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Vensys变桨控制系统金风科技培训中心12年2月编订姬晓峰Vensys变桨控制系统主要内容：一、变桨系统的机械结构二、变桨系统的功能三、变桨系统的电气结构及控制原理四、主要元件实物认知及功能原理五、变桨系统故障判断六、变桨回路讲解通过本章你将了解到以下内容：1、了解系统的机械结构,及变桨系统的机械驱动方式2、了解变桨系统的功能，变桨系统的控制策略3、了解变桨系统的电气结构，及各元件之间的连接与配合。4、对主要元器件的实物认知，了解元件的原理及在变桨系统中的作用5、对变桨系统故障进行判断，并对常见故障进行分析一、变桨系统的机械结构控制系统变桨电机通过变桨减速器驱动涨紧轮，涨紧轮拉动齿形带，齿形带带动变桨盘完成叶片的角度调整。二、变桨系统的功能实现风力发电机组的变桨控制，在额定风速以上通过控制叶片桨叶角，使输出功率保持在额定功率附近。在额定功率以下，保持叶片角度在最小桨叶角，使得风力发电机处在最大吸收风能状态。停机时，调整桨叶角至停机位置（87度），使风力发电机组出于安全状态。变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流结构，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来控制电机的转速）。每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7度/s的速率，从0度顺桨到90度位置。当来自滑环的电源掉电时，备用电源直接为变桨系统供电，仍可保证整套边疆电控系统正常工作。当超级电容电压低于软件设定值，主控制器会控制机组停机。变桨机组的控制策略为：A、额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以跟踪最优Cp；额定风速以下阶段：要实现的主要目标就是让叶轮尽可能多的吸收风能。Cp越大,吸收的风能越多。由于额定风速以下风速较小，因此，此时没有必要变桨，只需要此时将叶片角度设置为规定的最小桨矩角。B、额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。额定风速以上阶段：变速控制器（扭矩控制器）和变桨控制器同时发挥作用。通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定,从而恒定功率。通过变桨调整发电机的转速,使得其始终跟踪转速设置点。三、变桨系统的电气结构及控制流程3.1变桨系统分布结构Vensys变桨系统由三个柜子组成，每个柜子都是一套独立的控制系统，完成对单只叶片的角度控制与调节。主控发出的信号通过机舱柜，经过滑环，传到三个变桨柜。3.2变桨线路连接图3.3变桨系统驱动原理变桨控制柜通过安装在电机尾部的旋转编码器来检测叶片所在的角度。分别安装在桨叶对应的87度、5度接近开关，提供了附加的位置检测功能。安装在桨叶对应92度的限位开关提供了当位置检测失效的情况下的安全保护功能。通过变桨逆变器AC2驱动变桨电机进行桨叶角度调整。直流开关电源NG5将400VAC转换为60VDC，为超级电容充电同时为24VDC电源供电。3.4变桨控制流程图Vensys变桨系统动作方式分为：自动模式、手动模式、强制手动模式，现根据流程图对动作模式进行说明。控制流程图如下：四、主要元件实物认知及功能原理4.1变桨柜在轮毂中的安装4.2变桨柜内部布局控制柜内部电源及控制检测部分:a.开关电源(NG5)b.变桨变频器(AC2)c.超级电容d.A10自制模块e.BC3150及beckoff模块f.温度检测（PT100）控制柜外部驱动及检测部分:g.变桨电机h.旋转编码器i.温度检测（PT100）j.0°和87°接近开关及90°限位开关k.滑环4.3变桨柜主要元器件进口NG5参数•型号：ZivanBatteryChargerNG5•输入电压：400VAC(+/-15%)•输出电压：60VDC•输出电流：80ADC•充电方式：间歇性充电，当电压低于55V时开始充电，超级电容电压达到60V时停止充电。