CN113990159A - 一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，包括缩微永磁直驱风电机组、模拟风源、风电机组仿真系统和风电机组控制系统；模拟风源包括可调速的轴流风机；风电机组仿真系统包括工控一体机；工控一体机上预先安装预设类型风电机组的仿真软件；风电机组控制系统包括的主控PLC分别与工控一体机和缩微永磁直驱风电机组相连接。本发明能够让培训对象无需借助龙门吊等常用的风电机组吊装设备，仅仅通过人工手动参与的方式，即可安全、方便、可靠地熟悉风电机组的详细结构、掌握机组的运行规律知识、训练部分结构的装配技能、训练传感器安装调试技能、训练控制系统的接线技能，以及进行部分编程控制功能与调试技能等多方面的技能训练。

Description

一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置

技术领域

本发明涉及风力发电教学技术领域，特别是涉及一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置。

背景技术

目前，随着风力发电装机容量的快速增加，风力发电企业对相关技术技能人才的需求不断扩大，风力发电机组(以下简称风电机组)的装配、检修、运行和维护等方面的人才供不应求。

现有的一些职业院校和企业培训中心，正在积极探索高效的专业教学模式。但是，鉴于真实的风电机组体积庞大、造价昂贵，机组控制策略复杂，在实际的教学活动中无法直接采用，无法满足风电机组技能人才的教学和培训需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置。

为此，本发明提供了一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，包括缩微永磁直驱风电机组、模拟风源、风电机组仿真系统和风电机组控制系统；

对于缩微永磁直驱风电机组，其包括机舱、叶轮、永磁发电机、液压站和偏航系统；

永磁发电机和液压站，位于中空的机舱里面；

机舱的底部，具有机舱底板；

叶轮后侧的输出轴，通过法兰盘与永磁发电机前侧的输入轴相连接，用于驱动永磁发电机旋转发电；

永磁发电机，设置在水平分布的机舱底盘前端顶部；

机舱底盘的后部，固定设置有液压站；

液压站的液压输出端，通过中空的连接管道与液压制动器的液压输入端相连通，用于为液压制动器提供压力；

液压制动器，固定连接于所述机舱底盘的前端底部；

机舱底盘，设置于一个中空的塔筒的顶部；

机舱底盘的顶部后端，设置有偏航驱动系统；

偏航驱动系统，用于通过驱动机舱转动，从而控制叶轮的朝向，使得轮的朝向对准所述模拟风源产生的风向；

偏航驱动系统，包括偏航驱动电机、减速箱和驱动小齿轮；

偏航驱动电机底部的输出端，与减速箱顶部的输入端相连接；

减速箱底部的输出端，与水平分布的驱动小齿轮的中心位置相连接；

驱动小齿轮，与一个偏航轴承的外齿圈上的齿啮合；

偏航轴承的内圈，固定连接所述机舱底盘的底部；

偏航轴承的外齿圈，固定连接一个环形的塔筒顶部法兰盘的外侧，该塔筒顶部法兰盘兼做偏航驱动系统的刹车盘；

液压制动器，用于咬合塔筒顶部法兰盘的内侧；

机舱底板的前端顶部，垂直设置有风向标安装支架；

风向标安装支架的顶部，设置有风向标；

对于模拟风源，其包括可调速的轴流风机；

轴流风机，垂直安装在一个带滚轮地脚的托盘顶部；

轴流风机的风扇轴中心，和叶轮的中心高度相同；

托盘，通过一个连杆连接在金属圆环的外侧；

金属圆环，套在在塔筒底部外表面；

连杆在托盘与金属圆环之间的位置，设置有一个风速计；

对于风电机组仿真系统，其包括工控一体机；

工控一体机上预先安装预设类型风电机组的仿真软件；

对于风电机组控制系统，包括主控PLC；

主控PLC，分别与工控一体机和缩微永磁直驱风电机组相连接，用于同时控制缩微永磁直驱风电机组和工控一体机上的仿真风电机组的运行。

优选地，轴流风机的风扇轴中心和叶轮中心高度相同。

优选地，连杆的长度通过试验的方式确定，具体确定方式如下：

首先，将轴流风机的风扇转速置于轴流风机自身具有的整个变速范围的四分之三位置；

然后，前后移动轴流风机，改变轴流风机与缩微永磁直驱风电机组中叶轮的距离，使缩微永磁直驱风电机组输出功率最大，此时轴流风机所连接的托盘与金属圆环之间的直线距离，确定作为连杆的长度。

