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附錄I 外文原文
附錄II 外文翻譯
非圓齒輪與機械壓力機運動學優(yōu)化
1997年1月8日研制
摘 要：使用金屬成形方法來加工生產零件的質量很大取決于壓力桿。在機械壓力傳動時，有一種依賴于驅動旋轉角度速度比的非圓齒輪，提供了一種獲得這么動作時間的新途徑，我們致力于為不同的優(yōu)化金屬成型運作的制造。本文闡述了由漢諾威的大學研究所建成的金屬成形和金屬成形加工機床的使用原型原則，它就是目前運動學以及在原型產生的力和力矩。此外，本文展示了如何使用拉深和鍛造的一個例子，幾乎所有的金屬成形操作可有利用于機械傳動機構的非圓齒輪。
關鍵詞：壓力，齒輪，運動學。
1. 簡介
提高質量的要求在生產工程制造，所有的金屬成形以及在鍛造，有必要去攜手制定生產經濟。日益增長的市場定位要求技術和經濟條件都得到滿足。提高質量、生產力、生產手段的創(chuàng)新解決方案,是一種用來維持和擴大的市場地位的關鍵所在。
所生產的金屬部件,我們需要分清期間所需的形成過程和處理零件所需的時間。隨著我們必須添加一些必要的額外工作，例如冷卻或潤滑的模具一次成型過程。根據質量和產量兩個方面，產生了兩個最優(yōu)化方法。為了滿足這兩個方面，我們的任務是設計運動學形成過程中考慮到該進程的要求，也考慮到的是改變部分以及與一個優(yōu)先線輔助運作所需的時間短周期的時間。
2. 壓力機的要求
一個生產周期,這相當于一個沖程來回壓的過程,大致經歷了三個階段:加載、成型和移除零件。相反,在加載和移除零件階段，我們經常發(fā)現送料的薄板,尤其是在純粹的切割時候。為此，壓力泵必須要一個確定時間的最小高度。成型周期中桿應該有一個特別速度曲線,它將會降到最低。這個轉變期之間應盡快來確保短周期時間。
短周期的要求是事件的原因,以確保通過高產量低成本的部分?；谶@個原因，關于對大型汽車車身沖壓片機和自動1200/min、拉深24/min的沖程數是標準的做法。增加沖程數是為了減少設計的周期變化導致增加的壓實機械應變率, 然而，這對成形過程有很明顯影響,使它必須考慮參數確定過程和被它所影響。
在拉深成形過程中,當敲打板塊時的撞擊速度應盡量避免產生了深遠影響。一方面,速度成形時必須充分潤滑。另一方面,我們必須要考慮提高產量的相應的壓力來增加造成更大的應變速率力,這可能導致沖床半徑一側的一部分過渡疲勞而導致斷裂。在鍛造時，停留時間短的壓力是可取的。隨著停留時間的壓力下降了模具的表面溫度將降低，其結果是熱磨損。這是提高抵消了由于機械磨損形成更大的力量，但由于增加的應變率是較低的，因為較低的部分冷卻屈服應力補償。目前，最佳短住壓力可以用有限元分析 法萊分析。此外,避免由于成本降低磨損、短壓住時間也是一個重要的技術要求的精密鍛造，近凈形部分有一個光明的未來?！?
高質量的要求和高產量將只能通過一個機技術,考慮到金屬成形過程的考察要求等同于減少工作的目標成本。以前按設計已經不能同時滿足這些技術要求和經濟的充分程度，或他們是非常昂貴的設計和制造，例如鏈接驅動壓力機。這就需要尋找對泵創(chuàng)新設計的解決方案，它的設計應主要標準化，模塊化，以降低成本。
3．非圓齒輪的壓力傳動
3.1 原則
使用非圓齒輪傳動機械曲柄壓力機，它提供了一種新方式的技術和經濟需求的壓力桿運動。一對非圓齒輪有不變的中心距, 因此采用了電動馬達，或由飛輪、曲柄和驅動機制本身。制服驅動器的速度傳送是通過一對非圓齒輪傳遞給非均勻的偏心軸。如果非圓齒輪的適當設計，從動齒輪的非均勻驅動器會導致泵所需的行程時間行為。調查中心的金屬成形和金屬成型機床(IFUM)漢諾威的大學已經表明,在這個簡單的方式所有相關的壓力桿的連續(xù)運動，可以達到各種成形過程。
此外從運動學和縮短生產周期，驅動概念導致新的驅動器的優(yōu)點被以下的良好性能所區(qū)分。因為它是一個機械壓力機，它具有高可靠性、低維護性和可預期性。對連桿壓力機的數量和軸承零件顯然是減少。首先，一個基本泵類型可以通過安裝不同的齒輪而進一步改變設計，它根據客戶的要求而設計。不同環(huán)節(jié)的驅動器，軸承的安裝位置不會隨著單一載荷方向的不同運動而改變。因此，上述要求的模塊化和標準化是考慮到時間和成本，它降低了設計和沖壓生產成本。
3.2 原型
在金屬成型和金屬成型工具機（IFUM）1架的c型泵，它已經進行了修整和安裝了非圓齒輪副。為達到這種目的，先前的背輪背一個行星齒輪組做取代。這項工作表明了存在的新型傳動印刷機是可能的，在最后對標準壓力泵的改造在Fig. 2中進行說明。
圖表1 壓力機設計是為了所受1000KN的柱塞力和200KN的沖壓模具緩沖力?！∵@一對非圓齒輪傳動比平均為1，每個齒輪輪齒有59，直齒，模數10mm（圖2）齒面寬是150mm，這些齒輪有漸開線輪齒。我假設了非圓曲線設計是以側面幾何設計為基礎。因此，一個非圓齒輪的齒形沿齒輪圓周而改變。盡管如此,它可以來自知名的梯形齒條. 然而[4.5],提出了一種計算方法，它精確地把齒頂高和齒根高考慮在內，進行相應的調整。
壓力機是為了在單一沖程模式下對零件進行深拉而設計的。最高滑塊行程為180mm，行程數32/min。在140毫米的沖壓速度幾乎保持71mm/s不變，它是靜點中心線到靜點中心線之前的速度。見圖3。這種速度就相當于液壓機工作的速度。這個速度影響到曲柄機構，使其與擊打具有相同的數目相比較，速度都是220m/。為了跟一個曲柄壓力機具有相同的平均速度擊打的數目不得不將減少一半。短周期內的機械改造將導致最后的向上運動。由于壓力機是運行在單一的操作模式,在設計時對其做相關的處理沒有提出特別的要求。
驅動機制的原型與非圓齒輪有另外一個有利的影響及其驅動力矩（圖4）。對于一個曲柄壓力機的公稱力通?？梢越档挽o點之前把曲柄軸按正常方式旋轉。這對應于公稱力作用下相對于擊打力的75%。若要達到1000kN標準力，該驅動器已提供45 kNm 的曲柄軸扭矩。該原型只要求對非圓齒輪傳動增加額外的30kNm力矩。他們被傳送一個循環(huán)，非均勻的曲柄轉矩，將導致一個標準力在靜點范圍內變化。這相當于27.5%的行程。如果非圓齒輪副是在壓力機的工作范圍，我們總能找到類似的條件。這幾乎總是與板料成形及沖壓件有關。這樣可以設計一些較弱的機器零件弱，而且節(jié)約成本。
4. 進一步的設計實例
利用二沖程時間行為的設計實例說明了以下幾點。假設一系列的零件時通過壓力機來加工的。為了達到這一目的，壓力桿所需的速度和擊打成形速度要求假設成立必須量化。再者，處理零件所需的時間必須確定，而且必須假設在處理時壓力桿的最小高度。由此，我們設計動作的順序，我們用數學含義來描述它。在IFUM中，由該研究所開發(fā)使用軟件程序。從這個數學描述的沖程運動,我們可以計算出所需要的非圓齒輪速度比，從這我們可以得到齒輪的圓周曲線[1.2.7]。
在第一個例子，在深拉伸沖壓速度應該是在靜止點前，金屬板材成形保持在至少超過100mm，它的速度應該是約400m/s。讓行程數定為30/min。第450mm以上擊打的地方，讓處理零件時間和曲柄壓力機在25min/n的擊打時間相同。圖5表明了沖程運動情況，這是由一對齒輪的描繪所獲得。該齒輪是通過他們的圓周率所描繪。在25/min傳統(tǒng)的余弦曲線作為比較。除了生產周期時間減少了20％，應把桿速度的影響也大大減少。下靜點前110mm，當使用曲柄機構時，沖擊速度為700mm/s，而當使用非圓齒輪時僅僅只有410mm/s。
第二個例子顯示了驅動裝置是用于鍛造。在圖6中，常規(guī)鍛造曲軸的行程時間是相對于在圖片中說明非圓齒輪壓力運動學。曲柄壓力機的周期時間是0.7s、行程數是85/min和標準力是20mn。它的保壓時間為86ms與50mm的成形部份時間。非圓齒輪壓力機描繪的保壓描繪時間67%減少至28ms。因此，它達到了和錘子一樣的幅度。通過增加1.5倍的沖程數，周期時間縮短至46mm。盡管如此,處理時間依舊與常規(guī)非圓齒輪曲柄壓力機的運動學相同。在這種情況下為了實現這些運動,傳統(tǒng)的圓弧齒輪可以作為驅動裝置，安排偏心。這為齒輪制造降低了成本。
這些例子表明，不同的運動可以通過使用非圓齒輪驅動裝置實現。在同一時間內，這個驅動器的實用潛力用實現理想的運動學變得清晰，而且生產周期時間減少。例如，通過不同的例子，如果運動的順序對一系列壓力機生產零件有利，可能增加拉深成形后的速度。
5．總結
高生產率，降低成本和保證產品質量的高要求，這時所有制造公司所期望的，特別適用于公司的金屬加工領域。這種情況導致我們重新考慮壓力傳動機的使用。
對曲柄與非圓齒輪傳動壓力機的描述，使我們能夠優(yōu)化簡單的機械壓力機運動學。這意味著周期時間縮短,以達到高生產率和運動學的成形工藝的要求。這個設計工作需要很低。相對于多連桿壓力機驅動器，可以實現其他運動學在其他齒輪軸承位置不改變
時的壓力機構建使用。這使壓力機模塊化和標準化。
6．致謝
作者想表達他們的謝意，感謝德國機床制造商協(xié)會(VDW),位于德國法蘭克福，其經濟援助以及一些成員，感謝他們的支持。
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湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）任務書
