【1兆瓦风电机组电机对拖平台设计（论文）12000字】

1兆瓦风电机组电机对拖平台设计摘要近年来科学技术的不断发展，在新能源领域的发展成果也越来越多的走进人们的视野当中，根据我国的地理优势，很多地区适合发展风力发电，这种清洁的可再生能源逐渐被重视，而由于风力发电机机体尺寸通常较大，在我们设计安装时往往需要对机体内部风电机组的控制机柜进行测试校验，为了方便对风电机组控制机柜的测试校验，设计1MW传统鼠笼式异步发电机机型的风电发电机组的电机对拖平台，选取一台鼠笼异步电动机作为主动电机，也是对拖平台机械动力来源，选取针对1MW的鼠笼异步电动机作为从动发电机。在上位机将自然风模型仿真信号处理后传输至对拖平台的电气控制系统，利用变频器控制额定功率11KW的鼠笼异步电机和减速器模拟风电机组的叶轮机械传动部分，进行转速0-20r/min范围内无级平滑调速，以此来模拟兆瓦级风电机组的风轮系统，模拟风电叶轮能量转换过程中输出功率及转矩特性，拖动发电机进行风电机组控制策略及运行动态特性的模拟仿真，并且实时监测模拟运行后生成的信号反馈至电控系统。利用安装在异步电机转轴上的增量式光电编码器反馈从动发电机转速，实现双馈电机并网控制。本设计主要从两个方面对电机对拖平台进行设计，分别是电气控制电路的设计和对拖平台的设计。关键词：风力发电机；控制机柜；电机对拖平台；电气控制系统目录TOC\o"1-3"\h\u365摘要 24105第1章绪论 6180891.1研究背景 642371.2风电行业发展现状与问题 6277831.4风电机组电机对拖平台研究现状 8253071.5研究目的与内容 831620第2章风电机组电机对拖测试平台设计研究 9121082.1风电机组系统结构研究 922032.2电机对拖平台系统研究 1153532.2.1上位机 1212202.3电机对拖平台设计方案 137823第3章电控系统设计 14240693.1风电叶轮模拟系统设计方案 14241423.2异步电机变频调速电路设计 15127753.2.1变频器 15185433.2.2三相异步电机原理 15258033.2.3变频器基本原理 15297103.3变频调速设计 1719633第4章电机对拖平台硬件设计 20218074.1电机对拖平台异步电机选型 20213614.2增速器整体设计 20257704.3电机对拖平台其余硬件选型 22213624.3.1联轴器 223185第五章监控系统设计 22绪论1.1研究背景当前世界上所用的主要能源是煤、石油、天然气等不可再生能源。而随着全球工业化水平的不断发展进步，我们对能源的需求不断增加，但传统能源不可再生最后终究会消耗殆尽，并且每年消耗掉大量的不可再生能源会产生大量的污染和有害气体，对人类的生活环境和生态自然安全造成了极大的影响。人们对于可再生绿色能源的供给越来越重视，希望能够找到廉价且无污染的能源替代化石燃料的消耗，所以近年来寻找可再生的无污染能源改善世界能源结构成为了世界迫在眉睫的首要任务，因此近年来，各种新能源企业越来越多，新能源产业得到了飞速发展，对于新型可再生能源的应用利用技术越来越成熟。风能作为一种可再生的绿色能源，全球蕴含的风能资源十分丰富。风能是由温度差、地形差异、空气流动等原因产生，其实也是太阳能的另一种形式，安全无污染、取之不尽，用之不竭，若能够有效地利用风能资源，不仅能提高人们的生活质量，对生态环境的保护也有重大意义。在新能源发展过程中，风能开发凭借着其储量丰富、建设周期短，环境要求不高，利用率较高等特点在世界各国得到了持续而快速的发展。由于风力发电是低排放、低污染的低碳电力发展模式，因此将其作为电能可持续发展的重要战略选择之一[[]刘波,贺志佳,金昊.风力发电现状与发展趋势[J].东北电力大学学报,2016,36(2):7-13.[]刘波,贺志佳,金昊.风力发电现状与发展趋势[J].东北电力大学学报,2016,36(2):7-13.1.2风电行业发展现状与问题根据全球风能理事会（GWEC）[[]BurtonT,SharpeD,JenkinsN,etal.WindEnergyHandbook[M]//Windenergyhandbook/.Wiley,2011.]统计全球风电产业2017年新增装机52.57GW,累计装机容量可达539.58GW。海上风电装机部分，欧洲地区和亚洲印度地区实现战略性突破。根据全球风能理事会和绿色和平联合发布的最新报告，两机构预测，到2030年全球风电装机总量将达到2000GW。