优选地，永磁发电机的正后方，设置有第一接近传感器，用于监测永磁发电机的转速；

偏航轴承的外齿圈上，还安装有扭缆限位开关；

机舱底板上安装有两个第二接近传感器，两个第二接近传感器的探头对着偏航轴承的外齿圈，位于外齿圈的外侧。

优选地，风向标，用于采集缩微永磁直驱风电机组的机舱朝向与风向的偏差角度大小。

优选地，风向标的零位标记和中心的连线，和叶轮的中心轴线平行，并且零位标记指向缩微永磁直驱风电机组中机舱的后方。

优选地，风电机组控制系统，包括风电机组控制柜；

风电机组控制柜上，设置有主控PLC、人机界面、电源和蓄电池；

电源，通过开关电源模块与主控PLC相连接；

缩微永磁直驱风电机组中的永磁发电机，与一个整流电路的输入端相连接；

整流电路的输出端，与电容C1、MOS管Q、现有的蓄电池充放电控制器的输入端以及升压逆变电路相并联；

蓄电池充放电控制器的输出端，与蓄电池的充电输入端相连接；

升压逆变电路的输出端，连接外部用电端。

优选地，主控PLC，包括偏航对风模块和变速变桨控制两个模块，其中：

偏航对风模块，其控制对象是缩微永磁直驱风电机组，用于控制缩微永磁直驱风电机组的具体运行状态；

变速变桨模块，其控制对象是工控一体机上的仿真风电机组，用于控制工控一体机上的仿真风电机组的运行状态。

优选地，风向标，与主控PLC中的偏航对风模块相连接，用于向主控PLC中的偏航对风模块，输出风向与机舱的朝向之间的实时偏差角度；

主控PLC中的偏航对风模块，用于接收所述风向与机舱的朝向之间的实时偏差角度，当偏差在预设时长内持续大于预设偏差角度值时，控制偏航驱动电机工作，使得偏航驱动电机带动整个机舱围绕塔筒的顶部转动，从而改变叶轮的朝向，直到叶轮对准风向时停止机舱的转动，最终让偏航驱动电机朝正确的方向偏航对风。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其设计科学，采用虚实结合的方式，通过应用本发明，能够让培训对象无需借助龙门吊等常用的风电机组吊装设备，仅仅通过人工手动参与的方式，即可安全、方便可靠地熟悉风电机组的详细结构、掌握机组的运行规律知识、训练部分结构的装配技能、训练传感器安装调试技能、训练控制系统的接线技能，以及进行训练部分编程控制功能与调试技能等多方面的技能训练，充分满足风电机组的教学和培训需求，具有重大的实践意义。

附图说明

图1a为本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置的结构示意图；

图1b为本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，在移开叶轮的叶片以及包括轴流风机在内的模拟风源时的俯视图；

图1c为本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置中，偏航轴承的外齿圈、内圈与驱动小齿轮7、液压制动器、塔筒顶部法兰盘之间的配合连接关系局部剖视图；

图1d为在图1b所示A方向观察时的局部放大示意图；

图2为本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置中，一种风电机组控制系统的基本构成示意图；

图3为本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置中，能量变换与输送回路示意图；

图4为本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置中，风电机组的安全系统的一种电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1至图4，本发明提供了一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，包括缩微永磁直驱风电机组、模拟风源、风电机组仿真系统和风电机组控制系统；

对于缩微永磁直驱风电机组，其包括机舱、叶轮12、永磁发电机13、液压站17和偏航系统；

永磁发电机13和液压站17，位于中空的机舱里面；

机舱的底部，具有机舱底板16；

叶轮12后侧的输出轴，通过法兰盘与永磁发电机13前侧的输入轴相连接，用于驱动永磁发电机13旋转发电；

永磁发电机13，设置在水平分布的机舱底盘16前端顶部；

机舱底盘16的后部，固定设置有液压站17；

液压站17的液压输出端，通过中空的连接管道与液压制动器9的液压输入端相连通，用于为液压制动器9提供压力；

液压制动器9，固定连接于所述机舱底盘16的前端底部；

机舱底盘16，设置于一个中空的塔筒20的顶部；

机舱底盘16的顶部后端，设置有偏航驱动系统；

偏航驱动系统，用于通过驱动机舱转动，从而控制叶轮12的朝向，使得轮12的朝向对准所述模拟风源产生的风向；

偏航驱动系统，包括偏航驱动电机5、减速箱6和驱动小齿轮7；

偏航驱动电机5底部的输出端，与减速箱6顶部的输入端相连接；

减速箱6底部的输出端，与水平分布的驱动小齿轮7的中心位置相连接；

驱动小齿轮7，与一个偏航轴承8的外齿圈81上的齿啮合；

偏航轴承8的内圈82，固定连接所述机舱底盘16的底部(例如通过螺栓)；

偏航轴承8的外齿圈81，固定连接一个环形的塔筒顶部法兰盘90的外侧，该塔筒顶部法兰盘90兼做偏航驱动系统的刹车盘；

液压制动器9，用于咬合塔筒顶部法兰盘90的内侧(具体可以通过液压制动器9内部的摩擦片91，来夹紧塔筒顶部法兰盘90的内侧)；

机舱底板16的前端顶部，垂直设置有风向标安装支架14；

风向标安装支架14的顶部，设置有风向标3；

对于模拟风源，其包括可调速的轴流风机1；

轴流风机1，垂直安装在一个带滚轮地脚的托盘10顶部；

轴流风机1的风扇轴中心，和叶轮12的中心高度相同；

托盘10，通过一个连杆11连接在金属圆环18的外侧；

金属圆环18，套在设置在塔筒20底部外表面；

连杆11在托盘10与金属圆环18之间的位置，设置有一个风速计2。

对于风电机组仿真系统，其包括工控一体机4；

工控一体机4上预先安装预设类型风电机组的仿真软件(例如大型风电机组的结构以及运行仿真软件，具体可以是海上6MW风电机组的结构以及运行仿真软件)；

对于风电机组控制系统，包括主控PLC(可编程控制器)；

主控PLC，分别与工控一体机4和缩微永磁直驱风电机组相连接，用于设备的整体运行控制，具体用于同时控制缩微永磁直驱风电机组(即实体缩微机组)和工控一体机4上的仿真风电机组的运行。

在本发明中，需要说明的是，金属圆环18可围绕塔筒20的底部旋转，可围绕塔筒20的中心手动转动，通过让轴流风机1围绕塔筒20转动不同的角度，实现模拟不同的来风方向。

在本发明中，具体实现上，轴流风机1的风扇轴中心和叶轮12中心高度相同。

需要说明的是，模拟风源的作用，是提供大小和方向可以改变的风源，使设备可以模拟风电机组运行的多种工况。模拟风源的主体是可调速轴流风机1安装在一个带滚轮地脚的托盘10上，轴流风机1的风扇轴中心和叶轮12中心高度相同，托盘10通过一个连杆11连接在位于塔筒20底部的、可围绕塔筒旋转的金属圆环18上，可围绕塔筒20的中心手动转动，模拟不同的来风方向。

