一、概述

風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比．風(fēng)力發(fā)電不依賴外部能源，沒有燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)電成本穩(wěn)定。也沒有碳排放等環(huán)境成本，此外可利用的風(fēng)能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛。

該教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺是按照變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理縮比設(shè)計(jì)，能在室內(nèi)無風(fēng)源情況下模擬變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行模式，系統(tǒng)主要包括：葉片、導(dǎo)流罩、主軸、軸承座、齒輪、滑環(huán)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、機(jī)艙罩、電機(jī)、模擬電控柜、底盤、支撐底座、塔筒、回旋軸承、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等。

該型實(shí)驗(yàn)臺主要應(yīng)用于高職高專、大學(xué)?？?，研究生及風(fēng)電企業(yè)幫助完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1、風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)策略分析與實(shí)踐2、變槳系統(tǒng)原理與控制策略學(xué)習(xí)實(shí)踐3、偏航系統(tǒng)原理與控制策略實(shí)踐4、風(fēng)速即轉(zhuǎn)速與發(fā)電效率分析5、風(fēng)速即轉(zhuǎn)速與發(fā)電功率分析6、西門子1200系列PLC編程與實(shí)踐7、昆侖通泰觸摸屏編程學(xué)習(xí)與實(shí)踐      

二、各單元技術(shù)參數(shù)

（1）縮比模型技術(shù)參數(shù)

• 發(fā)電機(jī)形式：水平軸，上風(fēng)式

• 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向：順時(shí)針

• 額定功率：0.3kW

• 輪轂中心最大高度：1m；

• 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：0～15rpm；

• 葉片模擬：平板有機(jī)玻璃；

• 葉片數(shù)量：3片；

• 輪轂形式：焊接結(jié)構(gòu)

• 偏航機(jī)構(gòu)：伺服電機(jī)和減速機(jī)1個(gè)；

• 控制系統(tǒng)：可編程控制器；

• 拖動(dòng)系統(tǒng)：異步變頻電機(jī)YC80-0.25kW1500rpm。

• 機(jī)組運(yùn)行溫度范圍：-100C—300C，相對濕度：≤95%

• 其它要求：減速機(jī)構(gòu)、主軸、聯(lián)軸器、輪轂、導(dǎo)流罩、機(jī)艙、模擬葉根

  注：輪轂采用普通鋼材切割造型焊接而成。

  （2）系統(tǒng)供電電源

• 動(dòng)力電源供電：3相四線，AC380V/50Hz；

• 照明系統(tǒng)：AC220V/50Hz（二相三線）

• 控制電壓：220V/50Hz；

• PLC控制電壓（主控制器IPC）：24V DC；

• PLC控制電壓 (遠(yuǎn)程IO ET200)：24V DC；

• 通訊系統(tǒng)：24V DC / 20mA / RS485。

  （3）工作環(huán)境條件

• 環(huán)境條件：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境；

• 溫     度：- 10°C / + 50°C；

• 海     拔：海平面以上；

• 震動(dòng)/沖擊：20-30 H6 / 最大 0.1 G；

• 控制柜環(huán)境溫度：0°C / +40°C。

  （4）主動(dòng)偏航系統(tǒng)

  主動(dòng)偏航是采用主動(dòng)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可控對風(fēng)方式,其主要功能是在2米/秒的風(fēng)速以上時(shí)，偏航控制器通過采集風(fēng)向儀信息經(jīng)計(jì)算后做出偏航?jīng)Q策，使電機(jī)對準(zhǔn)風(fēng)向?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能最大值,具有高度的靈活性和可控性,對風(fēng)準(zhǔn)確穩(wěn)定。 

  針對小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主動(dòng)偏航系統(tǒng),分析研究風(fēng)能特性、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)況、極端風(fēng)況以及風(fēng)況預(yù)測，幫助風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲最大風(fēng)能。

  （5）機(jī)艙縮比演示單元

  模擬機(jī)艙上安裝發(fā)電機(jī)、齒輪箱以及相對應(yīng)的電氣驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)還在模擬機(jī)艙上方安裝可調(diào)整風(fēng)速和風(fēng)向的機(jī)械和電氣裝置。

• 供電電源：3相4線，AC380V/50Hz；

• 輔助電源：AC220V/50Hz

• 控制電壓：220V/50Hz；

• PLC控制電壓（主控制器IPC）：24V DC；

• 通訊系統(tǒng)：24V DC / 20mA / RS485。

• 模擬測風(fēng)系統(tǒng)：12V DC   0-36m/s

• 偏航系統(tǒng)電源：AC220V/90W  單相電機(jī)

  （6）柜塔筒、底盤

  采用國標(biāo)鋼管根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行切割并于底盤焊接在一起，底盤低部安裝4個(gè)萬向滾輪，方便設(shè)備移動(dòng)。 

  （7）傳感器

  設(shè)備安裝有的傳感大有轉(zhuǎn)速傳感器和回旋接近傳感器，用于檢測發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和偏航回轉(zhuǎn)角度。

  電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件接通電源后在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中會產(chǎn)生渦流，而吸收了震蕩器的能量，使震蕩器輸出幅度線性衰退.然后根據(jù)衰減置的變化來完成接觸監(jiān)測物體的目的。

位置傳感器的輸出是三線制接線方式，輸出級為PNP型的OC門（Open Collector Door，集電極開路輸出門）。工作原理是當(dāng)被測物體未靠近傳感器時(shí)，OUT端為低電平；當(dāng)被測物體靠近傳感器時(shí)，OUT端為高電平，LED燈點(diǎn)亮。 