a.直流开关电源NG5国产NG5参数：型号：JF-CHARGER-60V-80A-K,JF-CHARGE-60V-80A-J输入电压：400VAC（+/-15%）输出电压：60VDC输出电流：80ADC充电方式：持续工作，电压维持60V。NG5基本原理图优点：•效率高；•体积小；•充电时间短；•充电不受交流电源变化的约束；•能够提供理想的充电曲线。直流充电电源首先对三相AC400V进行整流，获得DC540V，随后通过DC/DC变换电路将DC540V转换为所需要的工作电压，该工作电压是与超级电容的电压有关的。直流充电器输出的信号分别为：充电器正常信号（NG5OK信号）、充电器温度信号。充电正常信号为充电器给出的一个干触点，当充电器正常工作时，该触点闭合。如果充电器出现异常则该触点断开。充电器温度信号为由充电器引出的PT100电阻信号。在国产Vensys变桨系统中仅使用了直流充电电源的正常工作指示信号，未使用温度信号。•IMS功率模块，Flash内存，微处理器控制，CanBus•型号：ZapiAC-2•电力电子器件：MOSFET•开关频率：8kHz•额定直流输入电压：60VDC•最大输出电流：450Ab.AC-2——异步电机用高频MOSFET逆变器AC2基本原理图该设备的端子布局如图所示：AC2共有6个外部接口，变桨系统对其使用情况如下：端口A：串行通信口，共有8个针，使用A3（PCLTXD）、A4（NCLTXD）两个针。输出信号是驱动器内部状态信号，用于指示驱动器当前的内部故障。端口B：2个针，没有使用。端口C：4个针，CAN总线接口，没有使用。端口D：6个针，增量型编码器接口，使用D3、D5，为旋转编码器送来的两路正交编码信号。端口E：14个针，E1接入控制器送来的0~10V模拟量电压信号，此信号决定驱动器输出电压的频率，用于调速；E2、E3两个针间串入5K的电阻；E12用来接收主控发出的手动向前变桨信号，E13用来接收主控发出的手动向后变桨信号。端口F：12个针，F1为驱动器使能信号，此端口接入60V电压后驱动器才能工作；F4为松闸信号，此端口接收到高电平后，会在端口F9（NBRAKE）输出高电平，通过继电器控制变桨电机内的电磁刹车；；F5（SAFETY）和F11（-BATT）短接；F6和F12间串入变桨电机内部的PTC，用于测量电机温度。主控制器通过模拟/数字I/O信号来控制驱动器动作和接收驱动器状态，两者之间并没有任何通讯协议。在Vensys系统中AC2的动作详见表1•型号：4-BMOD2600-6•额定电压：60VDC•总容量：125F•总存储能量：150kJ•四组串联•单组电容电压：16VDC•单组电容容量：500Fc.变桨超级电容均压板：均压方式为被动60VDC输出正极保险：300A短接线60VDC输出负极超级电容由四个模块串联组成。在电容模块间串联有一个300A的熔断器。超级电容模块的外壳是由耐磨损的铝合金冲压制成的，这样的电容是永久封装的，不需要维护。相比密封铅酸蓄电池作为备用电源的变桨系统，采用超级电容的变桨控制系统具有下列优点：a、充电时间短；b、交流变直流的整流模块同时作为充电器，无须再单独配置充放电管理电路；c、超级电容随使用年限的增加，容量减小的非常小；d、寿命长；e、无须维护；f、体积小，重量轻等优点；g、充电时产生的热量少。d.A10检测模块A10集成了超级电容电压检测，AC2故障输出。将取自超级电容的60V、30V直流电压信号、充电器的直流电流输出信号。经过信号处理，转换成适合BECKHOFF双极性模拟输入模块允许输入范围内。AC2OK信号经过A10光电隔离后，将信号传送给PLC模块。基本原理图AC2OK信号超级电容高低压NG5充电电流BC3150KL1104KL1104KL1104KL2408KL3404KL5001KL3204KL4001KL9010变桨控制柜中都有一个总线控制器BC3150，它是每个变桨控制系统的核心，其内部有变桨控制程序。此程序一方面负责变桨控制系统与主控制器之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围信号的采集处理和对变桨执行机构的控制。