在本发明中，需要说明的是，风速计2安装在连杆11上。连杆11的长度通过试验的方式确定，具体确定方式为：首先，将轴流风机1的风扇转速置于轴流风机1自身具有的整个变速范围的四分之三位置(即等于最大速度的四分之三)，然后，前后移动轴流风机1，改变轴流风机1与缩微永磁直驱风电机组中叶轮12的距离，使缩微永磁直驱风电机组输出功率最大，此时轴流风机1所连接的托盘10与金属圆环18之间的直线距离，确定作为连杆的长度。

在本发明中，具体实现上，偏航驱动电机5自带电磁刹车。

在本发明中，具体实现上，偏航系统，通过减速箱6下方的安装法兰和机舱底盘16固定在一起。

需要说明的是，塔筒20的顶部直接和塔筒顶部法兰盘90(同时作为偏航制动盘)，液压制动器9固定在机舱底盘16底部，液压制动器9和塔筒顶部法兰盘90一起构成偏航刹车系统。

在本发明中，具体实现上，叶轮12为三叶片式，叶轮输出轴通过法兰盘和电机的输入轴连接，直接驱动永磁发电机13旋转发电，永磁发电机13发出的电能送至本发明装置的控制系统，可直接经过并网逆变器并网，也可以给蓄电池充电。

在本发明中，具体实现上，永磁发电机13的正后方，设置有第一接近传感器15，用于监测永磁发电机13的转速。

具体实现上，永磁发电机13的后轴端部设置一个凸起的金属键；

第一接近传感器15与金属键对应设置，用于检测该金属键是否靠近检测距离，每靠近一次，即发送一个脉冲信号给主控PLC；

主控PLC，与第一接近传感器15相连接，用于通过计算脉冲信号的周期，即可获得永磁发电机13的转速。

需要说明的是，可以在永磁发电机13的后轴端部在径向上，预先设置一个凸起的金属键(不环绕设置，只是一个小的金属块)，第一接近传感器15的探头对准该部位进行安装。每转一圈，该凸起的金属键转到第一接近传感器15下面，第一接近传感器15就导通，离开时就关断，这样永磁发电机13每转动每圈，与第一接近传感器15连接的主控PLC都会接收到一个脉冲信号，通过计算脉冲信号的周期，就可以计算出永磁发电机13的转速。

对于本发明，通过监测永磁发电机13的转速，可以测试转速和功率的关系，可以控制电机转速在正常范围内，超速后启动保护。

在本发明中，具体实现上，机舱底板16的中心位置，设置有垂直贯通的中心通孔23；

需要说明的是，永磁发电机13的功率电缆、第一接近传感器15的信号线、来自底部的电源线构成的线束19，通过中心通孔23，然后从塔筒20的正中心位置送到地面上，和风源(具体是轴流风机1)、风速计2的电缆汇合一起，送至外部控制屏。

在本发明中，具体实现上，驱动小齿轮7和偏航轴承8的外齿(即外齿圈四周外侧上的齿)啮合，通过偏航驱动电机5驱动，可以带动整个机舱(即机舱底板16顶部的机舱结构)围绕塔筒20的顶部转动，改变叶轮12的朝向，可以实现对准风向的目的。

在本发明中，安装在机舱底板16上的风向标3，用于采集缩微永磁直驱风电机组的机舱朝向与风向的偏差角度大小。

在本发明中，具体实现上，风向标3的零位标记和中心的连线，和叶轮12的中心轴线平行，并且零位标记指向缩微永磁直驱风电机组中机舱的后方。

需要说明的是，如果采用常规的方式：设置风向标3指向机舱正前方，风向标的输出正好就是风向和机舱朝向的偏差角度。但是这么设置风向标3会一直工作在输出接近0偏差的最小值附近，输出精度低、抗干扰能力差。而本发明让风向标3指向机舱尾部，就可以利用传感器的测量范围的中部区间，精度高、抗干扰能力也强。

在本发明中，具体实现上，机舱底板16上安装有两个第二接近传感器22(即电感式接近开关)，两个第二接近传感器22(即电感式接近开关)的探头对着偏航轴承8的外齿圈81，位于外齿圈81的外侧，两个第二接近传感器22在相距n+1/4个齿距时，可以用于配合主控PLC检测机舱偏航的转速和转向。

具体实现上，为了检验使用者对传感器应用技术的掌握，安装两个第二接近传感器22的机舱底板16，可以在左右方向上做成长孔安装(如图1d所示)，位置可调，只有在确保两个第二接近传感器22的安装距离为n+1/4个齿距(n为大于1的自然数)，主控PLC才能得到既可以辨识机舱转动的角度(即偏航转速)，又能辨识转动方向(即偏航的转向)的输出。需要说明的是，之所以要求两个第二接近传感器22的安装距离为n+1/4个齿距(n为大于1的自然数)，这是一种公知的通用做法，两个接近传感器输出的信号需要正交，即相差90°才能辨别方向，否则，顺时针和逆时针旋转式输出的脉冲序列相同，无法辨别方向。

主控PLC，用于通过接收到的两个接近传感器(即第二接近传感器)的脉冲信号，识别机舱转动的角度和方向(即偏航转速以及偏航的转向)，由于具体识别方法为风电机组技术领域中现有公知的常规方法，在此不再赘述。

需要说明的是，对于本发明，偏航转速就是整个机舱在单位时间内旋转的度数。比偏航驱动电机5的速度慢得多，偏航驱动电机5需要通过减速箱6，以及由驱动小齿轮7来驱动大齿圈(即偏航轴承8的外齿圈81)，两级减速后才是偏航转速。

