武鵬，杜春峰，程海龍

（河北新天科創(chuàng)新能源技術(shù)有限公司，河北 張家口 075000）

1 引言

偏航系統(tǒng)作用在于當(dāng)風(fēng)速矢量的方向變化時，能夠快速平穩(wěn)地對準(zhǔn)風(fēng)向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能。開發(fā)風(fēng)電機組偏航平臺，可以讓學(xué)員深入了解偏航系統(tǒng)原理，熟悉和掌握偏航系統(tǒng)部件與功能，獨立自主地完成系統(tǒng)調(diào)試與測試，使其具備解決常見運行故障的能力。

2 偏航平臺控制原理

偏航控制系統(tǒng)執(zhí)行部件包括驅(qū)動裝置、偏航電機等。實際應(yīng)用中，主控系統(tǒng)發(fā)出命令控制驅(qū)動裝置運行。本平臺為模擬實際工況，利用倍?？刂茊卧邮掌较到y(tǒng)外部輸入，進行邏輯運算和處理后，控制偏航系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)。人機界面可用于用戶系統(tǒng)設(shè)定、參數(shù)設(shè)定、啟停、上下限等設(shè)置，具體見圖1所示。

圖1 偏航實訓(xùn)平臺總體設(shè)計框圖

3 偏航系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 偏航實訓(xùn)臺

操作臺作為偏航系統(tǒng)的控制中心，實驗和培訓(xùn)都通過該操作臺來完成，設(shè)置為手動、自動兩種偏航方式，自動方式由HMI進行控制，偏航電機由皮帶輪與齒輪盤進行連接，電

機運轉(zhuǎn)驅(qū)動齒輪盤運行。風(fēng)向標(biāo)安裝于齒輪盤上，風(fēng)向標(biāo)的偏向會以模擬信號的形式反饋到PLC控制器。齒輪盤的鐵齒上裝有定位孔，齒輪盤安裝平臺附近裝有定位傳感器，齒輪盤每轉(zhuǎn)動一個位置，定位傳感器可以感應(yīng)到轉(zhuǎn)過的齒數(shù)，并將齒輪盤的位置反饋至模擬量輸入模塊?？刂破鞲鶕?jù)風(fēng)向標(biāo)指示的位置和當(dāng)前齒輪盤的位置做運算，得出運行方向，并按一定速度指示偏航驅(qū)動器運行，當(dāng)齒輪盤的位置到達(dá)風(fēng)向標(biāo)指示位置，停止運行，完成風(fēng)向跟蹤，偏航實訓(xùn)臺具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 偏航實訓(xùn)臺設(shè)計圖

3.2 平臺設(shè)計思路

偏航系統(tǒng)一般包括感應(yīng)風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)、偏航電機、偏航行星齒輪減速器、偏航制動器（偏航阻尼或偏航卡鉗）、回轉(zhuǎn)體大齒輪等。本實驗平臺采用變頻器驅(qū)動偏航電機，電機通過傳動機構(gòu)帶動齒輪盤旋轉(zhuǎn)，齒輪盤上的風(fēng)向標(biāo)模擬對風(fēng)角度。為實現(xiàn)偏航系統(tǒng)諸多功能，通過PLC控制器來實現(xiàn)偏航系統(tǒng)的邏輯控制。

（1）輸入信號。平臺的控制柜的輸入包括：左/右偏航、自動/手動切換、極限位置等按鈕；人機界面上可設(shè)置菜單；風(fēng)向標(biāo)、解纜信號、測速信號等直接輸入PLC相應(yīng)模塊。如圖3所示。

圖3 控制器輸入信號

（2）驅(qū)動裝置。偏航電機的驅(qū)動早期有采樣直接啟動的控制方式，由于直接啟動電機電流大、沖擊強，有方案提出用軟啟動器作為偏航電機控制器。軟啟動器也存在不能調(diào)速，無法穩(wěn)定控制電機力矩等缺點。為消除偏航系統(tǒng)存在缺陷，平臺選用變頻器啟動偏航電機，并根據(jù)偏航電機容量，對變頻器進行選型，利用變頻器輸出力矩可控、輸出電壓頻率可調(diào)、負(fù)載大小任意調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，保持轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定，實現(xiàn)偏航系統(tǒng)性能優(yōu)化提升。

（3）控制單元。由于偏航系統(tǒng)的邏輯控制復(fù)雜，輸入信號較多，信號種類也很多。利用PLC邏輯控制器來模擬偏航系統(tǒng)輸入信號處理較為方便。控制單元實現(xiàn)的功能包括但不限于：與觸摸屏通信、數(shù)字量輸入信號處理、數(shù)字量輸出信號處理、模擬量輸入、模擬量輸出等。端子排布順序和位置如表1所示。