紧急状态下（例如变桨控制系统突然失去供电或通信中断），三个变桨控制柜中的控制系统，可以分别利用各自柜内超级电容存储的电能，分别对三个叶片实施90度顺桨停机动作。e.BC3150及beckoff模块KL5001SSI接口模块可直接连接SSI传感器。传感器电源由SSI接口提供。接口电路产生一个脉冲信号以读取传感器数据，读取的数据以字的形式传送到控制器的过程映像区中。各种操作模式、传输频率和内部位宽可以永久地保存在控制寄存器中。在Vensys变桨系统中，用于为旋编提供电源，同时采集旋编角度信号KL4001模拟量输出模块可输出0V到10V范围的信号。该模块可为处理层提供分辨率为12位的电气隔离信号。总线端子的输出通道有一个公共接地电位端。KL4001是单通道型，适用于带有接地电位的电气隔离信号。它通过运行LED显示端子与总线耦合器之间的数据交换状态。在Vensys变桨系统中，以电压的形式，将主控设定的变桨速度传到AC2，控制叶片变桨角度。这种温度传感器是利用导体铂（pt）的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的。通常这样的温度传感器可以测量负200到正500摄氏度的范围，而且在这个温度范围下，铂的电阻值和温度具有良好的线性关系。在Vensys变桨系统中主要用于变桨电机温度、柜体温度、NG5温度、超级电容温度测量。f.温度传感器（Pt100）PT100分度表在图表中，纵坐标为十分度，横坐标为个分度。举例说明：当环境温度为57摄氏度时，对应PT100电阻为122.09欧姆。•类型：IM3001(3相笼型转子异步电机)•额定功率：4.5kW，1500rpm，S260min•最大转矩：75Nm•制动转矩：100Nm•额定电压：29V•额定电流：125A•额定功率因数：0.89•绝缘等级：F•转动惯量：0.0148kgm2•防护等级：IP54g.变桨电机变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来控制电机的转速）。相比采用直流电机调速的变桨控制系统，在保证调速性能的前提下，避免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量大、成本增加的缺点。•25位分辨率，8192脉冲/4096圈•格雷码或二进制码输出•自诊断功能•电子清零•可选组件：增量通道A，B；h.绝对式旋转编码器GM400内部基本原理图绝对位置从码盘上读取，在码盘上，每一位对应一个码道，每个数位编码器对应一个输出电路，每一个通道都包含一个光源的接收器，每圈(360°)读数完成后，将重复读数输出。i.接近开关（Bi5-M18-AP6X-H1141/S34）外形：带螺纹的圆筒，M18材质：镀铬黄铜EMC特性：抗交流磁场和直流磁场干扰电源：3线直流连接，10~30VDC输出：常开PNP输出接口：连接头，M12每个变桨柜需配套两个接近开关，接近开关分别安装在5度和87度位置。最大电压400VAC持续电流5A最大开关频率100/min机械寿命-开关动作次数106工作温度-30~+80oC标准执行机构形态C认证UL，CSA重量0.16kgj.限位开关每个变桨柜配套一个限位开关，限位开关安装在92度位置k.滑环左边插头为400VAC电源中间插头为ProfibusDP现场总线右边插头为安全链滑环在轮毂里的安装主要技术参数振动速度：机舱加速度约为0.3g。频率小于3Hz（机组运行时）。保护等级：IP65。闪电区域：轮毂内为1区防雷。运行速度：n=0r/min~24.8r/min。平均速度：n=17r/min。最大转速：nmax=24.8r/min（短期速度）。旋转方向：从滑环连接器法兰连接处看是顺时针旋转。数据传输：ProfibusBAUDRate：12MBaud。屏蔽通道：要求动力电缆的屏蔽层单独占用一通道，不能和Harting接头的接地混接。五、变桨系统故障判断变桨系统故障可分为以下几种:变桨电机温度故障变桨电容温度故障变桨电容高电压故障变桨电容电压不平衡变桨