对于本发明，偏航的转向，就是机舱转动的方向，包括顺时针转向和逆时针转向，表示对风向的跟随情况。

在本发明中，具体实现上，偏航轴承8的外齿圈81上，还安装有扭缆限位开关21，起到设置电缆扭绞的零位的作用，以及指示扭缆的方向，起到当电缆扭到极限位置时，断开安全系统的作用。此限位开关也是设备安全系统的一部分。

需要说明的是，扭缆限位开关21，是风电机组上的一个通用传感器，是现有公知的常规元件，参见图1d，其所带的扭缆限位开关小齿轮210和偏航轴承8的外齿圈81上的齿相啮合，扭缆限位开关21内部具有不同的凸轮，不同的凸轮可以顶开用于代表不同功能的开关。

对于扭缆限位开关21，在使用时，需要设置电缆扭绞的零位，具体为：在电缆还没有扭角时，需要用螺丝刀调整凸轮的位置，对正扭缆零位输出的位置，此后扭缆角度以此作为参考计数。

在本发明中，安全系统，是一个独立的电气系统，用于监测风电机组是否有超出正常运行范围的严重故障出现，一旦被触发，安全系统中的继电器将通过硬件直接断开设备的电源，并反馈给PLC，同时模拟软件中的机组也收桨停机。具体监测内容构成电路如图4所示。

对于扭缆限位开关21，扭缆极限位置实际对应的是电缆扭缆的角度，通常设电缆扭3圈为极限，这个圈数是通过调整扭缆限位开关内凸轮的位置确定的，这为现有常规的设置方式。当扭到这个位置，扭缆限位开关将被触发，进而触发安全系统。

在本发明中，具体实现上，液压站17可与主控制器进行通信，可以在控制系统中编程监测液压站17中的蓄能器的压力，并根据设定进行自动启停打压电机，保持系统压力在一定范围。并可以在偏航系统不同的工作状态下，改变液压制动器9的压力，提供不同的制动力矩。

在本发明中，具体实现上，工控一体机4，用于预先安装风电机组的仿真软件(例如大型风电机组的结构以及运行仿真软件)；

具体实现上，工控一体机4，设置于机舱底板16的顶部，也可以放置于其他任何方便的地方。

需要说明的是，风电机组的仿真软件，可以采用的是现有的风电机组仿真软件，例如可以是北京德普罗尔公司开发的风电机组仿真软件，当然，还可以是其他单位开发的仿真软件，只要能够实现风电机组仿真功能即可。

需要说明的是，工控一体机4内安装的风电机组仿真软件，可以展示一台半直驱风电机组的详细结构，机舱罩、轮毂、塔筒和齿轮箱的外壳都可以做透明化处理，以方便操作者观察到详细的变桨驱动系统的结构，齿轮箱内部行星轮升速的详细结构和塔筒内部的详细结构。这样，通过风电机组仿真软件，弥补了实物的模拟机组不带变桨功能以及与大型风电机组结构不完全一致的弊端。

仿真风电机组和模拟的风电机组(即上述的缩微永磁直驱风电机组)同步运行，可同时接受风电机组控制系统的控制，风电机组仿真软件中的仿真风电机组参数和实际大型风电机组一致。仿真风电机组的启动、停机、偏航、转速和功率，随风速变化的调节等都和模拟的风电机组同步，可显示机组运行的功率曲线，转速曲线和桨角变化曲线等。

风电机组仿真软件中的仿真风电机组，可以仿真实际机组的变桨动作，在机组启动，停机，功率达到额定功率以后，进行变桨操作。在风电机组安全链断开时，响应急停信号，进行紧急收桨并停机。仿真风电机组和实际的风电机组控制系统进行实时通信，接受风电机组控制系统的控制。

在本发明中，具体实现上，风电机组控制系统，包括风电机组控制柜；

风电机组控制柜上，主要设置有主控PLC、人机界面、电源和蓄电池；

参见图2，电源，通过空气开关分为两路，第一路分别与多个接触器的主触头相连接，第二路通过开关电源模块与主控PLC(可编程控制器)以及预设的多个控制回路相连接，用于提供工作用电；

具体实现上，电源，包括发电机和/或者电网(例如380V的交流电网)。

需要说明的是，电源经空气开关保护而接入控制柜，根据需要将其分为两路，一路作为机组设备工作的主电源，分配给各个接触器的主触头，另一路经开关电源模块转换为低压直流控制电源，给主控PLC(可编程控制器)和各个控制回路提供电源。

具体实现上，参见图3，图3为本发明的能量变换与输送回路示意图。缩微永磁直驱风电机组中的永磁发电机13，与一个整流电路的输入端相连接；

整流电路的输出端，与电容C1、MOS管Q、现有的蓄电池充放电控制器的输入端以及升压逆变电路相并联；

蓄电池充放电控制器的输出端，与蓄电池的充电输入端相连接。

升压逆变电路的输出端，连接外部用电端(例如家庭用电网络)。

需要说明的是，整流电路以及升压逆变电路，具体采用现有公知的整流电路和升压逆变电路，为常规的技术手段，在此不再赘述。

需要说明的是，缩微永磁直驱风电机组中的永磁发电机13，发出的电能经整流、升压之后，给蓄电池充电，也可以接逆变器并网。在整流之后，可以采用稳定直流母线电压的控制方式，以实现最大风能的追踪和整流、充电电路的稳定。在整流电路上有泄流保护电阻，当母线电压超过直流母线环节的上限电压，控制MOS管Q闭合，将多余的能量泄放到电阻上，该部分功能由单片机电路完成。能量主回路如图3所示。

在本发明中，需要说明的是，风电机组控制系统，可以包括带UPS功能的电源模块(即不间断电源,)、主控PLC(可编程控制器)和输入输出模块、HMI(人机界面)、风电机组的安全系统、转速反馈信号接入模块、偏航系统以及液压电机的控制接触器，如图2所示。

