《风电机组构造与设计》课程实验指导书

风电机组构造与设计实验指导书

风电机组构造与设计实验指导书

实验说明风电机组构造与设计课程实验通过模拟风电机组的变桨执行机构及变浆的控制过程的变桨系统试验平台，让学生能够通过通信进行PLC和伺服驱动数据交换，并以此为基础实现开桨和关的动作，学生可以通过PLC编写变桨的PID位置控制算法并观察实际效果。实验内容和目的如下：（1）通过操作台上的按钮及旋钮操作实现对变桨电机的控制，实现开奖、关等控制过程（2学时）；（2）通过操作台上的安全链模拟控制旋钮，实现变桨系统的安全链闭合和断开过程（2学时）；（3）通过旋钮改变变驱动电机的转速，了解变桨系统中桨叶旋转速度和电机驱动速度的关系（4学时）；（4）通过实现对磁粉制动器进行载荷转矩的调节，观察电机驱动力矩的变化过程，了解其中的关系（4学时)；（5）可通过给定桨叶旋转位置，观察PID调节的曲线，同时可更改Kp和Ki的参数，了解PID控制的方式和调节方法（2学时）

实验说明 风电机组构造与设计课程实验通过模拟风电机组的变桨执行机构及变桨的 控制过程的变桨系统试验平台，让学生能够通过通信进行 PLC 和伺服驱动数据 交换，并以此为基础实现开桨和关桨的动作，学生可以通过 PLC 编写变桨的 PID 位置控制算法并观察实际效果。 实验内容和目的如下： （1）通过操作台上的按钮及旋钮操作实现对变桨电机的控制，实现开桨、关桨 等控制过程（2 学时）； （2）通过操作台上的安全链模拟控制旋钮，实现变桨系统的安全链闭合和断开 过程（2 学时）； （3）通过旋钮改变变桨驱动电机的转速，了解变桨系统中桨叶旋转速度和电机 驱动速度的关系（4 学时）； （4）通过实现对磁粉制动器进行载荷转矩的调节，观察电机驱动力矩的变化过 程，了解其中的关系（4 学时）； （5）可通过给定桨叶旋转位置，观察 PID 调节的曲线，同时可更改 Kp 和 Ki 的 参数，了解 PID 控制的方式和调节方法（2 学时）

第一章实验操作及安全注意事项1.1操作注意事项1）上电步骤1.正常上电后，可以观察PLC与驱动器正常启动，并且全部指示灯变成绿灯，此时PLC与驱动器之间建立正常通信。2.观察驱动红灯是否正常，观察驱动器面板是否有显示值，当驱动无显示值时，应检查驱动器电源是否已经上电，但驱动器面板出现数值时，驱动器正常。3.闭合安全链，屏幕上安全链闭合显示灯亮起，电网供电显示灯亮起。4.急停按钮用于紧急状况下快速停止驱动器输出，确保急停按钮没有按下，然后按下故障复位按钮，安全链复位按钮，安全链指示灯亮起，此时驱动器自动启动，桨叶旋至90°位置。5.按下启动按钮，运行指示灯亮起。6.此时上电步骤已经完成。步骤完成之后，电源供电LED、驱动器面板出现数值、运行LED灯亮，屏幕上安全链闭合指示，电网供电指示均亮起，在实验五中设置Kp和Ki值分别为1和10。2）手动变奖模式实验操作1.确认桨叶停转情况下，将变桨模式选择开关旋至手动状态。2.通过面板上公共旋钮区，给定奖叶变奖位置和电机速度。系统自动判断此时的桨叶旋转位置是关桨还是开桨状态。3.在系统判断为开状态下，按下关桨按钮，变奖驱动电机不会启动；同理，关奖状态下，开按钮同样不起作用。4.按照正确的开桨或关状态，按下开桨或关桨绿色按钮，驱动器自动启动，旋至目标位置。5.当桨叶位置达到所给定的位置值（系统误差≤1°）时，驱动电机自动停止运行