届时，风能的发电量将达到全球总发电量的17%到19%，风能产业还会带来约200万个就业岗位并减少二氧化碳排放30亿吨。同时，两家机构还预测，到2050年，风能将为全球提供25%到30%的发电量。2020[]BurtonT,SharpeD,JenkinsN,etal.WindEnergyHandbook[M]//Windenergyhandbook/.Wiley,2011.图1.2.1我国风电2009年到2020年装机总量风力发电如此快速的发展，极大依赖于国家优惠政策的扶持和风电技术的成熟。风力发电技术主要包括风电整机制造技术和风电并网技术，后者涉及储能技术、功率系统控制补偿技术、低电压穿越技术等，不同时期对两部分技术的发展也有所不同。作为大型风电机组控制技术的核心部分之一，其对提高风力发电效率、发电质量以及发电机组的安全运行起着十分重要的作用。风电领域大部分整机厂商，例如金风科技、远景能源、明阳风电、华锐风电等都成立了变桨技术相关研发团队进行独立研究，相比于主控控制器、开关电源等系列产品，许多变桨控制器、控制柜成为公司推整体解决方案的主流配套设备之一。风电机柜控制系统的性能对提高风为发电的效率、发电质量以及发电机组的安全运行都起着十分重要的作用，是影响风力发电系统正常工作的关键要素。由于近几年国内风电行业的发展迅速，在风电领域一些技术问题也逐渐凸显，对于电力能源来说风电存在着一些不可控的因素，由于风力发电是由风能转变成机械能，机械能再转化成电能，而风能是不可控的。自然风不是恒定的，导致风力发电输出的电能也具有间歇性，并且有时风力太小是输出电能较小，有时有风力太大输出电能太大，不能做到平滑输出。当前使用条件下电能基本上都是即发即用，即从电厂发出来的电，经过电网传输到用户，用电器直接使用，经过的是源-网-荷三大环节，中间没有存储的环境。这就要求发用电实时平衡。因此，大量的风力发电接进将出现随机间歇性输入冲击电网，接入电网后便会对电网产生冲击，电网不具备储能功能，所以会带来潜在不安全因素。此外，间歇性会降低输电设备利用率。还有逆调峰增加电网调峰难度、能源与负荷区域错位等较为明显的问题。所以对于风电机组随机间接性输出的研究解决是现阶段最大的问题。1.4风电机组电机对拖平台研究现状目前由于国内对风电行业的扶持，风电技术研究逐渐起色，国家高校实验室和一些能源企业对风电机组的研究由以前的计算机仿真建立数据模型的模拟研究，发展到近些年实验室内搭建硬件物理仿真和半硬件物理仿真的实验平台研究。文献[5]、文献[6]中搭建了一套“风力发电物理实验平台”。还有部分高校和实验室搭建了大型双馈机组物理实验仿真平台，利用变频器和异步电动机模拟风电机组的动力装置，模拟风电叶轮将风能转换成机械能的输出特性，拖动发电机发电进行风电机组的控制、运行状态以及增速器的各种传动特性的模拟研究。1.5研究目的与内容本设计主要解决风电机组控制电柜在设计装配和校验时无法在实况环境下测试，用11KW的电机对拖平台模拟1MW风电机组的工作状况，方便控制电柜设计装配和校验工作，简化设计安装人员对控制电柜产品的性能把控。主要内容如下：1、风电机组电机对拖平台整体结构的设计：经过对风力发电机组的结构组成以及控制原理分析研究，在此基础上设计一个有完整回路的实验平台，并且考虑经济性、做可行性分析，设计出由变频器控制的风电叶轮模拟系统、传动系统、电气控系统和监控系统组成的测试平台设计方案。2、风电叶轮模拟系统的设计：在无实况实验室环境下，搭建测试平台的动力输入部分，提出风电叶轮模拟系统的设计方案。风电叶轮系统是风电机组能量转换的核心装置，研究分析风电叶轮的运行过程及结构设计，完成风电叶轮模拟系统的硬件设计方案。3、电机对拖平台硬件设计：包括传动系统、电机系统设计以及连接硬件设计选型，研究分析风电机组的传动系统组成结构及性能要求，分析齿轮箱的选型及日常运行维护注意事项。本着经济适应的原则，提出本文测试平台传动系统的设计方案。分析发电机的内部构造，掌握其能量转化过程及原理，最后给出发电机控制及终端负载的设计方案硬件选型。4、电气控系统和监控系统设计：研究分析电机控制系统及各个设备间的通信问题，提出可靠的控制系统连接方案。提出并完成风电机组实验平台的监控系统设计方案。设计内容及要求有：设计电机对拖平台，其中主动电机采用变频器控制设计，要求有启动停止、外接通断和调速范围可达0-20r/min，提供过载保护。满足1MW风力发电机组实时工况仿真模拟测试。