CN207178106U - 一种新型风力发电机叶片颤振抑制系统 - Google Patents

一种新型风力发电机叶片颤振抑制系统 Download PDF

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Abstract

一种新型风力发电机叶片颤振抑制系统，采用压电材料反馈作动以及形状记忆合金联合作动和外部控制相结合的控制方案。在风力发电机叶片中嵌入了压电材料进行作动，压电铺层铺放在叶片复合材料中间，上下两层分别为压电作动器层和压电传感器层，压电层沿展长全长铺层。叶片截面上还埋设了几根贯穿于叶片根部到叶片顶部的形状记忆合金丝。当叶片受到外力发生振动时，传感器检测到信号，将信号传送到控制器，控制器对传感器传送的信号进行处理后，发送控制信息到作动器。外部控制器采用鲁棒控制，可以保证精度，也能保护压电作动器。将信号发送到控制器，控制器对传感器的信号进行处理，发送脉冲到电流输出装置使形状记忆合金恢复原来的形状，同时输出控制电压使压电作动器对结构产生作动力，减少叶片的变形振动。

Description

一种新型风力发电机叶片颤振抑制系统
技术领域
本实用新型涉及一种风力发电机叶片颤振抑制系统，属于风力发电领域。
背景技术
风力发电机的发展趋势是装机容量逐渐增大，风力发电机叶片大型化的结果是带来一系列的失稳问题。风力发电机叶片在气动作用下，本身会发生形变，并产生挥舞运动、摆振运动及扭转运动。如果这些运动所导致的叶片振动在气动力和弹性力的作用下相互耦合，并且不断增强，就产生了颤振，发生颤振时，叶片的应力会增大，以至于在很短的时间内出现裂纹并断裂，对风力发电机造成致命破坏。目前，智能材料在风力机桨叶颤振与振动智能主动控制中还少有应用。本实用新型提出了一种利用智能材料抑制叶片颤振的方法。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种风力发电机叶片颤振抑制系统。
压电作动器抑制法的原理是：当压电材料受到外力的作用时，就会产生电压，反之，通过给压电材料施加电压，也能产生相应的力或力矩。通过研究，只要合理的布置压电材料，在加上一定的主动控制，使压电材料起到作动器的作用，从而用来进行颤振抑制。
形状记忆合金（SMA）是一种新型智能材料，可以有效地抑制颤振，通过在风力发电机叶片中埋设形状记忆合金丝并对结构加热，可以增大结构的整体刚度，改变系统的振动特性，从而实现对叶片的颤振抑制。
本实用新型的技术方案是：一种新型风力发电机叶片颤振抑制系统，采用压电材料反馈作动、形状记忆合金联合作动和外部控制相结合的控制方案。叶片是由不同材料复合构成的薄壳结构，在风力发电机叶片中嵌入了压电材料进行作动，按照[+45/-45]铺放在叶片复合材料中间，上下两层分别为压电作动器层和压电传感器层。压电作动器和传感器均为片状，压电层均沿展长全长铺层。叶片受风力发生振动时，压电传感器检测到叶片的振动信号，将信号发送到控制器，控制器对传感器的信号进行处理，输出控制电压到压电作动器，压电作动器对叶片产生作用力，电压反馈施加于压电层的上下两个表面，从而对系统产生阻尼作用。叶片截面中埋入了几根贯穿于叶片根部到叶片顶部的形状记忆合金丝。叶片表面还带有电阻传感器。电阻传感器检测到形状记忆合金因形变而发生的电阻变化，发送脉冲到电流输出装置，电流输出装置对形状记忆合金进行加热，使形状记忆合金恢复原来的形状。主动控制采用压电材料、形状记忆合金联合作动和外部控制的双重控制，外部的鲁棒控制可以保证精度，也能保护压电作动器。
本实用新型的有益效果是：采用压电材料反馈作动与形状记忆合金联合作动，可以更好地达到抑制颤振的效果。采用外部鲁棒控制器进行主动控制既可以保证精度，又可以保护压电作动器，以达到更优的抑制效果。