具体实现上，主控PLC(可编程控制器)，用于设备的整体运行控制，具体用于同时控制缩微永磁直驱风电机组(即实体缩微机组)和工控一体机4上的仿真风电机组的运行。

主控PLC(可编程控制器)，包括偏航对风模块和变速变桨控制两个模块，其中：

偏航对风模块，其控制对象是缩微永磁直驱风电机组(即实体缩微机组)，用于控制缩微永磁直驱风电机组(即实体缩微机组)的具体运行状态；

变速变桨模块，其控制对象是工控一体机4上的仿真风电机组，用于控制工控一体机4上的仿真风电机组的运行状态。

下面分别说明主控PLC(可编程控制器)的具体控制功能。

一、主控PLC的功能之一，是控制机组的偏航过程，具体通过偏航对风模块来运行，这是实训设备的开放编程环节。

风向标3，与主控PLC中的偏航对风模块相连接，用于向主控PLC中的偏航对风模块，输出风向与机舱(具体是机舱底板16)的朝向之间的实时偏差角度；

主控PLC(可编程控制器)中的偏航对风模块，用于接收所述风向与机舱(主要是机舱底板16)的朝向之间的实时偏差角度，当偏差在预设时长(例如10分钟)内持续大于预设偏差角度值时，控制偏航驱动电机5工作，使得偏航驱动电机5带动整个机舱(即机舱底板16顶部的结构)围绕塔筒20的顶部转动，从而改变叶轮12的朝向，直到叶轮12对准风向时停止机舱的转动，最终让偏航驱动电机5朝正确的方向偏航对风；

第二接近传感器22，与主控PLC中的偏航对风模块相连接，用于向主控PLC中的偏航对风模块反馈偏航的转速和转向、电缆扭绞的度数；

需要说明的是，对于第二接近传感器22，当风电机组运行时，通过累计机舱扭缆零位向同一方向转过的角度，即可得出扭缆的角度。

扭缆限位开关21(即偏航限位开关)，与主控PLC中的偏航对风模块相连接，用于向偏航对风模块反馈电缆扭缆的零位和扭缆的方向。当电缆扭到预设的一定度数时，会触发扭缆限位开关21，进而触发风电机组的安全系统(例如触发下文的安全继电器动作)。

需要说明的是，扭缆限位开关是风电行业里一个通用的传感器，本发明直接选用，其为现有公知的传感器，其使用方式为公知的常识，在此不再赘述。

偏航系统的液压制动器9，用于在主控PLC中的偏航对风模块控制下，当风电机组在偏航对风，静止和解缆三种不同的工作状态下时，分别输出不同的预设压力值。

需要说明的是，风电机组的偏航对风状态，即偏航电机处于运行中，机舱正在旋转的过程；风电机组的静止状态，即不运行的状态；风电机组的解缆状态，即电缆扭到预先设置的角度后，主控PLC通过控制偏航驱动电机5运行，驱动机舱反向旋转把电缆解开的过程。这个工作状态以及相应的控制方式，为风电技术领域中现有公知的常识，在此不再赘述。

二、主控PLC的功能之二，是可以控制液压站17打压蓄能，当检测到液压站17的压力低于一定值，控制打压电机启动，增加蓄能器和主回路的压力达到一定值之后，则停止打压。该部分也可以作为开放实训项目之一。

三、主控PLC的功能之三，是读取永磁发电机13运行的转速、风速计2的风速，机舱的温度等模拟量信息，并根据需要进行后处理运算。

四、主控PLC的功能之四，是读取安全系统是否断开，风电机组是否超速，振动是否超限(通过振动传感器24检测振动位移等信息)，停机按钮是否按下，机组的输出开关是否闭合，主轴刹车是否打开等开关量信息。

五、主控PLC的功能之五，是将风电机组的运行信息，发送到HMI触摸屏显示，触摸屏和PLC的通信预先配置好，设备自带示例显示信息，HMI显示信息是开放的，可以由使用者根据要求自行开发。

在本发明中，具体实现上，参见图2、图4，风电机组控制系统，还包括风电机组的安全系统；

风电机组的安全系统，包括安全继电器；

该安全继电器，与包括扭缆限位开关21、急停按钮、主控PLC上的PLC看门狗、安装在机舱底盘16上的振动传感器24在内的预设多个用电元件相串联，当其中任意一个用电元件断电时，触发断开轴流风机1的电源，以及发送触发信号给主控PLC，使得主控PLC控制仿真风电机组执行紧急收桨以及停机动作。

需要说明的是，对于本发明，风电机组的安全系统，按照大型风电机组的安全系统配置，在风电机组控制柜里配置了一个安全继电器，将风电机组上的扭缆限位开关21、急停按钮(图2中的④)、过速继电器、安装在机舱底盘16上的振动传感器24、PLC看门狗等所有这些设备的常闭触点都串联起来，接入安全继电器，这其中的任何一个点断开，安全继电器发生动作，安全继电器的动作具体为：第一路输出，直接由硬件电路控制断开轴流风机1的电源，第二路输出反馈给主控PLC，由主控PLC控制工控一体机4上的仿真风电机组执行紧急收桨以及停机动作。

需要说明的是，过速继电器，与检测永磁发电机13转速的第一接近传感器15相连，该继电器用于在永磁发电机13的转速达到预设值时，断开其内置的触点开关，该开关可以串接在安全链(即安全系统)中，如图4所示。

具体实现上，安全继电器一旦动作后，必须在所有监测点都正常的情况下，手动按下复位按钮(附图2中的⑤)，系统才能复位，安全链还具有系统断电后再上电自动复位功能。安全链系统图见附图4。

用户可以在设备提供的上述功能下，进行塔筒以上部件的机械组装，在组装过程中学习机组的能量输送回路结构、偏航系统的结构。通过进行偏航控制系统的传感器安装、传感器调零，电气接线，控制程序编写等项目的训练，掌握风电机组控制、安装调试，维护以及检修技术。

