風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),風(fēng)力,發(fā)電,偏航,減速器,試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)
論文（設(shè)計(jì)）題目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 2006183927 姓名： 余浩 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 楊世平 系主任： 周友行
一、主要內(nèi)容及基本要求
1. 設(shè)計(jì)計(jì)算部分： 分析偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的工作原理，分析偏航減速器的齒輪和惰輪嚙合的關(guān)系式。并通過(guò)對(duì)惰輪軸的校核進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)估計(jì)其惰輪軸的最小直徑，最后對(duì)各零件進(jìn)行定位，最后設(shè)計(jì)出偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)。
2. 運(yùn)行控制部分設(shè)計(jì)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用了電機(jī)加載方式，并實(shí)現(xiàn)能量回饋控制。 運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變頻電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)減速器運(yùn)行工況的模擬：控制加載電機(jī)的方向轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬，采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接矢量控制，以提高轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精確性；采用直流母線的方式實(shí)現(xiàn)能量的回饋；以檢測(cè)控制臺(tái)的旋鈕實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負(fù)荷的遠(yuǎn)程控制。測(cè)試對(duì)象為偏航減速器運(yùn)行控制系統(tǒng)。運(yùn)行控制系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，主電路實(shí)現(xiàn)功率級(jí)的電機(jī)控制，控制電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)的控制，包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)、加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)、加載電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、啟停的實(shí)現(xiàn)、空損和加載試驗(yàn)工位的選擇、急停功能的實(shí)現(xiàn)、超出正常工況的報(bào)警、直流母線的通斷控制、電機(jī)散熱風(fēng)扇的延時(shí)關(guān)閉、電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制，采用PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。
3. 設(shè)計(jì)要求 測(cè)試對(duì)象：2MW風(fēng)電機(jī)組偏航減速器，主要測(cè)試數(shù)據(jù)：輸入、輸出 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)動(dòng)效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動(dòng)、被試件輸出小齒輪轉(zhuǎn)速，測(cè)試數(shù)據(jù)精度要求：溫度±1°C,轉(zhuǎn)速±1%,轉(zhuǎn)矩±1%，結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，功能可擴(kuò)展。，偏航減速器輸入功率3KW、輸入轉(zhuǎn)速940rpm、傳動(dòng)比1330±1%、輸出轉(zhuǎn)速0.7-0. 9rpm、輸出齒輪扭矩24KW.M、工作壽命為滿載荷1年。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
本課題的研究目的就是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本功能及所需檢測(cè)的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)的特點(diǎn)，以檢測(cè)實(shí)用性、操作方便性、使用可靠性為原則來(lái)完成整個(gè)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，運(yùn)用PLC對(duì)偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和加載電機(jī)進(jìn)行控制。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
學(xué)習(xí)LabVIEW技術(shù)知識(shí)
2010.2.10
2
查找課題有關(guān)文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)PLC技術(shù)知識(shí)
2010.2.25
3
偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2010.3.10
4
各個(gè)零件的設(shè)計(jì)
2010.3.20
5
運(yùn)用Solid edge畫(huà)實(shí)體圖和裝配圖
2010.4.15
6
運(yùn)用Solid edge畫(huà)零件圖
2010.4..20
7
運(yùn)行控制部分和測(cè)試部分的選型與設(shè)計(jì)
2010.5.10
8
設(shè)計(jì)的整理與設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)
2010.5.20
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
［1］濮良貴,紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京:高等教育出版社,2002.
[2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-第三卷[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.
[3] 嚴(yán)陸光,倪受元.太陽(yáng)能與風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與展望[ J ] .電網(wǎng)技術(shù),1995,20.
［4］李世蕓.Solid Edge三維設(shè)計(jì)教程[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.7.
［5］侯國(guó)屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M]. 清華大學(xué)出版社，2005.2.
［6］戴敬.LABVIEW基礎(chǔ)教程[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2002.
［7］孫垣,陳做模.機(jī)械原理[M].高等教育出版社，2006.5.
［8］解蕾,張延遲,解大.風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和研究[J].2007,34(11).3.
［9］懂泳,王洪杰.PLC控制技術(shù)在礦用試驗(yàn)臺(tái)上的研究[J].2008，16(6):2.
[10］蒲曉波. 西門(mén)子 PLC在盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用[J].2009,29(1):1.
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2006183927
姓 名： 余浩
指導(dǎo)教師： 楊世平（副教授）
完成日期： 2010年5月27日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 200183927 姓名 余浩 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
評(píng)閱人：
2010年5月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)
學(xué)號(hào)： 2006183927 姓名 余浩 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）45 頁(yè) 圖 表 4 張
論文（設(shè)計(jì)）題目： 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要：
風(fēng)能，作為一種綠色能源，日益受到專家學(xué)者的重視。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐
漸成為科研人員研究的熱點(diǎn)。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一是單機(jī)容量不斷增大，
利用效率提高，大功率(兆瓦級(jí))、并網(wǎng)型機(jī)組己成為發(fā)展方向。提高偏航減速器的使用
性能和使用壽命，是降低技術(shù)成本，提高風(fēng)場(chǎng)發(fā)電能力，高效利用風(fēng)能的重要手段。
因此，風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)成為當(dāng)今主流產(chǎn)品。搭建風(fēng)力發(fā)電偏航減速器
試驗(yàn)平臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上確定了偏航減速器的各種性能參數(shù)，達(dá)到更好利用對(duì)風(fēng)裝置。
本設(shè)計(jì)以各類(lèi)行星齒輪減速器檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和各種檢測(cè)工具性能、試驗(yàn)環(huán)境要
求，針對(duì)實(shí)現(xiàn)偏航減速器各種性能參數(shù)檢測(cè)的設(shè)計(jì)。首先應(yīng)設(shè)計(jì)出偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)
機(jī)械部分，畫(huà)出惰輪的裝配圖，箱體、惰輪、惰輪軸的零件圖，然后設(shè)計(jì)運(yùn)行控部分
，最后進(jìn)行檢測(cè)部分的選型。因此，偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)可檢測(cè)出偏航減速器的制各種
性能指標(biāo)，來(lái)判斷偏航減速器在對(duì)風(fēng)過(guò)程中是否能夠正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)的過(guò)程中，利用
了風(fēng)力發(fā)電各種傳感器的性能指標(biāo)和傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)，并以此計(jì)算出惰輪軸的最小軸
徑和校核惰輪軸，在設(shè)計(jì)軸的過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的如何正確定位知識(shí)來(lái)進(jìn)行軸
的定位，并且正確選取滾動(dòng)軸承。在進(jìn)行運(yùn)行控制部分設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用PLC來(lái)控制電動(dòng)
機(jī)的運(yùn)行，并運(yùn)用LabVIEW來(lái)進(jìn)行軟件控制界面設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)試驗(yàn)的條件來(lái)選擇測(cè)試元件。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)
指導(dǎo)教師：
年 月
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)
答辯小組組長(zhǎng)：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見(jiàn)
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
目 錄
摘 要………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………2
第1章 緒論 3
1.1課題的研究背景 3
1.1.1當(dāng)代能源危機(jī)問(wèn)題 3
1.1.2環(huán)境問(wèn)題 3
1.1.3新能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 4
1.2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.2.1國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.2.2國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.3風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)研制的目的及意義 6
1.4風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的研究情況 6
1.5本文論文研究地內(nèi)容 7
第2章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)工作的要求 8