論文（設計）題目： 風力發(fā)電偏航減速器試驗臺設計
學號： 2006183927 姓名： 余浩 專業(yè)：機械設計制造及其自動化
指導教師： 楊世平 系主任： 周友行
一、主要內容及基本要求
1. 設計計算部分： 分析偏航減速器試驗臺的工作原理，分析偏航減速器的齒輪和惰輪嚙合的關系式。并通過對惰輪軸的校核進行結構設計估計其惰輪軸的最小直徑，最后對各零件進行定位，最后設計出偏航減速器試驗臺。
2. 運行控制部分設計：根據設計要求，采用了電機加載方式，并實現能量回饋控制。 運行控制系統(tǒng)通過對變頻電機的控制實現減速器運行工況的模擬：控制加載電機的方向轉矩實現減速器負荷的模擬，采用電機轉矩直接矢量控制，以提高轉矩的穩(wěn)定性和精確性；采用直流母線的方式實現能量的回饋；以檢測控制臺的旋鈕實現轉速、轉向和負荷的遠程控制。測試對象為偏航減速器運行控制系統(tǒng)。運行控制系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，主電路實現功率級的電機控制，控制電路實現信號級的控制，包括：驅動電機的速度調節(jié)、加載電機的轉矩調節(jié)、驅動、加載電機的正反轉控制、啟停的實現、空損和加載試驗工位的選擇、急停功能的實現、超出正常工況的報警、直流母線的通斷控制、電機散熱風扇的延時關閉、電機的點動控制，采用PLC進行程序設計。
3. 設計要求 測試對象：2MW風電機組偏航減速器，主要測試數據：輸入、輸出 轉速、轉矩和功率、轉動效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動、被試件輸出小齒輪轉速，測試數據精度要求：溫度±1°C,轉速±1%,轉矩±1%，結構緊湊，外形美觀，功能可擴展。，偏航減速器輸入功率3KW、輸入轉速940rpm、傳動比1330±1%、輸出轉速0.7-0. 9rpm、輸出齒輪扭矩24KW.M、工作壽命為滿載荷1年。
二、重點研究的問題
本課題的研究目的就是根據風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的基本功能及所需檢測的技術參數，結合當前計算機技術、自動檢測與控制技術的特點，以檢測實用性、操作方便性、使用可靠性為原則來完成整個風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的設計。同時，運用PLC對偏航減速器試驗臺的驅動電機和加載電機進行控制。
三、進度安排
序號
各階段完成的內容
完成時間
1
學習LabVIEW技術知識
2010.2.10
2
查找課題有關文獻資料，學習PLC技術知識
2010.2.25
3
偏航減速器試驗臺總體機構設計
2010.3.10
4
各個零件的設計
2010.3.20
5
運用Solid edge畫實體圖和裝配圖
2010.4.15
6
運用Solid edge畫零件圖
2010.4..20
7
運行控制部分和測試部分的選型與設計
2010.5.10
8
設計的整理與設計說明書的編寫
2010.5.20
四、應收集的資料及主要參考文獻
［1］濮良貴,紀名剛. 機械設計[M]. 北京:高等教育出版社,2002.
[2] 徐灝.機械設計手冊-第三卷[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,1993.
[3] 嚴陸光,倪受元.太陽能與風力發(fā)電的現狀與展望[ J ] .電網技術,1995,20.
［4］李世蕓.Solid Edge三維設計教程[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2003.7.
［5］侯國屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M]. 清華大學出版社，2005.2.
［6］戴敬.LABVIEW基礎教程[M].國防工業(yè)出版社，2002.
［7］孫垣,陳做模.機械原理[M].高等教育出版社，2006.5.
［8］解蕾,張延遲,解大.風力發(fā)電試驗臺的設計和研究[J].2007,34(11).3.
［9］懂泳,王洪杰.PLC控制技術在礦用試驗臺上的研究[J].2008，16(6):2.
[10］蒲曉波. 西門子 PLC在盾構控制系統(tǒng)檢測試驗臺的應用[J].2009,29(1):1.
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)設計說明書
題 目： 風力發(fā)電偏航減速器試驗臺設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學 號： 2006183927
姓 名： 余浩
指導教師： 楊世平（副教授）
完成日期： 2010年5月27日
風力發(fā)電偏航減速器試驗臺
摘 要：隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，能源的開發(fā)和利用是人類進入20世紀不斷探索的主題，風力發(fā)電作為環(huán)保、經濟型能源受到國內外研究工作者廣泛關注，風力發(fā)電偏航減速作為大功率風力發(fā)電機組重要部件，其運行狀態(tài)直接影響風力機的運行性能，因此，檢測風力發(fā)電偏航減速器的性能，對保證風力對風裝置的運行意義重大。
本文對目前風力發(fā)電技術的發(fā)展歷史和風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的研究進行概括。同時，闡述了本課題的研究意義，并對本論文的研究內容做逐一介紹。提出了風力發(fā)電偏航減速器功能和運行條件要求，并闡述了風力發(fā)電偏航減速器的工作原理和控制理論依據，確定了本論文的系統(tǒng)實現方案，對風力發(fā)電偏航減速器試驗臺做了具體設計，合理設計出了偏航減速器試驗的總體結構。
最后對運行控制部分做了具體設計，畫出了電氣控制圖和程序梯形圖，闡述了測試部分的設計過程，使風力發(fā)電偏航減速器試驗臺達到最好的檢測效果。
關鍵字：風力發(fā)電，偏航減速器試驗臺，控制方法，運行控制，總結。
wind power generation test-bed of the yaw reducer
Abstract: Now, energy sources consume increasing daily and environment empoison being serious gradually, Since the beginning of the 20th century, he development and utilization of energy is an issue constantly explored by human beings．Wind power, as a green and economical energy source，has attracted a lot of attention from researchers and specialists home and abroad．Yaw reducer is the essential components of the wind device，so it has great significance to study their manufacturing technology，and its condition affects the working condition of wind turbine. So it's very important for wind power generation test-bed of the yaw reducer are detected.
The background of this project was presented and author overviewed development situation and current research of wind power generation test-bed of the yaw reducer. Meanwhile, the author represented the meaning of the project and put forward the main object of this research project. The proposed operation requirements and function of wind power generation test-bed of the yaw reduce, the theoretical foundation of wind power generation test-bed of the yaw reducer was built, the concrete design of wind power generation test-bed of the yaw reducer, and reasonable design of the general structure of the test-bed of the yaw reducer.