基于以上技术方案可知，对于本发明，为了满足教学和培训需要，本发明提供一种风电机组装配、检修及控制教学模拟装置。本发明采用虚实结合的方式，用一台缩微的机组，最大地还原实际大型风电机组偏航系统结构和控制、安全系统的构成；用仿真形式模拟实际机组的传动系统结构、变桨系统的结构与功能，设备配置可以同时协调控制缩微机组和仿真模型的控制系统。

为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面说明本发明的工作原理。

一、设备的装配过程

首先，进行塔筒的结构装配。参见图1，塔筒20用四根焊接有底部法兰的钢管固定在地面上，在钢管上固定塔筒20之前，先将金属圆环18套进塔筒20的底部，然后再将塔筒20固定在钢管上。

然后，在塔筒上进行机舱的装配。具体为：将机舱底板16反转过来，底面朝上，将偏航轴承8的内圈82用螺栓和机舱底板16固定连接；将偏航轴承8的外齿圈81与液压制动器9所咬合的偏航制动盘90用螺栓进行预装配，然后将制动器9用螺栓固定在机舱地板上预留好的位置，然后调好其和偏航制动盘90的间隙，接好和液压站17连接的油管(另一端按时悬空，并临时固定)，然后两个人合作，翻转整个结构至偏航轴承8在下面，机舱底板16在上面，将其抬至塔筒20上，并与塔筒20的塔筒顶部法兰盘90固定，从而完成偏航轴承8、偏航制动器(具体包括液压制动器9和塔筒顶部法兰盘90)和机舱底板16的装配。

然后，将一体的偏航驱动电机5、减速箱6与偏航驱动小齿轮7，用穿过偏航驱动小齿轮7中心的螺杆紧密的固定在一起，紧固力矩要符合要求。然后如图1所示，用螺栓固定在机舱底板16上，并调整好偏航驱动小齿轮7和偏航轴承8的外齿圈81的啮合侧隙。

然后，将扭缆限位开关21和第二接近传感器22固定在机舱底板16上。调整两个第二接近传感器22的距离为1/4个齿距，第二接近传感器22的感应头与偏航轴承8的外齿圈81上外齿齿顶的距离在第二接近传感器的感应距离内。用螺丝刀调整扭缆限位开关21的零位凸轮在零位，使得扭缆限位开关21中判断扭缆方向的凸轮在左右扭缆的分界线处，以及使得扭缆限位开关21中判断左右扭缆极限的凸轮在凸轮凹陷部分的中间区域。需要说明的是，这是扭缆限位开关的现有公知的安装方式(是扭缆限位开关这个传感器进行零位校准的普通过程)，是扭缆限位开关和两个第二接近传感器一起配合可以实现的功能，是现有公知的常识，可以监测到电缆是顺时针扭，还是逆时针扭。

然后，将液压站17固定在机舱底板16上，并将液压制动器9的油管与液压站17对应的进油口和回油口接好。将永磁发电机13和风向标安装支架14固定在机舱底板16上。在风向标安装支架14顶部安装风向标3时，要求风向标3的零位标记和中心的连线务必确保和叶轮12的中心轴线平行，并且将该零位标记指向缩微永磁直驱风电机组的后方。将振动传感器24固定于机舱底板16的内孔边缘处，最后安装永磁发电机13。将永磁发电机13的出线电缆、所有传感器的信号线经过一个承力装置(避免电缆连接处受力)后，从塔筒20的中心垂直地面。

其中，工控一体机4可以置于机舱上，也可以放置于其他任何方便的地方。

然后，将预先装配好的叶轮12，与永磁发电机13固定连接。

然后，在机舱装配完成后，进行风源的装配。具体为：连杆11用锁销将金属圆环18与底座10连接到一起，风速计2固定在连杆11上面，轴流风机1固定在底座10上，轴流风机1的电源和风向标2的电源线都沿着连杆11分布，送至塔筒20正中心下部，再与机舱的线缆一起送至控制屏。

二、设备的运行过程

在设备开始运行前，先闭合附图2中控制屏上的“总开关”，然后再闭合“并网开关”和给24V电源模块的空开，闭合模拟风扇电机(即轴流风机1)控制回路的空开，给各个工作回路通电，待主控PLC和HMI(人机界面)启动完成，风电机组仿真软件也启动完成后，整个设备可以运行。具体如下：

1、可提前打开控制工控一体机4上的风电机组仿真软件，选择“外部”运行模式，则风电机组仿真软件，将通过主控PLC同步采集外部启动、正常停机，安全链断开、左右偏航、风速和风向信号，根据这些指令和外部环境信号，控制仿真风电机组的运行；选择“内部”运行模式，则仿真风电机组不再和主控PLC通信，根据风电机组仿真软件自身提供的风速、风向信号和启、停信号独立运行。当风速达到仿真机组的额定风速后，仿真风电机组将开始调整桨距角，以维持稳定的额定转速和额定功率运行，而且启动升速的过程中有桨角0°→90°的变化，停机过程中有桨角90°→0°的变化，这些功能，是实物机型不具备的功能。

2、参见图2，图2控制屏上的①是一个三位选择开关，在左侧是“自动”模式，只要系统没有故障，风速满足就自动运行。中间是“维护”模式，在该模式下，系统不接受远程控制，可以通过HMI手动控制仿真软件中的风电机组左、右偏航，也可以控制仿真叶片进行收桨和推桨等动作。右侧是“停机”模式，在该系统下机组不能启动。

3、参见图2，图2控制屏上选择开关②，可以在“优先充电”与“并网”之间切换，在“自动”模式下，风电机组根据电池的状态自动判断运行模式，在电池没有充满的状态下，优先选择给电池充电，充满电后自动转并网运行。在“并网”模式下，则不论电池处于何种状态，都并网运行。