2.1偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本設(shè)計(jì)依據(jù) 8
2.2偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本功能 8
2.3本章小結(jié) 8
第3章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)方案及其具體設(shè)計(jì) 9
3.1試驗(yàn)臺(tái)整體方案 9
3.2偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)工作的原理 9
3.3 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分的具體設(shè)計(jì) 9
3.3.1偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分總體設(shè)計(jì) 9
3.3.2偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 10
3.3.3偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 19
3.4 本章小結(jié) 21
第4章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23
4.1 變頻調(diào)速基本概念 23
4.2 變頻調(diào)速的類(lèi)型 23
4.3變頻器的組成 25
4.4變頻器的主要功能 25
4.4.1變頻器給定功能 25
4.4.2升速、降速和制動(dòng)功能 26
4.4.3控制功能 26
4.4.4保護(hù)功能 26
4.5本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器及RIOM板接口 26
4.5.1本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器 26
4.5.2本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器的RIOM板接口 29
4.6運(yùn)行控制系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)方式 30
4.6.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度調(diào)節(jié) 30
4.6.2加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 30
4.6.3驅(qū)動(dòng)、加載電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 30
4.6.4啟動(dòng)、停止的實(shí)現(xiàn) 31
4.6.5空損/加載工位的選擇 31
4.6.6急停功能的實(shí)現(xiàn) 31
4.6.7超出正常工況的報(bào)警 31
4.6.8直流母線的通斷 31
4.6.9電機(jī)散熱風(fēng)扇的延時(shí)關(guān)閉 31
4.6.10電機(jī)的電動(dòng)控制 32
4.7本章小結(jié) 36
第5章 偏航減速器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 37
5.1測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 37
5.2測(cè)試系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式 37
5.2.1減速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量 37
5.2.2 油溫及殼體溫度的測(cè)量 38
5.2.3 箱體振動(dòng)檢檢測(cè) 38
5.2.4箱體壓力檢測(cè) 38
5.2.5減速器小齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量 38
5. 2.6數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī) 38
5.2.7測(cè)試系統(tǒng)元器件的選型及價(jià)格 39
5.2.7傳感信號(hào)抗干擾傳輸 39
5.3 本章小結(jié) 39
第6章 結(jié)論 40
參考文獻(xiàn) 41
附錄 42
風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)
摘 要：隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，能源的開(kāi)發(fā)和利用是人類(lèi)進(jìn)入20世紀(jì)不斷探索的主題，風(fēng)力發(fā)電作為環(huán)保、經(jīng)濟(jì)型能源受到國(guó)內(nèi)外研究工作者廣泛關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電偏航減速作為大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行性能，因此，檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的性能，對(duì)保證風(fēng)力對(duì)風(fēng)裝置的運(yùn)行意義重大。
本文對(duì)目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷史和風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的研究進(jìn)行概括。同時(shí)，闡述了本課題的研究意義，并對(duì)本論文的研究?jī)?nèi)容做逐一介紹。提出了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器功能和運(yùn)行條件要求，并闡述了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的工作原理和控制理論依據(jù)，確定了本論文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)做了具體設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)出了偏航減速器試驗(yàn)的總體結(jié)構(gòu)。
最后對(duì)運(yùn)行控制部分做了具體設(shè)計(jì)，畫(huà)出了電氣控制圖和程序梯形圖，闡述了測(cè)試部分的設(shè)計(jì)過(guò)程，使風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到最好的檢測(cè)效果。
關(guān)鍵字：風(fēng)力發(fā)電，偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)，控制方法，運(yùn)行控制，總結(jié)。
wind power generation test-bed of the yaw reducer
Abstract: Now, energy sources consume increasing daily and environment empoison being serious gradually, Since the beginning of the 20th century, he development and utilization of energy is an issue constantly explored by human beings．Wind power, as a green and economical energy source，has attracted a lot of attention from researchers and specialists home and abroad．Yaw reducer is the essential components of the wind device，so it has great significance to study their manufacturing technology，and its condition affects the working condition of wind turbine. So it's very important for wind power generation test-bed of the yaw reducer are detected.
The background of this project was presented and author overviewed development situation and current research of wind power generation test-bed of the yaw reducer. Meanwhile, the author represented the meaning of the project and put forward the main object of this research project. The proposed operation requirements and function of wind power generation test-bed of the yaw reduce, the theoretical foundation of wind power generation test-bed of the yaw reducer was built, the concrete design of wind power generation test-bed of the yaw reducer, and reasonable design of the general structure of the test-bed of the yaw reducer.
Finally, the specific on operating control parts design ,and drawing the electrical control and process ladder diagram, expounds operating control part of the design process, and make the best of wind power generation test-bed of the yaw reducer.
Keywords: wind power generation, test-bed of the yaw reducer, control method, operational control，summarize.
- 2 -
第一章 緒論
1. 1課題的研究背景
1. 1. 1 當(dāng)代能源危機(jī)問(wèn)題
能源是人類(lèi)文明發(fā)展的“血液”，同時(shí)也是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要前提。自從200年以前工業(yè)革命開(kāi)始到現(xiàn)在，全球的能源消耗就急速增長(zhǎng)，能源已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大障礙。其中當(dāng)代所面臨的能源情況為：
1) 能源資源
從資源上來(lái)說(shuō)，資源總量小，約為世界的10%；人均水平低，為世界人均水平的40%；能源結(jié)構(gòu)單一，主要來(lái)自化石燃料—煤、石油和然氣；圖1-1示出了我國(guó)和世界一次商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。
圖1-1 我國(guó)和世界一次商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)
截止到2006年底，探明總資源量為8230億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明剩余可采總儲(chǔ)量1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；剩余可采儲(chǔ)量的保證程度為煤炭80年、石油15年、天然氣30年汾別為世界平均水平的1/2、1/3和1/2；資源中以煤為主，缺乏石油、天然氣資源。如圖1-2所示。
2) 人均能耗
人均能源消耗是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮程度的晴雨表。我國(guó)目前的人均年消耗為1292公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，為美國(guó)的10%，日本的22% ， OECD國(guó)家的19%，世界平均水平的61%；要達(dá)到世界平均水平需要30億噸，達(dá)到OECD國(guó)家平均水平需要85億噸。
1. 1. 2 環(huán)境問(wèn)題
近年來(lái)，環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，多人們帶來(lái)了很大的影響。其中化石燃料的消耗給人類(lèi)所造成的環(huán)境污染和安全問(wèn)題已經(jīng)成為社會(huì)的主要矛盾?；剂系娜紵嗣禾慨a(chǎn)生的揚(yáng)塵之外，還會(huì)釋放C02， S02， NOx，和CO等。這些氣體(酸雨和酸沉降)的排放，會(huì)導(dǎo)致全球氣候變暖(溫室效應(yīng))及煤煙型大氣污染。主要依靠煤炭的發(fā)展中國(guó)家，
如中國(guó)、印度等的空氣污染已相當(dāng)嚴(yán)重，按目前污染排放推算，再過(guò)100年，人類(lèi)將無(wú)法在地球生存。
1. 1. 3 新能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
面對(duì)能源的短缺和環(huán)境污染所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，我們必須大力開(kāi)發(fā)利用可再生能源資源。其中風(fēng)能是世界上最具大規(guī)模應(yīng)用潛力的可再生能源。我國(guó)蘊(yùn)含著巨大的風(fēng)能資源，特別是東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙古和河西走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區(qū)，每年風(fēng)速在3m/s以上的時(shí)間近4000小時(shí)左右，一些地區(qū)年平均風(fēng)速可達(dá)6~7m/s以上，具有很高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。如圖1-2所示為中國(guó)的風(fēng)力資源分布情況，東南沿海屬于中強(qiáng)壓地帶，石油、煤炭資源匿乏，而且高速的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)電力的需求又很大，所以風(fēng)能開(kāi)發(fā)具有廣闊的前景。北方從通過(guò)甘肅到內(nèi)蒙古，是中國(guó)風(fēng)力資源最豐富的地區(qū)，而且這一地區(qū)的風(fēng)速穩(wěn)定，很少有紊流和咫風(fēng)現(xiàn)象，人口稀少，地域平坦，適合發(fā)展大型風(fēng)力發(fā)電廠，這一地區(qū)的風(fēng)能儲(chǔ)存量可以達(dá)到500萬(wàn)千瓦，年發(fā)電可以達(dá)到1.8億千瓦，是目前中國(guó)電力消費(fèi)量的60%左右。