Finally, the specific on operating control parts design ,and drawing the electrical control and process ladder diagram, expounds operating control part of the design process, and make the best of wind power generation test-bed of the yaw reducer.
Keywords: wind power generation, test-bed of the yaw reducer, control method, operational control，summarize.
- 2 -
目 錄
摘 要………………………………………………………………………1
Abstract…………………………………………………………………………2
第1章 緒論 3
1.1課題的研究背景 3
1.1.1當代能源危機問題 3
1.1.2環(huán)境問題 3
1.1.3新能源的開發(fā)與應用 4
1.2風力發(fā)電技術國內外研究發(fā)展現狀 5
1.2.1國外的發(fā)展現狀 5
1.2.2國內的發(fā)展現狀 5
1.3風力發(fā)電偏航減速器試驗臺研制的目的及意義 6
1.4風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的研究情況 6
1.5本文論文研究地內容 7
第2章 偏航減速器試驗臺工作的要求 8
2.1偏航減速器試驗臺的基本設計依據 8
2.2偏航減速器試驗臺的基本功能 8
2.3本章小結 8
第3章 偏航減速器試驗臺方案及其具體設計 9
3.1試驗臺整體方案 9
3.2偏航減速器試驗臺工作的原理 9
3.3 偏航減速器試驗臺機械部分的具體設計 9
3.3.1偏航減速器試驗臺機械部分總體設計 9
3.3.2偏航減速器負載試驗臺的設計 10
3.3.3偏航減速器空載試驗臺的設計 19
3.4 本章小結 21
第4章 偏航減速器試驗臺運行控制系統(tǒng)設計 23
4.1 變頻調速基本概念 23
4.2 變頻調速的類型 23
4.3變頻器的組成 25
4.4變頻器的主要功能 25
4.4.1變頻器給定功能 25
4.4.2升速、降速和制動功能 26
4.4.3控制功能 26
4.4.4保護功能 26
4.5本實驗臺采用的變頻器及RIOM板接口 26
4.5.1本實驗臺采用的變頻器 26
4.5.2本實驗臺采用的變頻器的RIOM板接口 29
4.6運行控制系統(tǒng)地實現方式 30
4.6.1驅動電機的速度調節(jié) 30
4.6.2加載電機的轉矩調節(jié) 30
4.6.3驅動、加載電機的正反轉控制 30
4.6.4啟動、停止的實現 31
4.6.5空損/加載工位的選擇 31
4.6.6急停功能的實現 31
4.6.7超出正常工況的報警 31
4.6.8直流母線的通斷 31
4.6.9電機散熱風扇的延時關閉 31
4.6.10電機的電動控制 32
4.7本章小結 36
第5章 偏航減速器測試系統(tǒng)設計 37
5.1測試系統(tǒng)總體設計 37
5.2測試系統(tǒng)具體實現方式 37
5.2.1減速器轉矩、轉速測量 37
5.2.2 油溫及殼體溫度的測量 38
5.2.3 箱體振動檢檢測 38
5.2.4箱體壓力檢測 38
5.2.5減速器小齒輪轉速測量 38
5. 2.6數據采集卡及工控機 38
5.2.7測試系統(tǒng)元器件的選型及價格 39
5.2.7傳感信號抗干擾傳輸 39
5.3 本章小結 39
第6章 結論 40
參考文獻 41
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）評閱表
學號 200183927 姓名 余浩 專業(yè) 機械設計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設計）題目： 風力發(fā)電偏航減速器試驗臺設計
評價項目
評 價 內 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標，體現學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量是否適當；
3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。
能力
1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；
5.工科是否有經濟分析能力。
論文
（設計）質量
1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
評閱人：
2010年5月 日
第一章 緒論
1. 1課題的研究背景
1. 1. 1 當代能源危機問題
能源是人類文明發(fā)展的“血液”，同時也是一個國家發(fā)展的重要前提。自從200年以前工業(yè)革命開始到現在，全球的能源消耗就急速增長，能源已經成為制約經濟發(fā)展的最大障礙。其中當代所面臨的能源情況為：
1) 能源資源
從資源上來說，資源總量小，約為世界的10%；人均水平低，為世界人均水平的40%；能源結構單一，主要來自化石燃料—煤、石油和然氣；圖1-1示出了我國和世界一次商品能源消費結構。
圖1-1 我國和世界一次商品能源消費結構
截止到2006年底，探明總資源量為8230億噸標準煤，探明剩余可采總儲量1390億噸標準煤；剩余可采儲量的保證程度為煤炭80年、石油15年、天然氣30年汾別為世界平均水平的1/2、1/3和1/2；資源中以煤為主，缺乏石油、天然氣資源。如圖1-2所示。
2) 人均能耗
人均能源消耗是衡量一個國家經濟繁榮程度的晴雨表。我國目前的人均年消耗為1292公斤標準煤，為美國的10%，日本的22% ， OECD國家的19%，世界平均水平的61%；要達到世界平均水平需要30億噸，達到OECD國家平均水平需要85億噸。
1. 1. 2 環(huán)境問題
近年來，環(huán)境污染相當嚴重，多人們帶來了很大的影響。其中化石燃料的消耗給人類所造成的環(huán)境污染和安全問題已經成為社會的主要矛盾?；剂系娜紵嗣禾慨a生的揚塵之外，還會釋放C02， S02， NOx，和CO等。這些氣體(酸雨和酸沉降)的排放，會導致全球氣候變暖(溫室效應)及煤煙型大氣污染。主要依靠煤炭的發(fā)展中國家，
如中國、印度等的空氣污染已相當嚴重，按目前污染排放推算，再過100年，人類將無法在地球生存。
1. 1. 3 新能源的開發(fā)與應用
面對能源的短缺和環(huán)境污染所產生的一系列問題，我們必須大力開發(fā)利用可再生能源資源。其中風能是世界上最具大規(guī)模應用潛力的可再生能源。我國蘊含著巨大的風能資源，特別是東南沿海及附近島嶼、內蒙古和河西走廊、東北、西北、華北和青藏高原等部分地區(qū)，每年風速在3m/s以上的時間近4000小時左右，一些地區(qū)年平均風速可達6~7m/s以上，具有很高的開發(fā)利用價值。如圖1-2所示為中國的風力資源分布情況，東南沿海屬于中強壓地帶，石油、煤炭資源匿乏，而且高速的經濟增長對電力的需求又很大，所以風能開發(fā)具有廣闊的前景。北方從通過甘肅到內蒙古，是中國風力資源最豐富的地區(qū)，而且這一地區(qū)的風速穩(wěn)定，很少有紊流和咫風現象，人口稀少，地域平坦，適合發(fā)展大型風力發(fā)電廠，這一地區(qū)的風能儲存量可以達到500萬千瓦，年發(fā)電可以達到1.8億千瓦，是目前中國電力消費量的60%左右。
圖1-2 中國的風力資源分布