第2章风电机组电机对拖测试平台设计研究2.1风电机组系统结构研究设计模拟风发电机机组的电机对拖平台就要分析风力发电机结构组成，从而了解内部结构的工作原理，准确的设计模拟电机对拖实验平台。风力发电机叶轮绕着水平轴旋转，风能利用率高、安全且可控，一般有上风向和下风向两种风力机。下风向水平轴风力机叶片位于塔架的下风侧，在叶片载荷和功率方面，比上风向水平轴风力发电机有更多的波动，进而影响整机性能。故目前上风向风力发电机使用最为广泛，其结构如图1.3.1所示，主要由塔架、机舱、叶片、控制系统、传动系统以及偏航系统等组成。图1.3.1风力发电机组各系统功能分别如下：（1）风电叶轮是将风能转换成机械能的机械部件，包括轮毂与叶片两部分，通过风能对叶轮的作用带动轮毂旋转，由轮毂与主轴的连接作用将动能传递到传动系统；（2）传动系统包括主轴、齿轮箱、制动结构等部件，通过齿轮箱将动力传递给发电机；（3）发电机是将机械能转变成电能的关键部件，通常有异步发电机和同步发电机两种；（4）机舱是风机的主要承载部件，主要包括外壳、主机架等部件；（5）偏航系统，是为了实现对风动作[[][]陈新厂．大功率风力发电机组轮毂的结构强度分析及优化设计［Ｊ］．重庆大学，2008.5从风电机组的运行调节技术上分析，现阶段控制机柜对于风电机组的控制技术分为定桨距调节技术、变桨距调节技术、主动定桨调节技术变速恒频调节技术。从运行方式上看可以分为恒速恒频运行和变速恒频运行。由于恒速恒频运行存在一些缺点，会在风速较大时传递给主轴，齿轮箱等机械部件较大的应力变化造成疲劳损坏。变速恒频相比不存在这些缺陷，能做到随风速变化调节转速，因此本文内容首要目的是在室内无风情况下对风电机组的控制机柜进行测试，搭建一套软件硬件结合的模拟测试平台。\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下：风电控制系统的现场\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"以太网交换机、\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"现场总线通讯网络、\t"/item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F/_blank"UPS电源、紧急停机后备系统等。2.2电机对拖平台系统研究根据风力发电机的工作原理，在室内搭建模拟风电机组的对拖平台，模拟风力发电装置实际工作状况，经过对风力发电过程进行分析，可以分为将风能转化为机械能的叶轮、将叶轮转速扩大的增速器部分，然后是将机械能转化为电能的发电机部分，以及对整个风力发电机实时控制的电控柜。在室内无实况环境下搭建模拟测试平台对风力发电实际过程模拟研究，大致分为以下几个部分：（1）上位机模型：是模拟各种风机实况下可能接受的自然风模型终端，作用是在上位机仿真自然风模型数据输入需要测试的模拟风力风速信号，在室内环境下提供人机交互界面，可以完成输入用户命令、变更参数、显示系统运行状态、统计数据和故障显示，以及提供与其余各系统之间的通信；（2）电气控制系统：作用是变频控制电机调速、启停、以及电机保护，对输入输出信号处理并且下达控制指令，同时由光电编码器将电机转速反馈至测试机柜，完成对整个对拖测试平台各部分之间的信息传递和管理；（3）传动系统：联结风电叶轮模拟系统和发电机系统，并且将由变频控制的主动电机的输出的动力经过齿轮箱调至适合的转速带动从动发电机；（4）监控系统：及时完成对对拖平台运行过程中测量量和控制量进行监控和处理指令的传达，监控整个平台的运行状态，以及对故障进行实时报警。系统结构原理如图2.2图上位机上位机即PC端，提供给对拖测试平台自然风模型，基于Windows的控制软件，可以在Matlab/Simulink中建立控制模型，参数调整后，将模型导入设计好的仿真软件中运行，用户可以根据相应的自然风模型输入风速，以及设定桨距角、叶片半径、转动惯量等值，以及一些已知的风速特性，通过PC端运行仿真后可经过I/O接口进行通信，实现控制指令的下达和运行状态的显示监测。经下位机运行后用户可在上位机查询统计数据、运行参数、电压电流、转速转矩等信息。根据上位机功能选择现有的软件系统与用户完成交互界面，运行测试时对风速模拟、参数设置、通信、数据统计及监控模块显示。本文当中主要设计对拖测试平台，下文不在对上位机介绍。