圖1-2 中國(guó)的風(fēng)力資源分布
利用風(fēng)能，不僅可以擴(kuò)大能量來(lái)源、節(jié)約礦物資源，而且還有助于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)孤立用電者的需要，具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)利益。風(fēng)力發(fā)電作為一種新型的可再生的能源形式，是近期內(nèi)技術(shù)成熟、環(huán)境友好，具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g(shù)，在遠(yuǎn)期風(fēng)能將成為世界上重要的補(bǔ)充能源。風(fēng)力發(fā)電是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的一種能源形式，在世界各地正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
1. 2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀
1. 2. 1國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀
在一些發(fā)達(dá)國(guó)家 ，風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)已經(jīng)到了一定的成熟階段。歐、 美己有多個(gè)風(fēng)電公共平臺(tái)， 例如歐洲風(fēng)能研究院( NWTC、EAWE)、 德國(guó)風(fēng)能研究所 (DEW I)等。
在德國(guó)，風(fēng)能是居水力發(fā)電之后最重要的再生能源來(lái)源，風(fēng)力發(fā)電在德國(guó)電力生產(chǎn)中所占的比例已達(dá)到2.5%。目前，德國(guó)共擁有9400座風(fēng)力發(fā)電機(jī)，總?cè)萘拷?100兆瓦，占?xì)W洲大陸風(fēng)能發(fā)電總?cè)萘康?0%，全球風(fēng)能發(fā)電總量的三分之一。在未來(lái)10年里，德國(guó)風(fēng)力發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比例將達(dá)到3.5%。聯(lián)邦風(fēng)能協(xié)會(huì)的估計(jì)更為樂(lè)觀，認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電在電力生產(chǎn)中所占的比例甚至可以提高到30% 。不過(guò)，這一切都取決開(kāi)發(fā)風(fēng)能發(fā)電的新領(lǐng)域—近海風(fēng)力發(fā)電的努力是否成功。
美國(guó)是世界上最早重視風(fēng)力發(fā)電的國(guó)家之一，1994年時(shí)裝機(jī)容量(163萬(wàn)kW)就占當(dāng)年全球風(fēng)電裝機(jī)容量的53%。雖然電力工業(yè)改組引起的混亂使美國(guó)1991-1996年的風(fēng)電業(yè)沒(méi)有太多增長(zhǎng)，但隨著電力工業(yè)改組的完成，到2000年時(shí)，每年至少可交付30萬(wàn)kW的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品，形成40億美元的風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)，風(fēng)電平均價(jià)格將低于4min/kW。到2050年時(shí)，全美風(fēng)力發(fā)電將占全國(guó)電力用量的10%
印度從20世紀(jì)90年代以后大力引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，并采取有力的政策措施促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。1995年是其風(fēng)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)最快的一年，增量達(dá)37.5萬(wàn)kW，裝機(jī)總量達(dá)56.5萬(wàn)kW, 19%年又上升到81.6萬(wàn)kW，超過(guò)丹麥，成為世界第三個(gè)風(fēng)力發(fā)電最多的國(guó)家。荷蘭、英國(guó)等國(guó)的風(fēng)電事業(yè)，也在迅速發(fā)展。
1. 2. 2國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)力發(fā)電是一種比較清潔的發(fā)電體系，我國(guó)風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW，其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計(jì)算），海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億kW，共計(jì)10億kw，風(fēng)是沒(méi)有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。但是，風(fēng)力發(fā)電要求的技術(shù)含量較高，成本高，對(duì)風(fēng)裝置用不長(zhǎng)久。其中風(fēng)力發(fā)電對(duì)風(fēng)裝置試驗(yàn)臺(tái)的研制還處在初期階段。
風(fēng)力發(fā)電作為未來(lái)可取代傳統(tǒng)能源的“ 綠色能源 ” 之一，其發(fā)展的速度在諸如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能和潮汐能等可再生能源中是最具有市場(chǎng)化規(guī)模及前景的。在一些國(guó)家，風(fēng)能發(fā)電已能提供全國(guó)電能需求的 10% ～20% ，有的甚至達(dá)到50%以上。雖然中國(guó)的風(fēng)電事業(yè)起步比較晚，但在國(guó)家政策大力支持下，過(guò)去 10年內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量年均增長(zhǎng)速度達(dá)到了 55%以上，前景看好。在 2005年全國(guó)風(fēng)電建設(shè)前期會(huì)議上，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)能源局提出：到 2010年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 400萬(wàn) kW，風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)將進(jìn)一步降低；到 2020年 ，裝機(jī)容量將2000萬(wàn) kW，風(fēng)能利用將遍及全國(guó)城鄉(xiāng)。由于風(fēng)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建設(shè)風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)就顯得極為重要。
1.3風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)研制的目的及意義
風(fēng)能，作為一種綠色能源，日益受到專家學(xué)者的重視。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也逐漸成為科研人員研究的熱點(diǎn)。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一是單機(jī)容量不斷增大，利用效率提高，大功率(兆瓦級(jí))、并網(wǎng)型機(jī)組己成為發(fā)展方向。提高偏航減速器的使用性能和使用壽命，是降低技術(shù)成本，提高風(fēng)場(chǎng)發(fā)電能力，高效利用風(fēng)能的重要手段。因此，風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)成為當(dāng)今主流產(chǎn)品。
搭建風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)平臺(tái)，在試驗(yàn)臺(tái)上確定了偏航減速器的各種性能參數(shù)，達(dá)到更好利用對(duì)風(fēng)裝置。
1.4風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的研究情況
試驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的試驗(yàn)臺(tái)研究，用電動(dòng)機(jī)控制偏航減速器的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行和加載運(yùn)行，人們提出了不同的風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的方案。目前主要采用異步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行。
風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行時(shí)按照改變電動(dòng)機(jī)的頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)的偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)和加載運(yùn)行，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速輸出相應(yīng)的機(jī)械功率，輸出轉(zhuǎn)矩要能夠隨風(fēng)速的變化而變化。因此偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。目前提出的大部分試?yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方法是基于異步電機(jī)的頻率控制方法，該方法根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩特性控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，具有良好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，但是異步電機(jī)的固有缺點(diǎn)限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，近年來(lái)國(guó)外基本上都采用改變異步電動(dòng)機(jī)的頻率來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)，并初步完成了相關(guān)具體設(shè)計(jì)，圖1-3為風(fēng)力發(fā)電偏航減速器組。
圖1-3 風(fēng)力發(fā)電偏航減速器組
1.5本論文研究的內(nèi)容
風(fēng)能的利用前景非常廣闊，怎樣更好地利用發(fā)電設(shè)備是一個(gè)很有意義的研究課題。本文的選題就是在這樣的背景下，由湘潭市江麓機(jī)電科技有限公司和湘潭大學(xué)一起來(lái)設(shè)計(jì)完成的，結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)的特點(diǎn)，以檢測(cè)實(shí)用性、操作方便性、使用可靠性為原則，完成整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。考慮試驗(yàn)環(huán)境清潔要求及測(cè)試能力的可擴(kuò)展性，本方案采用電機(jī)加載方式。
本文的主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：
第一章闡述了本文的研究背景，國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀、風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)的研究狀況及本文的研究意義與研究?jī)?nèi)容。
第二章提出了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的要求和功能。
第三章做了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)詳細(xì)的設(shè)計(jì)。首先講述了偏航減速器工作的原理，并考慮到怎樣合理來(lái)設(shè)計(jì)偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)。
第四章講述了變頻器的工作原理，做了運(yùn)行控制部分的設(shè)計(jì)；具體講述了如何運(yùn)用PLC來(lái)控制整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行，并給出了詳細(xì)的電路及解釋。
第五章論述了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試部分的設(shè)計(jì)。
第六章總結(jié)全文，給出結(jié)論，并提出了下一步研究的內(nèi)容。
第二章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)工作的要求
2.1 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本設(shè)計(jì)依據(jù)
1） 測(cè)試對(duì)象：2MW風(fēng)電機(jī)組偏航減速器。