第一章 实验操作及安全注意事项 1.1 操作注意事项 1) 上电步骤 1. 正常上电后，可以观察 PLC 与驱动器正常启动，并且全部指示灯变成绿 灯，此时 PLC 与驱动器之间建立正常通信。 2. 观察驱动红灯是否正常，观察驱动器面板是否有显示值，当驱动无显示 值时，应检查驱动器电源是否已经上电，但驱动器面板出现数值时，驱 动器正常。 3. 闭合安全链，屏幕上安全链闭合显示灯亮起，电网供电显示灯亮起。 4. 急停按钮用于紧急状况下快速停止驱动器输出，确保急停按钮没有按下， 然后按下故障复位按钮，安全链复位按钮，安全链指示灯亮起，此时驱 动器自动启动，桨叶旋至 90°位置。 5. 按下启动按钮，运行指示灯亮起。 6. 此时上电步骤已经完成。步骤完成之后，电源供电 LED、驱动器面板出 现数值、运行 LED 灯亮，屏幕上安全链闭合指示，电网供电指示均亮起， 在实验五中设置 Kp 和 Ki 值分别为 1 和 10。 2）手动变桨模式实验操作 1. 确认桨叶停转情况下，将变桨模式选择开关旋至手动状态。 2. 通过面板上公共旋钮区，给定桨叶变桨位置和电机速度。系统自动判断 此时的桨叶旋转位置是关桨还是开桨状态。 3. 在系统判断为开桨状态下，按下关桨按钮，变桨驱动电机不会启动；同 理，关桨状态下，开桨按钮同样不起作用。 4. 按照正确的开桨或关桨状态，按下开桨或关桨绿色按钮，驱动器自动启 动,旋至目标位置。 5. 当桨叶位置达到所给定的位置值（系统误差≤1°）时，驱动电机自动停 止运行

3）自动变桨模式实验操作1.确认桨叶停转情况下，将变奖模式选择开关至自动状态。2.调节实验五中的Kp和Ki值，设定风速。3.根据风速，驱动器自动启动并旋至相应角度4）急停模式实验操作1.在手动或自动变奖模式下，控制变奖开桨或者关奖，同时拍下急停按钮，驱动器停止使能，保证操作人员的安全。5）安全链模拟模式实验操作1.首先将HMI界面转换到实验二“安全链模拟实验”。2.旋转手动或自动变奖模式，调节相关变量使变奖电机运行，奖叶以开奖或关桨状态旋转。安全链模拟停机模式操作：a）旋转安全链旋钮至“开”的状态，此时变桨系统会自动停机，之后会以5s的奖叶旋转速度收至90位置，之后再停机：b）此实验为模拟电池供电情况下，变桨紧急收桨停机模式。当安全链旋钮在断开状态时，屏幕上的安全链闭合指示灯熄灭，同时将电源切换至电池供电模式，此时供电指示灯熄灭显示为电池供电状态。c）当需要恢复安全链时，需要在实验二的界面下，将安全链旋钮旋至“关”的状态，将供电模式旋钮旋至“电网”的状态，同时按下安全链复位按钮，此时安全链闭合指示灯亮起1.2安全注意事项1.力矩加载时一定要匀速进行，从零开始调，不要用力过猛，否则烧坏磁粉力矩激磁线圈2.不要轻易打开变频器控制柜，在老师指导下打开操作台柜门，柜内为400VAC带电设备，注意人生安全3.励磁电源不要和直流稳压电源混淆，以免损坏设备。4：设备中若有保险丝烧坏，可用同规格保险丝换上，不可过大或过小。5.挂箱搬动要轻拿轻放，因为里面有些电路板是插板式，以免松动

3） 自动变桨模式实验操作 1. 确认桨叶停转情况下，将变桨模式选择开关至自动状态。 2. 调节实验五中的 Kp 和 Ki 值，设定风速。 3. 根据风速，驱动器自动启动并旋至相应角度 4） 急停模式实验操作 1. 在手动或自动变桨模式下，控制变桨开桨或者关桨，同时拍下急停按钮， 驱动器停止使能，保证操作人员的安全。 5） 安全链模拟模式实验操作 1. 首先将 HMI 界面转换到实验二“安全链模拟实验”。 2. 旋转手动或自动变桨模式，调节相关变量使变桨电机运行，桨叶以开桨 或关桨状态旋转。 安全链模拟停机模式操作： a) 旋转安全链旋钮至“开”的状态，此时变桨系统会自动停机，之后 会以 5°/s 的桨叶旋转速度收桨至 90°位置，之后再停机； b) 此实验为模拟电池供电情况下，变桨紧急收桨停机模式。当安全链 旋钮在断开状态时，屏幕上的安全链闭合指示灯熄灭，同时将电源 切换至电池供电模式，此时供电指示灯熄灭显示为电池供电状态。 c) 当需要恢复安全链时，需要在实验二的界面下，将安全链旋钮旋至 “关”的状态，将供电模式旋钮旋至“电网”的状态，同时按下安全 链复位按钮，此时安全链闭合指示灯亮起。 1.2 安全注意事项 1．力矩加载时一定要匀速进行，从零开始调，不要用力过猛，否则烧坏磁粉力 矩激磁线圈 2．不要轻易打开变频器控制柜，在老师指导下打开操作台柜门，柜内为 400VAC 带电设备，注意人生安全 3．励磁电源不要和直流稳压电源混淆，以免损坏设备。 4．设备中若有保险丝烧坏，可用同规格保险丝换上，不可过大或过小。 5．挂箱搬动要轻拿轻放，因为里面有些电路板是插板式，以免松动