2.3电机对拖平台设计方案电机对拖实验平台主要就是基于风电机组运行原理，将接受风力转动的叶轮可视为主动电机，经过叶轮转动带动增速器增速的部分视为传动装置，最后带动发电机的转子进行发电，搭建一套硬件设备以及相应的控制系统，模拟仿真风力发电机组的运行过程，测试风电机组的控制电柜的性能。搭建电机对拖实验平台应该在保持原有的实际工作状况，不改变不影响风电机组的运行特性，在搭建实验平台的硬件设计上选择结构简单和尺寸较小的，以及考虑到经济性、适用性、维修方便等因素。在室内环境下测试1MW风力发电的测试机柜，本文设计一套功率为11KW的电机对拖实验平台。此平台可以将接受风力的叶轮动力源部分和发电的部分用三相异步电动机代替，11KW的增速器部分按照相应的的增速比设计，考虑到模拟的准确性以及在工作时的平稳性，安装维修的简便性，平台尺寸，可设计为主动电机、增速器和从动电机同轴传动，连接装置选择联轴器。测试平台由变频器、驱动电机、增速器、联轴器、被测电机、负载电阻以及平台底座构成。电源及上位机仿真模型部分由现场终端提供。对拖平台建设方案拓扑图如图2.3图2.3第3章电机对拖动力系统设计风力发电系统在进行能量转换过程中首先应用的就是风电叶轮系统，风电叶轮将各种可以吸收到的风能带动叶轮旋转，将叶轮所受的自然风载荷转换成机械能，在通过机械传动系统传递给发电机转化成电能。由于在实际状况下风能随机波动性较大相对产生的电连接到电网上会产生对电网系统的损害，所以风电机组在实际环境下对于过高或者过低的风速都不会启动风电机组发电。搭建一套对于风电机组控制机柜的测试对拖平台首要解决的是动力源问题，要模拟风电叶轮系统的实际运行状态，就要能够实现调速控制，监控转速的要求。本章将对电气控制系统进行设计，包括驱动电机和控制电路设计。控制电路负责对电机进行变频调速，检测运行时电机转速转矩等信号，并且对检测到的反馈信号作出处理。3.1风电叶轮模拟系统设计方案搭建一套小型对拖测试平台，风电叶轮模拟系统动力源采用一台鼠笼异步电机，通过转速转矩测量电路测得信号反馈至测试机柜，经过控制算法的计算后下达控制信号，对驱动电机进行调频变速，转速控制在0-20r/min，达到真实模拟风电叶轮的运行转速。原理如图3.1所示。图3.13.2异步电机变频调速电路设计3.2.1变频器变频器是把频率为50Hz的工频电源变成各种频率的交流电源，从而实现电机的无极变速运行。变频控制电路为主控电路，整流电路将交流电换成直流电，直流中建电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算得CPU以及一些相应的电路。3.2.2三相异步电机原理异步电动机当对三相定子绕组中通入对称的三相交流电，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，所以转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生于感应电动势方向基本一致的感应电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转方向旋转，从而驱动电动机。3.2.3变频器基本原理交直交通用变频器系统框图如图3.21.主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它主要由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。（1）整流器：大多使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到三相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。图3.2控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的运算电路，主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。如图3.3交-直-交变频器主电路。