2）主要測(cè)試數(shù)據(jù); 輸入、輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)動(dòng)效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動(dòng)、被試件輸出小齒輪轉(zhuǎn)速。
3） 測(cè)試數(shù)據(jù)精度要求：溫度±1°C,轉(zhuǎn)速±1%,轉(zhuǎn)矩±1%。
4） 結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，功能可擴(kuò)展。
5) 偏航減速器輸入功率3KW、輸入轉(zhuǎn)速940rpm、傳動(dòng)比1330±1%、輸出轉(zhuǎn)速0.7-0.9rpm、輸出齒輪扭矩24KW.M、工作壽命為滿載荷1年。
2.2 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的基本功能
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)分析偏航減速器的工作狀況，我們擬定在該試驗(yàn)臺(tái)上，完成偏航減速器空損、加載、超載以及疲勞壽命和峰值載荷五類(lèi)性能檢測(cè)。擬設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)基本功能：
1） 設(shè)置偏航減速器測(cè)試模塊，它的模塊分為兩個(gè)單元，進(jìn)行“空損+峰值載荷”試驗(yàn)和“加載+超載+疲勞壽命”試驗(yàn)。
2） 采用電機(jī)加載方式，并實(shí)現(xiàn)能量回饋控制。
3） 做空損檢測(cè)時(shí)，通過(guò)控制臺(tái)面板開(kāi)關(guān)操作，可完成轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩檢測(cè)以及空損效率計(jì)算。做性能測(cè)試時(shí)，通過(guò)控制臺(tái)面板開(kāi)關(guān)、旋鈕等操作，對(duì)偏航減速器的正反方向加載系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以完成對(duì)兩類(lèi)減速器的變負(fù)荷加載、超載、疲勞壽命等項(xiàng)目的檢測(cè)。
4） 利用數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)工控機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理（如損失功率估算、傳動(dòng)效率估算等計(jì)算），保存、實(shí)時(shí)顯示和打印等功能；同時(shí)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)試過(guò)程，并進(jìn)行故障報(bào)警指示及相應(yīng)保護(hù)；
5） 采用工控機(jī)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)顯示系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)時(shí)直觀地顯示測(cè)試轉(zhuǎn)速、測(cè)試轉(zhuǎn)矩、測(cè)試溫度等性能參數(shù)；
6） 本方案符合關(guān)鍵元器件都選擇符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，以保證檢測(cè)結(jié)果符合國(guó)家各工廠標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 本章小結(jié)
本章首先講述了本文的總體控制要求，然后提出了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)控制要實(shí)現(xiàn)的基本功能，為下面研究做了很好的鋪墊。
第三章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)方案及其具體設(shè)計(jì)
3.1 試驗(yàn)臺(tái)整體方案
試驗(yàn)臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括偏航減速器測(cè)試模塊、電機(jī)控制模塊、測(cè)試模塊等，測(cè)試控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)地遠(yuǎn)程集中控制和數(shù)據(jù)檢測(cè)，電機(jī)控制柜為變頻器和邏輯控制元器件提供安裝平臺(tái)。偏航減速器工作狀態(tài)為垂直安裝，在本系統(tǒng)中，偏航減速器仍采用垂直安裝方式，并通過(guò)法蘭與機(jī)架相連接。工作臺(tái)置于平整的地面上（不需要地腳螺釘）。考慮到該減速器為大傳動(dòng)比、大扭矩輸出，陪試件采用與被試件相同的偏航減速器，兩個(gè)減速器采用惰輪過(guò)渡組成傳動(dòng)系統(tǒng)。為保證電機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器之間的連續(xù)可靠性。鑒于中間惰輪的拆裝難度大、而空損試驗(yàn)臺(tái)使用頻率高，空損試驗(yàn)另外設(shè)置一個(gè)工位，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)和及測(cè)控系統(tǒng)依舊與加載試驗(yàn)共用一個(gè)，以達(dá)到資源共享、提高可靠性、降低成本的目的。
3.2偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)工作的原理
偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)包括：減速器運(yùn)行控制、減速器輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量、減速器輸入輸出功率及傳動(dòng)效率、減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動(dòng)等參數(shù)檢測(cè)，異常情況下的報(bào)警、保護(hù)處理和人為干預(yù)；計(jì)算機(jī)參與全程監(jiān)測(cè)并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、分析、顯示和打印輸出。
根據(jù)信號(hào)流不同，試驗(yàn)臺(tái)可分為運(yùn)行控制系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變頻電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)減速器工況的模擬：控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)減速器輸入轉(zhuǎn)速的模擬；控制加載電機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬。測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)傳感器、儀表。采集卡和工控機(jī)等實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的檢測(cè)。
3.3偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分的具體設(shè)計(jì)
3. 3. 1偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分總體設(shè)計(jì)
偏航減速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括負(fù)載實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和空載實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，并排布置在梯形槽平板上。梯形槽平板的尺寸為2200×1200，見(jiàn)圖3-1。在梯形槽平板上安裝有支撐板、在下支撐板上安裝箱體，在箱體上安裝有箱體支撐板，在箱體支撐板上安裝偏航減速器，在偏航減速器上安裝傳感器安裝架。在安裝架上分別安裝轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)（負(fù)載）電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載電機(jī)型號(hào)參數(shù)完全相同，豎直安裝，以保證試驗(yàn)條件與工況條件一致。 在進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)時(shí)，偏航減速器安裝在空載臺(tái)架上，其上安裝有傳感器安裝架。在進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩偏航減速器安裝在負(fù)載實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，其上分別安裝傳感器安裝架，箱體中的惰輪分別與兩偏航減速器的輸出齒輪嚙合，以傳遞負(fù)載。
圖3-1 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)梯形槽
3. 3. 2偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
1）齒輪部分
<1>偏航減速器輸出齒輪
齒輪的材料采用為20CrMnTi，偏航減速器輸出齒輪的模數(shù)m1=20，齒數(shù)Z=12，分度圓直徑d=240。
<2>惰輪的設(shè)計(jì)
由于惰輪和偏航減速器輸出齒輪嚙合，因此，惰輪和偏航減速器輸出齒輪的模數(shù)相等，即。本設(shè)計(jì)采用的是偏航減速器輸出齒輪和惰輪是在一條直線上嚙合傳動(dòng)，所以惰輪的分度圓直徑要比偏航減速器輸出齒輪要大，同時(shí)為了防止根切，取惰輪的齒數(shù)，則惰輪的分度圓直徑。惰輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒距，齒厚為P/2=31.4，齒寬，齒輪寬。惰輪的圖形為圖3-2。
圖3-2 惰輪
2）電機(jī)的選型
由，則p輸入= p輸出=3KW，因此，選用額定功率為4KW的異步電機(jī)，偏航減速器的輸入轉(zhuǎn)速為940r/min，則電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n電≥940r/min，其中=30.48N.m。根據(jù)偏航減速器轉(zhuǎn)速和扭矩可知：可選用額定功率為4KW、同步轉(zhuǎn)速為1500r/min、額定轉(zhuǎn)速為1435rpm，型號(hào)為112M4A。
3）聯(lián)軸器的選型
由=95504/1000=38.2N.m，電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tas=2.5Ta=95.5N.m，由表可知：都選用型號(hào)為ROTEX-24的聯(lián)軸器，選用鋼質(zhì)材料，其中成品直徑d1=28，d2=25。
4）惰輪軸的設(shè)計(jì)
由綜合性能可知，軸的材料選用20CrMnTi。由于惰輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到兩個(gè)相同的切應(yīng)力，則惰輪軸不受轉(zhuǎn)矩的作用，因此采用許用力法來(lái)計(jì)算軸的最小軸徑（直徑）。
式中——軸的對(duì)稱循環(huán)用彎曲應(yīng)力（Mpa）
D ——計(jì)算截面處軸的直徑
M ——計(jì)算截面處軸所受彎矩
T——計(jì)算截面處軸所受扭矩
進(jìn)行軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)M、T及d的大小確定危險(xiǎn)截面作為計(jì)算截面，必要時(shí)選幾個(gè)截面進(jìn)行校核。
20CrMnTi的抗拉強(qiáng)度為1080MPa，彎曲應(yīng)力=480Mpa。
而偏航減速器的傳動(dòng)比為，則n出=0.8rmp,輸出齒輪的扭矩為24KN.M。
<1>軸的受力簡(jiǎn)圖
軸受水平、圓周和垂直方向的力，其受力簡(jiǎn)圖為圖3-3，受力簡(jiǎn)化圖為圖3-4。
圖3-3軸的受力簡(jiǎn)圖
圖3-4 軸的受力簡(jiǎn)化圖
由于軸承垂直安裝，在試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中軸承對(duì)軸垂直方向的力幾乎為零，則相當(dāng)只受水平方向的力，水平圖為圖3-5。
圖3-5 水平受力圖
<2>軸的強(qiáng)度校核及軸的最小軸徑計(jì)算
由及
式中：T1——齒輪傳遞的扭矩
d1——齒輪的分度圓直徑
a——嚙合角
則Ft=80KN，偏航減速器的重量G=200Kg。
由此可知， 和力偶平衡由圖3-3可知：齒輪軸受到兩個(gè)相同方向相同的力，則水平力,扭矩T=0 N.m。
惰輪軸受到彎矩的作用，彎矩為:
取I截面：則
?、蚪孛妫簞t
由彎矩圖可知: 在惰輪中間部分所受的力最大，則惰輪軸中間部分所受力最大，此處為危險(xiǎn)截面。當(dāng)X=163.5時(shí)最大，則M=13080 KN.mm。
則彎矩圖為圖3-6。
圖3-6彎矩圖
由 可知，d≥65，則只要軸的直徑大于等于65，軸就達(dá)到所需要的強(qiáng)度。因此，取軸的最頂端的直徑d1=110，與滾動(dòng)軸承相配合的軸直徑d2=160，軸的結(jié)構(gòu)圖形為圖3-7。
圖3-7 軸的結(jié)構(gòu)圖
5）滾動(dòng)軸承的選擇
<1>深溝球軸承
本試驗(yàn)臺(tái)中軸配合的滾動(dòng)軸承采用深溝球軸承，選用d=160, D=290, B=48,
Cr=215/KN,軸承代號(hào)為6232。
<1>軸承壽命計(jì)算
1>求比值
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-7可知：深溝球軸承的最大e 值為0.44，則此時(shí)，所以X=1,Y=0,。
2>初步計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P
根據(jù)式
按照機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表13-6可知：fp=1.0—1.2,取fp=1.2
則P=96000N，C=21500N。
根據(jù)式
，其中n=0.8rpm.，可知：=29705. 2（h）。
<2>推力球軸承
由于推力球軸承和d1=110的軸配合，則選用d=110,D=160,T=38。
6）箱體的設(shè)計(jì)
根據(jù)上面做確定的各尺寸可定出箱體的各尺寸，箱體的圖像為圖3-8。
