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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)問題
能源是人類文明發(fā)展的“血液”，同時(shí)也是一個(gè)國家發(fā)展的重要前提。自從200年以前工業(yè)革命開始到現(xiàn)在，全球的能源消耗就急速增長，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
從資源上來說，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，主要來自化石燃料—煤、石油和然氣；圖1-1示出了我國和世界一次商品能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。
圖1-1 我國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)國家經(jīng)濟(jì)繁榮程度的晴雨表。我國目前的人均年消耗為1292公斤標(biāo)準(zhǔn)煤，為美國的10%，日本的22% ， OECD國家的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國家平均水平需要85億噸。
1. 1. 2 環(huán)境問題
近年來，環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，多人們帶來了很大的影響。其中化石燃料的消耗給人類所造成的環(huán)境污染和安全問題已經(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)展中國家，
如中國、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100年，人類將無法在地球生存。
1. 1. 3 新能源的開發(fā)與應(yīng)用
面對(duì)能源的短缺和環(huán)境污染所產(chǎn)生的一系列問題，我們必須大力開發(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，具有很高的開發(fā)利用價(jià)值。如圖1-2所示為中國的風(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)增長對(duì)電力的需求又很大，所以風(fēng)能開發(fā)具有廣闊的前景。北方從通過甘肅到內(nèi)蒙古，是中國風(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500萬千瓦，年發(fā)電可以達(dá)到1.8億千瓦，是目前中國電力消費(fèi)量的60%左右。
圖1-2 中國的風(fēng)力資源分布
利用風(fēng)能，不僅可以擴(kuò)大能量來源、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)增長最快的一種能源形式，在世界各地正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1. 2風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀
1. 2. 1國外的發(fā)展現(xiàn)狀
在一些發(fā)達(dá)國家 ，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)、 德國風(fēng)能研究所 (DEW I)等。
在德國，風(fēng)能是居水力發(fā)電之后最重要的再生能源來源，風(fēng)力發(fā)電在德國電力生產(chǎn)中所占的比例已達(dá)到2.5%。目前，德國共擁有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10年里，德國風(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，這一切都取決開發(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。
美國是世界上最早重視風(fēng)力發(fā)電的國家之一，1994年時(shí)裝機(jī)容量(163萬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1991-1996年的風(fēng)電業(yè)沒有太多增長，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)電將占全國電力用量的10%
印度從20世紀(jì)90年代以后大力引進(jìn)國外技術(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)容量增長最快的一年，增量達(dá)37.5萬kW，裝機(jī)總量達(dá)56.5萬kW, 19%年又上升到81.6萬kW，超過丹麥，成為世界第三個(gè)風(fēng)力發(fā)電最多的國家。荷蘭、英國等國的風(fēng)電事業(yè)，也在迅速發(fā)展。
1. 2. 2國內(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，我國風(fēng)能資源豐富，可開發(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能、生物質(zhì)能和潮汐能等可再生能源中是最具有市場化規(guī)模及前景的。在一些國家，風(fēng)能發(fā)電已能提供全國電能需求的 10% ～20% ，有的甚至達(dá)到50%以上。雖然中國的風(fēng)電事業(yè)起步比較晚，但在國家政策大力支持下，過去 10年內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量年均增長速度達(dá)到了 55%以上，前景看好。在 2005年全國風(fēng)電建設(shè)前期會(huì)議上，國家發(fā)展與改革委員會(huì)能源局提出：到 2010年全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 400萬 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 kW，風(fēng)能利用將遍及全國城鄉(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)目刂啤Ｄ壳疤岢龅拇蟛糠衷囼?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，近年來國外基本上都采用改變異步電動(dòng)機(jī)的頻率來設(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)?？紤]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。
本文的主要研究內(nèi)容和章節(jié)結(jié)構(gòu)簡要說明如下：
第一章闡述了本文的研究背景，國內(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內(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)，通過控制臺(tái)面板開關(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)，通過控制臺(tái)面板開關(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>軸的受力簡圖
軸受水平、圓周和垂直方向的力，其受力簡圖為圖3-3，受力簡化圖為圖3-4。
圖3-3軸的受力簡圖
圖3-4 軸的受力簡化圖
由于軸承垂直安裝，在試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行過程中軸承對(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?，F(xiàn)在變頻器在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，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)用化問題，變頻調(diào)速直到20世紀(jì)80年代才取得了長足的發(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)速的類型
變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)必須使用變頻器，變頻器的類型有多種，其分類方法也有很多。
1. 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類
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)窯等場合使用。
2. 根據(jù)直流電路的濾波方式分類
1) 電壓型變頻器
在逆變器前使用大電容來緩沖無功功率，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)來說，變頻器是一個(gè)交流電源，在不超過容量的情況下，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緩沖無功功率，直流電流波形比較平直；對(duì)應(yīng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)來說，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
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)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，比較經(jīng)濟(jì)。但開環(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)載過大時(shí)，抑制過電流能力有限。
<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)生磁場的電流分量和與磁場相垂直、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量。該磁場電流、轉(zhuǎn)矩電流與直流電動(dòng)機(jī)的磁場電流、電驅(qū)電流相當(dāng)。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來講，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)，能使用于任何場合。
4 . 根據(jù)交流環(huán)節(jié)分類
1) PAM方式
脈沖幅值調(diào)制（PAM,Pulse Amplituden Modulation）方式通過改變直流電壓的幅值來實(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)。通過改變脈沖寬度來改變電壓幅值，通過改變調(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
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壓、過電流引起的損壞外，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越強(qiáng)大?，F(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 通過面板上的按鍵完成頻率給定。
2) 外接給定方式 通過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 可以通過通信接口，如RS-485,PROFIBUS等，來進(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
可以通過預(yù)置升/降速方式等參數(shù)來控制電動(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。
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，這種方式也稱做斜坡制動(dòng)。
有些場合因?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)，只有在比較簡單的調(diào)速控制場合才單獨(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：過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、變頻器過載保護(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I/O接口來控制單元。
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)速度的無極調(diào)節(jié)。因此，可以通過改變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)矩的無極條調(diào)節(jié)。因此，可以通過改變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)。該功能通過電機(jī)的“點(diǎn)動(dòng)”控制來實(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)常開的開關(guān)按鈕S1、S4，當(dāng)按下S1、S4時(shí)，電機(jī)馬上被啟動(dòng)，開始旋鈕；松開按鈕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開始運(yùn)行時(shí)，這時(shí)Q0.5、Q0.6通電，加載變頻器開始上電和運(yùn)行風(fēng)扇2開始啟動(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)不通過控制器儀表顯示外，其它的信號(hào)都通過儀表顯示；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)量以及無失真?zhèn)鬏敚跀?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開發(fā)，開發(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?？梢苑从吃缙诠收希瑥亩嗅槍?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PCI插槽聯(lián)結(jié)，通過專用的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)選用國內(nèi)、國際有良好質(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）通過閱讀大量的相關(guān)資料和文獻(xiàn)，對(duì)目前國內(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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