CN106066255A - 一种风力发电机组机械变桨仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组机械变桨仿真系统，包括主控PLC控制装置、由主控PLC控制装置连接并控制的变桨变频驱动装置、固定可旋转安装的模拟小齿轮、与模拟小齿轮啮合连接并传动的变桨轴承，所述的模拟小齿轮与变桨变频驱动装置传动连接，所述的变桨轴承为线形齿条且在模拟小齿轮的啮合传动下沿长轴方向产生位移。本发明通过同比例缩小机械变桨系统，通过主控PLC控制变频驱动变桨系统，以多重传动结构实现模拟风力发电机组机械变桨与顺桨的工作过程，同时通过齿条接触缓冲装置、光电感应开关、限位开关来达到触发不同级别安全链的目的，可以更形象的实现对风力发电机组机械变桨，便于测试与培训教学。

Description

一种风力发电机组机械变桨仿真系统

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体地说，涉及一种风力发电机组机械变桨仿真系统。

背景技术

风能是自然产生的取之不尽、用之不不竭而又不会产生任何污染的可再生资源，它因空气流动做功而提供给人类的一种可利用的能量，因此被人们广泛应用。由于科学水平的进步，和风能自身清洁、环保的特点，风能被应用到发电行业。风力发电是通过风力发电机组把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。我国风能资源丰富，新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点，风能作为一种清洁的可再生能源，风力发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展。

变浆系统作为风力发电机的重要组成部分，通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机，保证风机获取最大的能量并减少风力对风力机的冲击，在并网过程中，变桨距控制还可以实现快速无冲击并网，最终提高整个风力发电系统的发电效率和电能质量。

变桨系统的所有部件都安装在轮毂上，风机的叶片(根部)通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统，风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。通常情况，对变桨系统的研究与实验多在风机整机吊装完毕后现场进行，但由于风力发电机安装的自然环境条件，现场实验较为困难，而在地面模拟实验时，发电机组变桨系统中的一些部件尺寸很大，地面模拟实验的局限性非常明显，不便于对变桨系统进行测试与培训教学。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种风力发电机组机械变桨仿真系统，通过同比例缩小机械变桨系统，以多重传动结构实现模拟风力发电机组机械变桨系统，可以更形象的实现对风力发电机组机械变桨，，为变桨系统的测试与培训教学提供仿真系统。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种风力发电机组机械变桨仿真系统，包括主控PLC控制装置、由主控PLC控制装置连接并控制的变桨变频驱动装置、模拟小齿轮、与模拟小齿轮啮合连接并传动的变桨轴承，所述的模拟小齿轮与变桨变频驱动装置传动连接，所述的变桨轴承为线形齿条且在模拟小齿轮的啮合传动下沿长轴方向产生位移。

进一步地，所述的变桨变频驱动装置包括变桨变频控制器、与变桨变频控制器连接的变桨电机、与变桨电机连接的变桨减速机，所述的变桨变频控制器与主控PLC控制装置连接，所述的变桨减速机与模拟小齿轮传动连接。

进一步地，所述的齿条为直线形，一端为0°端，另一端为90°端，所述的0°端、90°端均靠近齿条的端头且与端头有余量距离。

进一步地，还包括用于检测齿条的0°端与90°端的检测装置，所述的检测装置与主控PLC控制装置连接。

进一步地，所述的检测装置包括光电感应开关、限位开关，所述的光电感应开关用于检测齿条的0°端，所述的限位开关用于限位齿条的90°端。

进一步地，所述的光电感应开关安装在齿条的一侧，光电感应开关的检测方向与齿条运动的方向垂直，所述的限位开关安装在齿条的90°端运动轨迹远离齿条的端头，限位开关由齿条的90°端接触触发。

进一步地，所述的检测装置还包括缓冲结构，所述的缓冲结构设置在光电感应开关远离限位开关的一侧。

进一步地，还包括限位装置，在模拟小齿轮驱动齿条时，限位装置使齿条仅沿长轴方向产生位移。

进一步地，所述的限位装置为固定安装的滑槽。

进一步地，还包括支架。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明通过同比例缩小机械变桨系统，通过主控PLC控制变频驱动变桨系统，以多重传动结构实现模拟风力发电机组机械变桨与顺桨的工作过程，同时通过齿条接触缓冲装置、光电感应开关、限位开关来达到触发不同级别安全链的目的。

本发明结构改造简洁易懂，操作简单，易于实施，使变桨系统的工作原理与流程以更简捷的方式呈现，为变桨系统的测试与培训教学提供仿真系统。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是本发明的结构示意图。