7）惰輪支架的設(shè)計(jì)
為了將各零件拆裝方便，潤(rùn)滑較充分，惰輪支架放在箱體里面，惰輪支架的圖形為圖3-10。
8）鍵的選擇
由于鍵槽要是惰輪和軸定位，則根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，鍵采用L=125，R=45,h=28。
9）支撐板的設(shè)計(jì)
箱體支撐板根據(jù)惰輪支架和箱體的定位可知，設(shè)計(jì)支撐板的長(zhǎng)度L=1450，h=60，B=800。
10）端蓋和端蓋軸套的設(shè)計(jì)
端蓋的各尺寸是根據(jù)讓深溝球的內(nèi)圈定位所確定的，端蓋的總長(zhǎng)L=373,h=80，其具體各尺寸為圖3-9，端蓋軸套的各尺寸是根據(jù)使深溝球軸承周向定位確定的，其內(nèi)圈的直徑d=280。
圖3-8 箱體
圖3-9 端蓋
圖3-10 惰輪支架
11）螺栓、墊片和螺釘?shù)倪x型
為了讓各零件能夠裝配起來(lái)和定位，螺栓選擇為M12×60、M16×55 、M20×65、M24×100；螺釘選擇為M8×50、M20×65、M24×95；墊片選擇為M10×2、M12×2.5、M16×3。
12）偏航減速試驗(yàn)臺(tái)總體圖
偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)總體工程圖為圖為3-11，爆炸圖為圖3-12，實(shí)體圖為圖3-13、3-14，
圖3-11 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)總體圖
圖3-12 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)總體爆炸圖
圖3-13 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體圖
圖3-14 偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)實(shí)體圖
3. 3. 3偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
空載試驗(yàn)臺(tái)中只有箱體和負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)不箱體，其它各零件尺寸和選型與偏航減速器負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)相同。其中偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的箱體尺寸為圖3-15。偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的爆炸圖為圖3-16，實(shí)體圖為3-17。
圖3-15 箱體
圖3-16偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的爆炸圖
圖3-17 偏航減速器空載試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)體圖
3.4 本章小結(jié)
本章講述了偏航加減速器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案和具體設(shè)計(jì)，同時(shí)明確了怎么樣合理的設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)，達(dá)到最好的檢測(cè)效果。
第四章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變頻電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)減速器運(yùn)行工況的模擬：控制加載電機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬，采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接矢量控制，以提高轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精確性；采用共直流母線的方式實(shí)現(xiàn)能量的回饋；以測(cè)試控制臺(tái)的旋鈕實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負(fù)荷的遠(yuǎn)程控制。按照測(cè)試對(duì)象不同，運(yùn)行控制系統(tǒng)為偏航減速器運(yùn)行控制系統(tǒng)。
4. 1 變頻調(diào)速基本概念
三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 試中：為電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速，p為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f1為供電頻率。
從上試中得知，改變供電電壓的頻率可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的速度控制，這就是變頻調(diào)速。現(xiàn)在變頻器在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的使用越來(lái)越廣泛，這得益于變頻調(diào)速性能的提高和變頻器價(jià)格的大幅度的降低。
實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)：一是大功率開(kāi)關(guān)器件。雖然早就知道變頻調(diào)速是交流調(diào)速中最好的方法，但受限于大功率電力電子器件的實(shí)用化問(wèn)題，變頻調(diào)速直到20世紀(jì)80年代才取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深入研究使得變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能、高可靠性。
變頻調(diào)速的特點(diǎn)：可以使用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)，可以連續(xù)調(diào)速，可以通過(guò)電子回路改變相序、改變轉(zhuǎn)速方向。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，可調(diào)節(jié)加減速度，電動(dòng)機(jī)可以高速化和小型化，防爆容易，保護(hù)功能齊全等。變頻調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)非常廣泛，它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)、精紡機(jī)和壓縮機(jī)，原因是節(jié)能效果。
4.2變頻調(diào)速的類(lèi)型
變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)必須使用變頻器，變頻器的類(lèi)型有多種，其分類(lèi)方法也有很多。
1. 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類(lèi)
1) 交-直-交變頻器
先把恒壓恒率的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電。由于把直流電流逆變成交流電的環(huán)節(jié)比較容易控制，所以該方法在頻率的調(diào)節(jié)范圍和改善變頻后電動(dòng)機(jī)的特性方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)變頻器都屬于交-直-交型。
2) 交-交變頻器
把恒壓恒頻的交流電直接變換成電壓和頻率均可調(diào)的交流電，通常由三相反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成。它具有過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在著輸出頻率低、使用功率器件多。功率因素低等缺點(diǎn)。該類(lèi)變頻器只在低轉(zhuǎn)速、大容量的系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等場(chǎng)合使用。
2. 根據(jù)直流電路的濾波方式分類(lèi)
1) 電壓型變頻器
在逆變器前使用大電容來(lái)緩沖無(wú)功功率，直流電壓波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè)理想情況下內(nèi)阻抗為零的恒壓源。對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻器是一個(gè)交流電源，在不超過(guò)容量的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。
2) 電流變頻器
在逆變器前使用大電感來(lái)緩沖無(wú)功功率，直流電流波形比較平直；對(duì)應(yīng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，變頻器室一個(gè)交流電源。其突出特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適應(yīng)于頻繁急加減速的大容量電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。
3. 根據(jù)控制方式分類(lèi)
1) V/F型控制
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由電源頻率和極對(duì)數(shù)決定，所以改頻率，就可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但是頻率改變時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻抗也改變，僅改變頻率，將會(huì)產(chǎn)生有弱勵(lì)磁引起的轉(zhuǎn)矩不足或由過(guò)勵(lì)磁引起的磁飽和現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)功率因素和效率顯著下降。
V/F控制是這樣一種控制方式，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，在較廣泛的范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率因素和效率不下降。這就是控制電壓和頻率之比，所以稱做V/F控制。作為變頻器調(diào)速控制方式，V/F控制方式屬于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，比較經(jīng)濟(jì)。但開(kāi)環(huán)方式下不能達(dá)到較高的控制性能。V/F控制方式多用于通用變頻器，如風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行、生產(chǎn)流水線的傳送控制和空調(diào)等家用電器中。
V/F控制方式變頻器的特點(diǎn)：
<1> 它是最簡(jiǎn)單的一種控制方式，不用選擇電動(dòng)機(jī)，通用性優(yōu)良。
<2> 與其他控制方式相比，在低速區(qū)內(nèi)電壓調(diào)整困難，故調(diào)速范圍窄，通常在1：10左右的調(diào)速范圍內(nèi)使用。
<3> 急加速、或負(fù)載過(guò)大時(shí)，抑制過(guò)電流能力有限。
<4> 不能精密控制電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度，不適合用于同步運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合。
1) 矢量控制
直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)，其調(diào)速和控制性能非常優(yōu)良。矢量控制按照直流電動(dòng)機(jī)電驅(qū)電流控制思想，在交流異步電動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)控制方法，并且達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制性能。
矢量控制是這樣的一種控制方式，即將供給異步電動(dòng)機(jī)的定子電流在理論上分成兩部分：產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量和與磁場(chǎng)相垂直、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。該磁場(chǎng)電流、轉(zhuǎn)矩電流與直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流、電驅(qū)電流相當(dāng)。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來(lái)講，其定子電流在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，利用電磁感應(yīng)作用，可在電氣上分解為磁場(chǎng)電流和垂直的轉(zhuǎn)矩電流。
矢量控制就是根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用坐標(biāo)變換的方法，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并加以控制。兩者合成后，決定定子電流大小，然后供給異步電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。
矢量控制變頻器的特點(diǎn)是：
<1> 需要使用電動(dòng)機(jī)參數(shù)，一般用做專用用做專用變頻器。
< 2> 調(diào)速范圍在1：100以上。
<3> 速度相應(yīng)性極高，適合于急加速、減速運(yùn)轉(zhuǎn)和連續(xù)4象限運(yùn)轉(zhuǎn)，能使用于任何場(chǎng)合。
4 . 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類(lèi)
1) PAM方式
脈沖幅值調(diào)制（PAM,Pulse Amplituden Modulation）方式通過(guò)改變直流電壓的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率。采用直流斬 波器調(diào)壓時(shí)，供電電源的功率因素在不考慮諧波影響時(shí)，可以達(dá)到COSФ≈1.