表1

4 偏航平臺功能模擬設(shè)計

4.1 對風(fēng)實驗

在實驗臺HMI中點擊啟動，觸摸屏界面中會顯示機艙角度、風(fēng)向角度和偏差角，并對運行數(shù)據(jù)進行記錄，選取風(fēng)速給定模式和風(fēng)況，當(dāng)偏差角度低于目前風(fēng)況條件下偏航角度，會保持在偏航待機狀態(tài)。利用HMI界面或風(fēng)向旋鈕給定風(fēng)向值，偏差角度超過目前風(fēng)況條件下自動偏航角度設(shè)定值，偏航系統(tǒng)啟動10s后進入到順、逆時針自動對風(fēng)狀態(tài)。如果偏差角不超過目前風(fēng)況條件下停止偏航角度，系統(tǒng)會停止順、逆時針自動對風(fēng)，然后進入到待機狀態(tài)。

4.2 自動偏航與手動偏航

自動偏航是根據(jù)風(fēng)速、平均風(fēng)速等觀察25s偏航角度絕對值和偏航限定位置的關(guān)系，判斷是否滿足自動偏航要求。偏航系統(tǒng)故障，10s內(nèi)平均風(fēng)速小于3m/s或者大于25m/s時禁止自動偏航。緊急停機和安全鏈停機執(zhí)行失敗后觸發(fā)故障緊急停機超時，進行90°偏航。未觸發(fā)更高級別偏航程序的故障代碼基礎(chǔ)上，通過人機界面或者開關(guān)手動偏航。

4.3 偏航穿越

偏航在堵轉(zhuǎn)的時候會經(jīng)過一段時間的堵轉(zhuǎn)大電流，在此期間電流大而發(fā)熱，斷路器在接收到回路中的熱量后會判斷此電流可以維持多長時間后脫扣（大約10s中會脫扣）根據(jù)此特性，在偏航中做程序優(yōu)化，時刻檢測偏航啟動時的速度，在偏航啟動中，如果啟動的速度在很長時間中啟動不起來，就判定堵轉(zhuǎn)。堵轉(zhuǎn)后將偏航停止。穿越的過程中進行計數(shù)，連續(xù)計數(shù)3次報速度低故障，會跳偏航馬達(dá)故障提醒維護人員進行上機檢查。

4.4 偏航解纜

點擊HMI中“開始解纜”按鈕，偏航系統(tǒng)自動向逆時針方向解纜，解纜狀態(tài)指示燈被點亮。機艙角度臨近0°時不再進行解纜。在風(fēng)機停機模式下，通過手動調(diào)節(jié)開關(guān)，啟動一級解纜二級解纜，HMI界面可實時顯示偏航扭纜位置絕對值和偏航解纜位置設(shè)定值。

4.5 傳感實驗

在上電后3s時間內(nèi)，采用電位計對模擬信號接收橫塊提供4～20mA電流信號，系統(tǒng)會自動記錄目前機艙初始位置。經(jīng)過3s的延時以后，由接近開關(guān)狀態(tài)改變情況計算出偏航條件下機艙位置，記錄電位器旋轉(zhuǎn)角度、接近開關(guān)變化情況、機艙偏航角度、模擬量數(shù)值。

4.6 限位器

采用手動調(diào)試的方式，確定出正北限位信號、左（右）極限限位信號。實驗平臺外齒圈和行程限位器齒輪比如果對應(yīng)設(shè)定值，則對左（右）極限信號進行定義，小齒輪向?qū)?yīng)方向旋轉(zhuǎn)足夠圈數(shù)。

4.7 偏航角度辨識

偏航風(fēng)向標(biāo)代表風(fēng)向信號，其輸出為電壓或電流模擬信號，模擬信號的范圍代表偏航的角度，其對應(yīng)關(guān)系通過 PLC算法實現(xiàn)。

5 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)偏航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計出的風(fēng)電機組偏航平臺，有著很強的仿真與技能培訓(xùn)能力，操作起來十分簡便，通過系統(tǒng)的培訓(xùn)可以提高學(xué)員對偏航系統(tǒng)的認(rèn)識，掌握內(nèi)部電氣元件原理與性能，可以有效提高作業(yè)人員的實踐能力。可以根據(jù)實驗平臺制定出風(fēng)電機組維修保養(yǎng)計劃，對減少機組運行成本發(fā)揮著重要作用。