6.烙铁不要放在实验桌及主控屏上，以免烧坏实验桌和主控屏，还有导线、仪表

6．烙铁不要放在实验桌及主控屏上，以免烧坏实验桌和主控屏，还有导线、仪 表

第二章实验项目及操作步骤说明2.1实验一：电动变奖距模拟实验2学时幸，实验原理：通过操作实验台相关按键及旋钮使桨叶实现开桨及关奖，观察操作界面上的桨叶位置曲线，了解风力发电机组的变奖过程。丰：实验目的：在理解风力发电机组开、关奖原理的基础之上，学生可对实验面板的相关按钮（开关奖、手自动）进行操作，来实时模拟风机的开、关奖过程。在实验过程中，学生通过观察和记录的相关参数来深入的了解变桨过程中相关的变浆驱动电机的一些参数变化。主页实验实验二实验三实验四实验五数据、状态显示实验介绍实验一电动变浆距实验C自动模式店手动模式在“手/自动”变浆模式下，通过给定“浆叶速度C载荷力矩给定风速给定C/风速”、设定“浆叶位置”和“电机速度”模拟风机的手自动开关浆动作。载荷力矩5N/m电机转速5r/min在“自动”变浆模式下，旋转风速旋钮，观察风速和开关浆动作关系。奖叶位置5deg风速5m/s在“手动”变奖模式下，旋转浆叶位置和电机速度旋钮，比较浆叶位置设定值与实际值，点击开浆或关奖变浆速度5deg/s，实现浆叶开关动作。状态显示（纵轴浆距角deg-横轴时间s）记录表格数据dez时间给定位置实际位置给定速度实际速度90(s)(RPI)(RPM)(deg)(deg)6845230SSSSSSSSSS图2.1电动变浆距模拟实验界面+实验操作步骤：1.手动变桨模式1）将操作面板上的变奖模式旋钮调至手动模式，确定安全链和供电模式都

第二章 实验项目及操作步骤说明 2.1 实验一：电动变桨距模拟实验 2 学时 实验原理：通过操作实验台相关按键及旋钮使桨叶实现开桨及关桨，观察操 作界面上的桨叶位置曲线，了解风力发电机组的变桨过程。 实验目的：在理解风力发电机组开、关桨原理的基础之上，学生可对实验面 板的相关按钮（开关桨、手自动）进行操作，来实时模拟风机的开、关桨过 程。在实验过程中，学生通过观察和记录的相关参数来深入的了解变桨过程 中相关的变桨驱动电机的一些参数变化。 图 2.1 电动变桨距模拟实验界面 实验操作步骤： 1. 手动变桨模式 1) 将操作面板上的变桨模式旋钮调至手动模式，确定安全链和供电模式都

正常。2）通过叶位置给定旋钮和电机旋转速度给定旋钮，分别给定手动变桨位置和速度值。3）系统根据给定变位置值和实际奖叶位置值自行判断是开桨状态还是关桨状态。4）按下面板上的开奖或关奖按钮。5）此时桨叶会自动开奖或关奖到所给定的位置，然后变桨驱动电机自动停机。2.自动变桨模式1）将操作面板上的变浆模式旋钮调至自动模式2）此时不需要给定桨叶位置值，只需要改变实验五中Kp和Ki的值，然后调节风速旋钮。3）驱动电机启动，桨叶按照要求进行开桨或关桨运动，直至相应位置。4）到达相应位置后，驱动电机自动停机，桨叶停止运动。记录数据表2-1时间给定位置实际位置给定速度实际速度(s)(deg)(deg)(rpm)(rpm)丰实验思考题：1.观察在自动模式下的开桨过程，请解释为什么自动开桨状态奖叶会是这种运动方式？2.在实际风机变浆系统中，变桨系统执行一般分为手动模式和自动模式两种，为何需要手动操作变奖系统？