2) PWM方式
脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）方式在改變輸出頻率的同時(shí)也改變了電壓脈沖的占空比。PWM方式只需控制逆變電路即可實(shí)現(xiàn)。通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變電壓幅值，通過(guò)改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率。
5 . 根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類(lèi)
1) 單相變頻器
變頻器輸入端為單向交流電，輸出端為三相交流電。適應(yīng)于家用電器和小容量的場(chǎng)合。
2) 三相變頻器
變頻器輸入端和輸出端均為三相交流電。絕大多數(shù)變頻器都是三進(jìn)/三出型。
4.3變頻器的組成
變頻器的電路一般由主電路、控制電路和保護(hù)電路等部分組成。主電路用來(lái)完成電能的轉(zhuǎn)換（整流和逆變）；控制電路用以實(shí)現(xiàn)信息的采集、變換、傳送和系統(tǒng)控制；保護(hù)電路除用于防止因變頻器主電路的過(guò)壓、過(guò)電流引起的損壞外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。
4.4變頻器的主要功能
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和功率器件的發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大。現(xiàn)在變頻器的主要功能有：頻率給定功能，升速、降速和制動(dòng)控制，控制功能和保護(hù)功能。
4. 4. 1 頻率給定功能
有三種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定：
1) 面板設(shè)定方式 通過(guò)面板上的按鍵完成頻率給定。
2) 外接給定方式 通過(guò)控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定送給變頻器。外接數(shù)字量信號(hào)接口可用來(lái)設(shè)定電動(dòng)機(jī)的選擇方向，以及完成分段頻率的控制。
3) 通信接口方式 可以通過(guò)通信接口，如RS-485,PROFIBUS等，來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。
4. 4. 2 升速、降速和制動(dòng)功能
1) 升速和降速功能
可以通過(guò)預(yù)置升/降速方式等參數(shù)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的升/降速，利用變頻器的升速控制可以很好地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。升/降速有線性方式、S型方式和半S型方式。
2) 制動(dòng)方式
一般有兩種方式控制電動(dòng)機(jī)的停車(chē)。
一種是變頻器由工作頻率按照用戶設(shè)定的下降曲線到0使電動(dòng)機(jī)停車(chē)，這種方式也稱做斜坡制動(dòng)。
有些場(chǎng)合因?yàn)橛休^大的慣性存在，為防止“爬行”現(xiàn)象出現(xiàn)，要求進(jìn)行直流制動(dòng)，即傳統(tǒng)的能耗制動(dòng)，這是另一種制動(dòng)控制。
4. 4. 3 控制功能
變頻器可以由外部的控制信號(hào)或者可編程程序控制等控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，也可以完全由自身按預(yù)先設(shè)置好的程序完成控制。大部分場(chǎng)合變頻器需要和可編程序控制器一起組成控制系統(tǒng)，只有在比較簡(jiǎn)單的調(diào)速控制場(chǎng)合才單獨(dú)使用。
4. 4. 4 保護(hù)功能
變頻器實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能主要有：過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、變頻器過(guò)載保護(hù)、防止失速保護(hù)、主器件自保護(hù)和外部報(bào)警輸入保護(hù)等。
4.5 本試驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器及RMIO板接口
4. 5. 1 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器
本偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)采用的是ACS800變頻器，通過(guò)I/O接口來(lái)控制單元。
變頻器RMIO板上的可選模塊為：
其中變頻器的圖形為圖4-1，變頻器的傳動(dòng)單元控制接口和主電路為圖4-2，電纜功率圖為圖4-3。
圖4-1 變頻器的外圖形
圖4-2 變頻器的傳動(dòng)單元控制接口和主電路
圖4-3 功率電纜接線圖
4. 5. 2 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用的變頻器的RMIO板接口
下圖4-4顯示了轉(zhuǎn)矩 宏的外部控制連接,在RMIO板上標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn)I/O的端子號(hào)。
圖4-4 RMIO板上標(biāo)有標(biāo)準(zhǔn)I/O的端子號(hào)
4.6運(yùn)行控制系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)方式
運(yùn)行控制系統(tǒng)只要依靠變頻器對(duì)電機(jī)頻率的控制而實(shí)現(xiàn)，從電路上來(lái)看，該電路有主電路和控制電路組成，主電路實(shí)現(xiàn)功率級(jí)的電機(jī)控制，控制電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)級(jí)的控制。主電路為圖4-5，控制電路為4-6、4-7、4-8，采用的是PLC S7-200，程序梯形圖為4-9，具體控制如下：
4. 6. 1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)
首先，設(shè)置變頻器1的參數(shù)，將端子3設(shè)置為速度信號(hào)模擬輸入，利用變頻器輸出的10V電源及測(cè)試控制臺(tái)面板上的電位器旋鈕R1，組成簡(jiǎn)單可靠地電路，可以方便地給該端子一個(gè)0~10V的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的無(wú)極調(diào)節(jié)。因此，可以通過(guò)改變R1的阻值，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
4. 6. 2加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)
設(shè)置變頻器2的參數(shù)，將端子3設(shè)置為轉(zhuǎn)矩信號(hào)模擬輸入，利用變頻器輸出的10V電源及測(cè)試控制臺(tái)面板上的電位器旋鈕R2，組成簡(jiǎn)單可靠地電路，可以方便地給該端子一個(gè)0~10V的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)加載電機(jī)轉(zhuǎn)矩的無(wú)極條調(diào)節(jié)。因此，可以通過(guò)改變R1的阻值，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。
4. 6. 3驅(qū)動(dòng)、加載電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制
設(shè)置變頻器的參數(shù)，將變頻器上設(shè)有正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入端子，利用變頻器自帶的24V輸出電源及測(cè)試控制面板上的3位旋鈕開(kāi)關(guān)S3和S5控制這兩個(gè)端子的通斷，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，當(dāng)S3按鈕接通1時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)S3按鈕接通2時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)旋鈕開(kāi)關(guān)處于中位時(shí)，變頻器不輸出任何控制電流，即使按下了運(yùn)行控制按鈕。
4. 6. 4啟動(dòng)、停止的實(shí)現(xiàn)
在沒(méi)有接收到正反轉(zhuǎn)信號(hào)之前，變頻器不會(huì)對(duì)電機(jī)輸出控制電流，當(dāng)按下空氣開(kāi)關(guān)時(shí)，繼電器KF2和KF6通電，點(diǎn)亮了上電指示燈GL1。利用測(cè)試控制臺(tái)面板上的常開(kāi)按鈕S8、常閉按鈕S7及中間繼電器KF1，以及故障信號(hào)KF4和KF8的常閉觸點(diǎn)，組成啟動(dòng)、停止控制電路。見(jiàn)圖4的上部分。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕S8時(shí)，繼電器KF1通電，并實(shí)現(xiàn)自鎖，兩電機(jī)的正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入端子才能通電，電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)點(diǎn)亮運(yùn)行指示燈GL2；當(dāng)按下停止按鈕S7時(shí)，繼電器KF1斷電，變頻器正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入端子立即斷電，變頻器中斷電流輸出，電機(jī)逐漸停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)時(shí)有制動(dòng)電阻R的保護(hù)。
4. 6. 5空損/加載試驗(yàn)工位的選擇
在運(yùn)行加載試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)/停止按鈕控制兩個(gè)電機(jī)；運(yùn)行空損試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)/停止按鈕通過(guò)中間繼電器KF1只控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該功能是利用測(cè)試控制臺(tái)面板上的2位旋鈕S9及繼電器KF5組成的電路實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)KF5不通電的時(shí)候，變頻器2的正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入端子不能通電，加載電機(jī)不能啟動(dòng)。
4. 6. 6急停功能的實(shí)現(xiàn)