利用風能，不僅可以擴大能量來源、節(jié)約礦物資源，而且還有助于解決邊遠地區(qū)孤立用電者的需要，具有現實的社會和經濟利益。風力發(fā)電作為一種新型的可再生的能源形式，是近期內技術成熟、環(huán)境友好，具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉醇夹g，在遠期風能將成為世界上重要的補充能源。風力發(fā)電是世界范圍內增長最快的一種能源形式，在世界各地正得到越來越廣泛的應用。
1. 2風力發(fā)電技術國內外研究發(fā)展現狀
1. 2. 1國外的發(fā)展現狀
在一些發(fā)達國家 ，風力發(fā)電試驗平臺的建設已經到了一定的成熟階段。歐、 美己有多個風電公共平臺， 例如歐洲風能研究院( NWTC、EAWE)、 德國風能研究所 (DEW I)等。
在德國，風能是居水力發(fā)電之后最重要的再生能源來源，風力發(fā)電在德國電力生產中所占的比例已達到2.5%。目前，德國共擁有9400座風力發(fā)電機，總容量近6100兆瓦，占歐洲大陸風能發(fā)電總容量的50%，全球風能發(fā)電總量的三分之一。在未來10年里，德國風力發(fā)電在電力生產中所占的比例將達到3.5%。聯(lián)邦風能協(xié)會的估計更為樂觀，認為風力發(fā)電在電力生產中所占的比例甚至可以提高到30% 。不過，這一切都取決開發(fā)風能發(fā)電的新領域—近海風力發(fā)電的努力是否成功。
美國是世界上最早重視風力發(fā)電的國家之一，1994年時裝機容量(163萬kW)就占當年全球風電裝機容量的53%。雖然電力工業(yè)改組引起的混亂使美國1991-1996年的風電業(yè)沒有太多增長，但隨著電力工業(yè)改組的完成，到2000年時，每年至少可交付30萬kW的風電機組產品，形成40億美元的風機產業(yè)，風電平均價格將低于4min/kW。到2050年時，全美風力發(fā)電將占全國電力用量的10%
印度從20世紀90年代以后大力引進國外技術，并采取有力的政策措施促進風力發(fā)電的發(fā)展。1995年是其風電裝機容量增長最快的一年，增量達37.5萬kW，裝機總量達56.5萬kW, 19%年又上升到81.6萬kW，超過丹麥，成為世界第三個風力發(fā)電最多的國家。荷蘭、英國等國的風電事業(yè)，也在迅速發(fā)展。
1. 2. 2國內的發(fā)展現狀
風力發(fā)電是一種比較清潔的發(fā)電體系，我國風能資源豐富，可開發(fā)利用的風能儲量約10億kW，其中，陸地上風能儲量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），海上可開發(fā)和利用的風能儲量約7.5億kW，共計10億kw，風是沒有公害的能源之一，而且它取之不盡，用之不竭。但是，風力發(fā)電要求的技術含量較高，成本高，對風裝置用不長久。其中風力發(fā)電對風裝置試驗臺的研制還處在初期階段。
風力發(fā)電作為未來可取代傳統(tǒng)能源的“ 綠色能源 ” 之一，其發(fā)展的速度在諸如太陽能、生物質能和潮汐能等可再生能源中是最具有市場化規(guī)模及前景的。在一些國家，風能發(fā)電已能提供全國電能需求的 10% ～20% ，有的甚至達到50%以上。雖然中國的風電事業(yè)起步比較晚，但在國家政策大力支持下，過去 10年內的風力發(fā)電裝機容量年均增長速度達到了 55%以上，前景看好。在 2005年全國風電建設前期會議上，國家發(fā)展與改革委員會能源局提出：到 2010年全國風電裝機容量達到 400萬 kW，風電上網電價將進一步降低；到 2020年 ，裝機容量將2000萬 kW，風能利用將遍及全國城鄉(xiāng)。由于風電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，建設風力發(fā)電試驗臺就顯得極為重要。
1.3風力發(fā)電偏航減速器試驗臺研制的目的及意義
風能，作為一種綠色能源，日益受到專家學者的重視。同時，風力發(fā)電技術也逐漸成為科研人員研究的熱點。目前風力發(fā)電技術發(fā)展趨勢之一是單機容量不斷增大，利用效率提高，大功率(兆瓦級)、并網型機組己成為發(fā)展方向。提高偏航減速器的使用性能和使用壽命，是降低技術成本，提高風場發(fā)電能力，高效利用風能的重要手段。因此，風力發(fā)電偏航減速器試驗臺已經成為當今主流產品。
搭建風力發(fā)電偏航減速器試驗平臺，在試驗臺上確定了偏航減速器的各種性能參數，達到更好利用對風裝置。
1.4風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的研究情況
試驗室進行風力發(fā)電偏航減速器的試驗臺研究，用電動機控制偏航減速器的驅動運行和加載運行，人們提出了不同的風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的方案。目前主要采用異步電機來驅動風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的運行。
風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的運行時按照改變電動機的頻率來改變電動機的轉速，從而實現的偏航減速器試驗臺的驅動和加載運行，根據發(fā)電機轉速和風速輸出相應的機械功率，輸出轉矩要能夠隨風速的變化而變化。因此偏航減速器試驗臺需要對電機轉矩進行適當的控制。目前提出的大部分試驗臺設計方法是基于異步電機的頻率控制方法，該方法根據風力機風輪的轉矩特性控制異步電機的轉矩，具有良好的轉矩動態(tài)調節(jié)性能，但是異步電機的固有缺點限制了該方法的進一步應用。因此，近年來國外基本上都采用改變異步電動機的頻率來設計風力發(fā)電偏航減速器試驗臺，并初步完成了相關具體設計，圖1-3為風力發(fā)電偏航減速器組。
圖1-3 風力發(fā)電偏航減速器組
1.5本論文研究的內容
風能的利用前景非常廣闊，怎樣更好地利用發(fā)電設備是一個很有意義的研究課題。本文的選題就是在這樣的背景下，由湘潭市江麓機電科技有限公司和湘潭大學一起來設計完成的，結合當前計算機技術、自動檢測與控制技術的特點，以檢測實用性、操作方便性、使用可靠性為原則，完成整個試驗臺的設計。考慮試驗環(huán)境清潔要求及測試能力的可擴展性，本方案采用電機加載方式。
本文的主要研究內容和章節(jié)結構簡要說明如下：
第一章闡述了本文的研究背景，國內外風力發(fā)電技術的研究現狀、風力發(fā)電試驗臺的研究狀況及本文的研究意義與研究內容。
第二章提出了偏航減速器試驗臺設計的要求和功能。
第三章做了偏航減速器試驗臺詳細的設計。首先講述了偏航減速器工作的原理，并考慮到怎樣合理來設計偏航減速器試驗臺。
第四章講述了變頻器的工作原理，做了運行控制部分的設計；具體講述了如何運用PLC來控制整個試驗臺的運行，并給出了詳細的電路及解釋。
第五章論述了偏航減速器試驗臺測試部分的設計。
第六章總結全文，給出結論，并提出了下一步研究的內容。
第二章 偏航減速器試驗臺工作的要求
2.1 偏航減速器試驗臺的基本設計依據
1） 測試對象：2MW風電機組偏航減速器。
2）主要測試數據; 輸入、輸出轉速、轉矩和功率、轉動效率、油池溫度、壓力，殼體溫度、殼體振動、被試件輸出小齒輪轉速。
3） 測試數據精度要求：溫度±1°C,轉速±1%,轉矩±1%。
4） 結構緊湊，外形美觀，功能可擴展。
5) 偏航減速器輸入功率3KW、輸入轉速940rpm、傳動比1330±1%、輸出轉速0.7-0.9rpm、輸出齒輪扭矩24KW.M、工作壽命為滿載荷1年。
2.2 偏航減速器試驗臺的基本功能
根據設計要求，通過分析偏航減速器的工作狀況，我們擬定在該試驗臺上，完成偏航減速器空損、加載、超載以及疲勞壽命和峰值載荷五類性能檢測。擬設計的試驗臺能夠實現實現以下幾點基本功能：