选择开关③是一个旁路开关，有正常”和“旁路”两个位置。当偏航扭缆左或右限位开关被触发，进而触发安全系统，紧急停机后，偏航电机将无法动作，该开关打到“旁路”位置，可以提供一个临时通路，使偏航电机离开限位位置。其他任何工况下该开关都必须置于“正常”位置。

4、参见图2，图2控制屏上的旋钮⑨是风源的启停和调速旋钮，可以改变风速的大小。在“自动”模式下，调节旋钮⑨，使风速在2-20m/s之间，设备就可以启动运行了。设备要按该顺序才能正常启动，否则报故障，风扇电源将被切断。

5、在设备运行过程中，可手动推动风扇，使其在连杆11的带动下围绕风电机组改变风源的方向，如果主控PLC里有编写正确的偏航控制程序，则会再经过一段时间(30s-2min)的延时确认后，启动偏航驱动电机5自动跟踪风源方向，进行偏航对风。主控PLC，通过第二接近传感器22也会对电缆扭绞的圈数(即电缆扭绞的度数)进行监测，当电缆的圈数达到设定值(最大720°)，则风电机组会自动停机进行解缆。

在本发明中，在两个第二接近传感器22传感器配合下，主控PLC可以检测机舱转过的角度和方向。同一方向对零位转过的累积角度，就是扭缆的角度，也就是圈数，即当风电机组运行时，通过累计机舱扭缆的零位向同一方向转过的角度，即可得出扭缆的角度。

液压站17在主控PLC的控制下，分三种工况控制制动器的压力：在解缆过程中油压完全泄放为零，在偏航过程中切换为一个预设较小的压力值，在偏航停止后(即静止状态)切换为一个预设较高的压力值。

6、可以进行安全系统的功能测试，可测试在超速、急停按钮按下、振动超限、扭缆达到限位后，安全系统是否按照硬件电路设计的逻辑动作，复位按钮的功能是否可用，系统断电后是否可以自动复位。

经过检验，通过应用本发明，教师以及学生，可以依托本设备展开的实践学习项目如下：

1、偏航系统机械结构装配实训；

2、风向标的安装、接线与功能调试实训；

3、接近传感器的安装、接线与功能调试实训；

4、偏航扭缆限位开关的安装、调零、接线与功能调试实训；

5、过速继电器与振动开关的安装、设置与接线实训；

6、根据要求设计机组安全系统并接线、进行功能测试；

7、液压站的安装与功能调试实训；

8、开齿润滑和轴承润滑技术实训；

9、自动偏航对风控制程序设计与功能实训；

10、自动解缆控制程序设计与功能实训；

11、按要求完成人机界面设计与功能调试；

12、维护模式下手动偏航、变桨控制程序设计与功能调试；

13、机组转速、桨距角、功率随风速变化的运行规律总结。

与现有技术相比较，本发明提供的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，具有如下有益效果：

本发明是一套采用虚实结合的形式，可通过实训进行大型风力风力发电机组的结构、控制系统、安全系统全面学习的设备。与采用纯仿真和VR技术的风电实训设备相比，该设备可以实际操作机组的整体结构安装，传感器安装与接线，部分控制程序的设计编写与最终的功能调试、故障排查等。实际系统的训练，可以使应用者对实物结构，应用进行更全面深入的学习。而且该设备的有实际的风力发电机的能量输出，输出回路中的电池充放电保护电路和整流、并网逆变环节，使设备的学习广度比纯仿真设备也更有优势。

本发明与现有的风电机组实训设备相比，特点有以下几个：

1、本发明设备带有模拟风源，使设备的偏航对风和发电过程和大型风电机组基本一致，使应用着能更深刻的学习、理解各个部件、结构和传感器的作用；

2、工控一体机上的风电机组仿真软件(例如大型风电机组的结构以及运行仿真软件)，不仅展示了变桨的过程，还更清晰的展示变桨驱动系统的内部结构，应用者还可以借助仿真软件，描绘总结叶片桨角、叶轮转速、机组输出功率随风速的变化规律，这些功能都是实际设备无法做到的；

3、现有的风电机组实训设备配置了龙门吊，但是设备的体积、重量、装配连接方式和上百吨的实际风电设备仍然相差甚远，终究不能做到完全模拟，非常笨重，本发明的实体部分就进一步缩微，体积、重量都设计成只靠人工就可以完成装配，体积小、重量轻，硬件成本低。

4、工控一体机上的风电机组仿真软件中的仿真风电机组的主要参数，可以按照海上6MW风电机组参数设计，传动系统采用最有市场发展前景的半直驱，永磁发电机的类型，符合风电行业的发展趋势，代表了较为先进的技术。使用者通过应用本设备进行学习与训练所习得的知识与技能，可与工程实际工作岗位的工作内容直接对接，设备的实用性强。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其设计科学，采用虚实结合的方式，通过应用本发明，能够让培训对象无需借助龙门吊等常用的风电机组吊装设备，仅仅通过人工手动参与的方式，即可安全、方便可靠地熟悉风电机组的详细结构、掌握机组的运行规律知识、训练部分结构的装配技能、训练传感器安装调试技能、训练控制系统的接线技能，以及进行部分编程控制功能与调试技能等多方面的技能训练，充分满足风电机组的教学和培训需求，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，包括缩微永磁直驱风电机组、模拟风源、风电机组仿真系统和风电机组控制系统；