图3.33.3变频调速设计变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速,交流异步电机转速公式为：n=60f1pn(式中：f—三相交流电源频率，一般为50Hz；p—异步电机磁极对数；s—异步电机转差率；n0转子的实际转速n比磁场的同步转速n0要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：s=当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n0，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的转差率在1％~6％综合式（1）和式（2）可以得出n=60f1p由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率的同时还要调整电压，故称变频变压型（VVVF）变频器。搭建11KW的电机对拖测试平台，确定了调速方案，根据对调速精度和动态性能方面都有较高的要求，经过比较选择带有速度反馈的变频器，德力西EM60G7R5T4B变频器，变频器参数如表3.1型号德力西EM60G7R5T4B额定功率11KW输入AC3PH380V输出AC3PH380V25A表3.1接线时在测试平台旁固定好变频器，然后把变频器的端口一一连接到测试平台上对应的端口。测试平台上的端口是为了方便之后的插线而准备的。把变频器相对应的端口和光电编码器连接到异步电机上。变频器数据信号接口上接控制机柜进行通讯控制。闭环反馈测试控电机柜时由上位机对风速、风况进行仿真模拟，对应的模拟信号输入至风电控制机柜，在变频器的VF1-GND端子接口处接被测电控柜的模拟量输入，一般是0-10V的电压信号和0-20mA的电流信号。由模拟信号输入量电压或者电流的大小对拖动电机进行无极调速，模拟输入量电压或者电流的值越大变频频率越小，电机调速越小。在平台安装测试可以外接电位器进行变频调速，通常选用阻值范围在5kΩ左右的电位器进行测试调节，阻值越大，电流越小，变频频率越小，电机转速越小。德力西EM60变频器接线图如图3.4.图3.4变频器主电路接线图如图3.5所示。R、S、T是变频器的输入端，接电源进线。U、V、W是变频器输出端，与电动机相接。输出端与输入端绝不允许错接，否则会发生电源短路故障。图3.5电机对拖平台硬件设计经过对风电机组运行原理研究以及对风电叶轮模拟系统的分析，在设计好相应的变频控制系统后，搭建物理电机对拖测试平台，整体平台包括两部异步电动机、联轴器、增速器、光电编码器、负载电阻、承载底座。图4.14.1电机对拖平台异步电机选型针对1MW风力发电机组的电机对拖模拟平台主动电机和从动电机采用三相异步电机。由于此实验平台为室内用于测试的小型平台在功率上选择经比例缩小100倍的11KW电机，再考虑到输出特性以及一些功率损耗选择11KW的三相异步电机，参数如表4.2所示：表4.1三相异步电机参数型号M2QA160M4A极数4额定功率11KW防护等级IP55额定电压AC3PH400/690V重量117Kg额定电流12.1-21.2A轴径42mm转速1450r/min轴伸110mm效率87键宽12mm功率因数0.85键长100mm（实测）4.2增速器整体设计传动装置是运动机构当中的重要组成之一。传动装置的设计是否符合运动学原理、加工工艺和生产制造质量能否达标，都是增速器质量的关键问题。传动方案有很多，机械传动依照工作原理分为摩擦传动和啮合传动、蜗杆传动、带传动、链传动。由风力发电机的工作环境以及传动特点，常见传动方式是齿轮传动。齿轮传动有着工作安全可靠，传动稳定、寿命长、瞬时传动比恒定、结构紧凑的优点。风力发电机的工作环境是多风沙环境，结合润滑要求一般采用鄙视传动以满足使用。风力发电机增速器设计通常是要求传动比大、均载效果好、工作效率高的性能，目前国内大多数生产的风力发电增速器按照传动形式分为展开式、分流式、同轴式和混合式。本设计当中选用同轴式增速器。风力发电机增速器大多采用行星传动，由行星架作为输入，太阳轮作为输出。其结构特点是：（1）太阳轮和行星架采用浮动设计，结构简单，重量轻，惯性小，作为均载浮动件时浮动灵敏，可以有较好的均载功能，被广泛用于中低速工况下的浮动均载；（2）行星架作为输入轴，适合风力发电机受力大、转矩大的特点。所以本设计当中模拟1MW风力发电增速器设计，由于实际工作时其大功率、大传动比、大扭矩等特点，电机对拖平台的增速器是采用同轴式行星齿轮传动的结构形式，采用三级行星齿轮传动方式。增速器作为风力发电机的重要传动部件，采用两个增速器背对背同轴连接模式，先将主动电机先减速后再增速，第一增速器将小转矩转化为大转矩，高转速转化为低转速，改变运动形式的功能，在设计对拖平台的增速器时要求与风力发电机的增速器工作状况相同。