淺談機(jī)電一體化中的風(fēng)力發(fā)電偏航電機(jī)控制與保護(hù)

謝丹

【摘要】本文先從機(jī)電一體化的基本概念展開(kāi)，再闡述執(zhí)行單元關(guān)鍵部件即偏航電機(jī)的變頻控制與保護(hù)方法優(yōu)點(diǎn)，提出電機(jī)故障排除與維護(hù)方法。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；風(fēng)電偏航電機(jī)；電機(jī)變頻控制保護(hù)；電機(jī)故障排除與維修

一、機(jī)電一體化的基本論述

（一）機(jī)電一體化的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀趨勢(shì)

1所謂的機(jī)電一體化（Mechatronics）一詞最早（20世紀(jì)70年代）起源于日本，它由英語(yǔ)單詞機(jī)械學(xué)和電子學(xué)拼成，它自成體系，是一門(mén)快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域及學(xué)科。

2前期數(shù)控車(chē)床、可編程控制器問(wèn)世開(kāi)創(chuàng)了機(jī)電一體化的新篇章。后期大規(guī)模集成電路、DSP及PLC等電子技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)深入結(jié)合，并綜合自動(dòng)控制理論、信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)等功能使"機(jī)電一體化"躍上新臺(tái)階。

3數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)智能化、人機(jī)一體化、軟硬集成化、光機(jī)電一體化、等成為機(jī)電一體化發(fā)展的趨勢(shì)。

（二）機(jī)電一體化中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)及電機(jī)控制原理

現(xiàn)階段機(jī)電一體化的控制技術(shù)主要分為控制以及執(zhí)行驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分。機(jī)電一體化的控制部分是由控制器、報(bào)警電路、輸出輸入通道等構(gòu)成，而執(zhí)行驅(qū)動(dòng)的部分是由位置傳感器以及各類(lèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)等構(gòu)成。

1.在生產(chǎn)過(guò)程控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)含電動(dòng)機(jī)起著十分重要的作用，它是自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全程運(yùn)行速度取決于其電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速和其內(nèi)部減速齒輪的減速比，其通用性較弱，整個(gè)機(jī)構(gòu)缺乏完善的保護(hù)和故障診斷措施以及必要的通信手段。

3.筆者下文介紹的偏航系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，利用弱電控制強(qiáng)電，控制器控制變頻器驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)、偏航計(jì)數(shù)給控制器偏差信號(hào)，控制器自動(dòng)糾正機(jī)艙角度。

二、偏航控制系統(tǒng)功能和電機(jī)控制原理

偏航系統(tǒng)也稱(chēng)對(duì)風(fēng)裝置，是用來(lái)調(diào)整風(fēng)塔與空氣流動(dòng)方向相對(duì)位置的機(jī)構(gòu)。此文針對(duì)的偏航系統(tǒng)屬于主動(dòng)偏航齒輪驅(qū)動(dòng)形式。

（一） 偏航系統(tǒng)的功能

1、 正常運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)對(duì)風(fēng)。

2、 繞纜時(shí)的解纜保護(hù)。

3、 失速保護(hù)時(shí)卸載保護(hù)。

（二） 偏航系統(tǒng)的電機(jī)控制原理

通過(guò)風(fēng)傳感器檢測(cè)風(fēng)向，并將檢測(cè)到的風(fēng)向信號(hào)送到控制器（如PLC等）中，控制器計(jì)算出風(fēng)向信號(hào)與機(jī)艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機(jī)艙方向以及朝哪個(gè)方向調(diào)整能盡快對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。

1、 傳統(tǒng)典型的偏航系統(tǒng)框圖如下：

2、 偏航機(jī)構(gòu)中的電機(jī)采用接觸器正反轉(zhuǎn)控制（約占市場(chǎng)一半）

此電路具有過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、正反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖保護(hù)等功能。

優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，成本低。

缺點(diǎn)：電路復(fù)雜、保護(hù)功能較少，起動(dòng)、制動(dòng)沖擊大，起動(dòng)電流大，無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)速。

3、 偏航機(jī)構(gòu)中的電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式（約占市場(chǎng)一半）：

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。

n = 60f/p

（n： 同步速度 f： 電源頻率 p： 電機(jī)極對(duì)數(shù)）

如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過(guò)電壓（過(guò)勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。

優(yōu)點(diǎn)：保護(hù)功能非常完善，電路簡(jiǎn)單、起動(dòng)、制動(dòng)沖擊小，起動(dòng)電流小，具有與外界通信功能，隨時(shí)獲得并監(jiān)控電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)、可以準(zhǔn)確調(diào)速。外加制動(dòng)電阻，采用減速停車(chē)方式，可以對(duì)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)較快進(jìn)行減速，能通過(guò)故障代碼快速判斷故障原因。

缺點(diǎn)：成本較高、對(duì)使用維護(hù)人員水平要求較高。

三、電機(jī)保護(hù)及維護(hù)

電機(jī)設(shè)備容易出現(xiàn)故障的地方大部分都在電機(jī)的控制保護(hù)裝備中，控制方式、啟動(dòng)方式、電壓、超載等因素的實(shí)際影響使得機(jī)器設(shè)備的壽命縮短。

（一）電機(jī)起動(dòng)前準(zhǔn)備

1、新安裝或停用三個(gè)月以上的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)前必須檢查它的絕緣電阻，其值不應(yīng)低于0.5MΩ，否則應(yīng)對(duì)定子繞組進(jìn)行干燥處理。

2、電動(dòng)機(jī)接地與變頻器接地分開(kāi)，切實(shí)可靠。

3、電機(jī)與機(jī)械負(fù)載安裝是否良好。

4、按照變頻器說(shuō)明書(shū)，對(duì)變頻器和電機(jī)接線(xiàn)進(jìn)行檢查，先不接電機(jī)，對(duì)變頻器各項(xiàng)參數(shù)逐一設(shè)定、調(diào)整，確認(rèn)無(wú)誤后，再連接電機(jī)。

（二）通電起動(dòng)、參數(shù)調(diào)試

（三）電動(dòng)機(jī)的維護(hù)修理

隨著運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的變化，基波分量、高次諧波分量在廣范圍內(nèi)變化，因而與電機(jī)各部分及機(jī)械負(fù)載的諧波現(xiàn)象增加，在調(diào)速到與系統(tǒng)諧振頻率相一致的點(diǎn)時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)將有大的振動(dòng)或噪聲，產(chǎn)生這種現(xiàn)象時(shí)，可采用增加系統(tǒng)剛度的方法來(lái)避免諧振，也可以利用變頻器的頻率跳動(dòng)功能，使與諧振點(diǎn)相當(dāng)?shù)妮敵鲱l率向上或向下跳變，避開(kāi)諧振頻率，實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。

（四）一般故障及排除方法

1、變頻器的前段——電源、輸入信號(hào)（參考變頻器的使用手冊(cè)進(jìn)行處理）

2、變頻器本體（參考變頻器的使用手冊(cè)進(jìn)行處理）

3、變頻器的后段——電動(dòng)機(jī)、機(jī)械負(fù)載。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著新的技術(shù)不斷出現(xiàn)，機(jī)電一體化技術(shù)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的各種類(lèi)電機(jī)的控制方式以及保護(hù)裝置將不斷的創(chuàng)新發(fā)展，給我們大家提出新的挑戰(zhàn)。