附图说明
图1是本实用新型原理框图。
图2是叶片截面示意图。
图3是叶片结构外形图。
图中，1-压电传感器层，2-电阻传感器，3-压电作动器层，4-形状记忆合金丝。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。
图1所示为本实用新型的原理框图，当风力发电机叶片受到外力作用下，会发生挥舞、摆振、扭转三种形式的运动，这些运动引起的振动相互耦合时，风力发电机就会发生颤振。当叶片受到外力发生振动时，传感器检测到信号，放大器将信号放大，信号调理电路可以将模拟信号隔离，滤波并线性化，经A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，处理后的信号传送到控制器，控制器采用鲁棒控制方法控制，控制器对传感器传送的信号进行处理后，发送控制信息经D/A转换器传送到作动器，采用压电材料和形状记忆合金共同进行作动。其中，形状记忆合金变形后可恢复原来的形状，来抑制叶片在风力作用下的变形，而压电作动器则产生变形输出，从而减少叶片在各方向的振动，起到抑制颤振的效果。
控制器采用鲁棒控制的优点在于无需在线调整控制器参数，当系统的动态特性在一定范围内发生波动时仍能保持较好的控制性能。
图2、图3所示分别为叶片截面示意图和叶片结构外形图。当叶片在气动力作用下发生形变时，会表现出挥舞、摆振和扭转三种运动形式。如图3所示，沿着z轴方向的运动为挥舞运动，沿着y轴方向的运动为摆振运动，叶片绕展长方向的旋转运动为扭转运动。当这三种运动的相互作用是增强的，就会出现发散和颤振。如图2所示，风力发电机叶片是不同材料复合构成的薄壳结构，复合材料基体铺层采用周向反对称刚度（CAS）铺层设计，而压电材料埋入风力发电机叶片中，按照[+45/-45]铺放在叶片复合材料中间，上下两层分别为压电作动器层3和压电传感器层1。作动器3和传感器1采用不同的压电材料，压电层均沿展长全长铺层。压电传感器1输出由于结构变形产生的电压，控制器输出控制电压使作动器3对结构产生作用力，电压反馈施加于压电层的上下两个表面，从而对系统结构产生阻尼作用，振动也随之迅速减弱。同时，在叶片截面中还埋设了几根贯穿于叶片根部到叶片顶部的形状记忆合金丝4。当叶片受到风力发生振动时，形状记忆合金4同时也会发生形变，电阻传感器2检测到形状记忆合金4因形变而发生的电阻变化，将信号发送到控制器，控制器对传感器的信号进行处理，发送脉冲到电流输出装置，电流输出装置对形状记忆合金4进行加热，使形状记忆合金4恢复原来的形状。主动控制采用压电材料和形状记忆合金联合作动和外部控制相结合的双重控制，外部控制器采用鲁棒控制。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型风力发电机叶片颤振抑制系统，其特征在于：风力发电机叶片中嵌入了压电材料，压电铺层铺放在叶片复合材料中间，上下两层分别为压电作动器层和压电传感器层，压电层均沿展长全长铺层；叶片截面中埋入了几根贯穿于叶片根部到叶片顶部的形状记忆合金丝；叶片受风力发生振动时，传感器检测信号并将信号发送到控制器，控制器对传感器的信号进行处理：发送电流脉冲使形状记忆合金恢复原来的形状，同时输出控制电压使压电作动器对结构产生作动力，电压反馈施加于压电层的上下两个表面，从而减少叶片的变形振动，抑制颤振的发生。
2.根据权利要求1所述的叶片颤振抑制系统，其特征在于：主动控制采用压电材料反馈作动、形状记忆合金联合作动和外部控制相结合的双重控制，外部控制器采用鲁棒控制方法。
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