图中：1-变桨电机；2-变桨减速机；3-支架；4-齿条；5-模拟小齿轮；6-缓冲装置；7-光电感应开关；8-限位开关。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一种风力发电机组机械变桨仿真系统，包括主控PLC控制装置、由主控PLC控制装置连接并控制的变桨变频驱动装置、模拟小齿轮5、与模拟小齿轮5啮合连接并传动的变桨轴承，所述的模拟小齿轮5与变桨变频驱动装置传动连接，所述的变桨轴承为线型齿条4且在模拟小齿轮5的啮合传动下沿长轴方向产生位移。

具体地，将现实中风力发电机组变桨系统中的小齿轮与变桨的轴承同比例缩小，制成本发明所述的模拟小齿轮5和变桨轴承，由于现实中变桨系统的尺寸较大，不便于在屋内或实验室进行模拟实验，本发明采取同比例缩小的形式，更方便的进行模拟。

主控PLC控制装置通过控制变桨变频驱动系统，传送控制命令，变桨变频驱动系统会驱动模拟小齿轮5转动，模拟小齿轮5与齿条4传动连接，即可实现齿条4在长轴方向的位移变化。其中，变桨变频驱动系统可以通过固定安装提供支撑，模拟小齿轮5可转动安装在驱动系统的构件上，必要时，可将齿条4进行限位，防止二者啮合不协调或无法啮合传动。

变桨轴承在本发明中是以线形的齿条4存在，不局限于圆形轴承，是为了将圆形的模拟实验更直观、更形象的呈现，采取了线形结构形式，线性齿条4可以是直线形齿条或弧线形齿条，将现实中变桨轴承的圆形轨迹变换成直线形轨迹、弧形轨迹，便于对变桨系统的理解。应该被本领域技术人员理解的是，长轴与短轴相对存在，线形齿条在三维空间来说必然有一个长向和两个短向，直线齿条的长轴即为直线齿条的长度方向，弧线形齿条的长轴即为弧线的圆弧方向。

通过主控PLC控制装置将实施命令传递给变桨变频驱动装置，变桨变频驱动装置为模拟小齿轮5提供动力，使模拟小齿轮5旋转，模拟小齿轮5传动齿条4，实现齿条4在长轴方向上的位移，达到模拟风力发电机组变桨过程，使变桨系统以更直观的形式呈现，便于更好的理解风电机组变桨系统的变桨和顺桨原理及过程。

实施例一

如图1所示，本发明一种风力发电机组机械变桨仿真系统，包括主控PLC控制装置、由主控PLC控制装置连接并控制的变桨变频驱动装置、模拟小齿轮5、与模拟小齿轮5啮合连接并传动的变桨轴承，所述的模拟小齿轮5与变桨变频驱动装置传动连接，所述的变桨轴承为线型齿条4且在模拟小齿轮5的啮合传动下沿长轴方向产生位移。

具体地，将现实中风力发电机组变桨系统中的小齿轮与变桨的轴承同比例缩小，制成本发明所述的模拟小齿轮5和变桨轴承，由于现实中变桨系统的尺寸较大，不便于在屋内或实验室进行模拟实验，本发明采取同比例缩小的形式，更形象的进行模拟。

主控PLC控制装置通过控制变桨变频驱动系统，传送控制命令，变桨变频驱动系统会驱动模拟小齿轮5转动，模拟小齿轮5轮与齿条4传动连接，即可实现齿条4在长轴方向的位移变化。其中，变桨变频驱动系统可以通过固定安装提供支撑，模拟小齿轮5可转动安装在驱动系统的构件上，必要时，可将齿条4进行限位，防止二者啮合不协调或无法啮合传动。

为了更全面更真实的模拟风力发电机组的变桨系统，采取多极控制变桨过程，所述的变桨变频驱动装置包括变桨变频控制器、与变桨变频控制器连接的变桨电机1、与变桨电机1连接的变桨减速机2，所述的变桨变频控制器与主控PLC控制装置连接，所述的变桨减速机2与模拟小齿轮5传动连接。其中，主控PLC控制装置将控制命令下达给变桨变频驱动器，变桨变频驱动器再控制变桨电机1的转速和时间，变桨电机1通过变桨减速机2的减速，将电机转动的速度控制在需求的范围内，变桨减速机2传动给模拟小齿轮5，以此实现控制转动。