1） 設置偏航減速器測試模塊，它的模塊分為兩個單元，進行“空損+峰值載荷”試驗和“加載+超載+疲勞壽命”試驗。
2） 采用電機加載方式，并實現能量回饋控制。
3） 做空損檢測時，通過控制臺面板開關操作，可完成轉速。轉矩檢測以及空損效率計算。做性能測試時，通過控制臺面板開關、旋鈕等操作，對偏航減速器的正反方向加載系統(tǒng)進行遠程控制，以完成對兩類減速器的變負荷加載、超載、疲勞壽命等項目的檢測。
4） 利用數據采集卡完成數據的采集，并通過工控機完成數據的處理（如損失功率估算、傳動效率估算等計算），保存、實時顯示和打印等功能；同時可以監(jiān)測整個測試過程，并進行故障報警指示及相應保護；
5） 采用工控機對試驗臺顯示系統(tǒng)進行控制，可實時直觀地顯示測試轉速、測試轉矩、測試溫度等性能參數；
6） 本方案符合關鍵元器件都選擇符合國家計量標準的工業(yè)級產品，以保證檢測結果符合國家各工廠標準。
2.3 本章小結
本章首先講述了本文的總體控制要求，然后提出了偏航減速器試驗臺控制要實現的基本功能，為下面研究做了很好的鋪墊。
第三章 偏航減速器試驗臺方案及其具體設計
3.1 試驗臺整體方案
試驗臺采用模塊化結構，包括偏航減速器測試模塊、電機控制模塊、測試模塊等，測試控制臺實現整個系統(tǒng)地遠程集中控制和數據檢測，電機控制柜為變頻器和邏輯控制元器件提供安裝平臺。偏航減速器工作狀態(tài)為垂直安裝，在本系統(tǒng)中，偏航減速器仍采用垂直安裝方式，并通過法蘭與機架相連接。工作臺置于平整的地面上（不需要地腳螺釘）。考慮到該減速器為大傳動比、大扭矩輸出，陪試件采用與被試件相同的偏航減速器，兩個減速器采用惰輪過渡組成傳動系統(tǒng)。為保證電機、轉速轉矩傳感器、聯(lián)軸器之間的連續(xù)可靠性。鑒于中間惰輪的拆裝難度大、而空損試驗臺使用頻率高，空損試驗另外設置一個工位，但驅動電機和及測控系統(tǒng)依舊與加載試驗共用一個，以達到資源共享、提高可靠性、降低成本的目的。
3.2偏航減速器試驗臺工作的原理
偏航減速器試驗臺包括：減速器運行控制、減速器輸入輸出轉矩、轉速測量、減速器輸入輸出功率及傳動效率、減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動等參數檢測，異常情況下的報警、保護處理和人為干預；計算機參與全程監(jiān)測并進行數據記錄、分析、顯示和打印輸出。
根據信號流不同，試驗臺可分為運行控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)兩個相對獨立的子系統(tǒng)。運行控制系統(tǒng)通過對變頻電機的控制實現減速器工況的模擬：控制驅動電機的轉速實現減速器輸入轉速的模擬；控制加載電機的反向轉矩實現減速器負荷的模擬。測試系統(tǒng)通過傳感器、儀表。采集卡和工控機等實現試驗參數的檢測。
3.3偏航減速器試驗臺機械部分的具體設計
3. 3. 1偏航減速器試驗臺機械部分總體設計
偏航減速器實驗臺架包括負載實驗臺架和空載實驗臺架，并排布置在梯形槽平板上。梯形槽平板的尺寸為2200×1200，見圖3-1。在梯形槽平板上安裝有支撐板、在下支撐板上安裝箱體，在箱體上安裝有箱體支撐板，在箱體支撐板上安裝偏航減速器，在偏航減速器上安裝傳感器安裝架。在安裝架上分別安裝轉矩轉速傳感器、驅動（負載）電機，驅動電機與負載電機型號參數完全相同，豎直安裝，以保證試驗條件與工況條件一致。 在進行空載實驗時，偏航減速器安裝在空載臺架上，其上安裝有傳感器安裝架。在進行負載實驗時，兩偏航減速器安裝在負載實驗臺架上，其上分別安裝傳感器安裝架，箱體中的惰輪分別與兩偏航減速器的輸出齒輪嚙合，以傳遞負載。
圖3-1 偏航減速器試驗臺梯形槽
3. 3. 2偏航減速器負載試驗臺的設計
1）齒輪部分
<1>偏航減速器輸出齒輪
齒輪的材料采用為20CrMnTi，偏航減速器輸出齒輪的模數m1=20，齒數Z=12，分度圓直徑d=240。
<2>惰輪的設計
由于惰輪和偏航減速器輸出齒輪嚙合，因此，惰輪和偏航減速器輸出齒輪的模數相等，即。本設計采用的是偏航減速器輸出齒輪和惰輪是在一條直線上嚙合傳動，所以惰輪的分度圓直徑要比偏航減速器輸出齒輪要大，同時為了防止根切，取惰輪的齒數，則惰輪的分度圓直徑。惰輪的標準壓力角，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒距，齒厚為P/2=31.4，齒寬，齒輪寬。惰輪的圖形為圖3-2。
圖3-2 惰輪
2）電機的選型
由，則p輸入= p輸出=3KW，因此，選用額定功率為4KW的異步電機，偏航減速器的輸入轉速為940r/min，則電機的額定轉速n電≥940r/min，其中=30.48N.m。根據偏航減速器轉速和扭矩可知：可選用額定功率為4KW、同步轉速為1500r/min、額定轉速為1435rpm，型號為112M4A。
3）聯(lián)軸器的選型
由=95504/1000=38.2N.m，電機轉矩Tas=2.5Ta=95.5N.m，由表可知：都選用型號為ROTEX-24的聯(lián)軸器，選用鋼質材料，其中成品直徑d1=28，d2=25。
4）惰輪軸的設計
由綜合性能可知，軸的材料選用20CrMnTi。由于惰輪在運轉過程中受到兩個相同的切應力，則惰輪軸不受轉矩的作用，因此采用許用力法來計算軸的最小軸徑（直徑）。
式中——軸的對稱循環(huán)用彎曲應力（Mpa）
D ——計算截面處軸的直徑
M ——計算截面處軸所受彎矩
T——計算截面處軸所受扭矩
進行軸在結構設計后進行強度校核，根據M、T及d的大小確定危險截面作為計算截面，必要時選幾個截面進行校核。
20CrMnTi的抗拉強度為1080MPa，彎曲應力=480Mpa。
而偏航減速器的傳動比為，則n出=0.8rmp,輸出齒輪的扭矩為24KN.M。
<1>軸的受力簡圖
軸受水平、圓周和垂直方向的力，其受力簡圖為圖3-3，受力簡化圖為圖3-4。
圖3-3軸的受力簡圖
圖3-4 軸的受力簡化圖
由于軸承垂直安裝，在試驗臺運行過程中軸承對軸垂直方向的力幾乎為零，則相當只受水平方向的力，水平圖為圖3-5。
圖3-5 水平受力圖
<2>軸的強度校核及軸的最小軸徑計算
由及
式中：T1——齒輪傳遞的扭矩
d1——齒輪的分度圓直徑
a——嚙合角
則Ft=80KN，偏航減速器的重量G=200Kg。
由此可知， 和力偶平衡由圖3-3可知：齒輪軸受到兩個相同方向相同的力，則水平力,扭矩T=0 N.m。
惰輪軸受到彎矩的作用，彎矩為:
取I截面：則
?、蚪孛妫簞t
由彎矩圖可知: 在惰輪中間部分所受的力最大，則惰輪軸中間部分所受力最大，此處為危險截面。當X=163.5時最大，則M=13080 KN.mm。
則彎矩圖為圖3-6。
圖3-6彎矩圖
由 可知，d≥65，則只要軸的直徑大于等于65，軸就達到所需要的強度。因此，取軸的最頂端的直徑d1=110，與滾動軸承相配合的軸直徑d2=160，軸的結構圖形為圖3-7。
圖3-7 軸的結構圖
5）滾動軸承的選擇
<1>深溝球軸承
本試驗臺中軸配合的滾動軸承采用深溝球軸承，選用d=160, D=290, B=48,
Cr=215/KN,軸承代號為6232。
<1>軸承壽命計算
1>求比值
根據機械設計手冊表12-7可知：深溝球軸承的最大e 值為0.44，則此時，所以X=1,Y=0,。
2>初步計算當量動載荷P
根據式
按照機械設計書表13-6可知：fp=1.0—1.2,取fp=1.2
則P=96000N，C=21500N。
根據式
，其中n=0.8rpm.，可知：=29705. 2（h）。
<2>推力球軸承
由于推力球軸承和d1=110的軸配合，則選用d=110,D=160,T=38。
6）箱體的設計
根據上面做確定的各尺寸可定出箱體的各尺寸，箱體的圖像為圖3-8。