正常。 2) 通过桨叶位置给定旋钮和电机旋转速度给定旋钮，分别给定手动变桨位 置和速度值。 3) 系统根据给定变桨位置值和实际桨叶位置值自行判断是开桨状态还是关 桨状态。 4) 按下面板上的开桨或关桨按钮。 5) 此时桨叶会自动开桨或关桨到所给定的位置，然后变桨驱动电机自动停 机。 2. 自动变桨模式 1) 将操作面板上的变桨模式旋钮调至自动模式 2) 此时不需要给定桨叶位置值，只需要改变实验五中 Kp 和 Ki 的值，然后 调节风速旋钮。 3) 驱动电机启动，桨叶按照要求进行开桨或关桨运动，直至相应位置。 4) 到达相应位置后，驱动电机自动停机，桨叶停止运动。 记录数据表 2-1 时间 （s） 给定位置 （deg） 实际位置 （deg） 给定速度 （rpm） 实际速度 （rpm） 实验思考题： 1. 观察在自动模式下的开桨过程，请解释为什么自动开桨状态桨叶会是这种 运动方式？ 2. 在实际风机变桨系统中，变桨系统执行一般分为手动模式和自动模式两 种，为何需要手动操作变桨系统？

2.2实验二：急停关奖模拟实验2学时：实验原理：在实验过程中，学生可以在变桨过程中通过对实验面板相关按钮（安全链断开）的操作来模拟安全链的断开，以此来模拟真实风机的运行状况。并且在安全链断开是可以记录相关参数来观测安全链对变桨的影响。十：实验目的：安全链在整个风电机组中起着至关重要的作用，深入理解安全链的执行过程是理解机组安全运行的基础。该实验部分模拟了真实机组安全链。在实验过程中，学生可以在变奖过程中通过对实验面板相关按钮（安全链断开）的操作来模拟安全链的断开，以此来模拟真实风机的运行状况。并且在安全链断开是可以记录相关参数来观测安全链对变桨的影响。主页实验二实验三实验四实验实验五数据、状态显示实验介绍实验二急停关桨模拟实验电池供电安全链开安全链关电网供电在“自动”变桨模式下，通过拍下“急停”按钮COG模拟风电机组安全链断开工况下得变浆过程和供电模式切换过程控制。将拨位开关拨到安全链“开”，或将拨位开关拨变浆速度5deg/s重到供电模式“电池”，观察浆叶变化过程。5deg心桨叶位置心实验完成时，需要将安全链模式调节到“关”，电机转速5r/min将拨位开关拨到供电模式“电网”，同时按动安全链复位按钮，解除安全链报警，使机组可以正常工作。状态显示（纵轴浆距角deg-横轴时间s）记录表格数据deg时间供电模式实际位置实际速度奔樊90(s)(RPM)（电网/电池）(RPM)4523CSSSSSSSSSss图2.2急停关浆模拟实验界面+实验操作步骤1）将操作面板上的变浆模式旋钮调至自动模式，确定安全链和供电模式都正常

2.2 实验二：急停关桨模拟实验 2 学时 实验原理：在实验过程中，学生可以在变桨过程中通过对实验面板相关按钮 （安全链断开）的操作来模拟安全链的断开，以此来模拟真实风机的运行状 况。并且在安全链断开是可以记录相关参数来观测安全链对变桨的影响。 实验目的：安全链在整个风电机组中起着至关重要的作用，深入理解安全链 的执行过程是理解机组安全运行的基础。该实验部分模拟了真实机组安全 链。在实验过程中，学生可以在变桨过程中通过对实验面板相关按钮（安全 链断开）的操作来模拟安全链的断开，以此来模拟真实风机的运行状况。并 且在安全链断开是可以记录相关参数来观测安全链对变桨的影响。 图 2.2 急停关桨模拟实验界面 实验操作步骤 1) 将操作面板上的变桨模式旋钮调至自动模式，确定安全链和供电模式都 正常

