淺談機電一體化中的風(fēng)力發(fā)電偏航電機控制與保護

謝丹

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

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

一、機電一體化的基本論述

（一）機電一體化的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀趨勢

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

2前期數(shù)控車床、可編程控制器問世開創(chuàng)了機電一體化的新篇章。后期大規(guī)模集成電路、DSP及PLC等電子技術(shù)與傳統(tǒng)機械工業(yè)深入結(jié)合，并綜合自動控制理論、信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)、傳感測試技術(shù)等功能使"機電一體化"躍上新臺階。

3數(shù)字現(xiàn)場人機智能化、人機一體化、軟硬集成化、光機電一體化、等成為機電一體化發(fā)展的趨勢。

（二）機電一體化中執(zhí)行機構(gòu)的硬件設(shè)計及電機控制原理

現(xiàn)階段機電一體化的控制技術(shù)主要分為控制以及執(zhí)行驅(qū)動兩個部分。機電一體化的控制部分是由控制器、報警電路、輸出輸入通道等構(gòu)成，而執(zhí)行驅(qū)動的部分是由位置傳感器以及各類驅(qū)動電機等構(gòu)成。

1.在生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行機構(gòu)含電動機起著十分重要的作用，它是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

2.執(zhí)行機構(gòu)的全程運行速度取決于其電機的輸出軸轉(zhuǎn)速和其內(nèi)部減速齒輪的減速比，其通用性較弱，整個機構(gòu)缺乏完善的保護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)行機構(gòu)中，利用弱電控制強電，控制器控制變頻器驅(qū)動偏航電機帶動減速機構(gòu)轉(zhuǎn)動、偏航計數(shù)給控制器偏差信號，控制器自動糾正機艙角度。

二、偏航控制系統(tǒng)功能和電機控制原理

偏航系統(tǒng)也稱對風(fēng)裝置，是用來調(diào)整風(fēng)塔與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)。此文針對的偏航系統(tǒng)屬于主動偏航齒輪驅(qū)動形式。

（一） 偏航系統(tǒng)的功能

1、 正常運行時的自動對風(fēng)。

2、 繞纜時的解纜保護。

3、 失速保護時卸載保護。

（二） 偏航系統(tǒng)的電機控制原理

通過風(fēng)傳感器檢測風(fēng)向，并將檢測到的風(fēng)向信號送到控制器（如PLC等）中，控制器計算出風(fēng)向信號與機艙位置的夾角，從而確定是否需要調(diào)整機艙方向以及朝哪個方向調(diào)整能盡快對準(zhǔn)風(fēng)向。

1、 傳統(tǒng)典型的偏航系統(tǒng)框圖如下：

2、 偏航機構(gòu)中的電機采用接觸器正反轉(zhuǎn)控制（約占市場一半）

此電路具有過流保護、短路保護、過熱保護、正反轉(zhuǎn)機構(gòu)聯(lián)鎖保護等功能。

優(yōu)點：原理簡單，成本低。

缺點：電路復(fù)雜、保護功能較少，起動、制動沖擊大，起動電流大，無法準(zhǔn)確調(diào)速。

3、 偏航機構(gòu)中的電機采用變頻驅(qū)動方式（約占市場一半）：

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測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： 電機極對數(shù)）

如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機出于過電壓（過勵磁），導(dǎo)致電機可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。

優(yōu)點：保護功能非常完善，電路簡單、起動、制動沖擊小，起動電流小，具有與外界通信功能，隨時獲得并監(jiān)控電機電流、轉(zhuǎn)速等運行參數(shù)、可以準(zhǔn)確調(diào)速。外加制動電阻，采用減速停車方式，可以對風(fēng)葉轉(zhuǎn)動較快進(jìn)行減速，能通過故障代碼快速判斷故障原因。

缺點：成本較高、對使用維護人員水平要求較高。

三、電機保護及維護

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

（一）電機起動前準(zhǔn)備

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

2、電動機接地與變頻器接地分開，切實可靠。

3、電機與機械負(fù)載安裝是否良好。

4、按照變頻器說明書，對變頻器和電機接線進(jìn)行檢查，先不接電機，對變頻器各項參數(shù)逐一設(shè)定、調(diào)整，確認(rèn)無誤后，再連接電機。

（二）通電起動、參數(shù)調(diào)試

（三）電動機的維護修理

隨著運轉(zhuǎn)頻率的變化，基波分量、高次諧波分量在廣范圍內(nèi)變化，因而與電機各部分及機械負(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時，機械系統(tǒng)將有大的振動或噪聲，產(chǎn)生這種現(xiàn)象時，可采用增加系統(tǒng)剛度的方法來避免諧振，也可以利用變頻器的頻率跳動功能，使與諧振點相當(dāng)?shù)妮敵鲱l率向上或向下跳變，避開諧振頻率，實現(xiàn)平滑運轉(zhuǎn)。

（四）一般故障及排除方法

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

2、變頻器本體（參考變頻器的使用手冊進(jìn)行處理）

3、變頻器的后段——電動機、機械負(fù)載。

四、結(jié)束語

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