7）惰輪支架的設計
為了將各零件拆裝方便，潤滑較充分，惰輪支架放在箱體里面，惰輪支架的圖形為圖3-10。
8）鍵的選擇
由于鍵槽要是惰輪和軸定位，則根據機械設計手冊可知，鍵采用L=125，R=45,h=28。
9）支撐板的設計
箱體支撐板根據惰輪支架和箱體的定位可知，設計支撐板的長度L=1450，h=60，B=800。
10）端蓋和端蓋軸套的設計
端蓋的各尺寸是根據讓深溝球的內圈定位所確定的，端蓋的總長L=373,h=80，其具體各尺寸為圖3-9，端蓋軸套的各尺寸是根據使深溝球軸承周向定位確定的，其內圈的直徑d=280。
圖3-8 箱體
圖3-9 端蓋
圖3-10 惰輪支架
11）螺栓、墊片和螺釘的選型
為了讓各零件能夠裝配起來和定位，螺栓選擇為M12×60、M16×55 、M20×65、M24×100；螺釘選擇為M8×50、M20×65、M24×95；墊片選擇為M10×2、M12×2.5、M16×3。
12）偏航減速試驗臺總體圖
偏航減速器負載試驗臺總體工程圖為圖為3-11，爆炸圖為圖3-12，實體圖為圖3-13、3-14，
圖3-11 偏航減速器試驗臺總體圖
圖3-12 偏航減速器負載試驗臺總體爆炸圖
圖3-13 偏航減速器負載試驗臺實體圖
圖3-14 偏航減速器負載試驗臺實體圖
3. 3. 3偏航減速器空載試驗臺的設計
空載試驗臺中只有箱體和負載試驗臺不箱體，其它各零件尺寸和選型與偏航減速器負載試驗臺的設計相同。其中偏航減速器空載試驗臺的箱體尺寸為圖3-15。偏航減速器空載試驗臺的爆炸圖為圖3-16，實體圖為3-17。
圖3-15 箱體
圖3-16偏航減速器空載試驗臺的爆炸圖
圖3-17 偏航減速器空載試驗臺的實體圖
3.4 本章小結
本章講述了偏航加減速器試驗臺設計方案和具體設計，同時明確了怎么樣合理的設計試驗臺，達到最好的檢測效果。
第四章 偏航減速器試驗臺運行控制系統(tǒng)設計
運行控制系統(tǒng)通過對變頻電機的控制實現減速器運行工況的模擬：控制加載電機的反向轉矩實現減速器負荷的模擬，采用電機轉矩直接矢量控制，以提高轉矩的穩(wěn)定性和精確性；采用共直流母線的方式實現能量的回饋；以測試控制臺的旋鈕實現轉速、轉向和負荷的遠程控制。按照測試對象不同，運行控制系統(tǒng)為偏航減速器運行控制系統(tǒng)。
4. 1 變頻調速基本概念
三相異步電動機的轉速公式為 試中：為電動機同步轉速，p為極對數，s為轉差率，f1為供電頻率。
從上試中得知，改變供電電壓的頻率可以實現對交流電動機的速度控制，這就是變頻調速。現在變頻器在電氣自動化控制系統(tǒng)中的使用越來越廣泛，這得益于變頻調速性能的提高和變頻器價格的大幅度的降低。
實現變頻調速的關鍵因素有兩點：一是大功率開關器件。雖然早就知道變頻調速是交流調速中最好的方法，但受限于大功率電力電子器件的實用化問題，變頻調速直到20世紀80年代才取得了長足的發(fā)展。二是微處理器的發(fā)展加上變頻控制方式的深入研究使得變頻控制技術實現了高性能、高可靠性。
變頻調速的特點：可以使用標準電動機，可以連續(xù)調速，可以通過電子回路改變相序、改變轉速方向。其優(yōu)點是啟動電流小，可調節(jié)加減速度，電動機可以高速化和小型化，防爆容易，保護功能齊全等。變頻調速的應用領非常廣泛，它應用于風機、攪拌機、擠壓機、精紡機和壓縮機，原因是節(jié)能效果。
4.2變頻調速的類型
變頻調速的實現必須使用變頻器，變頻器的類型有多種，其分類方法也有很多。
1. 根據交流環(huán)節(jié)分類
1) 交-直-交變頻器
先把恒壓恒率的交流電“整流”成直流電，再把直流電“逆變”成電壓和頻率均可調的三相交流電。由于把直流電流逆變成交流電的環(huán)節(jié)比較容易控制，所以該方法在頻率的調節(jié)范圍和改善變頻后電動機的特性方面都具有明顯的優(yōu)勢。大多數變頻器都屬于交-直-交型。
2) 交-交變頻器
把恒壓恒頻的交流電直接變換成電壓和頻率均可調的交流電，通常由三相反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成。它具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點，但同時存在著輸出頻率低、使用功率器件多。功率因素低等缺點。該類變頻器只在低轉速、大容量的系統(tǒng)，如軋鋼機、水泥回轉窯等場合使用。
2. 根據直流電路的濾波方式分類
1) 電壓型變頻器
在逆變器前使用大電容來緩沖無功功率，直流電壓波形比較平直，相當于一個理想情況下內阻抗為零的恒壓源。對負載電動機來說，變頻器是一個交流電源，在不超過容量的情況下，可以驅動多臺電動機并聯(lián)運行。
2) 電流變頻器
在逆變器前使用大電感來緩沖無功功率，直流電流波形比較平直；對應負載電動機來說，變頻器室一個交流電源。其突出特點是容易實現回饋制動，調速系統(tǒng)動態(tài)響應快，適應于頻繁急加減速的大容量電動機的傳動系統(tǒng)。
3. 根據控制方式分類
1) V/F型控制
異步電動機的轉速由電源頻率和極對數決定，所以改頻率，就可以對電動機進行調速。但是頻率改變時電動機內部阻抗也改變，僅改變頻率，將會產生有弱勵磁引起的轉矩不足或由過勵磁引起的磁飽和現象，使電動機功率因素和效率顯著下降。
V/F控制是這樣一種控制方式，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，在較廣泛的范圍內調速運作時，電動機的功率因素和效率不下降。這就是控制電壓和頻率之比，所以稱做V/F控制。作為變頻器調速控制方式，V/F控制方式屬于轉速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，比較經濟。但開環(huán)方式下不能達到較高的控制性能。V/F控制方式多用于通用變頻器，如風機的節(jié)能運行、生產流水線的傳送控制和空調等家用電器中。
V/F控制方式變頻器的特點：
<1> 它是最簡單的一種控制方式，不用選擇電動機，通用性優(yōu)良。
<2> 與其他控制方式相比，在低速區(qū)內電壓調整困難，故調速范圍窄，通常在1：10左右的調速范圍內使用。
<3> 急加速、或負載過大時，抑制過電流能力有限。
<4> 不能精密控制電動機實際速度，不適合用于同步運轉場合。
1) 矢量控制
直流電動機構成的傳動系統(tǒng)，其調速和控制性能非常優(yōu)良。矢量控制按照直流電動機電驅電流控制思想，在交流異步電動機上實現控制方法，并且達到與直流電動機相同的控制性能。
矢量控制是這樣的一種控制方式，即將供給異步電動機的定子電流在理論上分成兩部分：產生磁場的電流分量和與磁場相垂直、產生轉矩的電流分量。該磁場電流、轉矩電流與直流電動機的磁場電流、電驅電流相當。對異步電動機來講，其定子電流在電動機內部，利用電磁感應作用，可在電氣上分解為磁場電流和垂直的轉矩電流。
矢量控制就是根據交流電動機的動態(tài)數學模型，采用坐標變換的方法，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流，并加以控制。兩者合成后，決定定子電流大小，然后供給異步電動機，從而達到控制電動機轉矩的目的。
矢量控制變頻器的特點是：
<1> 需要使用電動機參數，一般用做專用用做專用變頻器。
< 2> 調速范圍在1：100以上。
<3> 速度相應性極高，適合于急加速、減速運轉和連續(xù)4象限運轉，能使用于任何場合。
4 . 根據交流環(huán)節(jié)分類
1) PAM方式
脈沖幅值調制（PAM,Pulse Amplituden Modulation）方式通過改變直流電壓的幅值來實現調壓，逆變器負責調節(jié)輸出頻率。采用直流斬 波器調壓時，供電電源的功率因素在不考慮諧波影響時，可以達到COSФ≈1.