2）观察电源绿灯是否正常；点击运行按钮后，运行指示灯是否点亮；如果故障指示灯亮，需按下故障复位按钮，复位驱动器的故障。3）通过面板上的风速旋钮给定风速之后，系统进入运行状态。在系统运行过程中，学生通过按下安全链按钮或者供电模式按钮来模拟安全链的断开。4）通过观察并记录在这个过程中的一些参数变化。记录数据表2-2时间安全链供电模式实际位置实际速度(s)（开/关）（电网/电流）(deg)(rpm)实验思考题：1.安全链在断开时，整个风机的系统是由蓄电池来供电，为什么这么安排？如果没有蓄电池供电系统供电，在安全链断开时，变奖系统会出现什么状况？对整个机组的影响？2.安全链断开时，桨叶的位置变化是什么？速度又有什么变化？为什么？

2) 观察电源绿灯是否正常；点击运行按钮后，运行指示灯是否点亮；如果 故障指示灯亮，需按下故障复位按钮，复位驱动器的故障。 3) 通过面板上的风速旋钮给定风速之后，系统进入运行状态。在系统运行 过程中，学生通过按下安全链按钮或者供电模式按钮来模拟安全链的断 开。 4) 通过观察并记录在这个过程中的一些参数变化。 记录数据表 2-2 时间 （s） 安全链 （开/关） 供电模式 （电网/电流） 实际位置 （deg） 实际速度 （rpm） 实验思考题： 1. 安全链在断开时，整个风机的系统是由蓄电池来供电，为什么这么安排？ 如果没有蓄电池供电系统供电，在安全链断开时，变桨系统会出现什么状 况？对整个机组的影响？ 2. 安全链断开时，桨叶的位置变化是什么？速度又有什么变化？为什么？

4学时2.3实验三：变浆速度与驱动电机转速关系实验实验原理：通过操作面板上的旋钮调节电机转速，根据操作界面上给定的齿轮比和减速比求出相应的桨叶旋转速度，同时了解奖叶开奖过程中的速度及位置变化关系。实验目的：变桨速度与驱动速度的关系间接地反映了整个风电机组的变桨机械构造。该实验中直接给出了齿轮比和减速比，在实验过程中，学生可以调节操作面板上相关按钮（电机速度调节）来变化驱动速度，通过计算来验证对应的变奖速度是否正确。主页实验实验二实验三实验四实验五机械构成图实验介绍大齿轮：63实验三变浆速度与驱动电机转速关系实验编码器在“自动”变桨模式下，通过旋转“电机转速”禁叶+旋钮给定变浆驱动电机转速，依据给定大小齿轮比和减速比计算出对应的变浆速度。减速比：87鑫贵垫发租o发电机小齿轮：17纵轴驱动电机转速Tp-横轴时间记录表格数据rpm/min驱动力矩电机转速实际位置载荷力矩实际速度1000(N/m)(N/m)(RPM)(RPI)(deg)7505002500SSSSSSSSSS图2.3变浆速度与驱动电机转速关系实验界面丰实验操作及要求：在实验一基础上进行实验：1）将操作面板上的变浆模式旋钮调至手动模式，确定安全链和供电模式都正常。2）通过调节操作面板上电机转速旋钮来给定电机转速，并给定桨叶位置

2.3 实验三：变桨速度与驱动电机转速关系实验 4 学时 实验原理：通过操作面板上的旋钮调节电机转速，根据操作界面上给定的齿 轮比和减速比求出相应的桨叶旋转速度，同时了解桨叶开桨过程中的速度及 位置变化关系。 实验目的：变桨速度与驱动速度的关系间接地反映了整个风电机组的变桨机 械构造。该实验中直接给出了齿轮比和减速比，在实验过程中，学生可以调 节操作面板上相关按钮（电机速度调节）来变化驱动速度，通过计算来验证 对应的变桨速度是否正确。 图 2.3 变桨速度与驱动电机转速关系实验界面 实验操作及要求： 在实验一基础上进行实验： 1) 将操作面板上的变桨模式旋钮调至手动模式，确定安全链和供电模式都 正常。 2) 通过调节操作面板上电机转速旋钮来给定电机转速，并给定桨叶位置