本发明还包括支架3，所述的变桨电机1与变桨减速机2固定安装在，也可以是变桨减速机2固定安装在支架3上，变桨电机1与变桨减速机2连接并驱动。

变桨轴承在本发明中是以线形的齿条4存在，不局限于圆形轴承，是为了将圆形的模拟实验更直观、更形象的呈现，采取了线形结构形式，线性齿条4可以是直线形齿条或弧线形齿条，将现实中变桨轴承的圆形轨迹变换成直线形轨迹、弧形轨迹，便于对变桨系统的理解。应该被本领域技术人员理解的是，长轴与短轴相对存在，线形齿条在三维空间来说必然有一个长向和两个短向，直线齿条的长轴即为直线齿条的长度方向，弧线形齿条的长轴即为弧线的圆弧方向。作为一种优选方式，所述的齿条4为直线形，如此，直接以直线形式呈现出来，将变桨的过程中位移变换更直观的呈现。

模拟小齿轮5与齿条4啮合传动时，为了更好的引导齿条4的运动，本发明还包括限位装置，在模拟小齿轮5驱动齿条4时，限位装置使齿条4仅沿长轴方向产生位移。可以采用支架3的结构杆件对齿条4进行限位，也可以通过设置齿条4侧壁，让齿条4在侧壁一侧滑动，保证齿条4与模拟小齿轮5的啮合不松动不脱离。优选地，所述的限位装置为固定安装的滑槽，滑槽为齿条4提供可滑动的导轨，齿条4上可设置与滑槽匹配的滚轮或滚珠，减少齿条4与滑槽的摩擦。

现实中，变桨系统中分为顺桨和变桨，分别对应0°和90°的位置，本发明中所述的齿条4一端为0°端，另一端为90°端，所述的0°端、90°端均靠近齿条4的端头且与端头有余量距离。在齿条4的两个端部分别作为0°和90°的变桨位置，直接对应变桨过程中变桨轴承的轨迹位置，齿条4的端头留有余量，是为了防止齿条4从模拟小齿轮5的啮合传动中脱离，优选地，所述的齿条4留有余量距离的位置设有防止齿条4脱离模拟小齿轮5啮合的限位卡，限位卡可以采用螺钉或其他限位装置，仅要保证齿条4不脱离模拟小齿轮5的啮合即可。

在齿条4的0°和90°运动过程中，为了更形象的模拟现实中变桨的位置控制，本发明还包括用于检测齿条4的0°端与90°端的检测装置，所述的检测装置与主控PLC控制装置连接。其中，检测装置是通过检测的数值反馈给主控PLC控制装置，待主控PLC控制装置收到相应的反馈信号后会发出对应的命令控制变桨电机1的转速，直至控制齿条4的运动速度、运动轨迹和运动位置，以便实现对齿条4的精确控制，呈现仿真模拟。

本发明所述的检测装置包括光电感应开关7、限位开关8，所述的光电感应开关7用于检测齿条4的0°端，所述的限位开关8用于限位齿条4的90°端。其中，光电感应开关7检测齿条40°端，光电感应开关7是通过检测光电信号，实现对齿条4临界位置的确定，确定齿条4是否跨过光电感应开关7的位置，限位开关8则是通过触发控制齿条4的90°端的位置，仿真模拟现实中桨叶出现-4°时，主控PLC控制装置会控制电机停止转动。

其中，所述的光电感应开关7安装在齿条4的一侧，光电感应开关7的检测方向与齿条4运动的方向垂直，所述的限位开关8安装在齿条4的90°端运动轨迹远离齿条的端头，限位开关8由齿条4的90°端接触触发。所述的光电感应开关7安装在临近滑槽一端的支架3上，所述的限位开关8安装在临近滑槽另一端的支架3上。

本发明所述的检测装置还包括缓冲结构6，所述的缓冲结构6设置在光电感应开关7远离限位开关8的一侧。齿条4在运动过了0°端口后，为了保护齿条4，设置一缓冲结构6，缓冲结构6可提供弹性保护，优选地，缓冲结构6设有弹簧、软垫、信号反馈器，软垫与齿条4接触，弹簧为软垫提供弹力变换，信号反馈器与主控PLC控制装置电连接，信号反馈器是检测缓冲结构6运行临界点并反馈为主控PLC控制装置。

模拟小齿轮5与齿条4啮合传动时，为了更好的引导齿条4的运动，本发明还包括限位装置，在模拟小齿轮5驱动齿条4时，限位装置使齿条4仅沿长轴方向产生位移。可以采用支架3的结构杆件对齿条4进行限位，也可以通过设置齿条4侧壁，让齿条4在侧壁一侧滑动，保证齿条4与模拟小齿轮5的啮合不松动不脱离。优选地，所述的限位装置为固定安装的滑槽，滑槽为齿条4提供可滑动的导轨，齿条4上可设置与滑槽匹配的滚轮或滚珠，减少齿条4与滑槽的摩擦。