第一增速器虽然本身不会产生动力，但是它的作用是利用齿轮大小不同和速度转换，将电动机的回转速度减速到目标回转数，并且得到较大转矩的机构。如果采用直接调整电动机的转速，主电动机直接接在从动发电机上，当从动发动机运转时主动电机的负荷是非常大的，这样对电动机的损害非常大，也不利于风电机组运行特性的真实性，比如速比为100的增速器，增速器的转数比=输入转数/输出转数。转数比为100，输出转矩大约为输出转矩的100倍，转速减慢而转矩增加，机器运转时对电机的负荷就只有原来的百分之一，这样对于电动机也是一种保护。拖动电机满功率运载下转速为1450r/min,要实现模拟风电叶轮实现0-20r/min，需要速比为75的增速器。经过对比选型选择上海精北传动机械有限公司减速器（BW320-75-T）电机对拖平台增速器主要设计参数如下表4.2表4.2增速器参数额定功率11KW输入转速0—20r/min增速比1:75分度圆压力角20°输入转矩（低速轴）5390N.m输出转矩（高速轴）70N.m低速轴轴径90mm高速轴轴径48mm低速轴轴伸140mm高速轴轴伸110mm低速轴键宽25mm高速轴键宽14mm4.3电机对拖平台其余硬件选型4.3.1联轴器联轴器的种类有两种，分别是挠性联轴器和刚性联轴器。拖动电机和发电机与增速器部分连接轴需要传递较大的转矩，考虑到此平台结构简单，要拆装方便所以采用刚性联轴器连接，根据联轴器选择原则考虑到所需要传递的转矩大小和性质，以及工作环境和装配误差等因素综合考虑选择联轴器型号。联轴器参数如下表4.3。联轴器内孔开键槽，装配后用顶紧螺栓紧固。采用两套联轴器，分别是异步电动机与增速器端用联轴器。表4.3联轴器开孔直径增速器端48mm电动机端42mm键槽尺寸增速器端键槽宽14mm键槽长70mm电动机端键槽宽12mm键槽长70mm外径230mm长度140mm许用扭矩5600N.m最高转速7000rpm公差H74.3.2光电编码器对于转速的监测选择光电编码器接在两个电动机的转子伸出轴上将轴的角位移量转化为数字信号脉冲信号。对此采用增量式空心轴编码器实时监测高速轴和低速轴转速，经过内置光电元件将转速脉冲信号转换成转速信号，最后将转速信号传输至控制机柜对下位机实时进行反馈控制并且在上位机进行转速显示监控。编码器参数如表4.4表4.3编码器参数开孔直径42mm精度1024p/r外径100mm最高转速5000r/min厚度43mm电源规格DC24V4.3.3负载电阻和底座本对拖平台底座的设计需要考虑以下因素：根据电机和增速器总体搭建尺寸决定平台的总体尺寸，便于在室内使用，要便于在室内对各个零部件（增速器、联轴器、电动机）的安装与固定，能将测试平台的整体重量均布在承载平台上，还要保证有良好的平稳性，尽可能减小测试时电机运行时产生的振动影响。为此考虑承载底座可固定在有T型槽的钢构架上，平台表面T型槽和孔可以方便电机以及增速器的固定。负载电阻一般选用电热器，功率选择11KW即可。在负载电阻前加装电流电压传感器，并且将信号传输至上位机进行实时监测。 第5章监测控制系统5.1监测控制系统方案风电机组电机测试平台整体的结构系统经过前几部分已经设计完成，在搭建好对拖测试平台后，为更加直观的观察测试结果，以及在测试过程中各个部件运行的状态，在本章设计一系列测试平台的监测控制系统。本测试平台供电侧考虑到实验室内一般为380V的交流电压源，监测控制系统中包括对测试平台总电源的通断；拖动电机转速反馈监测，发电机转速、电压、电流、频率监测，由于拖动电机与发电机的出口电压为690V，所以变压器平台侧为690V。设计方案如图5.1所示。图5.15.2对拖平台控制电路及数据采集对拖测试平台在室内环境完成风电控制机柜测试，需要为拖动电机提供380V的交流电压源，安装时与变频器对应接口相连，功能要求有能够完成测试平台电机的启停、正反转、外接通断、过载保护并且有相应开关显示的继电器控制电路。电气原理如图5.2图5.2数据采集需要将拖动电机的转速转矩，发电机的转速、电压、电流、频率采集后传输至被测控制机柜，控制机柜将相应的信号反馈至上位机，由上位机风电模拟仿真程序的运算后进行统计和下位机的反馈控制。统计相应的测量量，检测控制机柜的各项性能。第6章总结与展望6.1总结风电机组目前在市场上发展前景宽广，对于我国西北、华中、华北平原以及海上风电来说有着显著的发展前景，对与风电机组控制技术的研究还存在不足，风力发电控制机柜作为整个风电机组的核心，多数能源企业都对其