3.3 风力发电机组控制电路设计

   

　　3.3.1 发电机控制电路设计

  

　　本设计关于主发电机控制电路的设计主要是速度信号的采集，通过模拟量输出传感器将信号传递给PLC。主电路设计如图3.3 所示，图中M1 为发电机，由接触器QA2 控制。热继电器FR1为电动机作过载保护。

   

    

图3.3 发电机主电路图

    

　　电机由接触器QA2 来实现起动。起动时，应将电源引入开关QA1 闭合，若PLC输出信号接口发出高电平，则使QA2 线圈通电吸合，其主触头接通发电机，M1 起动。若信号为低电平，则线圈失电，从而主触点断开，发电机停机。

  

     

　　3.3.2 偏航控制电路设计

   

　　偏航控制电路主要有作用如下：

   

　　(1) 正常运行时自动对风。当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，直到达到允许的误差范围内，自动对风停止。，传感器接收到风向信号后传递模拟量给PLC，然后经过PLC 的分析，输出相应的信号给伺服驱动器器，然后控制器驱动伺服电机旋转，从而完成对风的任务。

  

　　(2) 绕缆时自动停机。当机舱向同一方向累计偏转2 圈后，控制停机，否则会使电缆扭绞，影响系统安全。

  

　　(3) 失速保护时偏离风向。当有特大强风发生时，风力传感器会传递模拟信号给PLC，从而停机，，以保护风轮免受损坏。偏航控制电路如图3.4 所示。

   

    

图3.4 偏航控制电路图

     

　　3.3.3 变浆距控制电路设计

  

　　变浆距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小，通过伺服驱动器控制伺服电机，伺服电机连接齿轮，从而完成调节调整浆距角的大小，。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，通过调节桨距角，增大叶片迎风面积;若输出功率大于额定功率，调节浆距角，减小叶片迎风面积。当发电机输出功率达到额定功率，则无相应的动作。通过变浆距的调节，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。

  

　　本设计根据发电机测速传感器的信号及风力大小传感器传递的信号，送至PLC 进行分析，若发现发电机转速小于额定转速，即功率未达到额定功率，则控制浆距角在0 度，当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化，使发电机的输出功率保持在额定功率。伺服驱动器与电机型号都与偏航控制电路所选类型相同，因此电路图如图3.5 所示。

  

  

图3.5 变浆距系统电路图

    

　　3.4 PLC 选型

  

　　在PLC 日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适用的PLC 以达到真正需要，而又能符合经济效益，是一个重要问题。PLC 本身的特点是：体积小、功能高、性能强、操作简便、程序设计简易、模块扩充有弹性、联机容易等。针对上述说明，选择符合功能需求与经济效益的PLC 是十分必要的。

  

　　3.4.1 PLC 的选取

  

　　一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可以从以下几个方面来考虑：

  

　　1、对输入/输出点数的选择

  

　　要先弄清楚控制系统的I/O 总点数，再按实际所需总点数的15~20%留出备用量(为系统的改造等留有余地)后确定所需PLC 的点数。

  

　　2、对存储容量的选择

   

　　PLC 存储器容量的估算方法：对于仅有开关量输入/输出信号的电气控制系统，将所需的输入与输出点数之和乘以8，就是所需PLC 存储器的存储容量(单位为bit)。经计算，本设计所需PLC 存储容量为320bit。

   

　　3、对I/O 响应时间的选择

  

　　PLC 的I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟(一般在2~3 个扫描周期)等。对开关量控制的系统，PLC 的I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统就要考虑这个问题。

  

　　4、根据输出负载的特点选型

  

　　不同的负载对PLC 的输出方式有相应的要求。但继电器输出型的PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。

  

　　5、根据是否联网通信选型

   

　　若PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC 需要有通信联网功能，即要求PLC 应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。

   

　　6、对PLC 结构形式的选择

  

　　在相同功能和相同I/O 点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便(换模块)，容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC 的结构形式。

  

　　由于风力发电控制对象对PLC 输出点的动作表达速度要求较高，但继电器型输出模块的动作速度完全能够满足要求，且每一点的输出容量较大，在同一时间内对导通的输出点的个数没有限制，虽然需要用到高速脉冲，但是PLC 有专用的两个高速脉冲输出口能够满足要求。所以本设计选用继电器输出的PLC。目前，PLC 产品大致可分为美国、欧洲国家、日本三大主流。

   

　　经过反复比较及对系统控制规模和控制要求的分析，西门子S7-200PLC 具有模块化易于实现分布式的配置等特点更好与风力发电控制要求相切合。程序编写模块化的结构，通过各个程序块之间的调用，能够较为圆满的实现控制的要求。该型号的PLC指令丰富、功能强大，其占有率在国内市场正处于上升趋势。而且该机型的指令及编程运作与计算机通用编程语言更加接近，易学易懂。因此需要CPU224 一块，模拟量输入(SM231)两块，具体硬件连接图见附录A。

  

  

  

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