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1電動變槳距系統(tǒng)概述

變槳距機構(gòu)就是在額定風速附近(以上),依據(jù)風速的變化隨時調(diào)節(jié)槳距角,控制吸收的機械能,一方面保證獲取最大的能量(與額定功率對應(yīng)),同時減少風力對風力機的沖擊。在并網(wǎng)過程中,變槳距控制還可實現(xiàn)快速無沖擊并網(wǎng)。變槳距控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相配合,最終提高了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。

電動變槳距系統(tǒng)就是可以允許三個槳葉獨立實現(xiàn)變槳，它提供給風力發(fā)電機組功率輸出和足夠的剎車制動能力。這樣可以避免過載對風機的破壞。

圖1和圖2分別是電動變槳距系統(tǒng)的布局圖和電動變槳距系統(tǒng)的概念設(shè)計圖。三套蓄電池和軸控制盒以及伺服電機和減速機放置于輪轂處，每支槳葉一套，一個總電氣開關(guān)盒放置在輪轂和機艙連接處，整個系統(tǒng)的通訊總線和電纜靠滑環(huán)與機艙的主控制器連接。

圖3為電動變槳距系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，主控制器與輪轂內(nèi)的軸控制盒通過現(xiàn)場總線通訊，達到控制三個獨立的變槳距裝置的目的。主控制器根據(jù)風速，發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)速等，把命令值發(fā)送到電動變槳距控制系統(tǒng)，并且電動變槳距系統(tǒng)把實際值和運行狀況反饋到主控制器。

電動變槳距系統(tǒng)必須滿足能夠快速響應(yīng)主控制的命令，有獨立工作的變槳距系統(tǒng)，高性能的同步機制，安全可靠等的要求。下面就分別從機械和伺服驅(qū)動兩個部分介紹一下電動變槳距系統(tǒng)。

2機械部分

不同于液壓驅(qū)動變槳距系統(tǒng)，電動變槳距系統(tǒng)采用三個槳葉分別帶有獨立的電驅(qū)動變槳距系統(tǒng)，機械部分包括回轉(zhuǎn)支承，減速機和傳動等。減速機固定在輪轂上，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)安裝在葉片上，葉片軸承的外環(huán)固定在輪轂上。當電驅(qū)動變槳距系統(tǒng)上電后，電動機帶動減速機的輸出軸小齒輪旋轉(zhuǎn)，而且小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)嚙合，從而帶動回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)環(huán)與葉片一起旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了改變槳距角的目的。圖4就是機械傳動示意圖。

制動裝置的特點是空氣動力學制動剎車單獨由變槳距控制，槳葉獲得充分的剎車作用。即使一個槳葉剎車制動失敗,其它二個葉片也可以安全結(jié)束剎車的過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性。制動系統(tǒng)還裝備了備用電源，提供給故障或者維修時候可以快速準確地收回槳葉。

3伺服驅(qū)動部分

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矢量控制技術(shù)解決了交流電動機在伺服驅(qū)動中的動態(tài)控制問題，使交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能可與直流系統(tǒng)相媲美，在某些情況下，甚至超過了直流系統(tǒng)的性能。特別在20KW以下的功率范圍內(nèi)，精度有特殊要求的情況下，交流越來越要取代直流。在這種情況下，感應(yīng)電動機，無刷直流電動機和三相永磁同步電動機各有特色。

3.1三種伺服電動機的比較

我們都知道，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)由以下三個部分組成：伺服電動機，驅(qū)動裝置，控制系統(tǒng)。下面就從成本，功率密度，轉(zhuǎn)矩/慣量，速度范圍，轉(zhuǎn)矩/電流，損耗，制動，轉(zhuǎn)子位置傳感器這幾個方面進行比較。

以上就是對三種伺服電動機的比較，基于風力發(fā)電機組電動變槳距系統(tǒng)的特點和安全要求，綜合三種伺服電動機的特點考慮，擬采用三相永磁同步電動機作為電動變槳距系統(tǒng)的伺服電動機。

3.2電動變槳距伺服系統(tǒng)