具体实施步骤：

如图1所示，作为本发明一优选实施例，将变桨电机1和变桨减速机2固定安装在支架3上层上，变桨电机1驱动变桨减速机2，将变桨电机1与变桨变频驱动器电连接，变桨变频驱动器由主控PLC控制装置控制，在变桨减速机2的驱动轴上安装模拟小齿轮5，模拟小齿轮5安装完后位于支架3上层与下层的空间中，在支架3下层中间位置固定安装上滑槽，将直线形状的齿条4放入滑槽并和模拟小齿轮5啮合，支架3下层两端分别安装光电感应开关7和限位开关8，安装光电感应开关7的一端外侧安装有缓冲装置。起始位置将齿条4放置在0°位置，即齿条4的0°端位于光电感应开关7处，齿条4的90°端位于模拟小齿轮5啮合处。

变桨：启动主控PLC控制装置，下达变桨命令给变桨变频驱动器，变桨变频驱动器驱动变桨电机1，变桨电机1传动变桨减速机2，变桨减速机2处于需求的转速，变桨减速机2传动模拟小齿轮5，模拟小齿轮5啮合传动齿条4，齿条4在长轴向移动，即齿条4的90°端逐渐远离模拟小齿轮5，齿条4的0°端逐渐靠近模拟小齿轮5，当齿条4的90°端触动限位开关8时，限位开关8将该信号通过变桨变频器反馈给主控PLC控制装置，主控PLC控制装置即刻下达停止命令给变桨变频器，变桨变频器停止变桨电机1的转动，以停止对齿条4的传动产生位移。

顺桨：主控PLC控制装置下达顺桨命令时，通过以上的系列控制和传动，齿条4的0°端逐渐远离模拟小齿轮5，齿条4的90°端逐渐靠近模拟小齿轮5，当齿条4的0°端通过光电感应开关7所检测的位置时，光电感应开关7将检测信号通过变桨变频器反馈给主控PLC控制装置，主控PLC控制装置即刻下达减速命令，将该命令逐步传递，实现齿条4在长轴向的移动逐渐减速直至停止，当齿条4未停止移动触碰到缓冲结构6时，缓冲装置会将信号反馈为主控PLC控制装置，主控PLC控制装置会下达停止命令，与此同时缓冲装置会增加阻力，加速对齿条4的减速，实现对齿条4的保护。

本发明通过同比例缩小机械变桨系统，通过主控PLC控制变频驱动变桨系统，以多重传动结构实现模拟风力发电机组机械变桨与顺桨的工作过程，同时通过齿条接触缓冲装置、光电感应开关、限位开关来达到触发不同级别安全链的目的。本发明结构改造简洁易懂，操作简单，易于实施，使变桨系统的工作原理与流程以更简捷的方式呈现，为变桨系统的测试与培训教学提供仿真系统。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于：包括主控PLC控制装置、由主控PLC控制装置连接并控制的变桨变频驱动装置、模拟小齿轮(5)、与模拟小齿轮(5)啮合连接并传动的变桨轴承，所述的模拟小齿轮(5)与变桨变频驱动装置传动连接，所述的变桨轴承为线形齿条(4)且在模拟小齿轮(5)的啮合传动下沿长轴方向产生位移。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，所述的变桨变频驱动装置包括变桨变频控制器、与变桨变频控制器连接的变桨电机(1)、与变桨电机(1)连接的变桨减速机(2)，所述的变桨变频控制器与主控PLC控制装置连接，所述的变桨减速机(2)与模拟小齿轮(5)传动连接。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，所述的齿条(4)为直线形，一端为0°端，另一端为90°端，所述的0°端、90°端均靠近齿条(4)的端头且与端头有余量距离。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，还包括用于检测齿条(4)的0°端与90°端的检测装置，所述的检测装置与主控PLC控制装置连接。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，所述的检测装置包括光电感应开关(7)、限位开关(8)，所述的光电感应开关(7)用于检测齿条(4)的0°端，所述的限位开关(8)用于限位齿条(4)的90°端。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，所述的光电感应开关(7)安装在齿条(4)的一侧，光电感应开关(7)的检测方向与齿条(4)运动的方向垂直，所述的限位开关(8)安装在齿条(4)的90°端运动轨迹远离齿条的端头，限位开关(8)由齿条(4)的90°端接触触发。

7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，所述的检测装置还包括缓冲结构(6)，所述的缓冲结构(6)设置在光电感应开关(7)远离限位开关(8)的一侧。

8.根据权利要求1所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，还包括限位装置，在模拟小齿轮(5)驱动齿条(4)时，限位装置使齿条(4)仅沿长轴方向产生位移。

9.根据权利要求8所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，所述的限位装置为固定安装的滑槽。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种风力发电机组机械变桨仿真系统，其特征在于，还包括支架(3)。