与选型
2.5.3 温度传感器、变送器 1. 作用：
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温度传感器把变桨距系统柜内的温度采集并转化成不同的电阻 值，通过温度变送器转化成不同的电压信号输入驱动器的DI口， 使系统可以实时监测变桨柜内温度的变化值。
2. 设计要点：
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2 电气设计与选型
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2 电气设计与选型
2.5 传感器
2.5.1 限位开关 1. 作用：
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变桨过程中，通过限位开关及回转支承上撞块的配合实现软件控 制之上的硬件控制，确保变桨控制系统正常收桨。
2. 设计要点：
¾ ¾ 双限位开关的冗余设计。 安装时需考虑限位开关与撞块的安装尺寸配合。
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b.现有的柜壁安装方式
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6 失败经验
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2.驱动器调试过程中，由于先松电机制动器在给编码器上电，导致编码器 初始化无法通过，始终报编码器错误。 这是由于制动器上电的电磁干 扰，导致编码器不能正常工作。 解决方法：软件流程更改，先给编码器上电再松电机制动器，报错消失。
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2 电气设计与选型
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2 电气设计与选型
2.4 备用电源
1. 作用：
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当动力电出现异常跌落或遭遇其他意外情况时，备用电源储备的 电能可保证变桨控制系统正常收桨，保证风机的安全。
2. 设计要点：
¾ ¾ ¾ 变桨过程中，备用电源电压不低于驱动器正常工作的最低母线电 压值（250V）。 变桨过程中可释放能量满足变桨需求。 寿命长，维护成本低：超级电容。
2. 设计要点：
¾ ¾ ¾ ¾ 可靠性要求 ，在恶劣的环境下长期无人值守运行。 处理器能力，算法处理、状态监控、远程通讯等任务并行进行。 可维护性要求 ，调试、故障排除、系统维护和升级换代的方便。 开发调试友好度，缩短代码编写和算法调试的时间，便于产品的 升级和更新换代。
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2 电气设计与选型
旋转编 码器和 绝对编 码器
3相交 流电
旋转编 码器和 绝对编 码器
3相交 流电
旋转编 码器和 绝对编 码器
3相交 流电
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1 变桨控制系统设计概述
电气、软件设计要求
主要功能
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¾ 功率调节：低于额定风速时捕获最大风能；高于额定风速时调节节距角以保持 功率恒定。 ¾ 刹车：风力发电机组在一些意外工作状态下，驱动电机快速转动，使桨叶快速 地回到90度位置，最大程度保障风机安全。
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6 失败经验
急模式不能收桨。
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4.风场调试时，由于驱动器在位置曲线运行时没有进入位置模式，在紧 解决方法：在紧急模式程序中加冗余判断，未进入位置模式则再次激活 一次位置模式变量。 5.加热器和风扇独立由温控开关控制，更改其电气设计 加热器和风扇独立有温控开关控制。温度大于25摄氏度，加热器关闭， 温度小于15摄氏度，加热器自动开启。风扇独立用于制冷。 6.取消230VACUPS供电，采用450VDC/DC电源 取消主控UPS电源供应，单柜采用450DC/DC电源模块，提高了主电掉 电以及滑环故障情况下的可靠性。
内。当进行手动/自动模式切换时，需要打开控制柜柜门进行切换，操作繁琐，维 护时间较长。而且其柜内安装时需要加工安装板，既复杂了工艺流程，又增加了装 配时间 改进后的变桨控制样机中，采用穿墙安装方式将转换旋钮开关安装在柜壁上。进 行手动/自动模式切换时，可以方便的在柜外进行操作。
a.原有的柜内安装方式
辅助功能
¾ 系统状态监控。 ¾ 信号传输。
结构设计要求
变桨控制系统结构设计要在满足电气功能要求的前提下充分考虑布线、信号传 输干扰、安全可靠、散热、可维护性、系列化生产需要等要求。
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2 电气设计与选型
单轴硬件框图
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2 电气设计与选型
主要电气部件：
1. 控制器 2. 驱动器 3. 变桨电机 4. 备用电源 5. 传感器：限位开关、冗余编码器、温度传感器等
a.柜体密封结构
b.柜体密封结构
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5 成功方法
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2.从柜内器件选型上讲，全采用具有CE和UL国际认证的进口低压器 件，保证低压电器的可靠性。建立可靠的低压电器选型目录，元器件的 控制包括监制、验收、补充筛选、升级筛选、试验、失效分析等工作。 对超期复验、低质量等级、失效情况、新品状态变化和使用数量等做了 严格控制。
¾ ¾ ¾ 可监测温度范围：－50~150℃ 热响应时间：t0.5=8s 引出导线规格：三或四线制
3. 安装方式：
金属支架配合格兰头安装
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2 电气设计与选型
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2 电气设计与选型
2.6 低压电器
作用：
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低压电器在电路中的用途是根据外界信号或要求，自动或手动接 通、分断电路，连续或断续地改变电路状态，对电路进行切换、 控制、保护、检测和调节。