變頻器自帶斬波制動(dòng)單元，試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，可以按下測(cè)試控制臺(tái)的急停按鈕S2和S6，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和加載電機(jī)可以在瞬間實(shí)現(xiàn)制動(dòng)停轉(zhuǎn)。
4. 6. 7超出正常工況的報(bào)警
在試驗(yàn)過(guò)程中，由于不當(dāng)、或者減速器本身存在故障，電機(jī)輸出特性有可能進(jìn)一步趙成機(jī)械故障，變頻器具有自檢測(cè)功能，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，變頻器即可輸出報(bào)警信號(hào)。利用2個(gè)變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制2個(gè)中間繼電器KF4和KF8，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的輸出。任何1個(gè)變頻器報(bào)警時(shí)，繼電器即可輸出控制信號(hào)停止兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的故障報(bào)警燈GL3和GL4。
4. 6. 8直流母線的通斷控制
為了實(shí)現(xiàn)變頻器能量的循環(huán)、有效保護(hù)變頻器和確保系統(tǒng)地可靠性，直流母線并不是在任何時(shí)候都接通，只有在滿足以下3個(gè)條件時(shí)才允許直流母線接通：1）選擇了“加載”試驗(yàn)工位，2）變頻器1已經(jīng)上電，3）變頻器2已經(jīng)上電。該功能由變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制兩個(gè)中間繼電器KF3和KF7 ,配合中間繼電器KF5、接觸器QA5實(shí)現(xiàn)。
4. 6. 9電機(jī)散熱風(fēng)扇的延時(shí)關(guān)閉
為確保電機(jī)充分散熱冷卻，每個(gè)電機(jī)風(fēng)扇，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)立即工作，但電機(jī)停轉(zhuǎn)后應(yīng)該再運(yùn)行一段時(shí)間再自行停轉(zhuǎn)。該功能通過(guò)運(yùn)行自通繼電器KF9、通電延時(shí)繼電器T37、接觸器QA3、QA4組成的邏輯電路實(shí)現(xiàn)。
4. 6. 10電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制
當(dāng)進(jìn)行更換試件時(shí)，惰輪與試件輸出小齒輪不一定處于良好的嚙合狀態(tài)，引起試件的安裝干涉，為了消除此干涉，要求惰輪能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)，以改善惰輪和試件輸出小齒輪的嚙合狀態(tài)。該功能通過(guò)電機(jī)的“點(diǎn)動(dòng)”控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方式為：在運(yùn)行控制繼電器的旁路并聯(lián)兩個(gè)常開(kāi)的開(kāi)關(guān)按鈕S1、S4，當(dāng)按下S1、S4時(shí)，電機(jī)馬上被啟動(dòng)，開(kāi)始旋鈕；松開(kāi)按鈕S1、S4后，電機(jī)變頻器終止輸出電流，電機(jī)停轉(zhuǎn)。
4-5 主電路
圖4-6 、4-7 變頻器的電路圖
圖4-8 電路控制圖 圖4-9 程序梯形圖
其中程序梯形圖的含義為：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕I0.0時(shí)，中間繼電器M0.0通電，同時(shí)也形成自鎖，這時(shí)風(fēng)扇1啟動(dòng)，變頻器1上電指示燈點(diǎn)亮，電機(jī)開(kāi)始進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)按下反轉(zhuǎn)按鈕I0.4時(shí)，電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)。當(dāng)遇到故障信號(hào)M0.3，這故障燈點(diǎn)亮，同時(shí)，M0.0斷電，電動(dòng)機(jī)馬上停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)按下按鈕I0.2時(shí),實(shí)行電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)。
當(dāng)按下I0.5時(shí)，同時(shí)變頻器2開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，這時(shí)Q0.5、Q0.6通電，加載變頻器開(kāi)始上電和運(yùn)行風(fēng)扇2開(kāi)始啟動(dòng)，加載電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)按下按鈕I0.8時(shí)，加載電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)。當(dāng)變頻器1、變頻器2同時(shí)上電，同時(shí)加載電機(jī)運(yùn)行時(shí)，直流母線接觸器線圈Q0.8通電，直流母線接通，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)。按下停止按鈕I0.1時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，T37開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間到了，M0.2斷電，兩個(gè)風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
4. 7 本章小結(jié)
本章進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行控制部分的設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的電路及梯形圖。
第五章 偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:減速器輸入輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測(cè)量，減速器輸入輸出功率及傳動(dòng)效率的計(jì)算，減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動(dòng)等參數(shù)測(cè)量；除了殼體振動(dòng)這種瞬變信號(hào)不通過(guò)控制器儀表顯示外，其它的信號(hào)都通過(guò)儀表顯示；計(jì)算機(jī)參與全程監(jiān)測(cè)并完成數(shù)據(jù)記錄、分析、顯示和打印輸出。
5.1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
測(cè)試系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由工控機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、屏蔽信號(hào)電纜等組成，完成信號(hào)的精準(zhǔn)測(cè)量以及無(wú)失真?zhèn)鬏?，在?shù)據(jù)采集時(shí)，傳感器經(jīng)變送器輸出的信號(hào)同時(shí)送送入二次儀表和工控機(jī)；軟件系統(tǒng)采用NI公司的虛擬儀器LabVIEW開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)成功的軟件系統(tǒng)具有友好的人際交互界面，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、變化趨勢(shì)的圖像顯示、存取及打印等功能。為了增加系統(tǒng)地可靠性，工控機(jī)監(jiān)測(cè)程序與測(cè)試控制臺(tái)面板上的儀表顯示相對(duì)獨(dú)立，測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)程序上的按鈕啟動(dòng)監(jiān)控程序運(yùn)行，也可以不運(yùn)行程序。操作面板圖為5-1
圖5-1 操作面板布局圖
5.2 測(cè)試系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式
5.2.1 減速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量
偏航減速器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是實(shí)驗(yàn)臺(tái)最重要的任務(wù)，其選型原則首先考慮量程的適配性、其次是工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)綜合考慮，轉(zhuǎn)矩傳感器選用溫嶺電器機(jī)械廠（上海良標(biāo)）生產(chǎn)的ZJ型轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，偏航減速器測(cè)試系統(tǒng)選擇量程為50Nm的ZJ50型轉(zhuǎn)矩傳感器。
由于ZJ型傳感器的輸出信號(hào)為2路感應(yīng)正弦信號(hào)，其轉(zhuǎn)矩的換算依靠2路信號(hào)的相位差，轉(zhuǎn)速信號(hào)依靠1路信號(hào)的頻率，普通的二次儀表和變送器無(wú)法直接顯示和轉(zhuǎn)換，必須借用湖湘測(cè)控的TC-1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀以完成儀表顯示，并通過(guò)其自帶的RS232接口將數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。
5.2.2 油溫及殼體溫度的測(cè)量
油溫測(cè)量采用STT鉑電阻型熱電偶作為傳感器，可以定做M14×1.5的插入式封裝，直接安裝在放油口測(cè)量油池溫度。殼體溫度的測(cè)量（任意2處）采用強(qiáng)磁吸附式熱電偶作為傳感器，類(lèi)型也采用STT鉑電阻式熱電偶。以上幾個(gè)熱電偶都選用北京賽億凌科技有限公司的產(chǎn)品，油池、殼體溫度都通過(guò)測(cè)試控制臺(tái)上的儀表顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。
5.2.3 箱體振動(dòng)檢測(cè)
箱體振動(dòng)測(cè)量是檢測(cè)偏航減速器運(yùn)行性能的一個(gè)重要參數(shù)，減速器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)異?？梢苑从吃缙诠收?，從而有針對(duì)性地采取檢修措施，確保主減速器的產(chǎn)品質(zhì)量,提高傳動(dòng)性能，同時(shí)還可以達(dá)到降噪目的。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的被試件要經(jīng)常拆卸，而且不能對(duì)被試件機(jī)殼表面造成破壞，因此選擇合適的振動(dòng)傳感器以及合理的安裝方法尤為關(guān)鍵。