2) PWM方式
脈沖寬度調制（PWM,Pulse Width Modulation）方式在改變輸出頻率的同時也改變了電壓脈沖的占空比。PWM方式只需控制逆變電路即可實現。通過改變脈沖寬度來改變電壓幅值，通過改變調制周期可以控制其輸出頻率。
5 . 根據輸入電源的相數分類
1) 單相變頻器
變頻器輸入端為單向交流電，輸出端為三相交流電。適應于家用電器和小容量的場合。
2) 三相變頻器
變頻器輸入端和輸出端均為三相交流電。絕大多數變頻器都是三進/三出型。
4.3變頻器的組成
變頻器的電路一般由主電路、控制電路和保護電路等部分組成。主電路用來完成電能的轉換（整流和逆變）；控制電路用以實現信息的采集、變換、傳送和系統(tǒng)控制；保護電路除用于防止因變頻器主電路的過壓、過電流引起的損壞外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等。
4.4變頻器的主要功能
隨著計算機控制技術和功率器件的發(fā)展，變頻器的功能也越來越強大。現在變頻器的主要功能有：頻率給定功能，升速、降速和制動控制，控制功能和保護功能。
4. 4. 1 頻率給定功能
有三種方式可以完成變頻器的頻率設定：
1) 面板設定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。
2) 外接給定方式 通過控制外部的模擬量或數字量端口，將外部的頻率設定送給變頻器。外接數字量信號接口可用來設定電動機的選擇方向，以及完成分段頻率的控制。
3) 通信接口方式 可以通過通信接口，如RS-485,PROFIBUS等，來進行遠程的頻率給定。
4. 4. 2 升速、降速和制動功能
1) 升速和降速功能
可以通過預置升/降速方式等參數來控制電動機的升/降速，利用變頻器的升速控制可以很好地實現電動機的軟啟動。升/降速有線性方式、S型方式和半S型方式。
2) 制動方式
一般有兩種方式控制電動機的停車。
一種是變頻器由工作頻率按照用戶設定的下降曲線到0使電動機停車，這種方式也稱做斜坡制動。
有些場合因為有較大的慣性存在，為防止“爬行”現象出現，要求進行直流制動，即傳統(tǒng)的能耗制動，這是另一種制動控制。
4. 4. 3 控制功能
變頻器可以由外部的控制信號或者可編程程序控制等控制系統(tǒng)進行控制，也可以完全由自身按預先設置好的程序完成控制。大部分場合變頻器需要和可編程序控制器一起組成控制系統(tǒng)，只有在比較簡單的調速控制場合才單獨使用。
4. 4. 4 保護功能
變頻器實現的保護功能主要有：過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、變頻器過載保護、防止失速保護、主器件自保護和外部報警輸入保護等。
4.5 本試驗臺采用的變頻器及RMIO板接口
4. 5. 1 本實驗臺采用的變頻器
本偏航減速器試驗臺采用的是ACS800變頻器，通過I/O接口來控制單元。
變頻器RMIO板上的可選模塊為：
其中變頻器的圖形為圖4-1，變頻器的傳動單元控制接口和主電路為圖4-2，電纜功率圖為圖4-3。
圖4-1 變頻器的外圖形
圖4-2 變頻器的傳動單元控制接口和主電路
圖4-3 功率電纜接線圖
4. 5. 2 本實驗臺采用的變頻器的RMIO板接口
下圖4-4顯示了轉矩 宏的外部控制連接,在RMIO板上標有標準I/O的端子號。
圖4-4 RMIO板上標有標準I/O的端子號
4.6運行控制系統(tǒng)地實現方式
運行控制系統(tǒng)只要依靠變頻器對電機頻率的控制而實現，從電路上來看，該電路有主電路和控制電路組成，主電路實現功率級的電機控制，控制電路實現信號級的控制。主電路為圖4-5，控制電路為4-6、4-7、4-8，采用的是PLC S7-200，程序梯形圖為4-9，具體控制如下：
4. 6. 1 驅動電機的速度調節(jié)
首先，設置變頻器1的參數，將端子3設置為速度信號模擬輸入，利用變頻器輸出的10V電源及測試控制臺面板上的電位器旋鈕R1，組成簡單可靠地電路，可以方便地給該端子一個0~10V的電壓信號，實現驅動電機速度的無極調節(jié)。因此，可以通過改變R1的阻值，可以改變電機的轉速。
4. 6. 2加載電機的轉矩調節(jié)
設置變頻器2的參數，將端子3設置為轉矩信號模擬輸入，利用變頻器輸出的10V電源及測試控制臺面板上的電位器旋鈕R2，組成簡單可靠地電路，可以方便地給該端子一個0~10V的電壓信號，實現加載電機轉矩的無極條調節(jié)。因此，可以通過改變R1的阻值，可以改變電機的轉矩。
4. 6. 3驅動、加載電機的正反轉控制
設置變頻器的參數，將變頻器上設有正反轉信號輸入端子，利用變頻器自帶的24V輸出電源及測試控制面板上的3位旋鈕開關S3和S5控制這兩個端子的通斷，實現兩個電機正反轉的控制，當S3按鈕接通1時，電動機正轉；當S3按鈕接通2時，電動機反轉；當旋鈕開關處于中位時，變頻器不輸出任何控制電流，即使按下了運行控制按鈕。
4. 6. 4啟動、停止的實現
在沒有接收到正反轉信號之前，變頻器不會對電機輸出控制電流，當按下空氣開關時，繼電器KF2和KF6通電，點亮了上電指示燈GL1。利用測試控制臺面板上的常開按鈕S8、常閉按鈕S7及中間繼電器KF1，以及故障信號KF4和KF8的常閉觸點，組成啟動、停止控制電路。見圖4的上部分。當按下啟動按鈕S8時，繼電器KF1通電，并實現自鎖，兩電機的正反轉信號輸入端子才能通電，電機啟動，同時點亮運行指示燈GL2；當按下停止按鈕S7時，繼電器KF1斷電，變頻器正反轉信號輸入端子立即斷電，變頻器中斷電流輸出，電機逐漸停轉，停轉時有制動電阻R的保護。
4. 6. 5空損/加載試驗工位的選擇
在運行加載試驗時，啟動/停止按鈕控制兩個電機；運行空損試驗時，啟動/停止按鈕通過中間繼電器KF1只控制驅動電機。該功能是利用測試控制臺面板上的2位旋鈕S9及繼電器KF5組成的電路實現的。當KF5不通電的時候，變頻器2的正反轉信號輸入端子不能通電，加載電機不能啟動。
4. 6. 6急停功能的實現
變頻器自帶斬波制動單元，試驗過程出現緊急狀況時，可以按下測試控制臺的急停按鈕S2和S6，驅動電機和加載電機可以在瞬間實現制動停轉。
4. 6. 7超出正常工況的報警
在試驗過程中，由于不當、或者減速器本身存在故障，電機輸出特性有可能進一步趙成機械故障，變頻器具有自檢測功能，當電機實際轉速、轉矩超過設計值時，變頻器即可輸出報警信號。利用2個變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制2個中間繼電器KF4和KF8，實現報警的輸出。任何1個變頻器報警時，繼電器即可輸出控制信號停止兩個電機的運行，同時點亮相應的故障報警燈GL3和GL4。
4. 6. 8直流母線的通斷控制
為了實現變頻器能量的循環(huán)、有效保護變頻器和確保系統(tǒng)地可靠性，直流母線并不是在任何時候都接通，只有在滿足以下3個條件時才允許直流母線接通：1）選擇了“加載”試驗工位，2）變頻器1已經上電，3）變頻器2已經上電。該功能由變頻器自帶的繼電器輸出端子，控制兩個中間繼電器KF3和KF7 ,配合中間繼電器KF5、接觸器QA5實現。
4. 6. 9電機散熱風扇的延時關閉
為確保電機充分散熱冷卻，每個電機風扇，在電機運行時立即工作，但電機停轉后應該再運行一段時間再自行停轉。該功能通過運行自通繼電器KF9、通電延時繼電器T37、接觸器QA3、QA4組成的邏輯電路實現。
4. 6. 10電動機的點動控制
當進行更換試件時，惰輪與試件輸出小齒輪不一定處于良好的嚙合狀態(tài)，引起試件的安裝干涉，為了消除此干涉，要求惰輪能夠實現細微轉動，以改善惰輪和試件輸出小齒輪的嚙合狀態(tài)。該功能通過電機的“點動”控制來實現，具體實現方式為：在運行控制繼電器的旁路并聯(lián)兩個常開的開關按鈕S1、S4，當按下S1、S4時，電機馬上被啟動，開始旋鈕；松開按鈕S1、S4后，電機變頻器終止輸出電流，電機停轉。
4-5 主電路
圖4-6 、4-7 變頻器的電路圖