雖然三相永磁同步電動機在一些方面不盡如人意，但是它的電機結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，只有定子線圈發(fā)熱，容易實現(xiàn)高速，較容易實現(xiàn)快速制動。特別對于風機而言，周圍環(huán)境惡劣復(fù)雜，這樣特別適用于三相永磁同步電動機。

三相永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)大致有四部分組成：三相永磁同步電動機，速度和位置傳感器，變頻器，控制器。

三相永磁同步電動機主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，在轉(zhuǎn)子上裝有特殊材料形狀的永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場，沒有勵磁繞組。定子上有三相電樞繞組，接可控的變頻電源。

對于三相永磁同步電動機來說，實際上，檢測電動機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，磁極位置和系統(tǒng)的定位控制三個功能要采用絕對式光電編碼器。

逆變器輸出頻率可調(diào)的交流電，輸入到電樞繞組中。PWM回路以一定的頻率產(chǎn)生出觸發(fā)功率器件的控制信號，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協(xié)調(diào)關(guān)系，并使流入電樞繞組中的交流電流保持嚴格正弦性。另外，電動變槳距的三個伺服驅(qū)動器必須在其內(nèi)部實現(xiàn)精確的同步功能，要求之間的通訊必然要達到系統(tǒng)的整體精度要求。

在控制回路中一共有三個控制環(huán)：位置環(huán)，速度環(huán)，轉(zhuǎn)矩環(huán)。一般情況下，位置環(huán)采用比例控制規(guī)律，速度環(huán)采用比例積分控制規(guī)律，轉(zhuǎn)矩環(huán)采用空間矢量控制。

當然，位置控制主要是達到精確的位置控制，速度環(huán)要實現(xiàn)快速的跟蹤，電流環(huán)實現(xiàn)快速的動態(tài)響應(yīng)。在電動變槳距伺服控制中，主控制器給出位置命令值，與位置反饋進行比較，位置調(diào)節(jié)器的輸出就是速度調(diào)節(jié)器的輸入，進行比例積分，速度調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩命令值，與反饋值比較后，差值送到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器中，輸出就是轉(zhuǎn)矩電流給定值，并且把電流指令矢量控制在與磁極所產(chǎn)生的磁通相正交的空間位置上，達到轉(zhuǎn)矩控制。

在圖5中，定子電流檢測值iA，iB，iC，經(jīng)過ABC軸系到dq旋轉(zhuǎn)軸系得適量變換后，得到檢測值iq和id。

是永磁體基波勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈，對于三相永磁同步電動機是恒定值，通過面裝式PWSM的電磁轉(zhuǎn)矩公式可以得到轉(zhuǎn)矩反饋值。Pn是極對數(shù)。

當電動機速度超過基值時，要進行弱磁控制，需要加入id，所以id*要根據(jù)弱磁運行的具體情況而確定。

由iq*和id*和轉(zhuǎn)子位置，通過dq旋轉(zhuǎn)軸到ABC軸系的變換，得到三相定子電流命令值。由任意轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)兩相坐標系d、q到相靜止坐標系A(chǔ)BC的變換陣。

4結(jié)論

本文對電動變槳距的結(jié)構(gòu)和特點進行了介紹，著重對伺服驅(qū)動控制部分進行了設(shè)計和分析，可以作為工程設(shè)計的初步參考，在具體的伺服控制部分的研究工作需要進一步深入。

參考文獻

［1］E.A.Bossanyi.Adaptivepitchcontrolfora250kWWindTurbine,Proc.BritishWindEnergyConference.1986,pp.85-92.

［2］Iqbal,M.T.Coonick,A.andEreris,L.L.Dynamiccontroloptionsforvariablespeedwindturbines.WindEngineering.1994,18(1),pp.1-12.

［3］XinMa.Adaptiveextremumcontrolandwindturbinecontrol.PhDthesis.TechnicalUniversityofDenmark．1997.

摘要：在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上分析了電動變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從機械和伺服驅(qū)動兩部分分別研究了風力發(fā)電機組的電動變槳距系統(tǒng)，沒計了以三相永磁同步電機為伺服電機的電動變槳距系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電動變槳距：伺服控制；三相永磁同步電機