本系統(tǒng)采用上海冉普電子科技有限公司磁吸式RPY6700型振動(dòng)傳感器，量程為±1mm，頻率范圍為：5 ～ 500 Hz。鑒于該信號(hào)為瞬變信號(hào)，儀表的顯示沒(méi)有任何參考意義，因此該信號(hào)只送入工控機(jī)，由軟件顯示，并計(jì)算平均振幅值予以參考。
5.2.4 箱內(nèi)壓力檢測(cè)
減速器運(yùn)行時(shí)，箱內(nèi)壓力會(huì)有所變化，該壓力變化范圍不能過(guò)大，否則會(huì)造成殼體漏油。箱內(nèi)壓力的檢測(cè)采用北京昆侖海岸科技有限公司的JYB型壓阻式傳感器，量程為0.1MPa，該傳感器輸出的信號(hào)不僅通過(guò)測(cè)試控制臺(tái)儀表直接顯示，而且直接工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的檢測(cè)。
5.2.5 減速器小齒輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)
減速器小齒輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量，可以直接評(píng)價(jià)減速器輸出的平順性，偏航減速器輸出小齒輪的轉(zhuǎn)速非常低，難以通過(guò)計(jì)數(shù)式的轉(zhuǎn)速傳感器直接測(cè)量，必須借助光電編碼器才能實(shí)現(xiàn)。為了安裝方便，本系統(tǒng)采用測(cè)量惰輪轉(zhuǎn)速、換算小齒輪轉(zhuǎn)速的方案，編碼器選擇市場(chǎng)上應(yīng)用較多的歐姆龍E6C2-CWZ6C型光電編碼器，其分辨率為1024。
編碼器的輸出信號(hào)，一方面送入控制臺(tái)顯示儀表，另一方面送入工控機(jī)，控制臺(tái)顯示儀表選用北京昆侖海岸科技有限公司的KSM-C型智能轉(zhuǎn)速表。
5.2.6 數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)
由于我們需要同時(shí)檢測(cè)12路模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)，2路數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)（4路轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)R232接口數(shù)字傳輸），系統(tǒng)采用型號(hào)為PCI-1711L研華工控的數(shù)據(jù)采集卡2塊，該卡帶有8路雙端模擬輸入和16路數(shù)字輸入端口，可以滿足本系統(tǒng)的使用；工控機(jī)選擇研華的IPC-610H型工控機(jī)；數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)通過(guò)PCI插槽聯(lián)結(jié)，通過(guò)專用的I/O接線終端面板與傳感器信號(hào)傳輸電纜相連，型號(hào)為研華公司的ADAM-3968。
5.2.7 傳感信號(hào)抗干擾傳輸
本系統(tǒng)既有強(qiáng)電交流信號(hào)，又有弱電傳感器信號(hào)，在傳輸過(guò)程中，如不采取措施，傳感器弱信號(hào)肯定受到強(qiáng)電信號(hào)的干擾，因此，本系統(tǒng)弱傳感信號(hào)傳輸過(guò)程中，全部采用計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)專用的信號(hào)屏蔽電纜，型號(hào)為DJYVP。根據(jù)實(shí)際情況，從節(jié)約成本的角度考慮，只采用兩種信號(hào)電纜，一種為3芯電纜，用于除編碼器之外的所有信號(hào)傳輸；另一種為2組4芯電纜，用于編碼器輸出信號(hào)傳輸。
5.2.8 測(cè)試系統(tǒng)元器件選型及價(jià)格
綜合考慮可行性、工作可靠性、操作方便性及成本等各方面的因素，測(cè)試系統(tǒng)選用國(guó)內(nèi)、國(guó)際有良好質(zhì)量信譽(yù)公司的產(chǎn)品。
5.3 本章小結(jié)
本章講述了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)試系統(tǒng)地設(shè)計(jì)方案，以及測(cè)試系統(tǒng)元件的選型。
第六章 結(jié)論
目前在風(fēng)力發(fā)電測(cè)試性能的發(fā)展過(guò)程中，試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)技術(shù)因其高效性和實(shí)用性正受到越來(lái)越多的重視。本文主要致力于研究風(fēng)力發(fā)電偏航減速器的試驗(yàn)臺(tái)，利用異步電動(dòng)機(jī)對(duì)偏航減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)變速器展開(kāi)理論研究。
總結(jié)前面各個(gè)章節(jié)的介紹，本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作：
（1）通過(guò)閱讀大量的相關(guān)資料和文獻(xiàn)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及風(fēng)力發(fā)
電試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及發(fā)展動(dòng)態(tài)作了較為全面的闡述。
（2）提出了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的工作要求，確定了本論文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，即三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航減速器。
（3）講述了風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的工作原理及具體各零件的設(shè)計(jì)，采用三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行。
（4）講述了采用PLC控制偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基本原理；研究了變頻器的工作原及控制的方法，畫(huà)出了電氣控制圖和程序梯形圖。
（5）做了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)試系統(tǒng)地設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)，怎樣合理選擇各檢測(cè)元件。
由于本人學(xué)識(shí)水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及時(shí)間、試驗(yàn)條件的限制，下面內(nèi)容還需要進(jìn)
一步的研究與完善:
（1）本文只是初步設(shè)計(jì)了偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)的軟件部分，對(duì)怎樣運(yùn)用LabVIEW軟件來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)控制界面設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步的研究。
（2） 在此試驗(yàn)平臺(tái)上，需要對(duì)各種風(fēng)力發(fā)電偏航減速器試驗(yàn)臺(tái)上的PLC控制程序進(jìn)行深入研究。
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附錄
非圓齒輪與機(jī)械壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化
1997年1月8日研制
摘 要：使用金屬成形方法來(lái)加工生產(chǎn)零件的質(zhì)量很大取決于壓力桿。在機(jī)械壓力傳動(dòng)時(shí)，有一種依賴于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度速度比的非圓齒輪，提供了一種獲得這么動(dòng)作時(shí)間的新途徑，我們致力于為不同的優(yōu)化金屬成型運(yùn)作的制造。本文闡述了由漢諾威的大學(xué)研究所建成的金屬成形和金屬成形加工機(jī)床的使用原型原則，它就是目前運(yùn)動(dòng)學(xué)以及在原型產(chǎn)生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和鍛造的一個(gè)例子，幾乎所有的金屬成形操作可有利用于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非圓齒輪。
關(guān)鍵詞：壓力，齒輪，運(yùn)動(dòng)學(xué)。
1. 簡(jiǎn)介
提高質(zhì)量的要求在生產(chǎn)工程制造，所有的金屬成形以及在鍛造，有必要去攜手制定生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)。日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)定位要求技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件都得到滿足。提高質(zhì)量、生產(chǎn)力、生產(chǎn)手段的創(chuàng)新解決方案,是一種用來(lái)維持和擴(kuò)大的市場(chǎng)地位的關(guān)鍵所在。
所生產(chǎn)的金屬部件,我們需要分清期間所需的形成過(guò)程和處理零件所需的時(shí)間。隨著我們必須添加一些必要的額外工作，例如冷卻或潤(rùn)滑的模具一次成型過(guò)程。根據(jù)質(zhì)量和產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)方面，產(chǎn)生了兩個(gè)最優(yōu)化方法。為了滿足這兩個(gè)方面，我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)形成過(guò)程中考慮到該進(jìn)程的要求，也考慮到的是改變部分以及與一個(gè)優(yōu)先線輔助運(yùn)作所需的時(shí)間短周期的時(shí)間。
2. 壓力機(jī)的要求
一個(gè)生產(chǎn)周期,這相當(dāng)于一個(gè)沖程來(lái)回壓的過(guò)程,大致經(jīng)歷了三個(gè)階段:加載、成型和移除零件。相反,在加載和移除零件階段，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)送料的薄板,尤其是在純粹的切割時(shí)候。為此，壓力泵必須要一個(gè)確定時(shí)間的最小高度。成型周期中桿應(yīng)該有一個(gè)特別速度曲線,它將會(huì)降到最低。這個(gè)轉(zhuǎn)變期之間應(yīng)盡快來(lái)確保短周期時(shí)間。
短周期的要求是事件的原因,以確保通過(guò)高產(chǎn)量低成本的部分?；谶@個(gè)原因，關(guān)于對(duì)大型汽車(chē)車(chē)身沖壓片機(jī)和自動(dòng)1200/min、拉深24/min的沖程數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的做法。增
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