 （8）電氣控制柜

主控模塊采用西門子S7-1200系列PLC系統(tǒng)，帶PROFIBUS, 以太網(wǎng)，串口。實(shí)驗(yàn)臺提供一套組態(tài)軟件，提供標(biāo)準(zhǔn)的編程接口?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)的OPC接口，設(shè)定IP地址，通過組態(tài)軟件與網(wǎng)絡(luò)控制器聯(lián)網(wǎng)通訊。

控制柜內(nèi)部面板設(shè)置有測量儀表，儲運(yùn)、運(yùn)行開關(guān)/按鈕，指示燈，急停按鈕等，面板儀表除組態(tài)監(jiān)控軟件外可顯示各項(xiàng)常規(guī)數(shù)據(jù)，方便讀取。

    1）西門子S7-1200主機(jī)：

SIMATIC S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI 和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)，單機(jī)小型自動(dòng)化系統(tǒng)的完美解決方案。對于需要網(wǎng)絡(luò)通信功能和單屏或多屏HMI的自動(dòng)化系統(tǒng)，易于設(shè)計(jì)和實(shí)施。具有支持小型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)的高級應(yīng)用功能。

2）觸摸屏：

TPC7062TX，是一套以先進(jìn)的Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。同時(shí)還預(yù)裝了MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版），具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。 

3）拖動(dòng)變頻器：(MM420-1KW)

• 電壓電壓：330-450V AC  ±10%

• 額定功率：1KW

• 電源頻率：47-63Hz

• 輸出頻率：0-650Hz

• 功率因數(shù)：≥0.95

• 變頻效率：97%

• 過載能力：對于周期時(shí)間為60s，300s而言，過載電流1.5×額定輸出電流（即150%的過載能力）

• 沖擊電流：小于額定輸入電流

• 控制方法：線性V/f特性曲線；平方I/f特性曲線；多點(diǎn)特性曲線（可編程）I/f；磁通電流控制（FCC）

• 脈沖頻率：16KHz(標(biāo)準(zhǔn)型號為230V1/3AC)；4KHz(標(biāo)準(zhǔn)型號為400V 3AC)；2KHz至16KHz(2KHz為一檔)

• 固定頻率：7，可編程

• 跳躍頻率：4，可編程

• 設(shè)定值分辨率：0.01Hz數(shù)字；0.01Hz連續(xù)；10bit模擬

• 數(shù)字量輸入：3個(gè)完全編程隔離的數(shù)字量輸入模塊；可切換PNP/NPN

  4）偏航變頻器(MM420-0.37KW)：

• 電壓電壓：200-240V AC  ±10%

• 額定功率：0.37KW

• 電源頻率：47-63Hz

• 輸出頻率：0-650Hz

• 功率因數(shù)：≥0.95

• 變頻效率：97%

• 過載能力：對于周期時(shí)間為60s，300s而言，過載電流1.5×額定輸出電流（即150%的過載能力）

• 沖擊電流：小于額定輸入電流

• 控制方法：線性V/f特性曲線；平方I/f特性曲線；多點(diǎn)特性曲線（可編程）I/f；磁通電流控制（FCC）

• 脈沖頻率：16KHz(標(biāo)準(zhǔn)型號為230V1/3AC)；4KHz(標(biāo)準(zhǔn)型號為400V 3AC)；2KHz至16KHz(2KHz為一檔)

• 固定頻率：7，可編程

• 跳躍頻率：4，可編程

• 設(shè)定值分辨率：0.01Hz數(shù)字；0.01Hz連續(xù)；10bit模擬

• 數(shù)字量輸入：3個(gè)完全編程隔離的數(shù)字量輸入模塊；可切換PNP/NPN

  5）儀表：

    直流電壓表

  具有通信接口、具有手動(dòng)自動(dòng)量程、工業(yè)級柜裝48mm*96mm、精度：0.5級，1000V檔位顯示格式：999.99（帶2個(gè)小數(shù)點(diǎn)），高精度自動(dòng)量程顯示，正反駁接誤差不大于5個(gè)字。

    直流電流表

  具有通信接口、具有手動(dòng)自動(dòng)量程、工業(yè)級柜裝48mm*96mm、精度：0.5級，5A檔位：4999.9（帶1個(gè)小數(shù)點(diǎn)），高精度自動(dòng)量程顯示，采用透明面板設(shè)計(jì)，全量程內(nèi)阻0.1毫歐。

    交流多功能表參數(shù)

  功率及功率因數(shù)表采用16位高精度AD轉(zhuǎn)換器和高速M(fèi)PU單元設(shè)計(jì)而成，通過鍵控、數(shù)顯窗口實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話功能控制模式。軟件上采用RTOS設(shè)計(jì)思路，同時(shí)配有PC監(jiān)控軟件來加強(qiáng)分析能力。能測量電路的功率、功率因數(shù)。功率測量精度為1.0級，功率因數(shù)測量范圍0.3-1.0，電壓電流量程為450V和5A，能自動(dòng)判別負(fù)載性質(zhì)（感性，容性，純電阻）。

  （9）監(jiān)控系統(tǒng)

  1)監(jiān)控系統(tǒng)組成

  監(jiān)控系統(tǒng)主要由觸摸屏、接線排、電源插座、通信線、組態(tài)軟件組成。

  2)監(jiān)控系統(tǒng)功能通信觸摸屏、PLC之間進(jìn)行通信，監(jiān)控自動(dòng)跟蹤過程與PLC、儀表等之間進(jìn)行通信。