圖4-8 電路控制圖 圖4-9 程序梯形圖
其中程序梯形圖的含義為：當按下啟動按鈕I0.0時，中間繼電器M0.0通電，同時也形成自鎖，這時風扇1啟動，變頻器1上電指示燈點亮，電機開始進入啟動狀態(tài)。當按下反轉按鈕I0.4時，電機開始反轉。當遇到故障信號M0.3，這故障燈點亮，同時，M0.0斷電，電動機馬上停止運轉。當按下按鈕I0.2時,實行電動機的點動。
當按下I0.5時，同時變頻器2開始運行時，這時Q0.5、Q0.6通電，加載變頻器開始上電和運行風扇2開始啟動，加載電動機啟動。當按下按鈕I0.8時，加載電機開始反轉。當變頻器1、變頻器2同時上電，同時加載電機運行時，直流母線接觸器線圈Q0.8通電，直流母線接通，實現能量循環(huán)。按下停止按鈕I0.1時，電動機停止運轉，同時，T37開始計時，當時間到了，M0.2斷電，兩個風扇停止運轉。
4. 7 本章小結
本章進行了風力發(fā)電偏航減速器試驗臺運行控制部分的設計，給出了詳細的電路及梯形圖。
第五章 偏航減速器試驗臺測試系統(tǒng)設計
試驗臺的測試系統(tǒng)可以實現以下功能:減速器輸入輸出轉矩、轉速的測量，減速器輸入輸出功率及傳動效率的計算，減速器油溫、壓力、殼體溫度、振動等參數測量；除了殼體振動這種瞬變信號不通過控制器儀表顯示外，其它的信號都通過儀表顯示；計算機參與全程監(jiān)測并完成數據記錄、分析、顯示和打印輸出。
5.1 測試系統(tǒng)總體設計
測試系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由工控機、傳感器、數據采集卡、屏蔽信號電纜等組成，完成信號的精準測量以及無失真?zhèn)鬏敚跀祿杉瘯r，傳感器經變送器輸出的信號同時送送入二次儀表和工控機；軟件系統(tǒng)采用NI公司的虛擬儀器LabVIEW開發(fā)，開發(fā)成功的軟件系統(tǒng)具有友好的人際交互界面，可以方便地實現數據的實時顯示、變化趨勢的圖像顯示、存取及打印等功能。為了增加系統(tǒng)地可靠性，工控機監(jiān)測程序與測試控制臺面板上的儀表顯示相對獨立，測試系統(tǒng)可以通過監(jiān)測程序上的按鈕啟動監(jiān)控程序運行，也可以不運行程序。操作面板圖為5-1
圖5-1 操作面板布局圖
5.2 測試系統(tǒng)具體實現方式
5.2.1 減速器轉矩、轉速測量
偏航減速器轉速、轉矩的測量是實驗臺最重要的任務，其選型原則首先考慮量程的適配性、其次是工作的可靠性和經濟性。經綜合考慮，轉矩傳感器選用溫嶺電器機械廠（上海良標）生產的ZJ型轉矩傳感器，其中，偏航減速器測試系統(tǒng)選擇量程為50Nm的ZJ50型轉矩傳感器。
由于ZJ型傳感器的輸出信號為2路感應正弦信號，其轉矩的換算依靠2路信號的相位差，轉速信號依靠1路信號的頻率，普通的二次儀表和變送器無法直接顯示和轉換，必須借用湖湘測控的TC-1型轉矩轉速測試儀以完成儀表顯示，并通過其自帶的RS232接口將數據傳送給工控機。
5.2.2 油溫及殼體溫度的測量
油溫測量采用STT鉑電阻型熱電偶作為傳感器，可以定做M14×1.5的插入式封裝，直接安裝在放油口測量油池溫度。殼體溫度的測量（任意2處）采用強磁吸附式熱電偶作為傳感器，類型也采用STT鉑電阻式熱電偶。以上幾個熱電偶都選用北京賽億凌科技有限公司的產品，油池、殼體溫度都通過測試控制臺上的儀表顯示，同時將該數據傳送給工控機。
5.2.3 箱體振動檢測
箱體振動測量是檢測偏航減速器運行性能的一個重要參數，減速器的結構振動異?？梢苑从吃缙诠收?，從而有針對性地采取檢修措施，確保主減速器的產品質量,提高傳動性能，同時還可以達到降噪目的。由于實驗臺上的被試件要經常拆卸，而且不能對被試件機殼表面造成破壞，因此選擇合適的振動傳感器以及合理的安裝方法尤為關鍵。
本系統(tǒng)采用上海冉普電子科技有限公司磁吸式RPY6700型振動傳感器，量程為±1mm，頻率范圍為：5 ～ 500 Hz。鑒于該信號為瞬變信號，儀表的顯示沒有任何參考意義，因此該信號只送入工控機，由軟件顯示，并計算平均振幅值予以參考。
5.2.4 箱內壓力檢測
減速器運行時，箱內壓力會有所變化，該壓力變化范圍不能過大，否則會造成殼體漏油。箱內壓力的檢測采用北京昆侖海岸科技有限公司的JYB型壓阻式傳感器，量程為0.1MPa，該傳感器輸出的信號不僅通過測試控制臺儀表直接顯示，而且直接工控機，實現計算機的檢測。
5.2.5 減速器小齒輪轉速檢測
減速器小齒輪轉速的測量，可以直接評價減速器輸出的平順性，偏航減速器輸出小齒輪的轉速非常低，難以通過計數式的轉速傳感器直接測量，必須借助光電編碼器才能實現。為了安裝方便，本系統(tǒng)采用測量惰輪轉速、換算小齒輪轉速的方案，編碼器選擇市場上應用較多的歐姆龍E6C2-CWZ6C型光電編碼器，其分辨率為1024。
編碼器的輸出信號，一方面送入控制臺顯示儀表，另一方面送入工控機，控制臺顯示儀表選用北京昆侖海岸科技有限公司的KSM-C型智能轉速表。
5.2.6 數據采集卡及工控機
由于我們需要同時檢測12路模擬信號的數據，2路數字信號的數據（4路轉矩、轉速信號通過R232接口數字傳輸），系統(tǒng)采用型號為PCI-1711L研華工控的數據采集卡2塊，該卡帶有8路雙端模擬輸入和16路數字輸入端口，可以滿足本系統(tǒng)的使用；工控機選擇研華的IPC-610H型工控機；數據采集卡與工控機通過PCI插槽聯(lián)結，通過專用的I/O接線終端面板與傳感器信號傳輸電纜相連，型號為研華公司的ADAM-3968。
5.2.7 傳感信號抗干擾傳輸
本系統(tǒng)既有強電交流信號，又有弱電傳感器信號，在傳輸過程中，如不采取措施，傳感器弱信號肯定受到強電信號的干擾，因此，本系統(tǒng)弱傳感信號傳輸過程中，全部采用計算機測控系統(tǒng)專用的信號屏蔽電纜，型號為DJYVP。根據實際情況，從節(jié)約成本的角度考慮，只采用兩種信號電纜，一種為3芯電纜，用于除編碼器之外的所有信號傳輸；另一種為2組4芯電纜，用于編碼器輸出信號傳輸。
5.2.8 測試系統(tǒng)元器件選型及價格
綜合考慮可行性、工作可靠性、操作方便性及成本等各方面的因素，測試系統(tǒng)選用國內、國際有良好質量信譽公司的產品。
5.3 本章小結
本章講述了偏航減速器試驗臺上的測試系統(tǒng)地設計方案，以及測試系統(tǒng)元件的選型。
第六章 結論
目前在風力發(fā)電測試性能的發(fā)展過程中，試驗臺的檢測技術因其高效性和實用性正受到越來越多的重視。本文主要致力于研究風力發(fā)電偏航減速器的試驗臺，利用異步電動機對偏航減速器進行驅動，并在此基礎上對變速器展開理論研究。
總結前面各個章節(jié)的介紹，本文主要完成了以下幾個方面的工作：
（1）通過閱讀大量的相關資料和文獻，對目前國內外的風力發(fā)電現狀及風力發(fā)
電試驗臺的設計及發(fā)展動態(tài)作了較為全面的闡述。
（2）提出了風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的工作要求，確定了本論文的系統(tǒng)實現方案，即三相異步電機驅動偏航減速器。
（3）講述了風力發(fā)電偏航減速器試驗臺的工作原理及具體各零件的設計，采用三相異步電動機驅動試驗臺的運行。
（4）講述了采用PLC控制偏航減速器試驗臺電動機運行的基本原理；研究了變頻器的工作原及控制的方法，畫出了電氣控制圖和程序梯形圖。
（5）做了偏航減速器試驗臺上的測試系統(tǒng)地設計方案的設計，怎樣合理選擇各檢測元件。
由于本人學識水平、實踐經驗及時間、試驗條件的限制，下面內容還需要進
一步的研究與完善:
（1）本文只是初步設計了偏航減速器試驗臺的軟件部分，對怎樣運用LabVIEW軟件來對計算機控制界面設計還需進一步的研究。
（2） 在此試驗平臺上，需要對各種風力發(fā)電偏航減速器試驗臺上的PLC控制程序進行深入研究。
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