对于缩微永磁直驱风电机组，其包括机舱、叶轮(12)、永磁发电机(13)、液压站(17)和偏航系统；

永磁发电机(13)和液压站(17)，位于中空的机舱里面；

机舱的底部，具有机舱底板(16)；

叶轮(12)后侧的输出轴，通过法兰盘与永磁发电机(13)前侧的输入轴相连接，用于驱动永磁发电机(13)旋转发电；

永磁发电机(13)，设置在水平分布的机舱底盘(16)前端顶部；

机舱底盘(16)的后部，固定设置有液压站(17)；

液压站(17)的液压输出端，通过中空的连接管道与液压制动器(9)的液压输入端相连通，用于为液压制动器(9)提供压力；

液压制动器(9)，固定连接于所述机舱底盘(16)的前端底部；

机舱底盘(16)，设置于一个中空的塔筒(20)的顶部；

机舱底盘(16)的顶部后端，设置有偏航驱动系统；

偏航驱动系统，用于通过驱动机舱转动，从而控制叶轮(12)的朝向，使得轮(12)的朝向对准所述模拟风源产生的风向；

偏航驱动系统，包括偏航驱动电机(5)、减速箱(6)和驱动小齿轮(7)；

偏航驱动电机(5)底部的输出端，与减速箱(6)顶部的输入端相连接；

减速箱(6)底部的输出端，与水平分布的驱动小齿轮(7)的中心位置相连接；

驱动小齿轮(7)，与一个偏航轴承(8)的外齿圈(81)上的齿啮合；

偏航轴承(8)的内圈(82)，固定连接所述机舱底盘(16)的底部；

偏航轴承(8)的外齿圈(81)，固定连接一个环形的塔筒顶部法兰盘(90)的外侧，该塔筒顶部法兰盘(90)兼做偏航驱动系统的刹车盘；

液压制动器(9)，用于咬合塔筒顶部法兰盘(90)的内侧；

机舱底板(16)的前端顶部，垂直设置有风向标安装支架(14)；

风向标安装支架(14)的顶部，设置有风向标(3)；

对于模拟风源，其包括可调速的轴流风机(1)；

轴流风机(1)，垂直安装在一个带滚轮地脚的托盘(10)顶部；

轴流风机(1)的风扇轴中心，和叶轮(12)的中心高度相同；

托盘(10)，通过一个连杆(11)连接在金属圆环(18)的外侧；

金属圆环(18)，套在在塔筒(20)底部外表面；

连杆(11)在托盘(10)与金属圆环(18)之间的位置，设置有一个风速计(2)；

对于风电机组仿真系统，其包括工控一体机(4)；

工控一体机(4)上预先安装预设类型风电机组的仿真软件；

对于风电机组控制系统，包括主控PLC；

主控PLC，分别与工控一体机(4)和缩微永磁直驱风电机组相连接，用于同时控制缩微永磁直驱风电机组和工控一体机(4)上的仿真风电机组的运行。

2.如权利要求1所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，轴流风机(1)的风扇轴中心和叶轮(12)中心高度相同。

3.如权利要求1所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，连杆(11)的长度通过试验的方式确定，具体确定方式如下：

首先，将轴流风机(1)的风扇转速置于轴流风机(1)自身具有的整个变速范围的四分之三位置；

然后，前后移动轴流风机(1)，改变轴流风机(1)与缩微永磁直驱风电机组中叶轮(12)的距离，使缩微永磁直驱风电机组输出功率最大，此时轴流风机(1)所连接的托盘(10)与金属圆环(18)之间的直线距离，确定作为连杆的长度。

4.如权利要求1所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，永磁发电机(13)的正后方，设置有第一接近传感器(15)，用于监测永磁发电机(13)的转速；

偏航轴承(8)的外齿圈(81)上，还安装有扭缆限位开关(21)；

机舱底板(16)上安装有两个第二接近传感器(22)，两个第二接近传感器(22)的探头对着偏航轴承(8)的外齿圈(81)，位于外齿圈(81)的外侧。

5.如权利要求1所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，风向标(3)，用于采集缩微永磁直驱风电机组的机舱朝向与风向的偏差角度大小。

6.如权利要求1所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，风向标(3)的零位标记和中心的连线，和叶轮(12)的中心轴线平行，并且零位标记指向缩微永磁直驱风电机组中机舱的后方。

7.如权利要求1所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，风电机组控制系统，包括风电机组控制柜；

风电机组控制柜上，设置有主控PLC、人机界面、电源和蓄电池；

电源，通过开关电源模块与主控PLC相连接；

缩微永磁直驱风电机组中的永磁发电机(13)，与一个整流电路的输入端相连接；

整流电路的输出端，与电容C1、MOS管Q、现有的蓄电池充放电控制器的输入端以及升压逆变电路相并联；

蓄电池充放电控制器的输出端，与蓄电池的充电输入端相连接；

升压逆变电路的输出端，连接外部用电端。

8.如权利要求1至7中任一项所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，主控PLC，包括偏航对风模块和变速变桨控制两个模块，其中：

偏航对风模块，其控制对象是缩微永磁直驱风电机组，用于控制缩微永磁直驱风电机组的具体运行状态；

变速变桨模块，其控制对象是工控一体机(4)上的仿真风电机组，用于控制工控一体机(4)上的仿真风电机组的运行状态。

9.如权利要求8所述的风电机组装配检修及控制教学模拟装置，其特征在于，风向标(3)，与主控PLC中的偏航对风模块相连接，用于向主控PLC中的偏航对风模块，输出风向与机舱的朝向之间的实时偏差角度；

主控PLC中的偏航对风模块，用于接收所述风向与机舱的朝向之间的实时偏差角度，当偏差在预设时长内持续大于预设偏差角度值时，控制偏航驱动电机(5)工作，使得偏航驱动电机(5)带动整个机舱围绕塔筒(20)的顶部转动，从而改变叶轮(12)的朝向，直到叶轮(12)对准风向时停止机舱的转动，最终让偏航驱动电机(5)朝正确的方向偏航对风。

Images