【文章內(nèi)容簡介】 8 風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力由 Euler 理論寫出： )( 21 vvAvF ?? ? () 式中 ? — 空氣密度 ,(kg/m3)故風(fēng)能吸收的功率為： )( 212 vvAvFvP ??? ? () 上游至下游動能的變化為： )(21 2221 vvAvE ??? ? () 由于功率是由動能轉(zhuǎn)換而來的 ,所以 ,式 ()與式 ()相等 ,得 2 21vvv ?? () 則作用在風(fēng)輪上的力和提供的功率分別為： )(21 2121 vvAvF ?? ? () ))((41 212221 vvvvAvP ??? ? () 給定上游風(fēng)速 ? 1,對 ? 2 取微分： )32(41 2221212 vvvvAvdvdP ??? ? () 最大功率 02 ?dvdP即，求得兩解 1) ? =? ，沒用物理意義； 2） 312 vv ? 以第二解代入式 ()，得最大功率； 31m ax 278 AvP ?? () 將公式 ()除以氣流通過掃掠面 A 時(shí)風(fēng)所具有的動能，可推出風(fēng)力機(jī)的理論最大效率： 21)278(21 313131m a xm a x ???AvAvAvP???? () 上式即為著名的貝茲 (Betz)理論的極限值。它表明，風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所能獲取的能量是有限的。這就引出了風(fēng)能利用系數(shù) Cp 的概念。風(fēng)能利用系數(shù) Cp 表示的 321 AvpCp ?? () 是風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)能中吸收能量的大小程度，式中 p — 風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲取的軸向功率。 對于變槳距風(fēng)力機(jī) ,風(fēng)能利用系數(shù) Cp 與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角 ? 成非湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 線性關(guān)系。尖速比λ即為槳葉尖部的線速度與風(fēng)速之比： vvRn ???? ?? 2 () 式中 n — 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速 ,(r/s)； ? — 風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度 ,(rad/s)； ? 風(fēng)輪直徑 ,(m) 據(jù)有關(guān)資料的記載和研究，風(fēng)能利用系數(shù) Cp 可近似用以下公式表示： ?????? )3(0 0 1 8 ] )3(s i n [)0 1 6 ( ??? ???Cp () 圖 22 變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線 由公式 ()得變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線 )( TSRCp? 如圖 22 所示的平面圖。從圖中可歸納以下兩點(diǎn)： 1)對于某一固定槳葉節(jié)距角?,存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值 maxCp 。 2）對 于任意的尖速比 ? ,槳葉節(jié)距角 ? =0 下的風(fēng)能利用系數(shù) Cp相對最大。隨著槳葉節(jié)距角 ? 增大 ,風(fēng)能利用系數(shù) Cp,明 顯減小。以上兩點(diǎn)為變速恒頻變槳距控制提供了理論基礎(chǔ) :在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí) ,槳葉節(jié)距角 ? =0,通過變速恒頻裝置 ,隨風(fēng)速變化改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在 maxCp ，捕獲最大風(fēng)能，并輸出電能頻率不變：在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機(jī)輸出功率 ,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 風(fēng)速特性分析 上文對于風(fēng)速的空氣動力學(xué)的分析是基于風(fēng)速在空間均勻分布 ， 不隨時(shí)域變化的前提條件下的。然而，自然界的風(fēng)在時(shí)間和空間上都是變化的，因此，風(fēng)輪平面內(nèi)風(fēng)速分布是不均勻的。影響風(fēng)速的因素有很多，其中作用最為顯著的是高度，尤其隨著風(fēng)機(jī)的大型化，風(fēng)輪直徑的增加，高度對于風(fēng)輪平面內(nèi)風(fēng)速的影響就越來越明顯，而其它隨機(jī)干擾反而可能會因?yàn)槿~片長度的增加相互抵消而減弱。風(fēng)速在豎直方向上的變化主要是由風(fēng)切變和塔影效應(yīng)導(dǎo)致的。 電機(jī)結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn) 發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電中重要的組成部分，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換分為 兩個過程 :將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和將機(jī)械能專換為電能。前者由風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)，后者由發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力機(jī)是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一定的速度和偏向角作用在葉片上，使葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，進(jìn)而將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。所轉(zhuǎn)化來的機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。 目前國內(nèi)的總體情況，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī) 大致分為兩類 。 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī) 雙饋是指發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組都與電網(wǎng)有電氣連接，都可以與之進(jìn)行功率交換，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定子繞組和電網(wǎng)直接連接，輸出電壓頻率可以通過轉(zhuǎn)子繞組中的交流勵磁電流的頻率調(diào) 節(jié)加以控制 雙饋 （圖 ）： 主要有孤島并網(wǎng)和空載并網(wǎng)兩種方式，關(guān)鍵是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁讓定子發(fā)出的電壓和電網(wǎng)電壓符合并網(wǎng)條件 2. 雙饋電機(jī)成本低，技術(shù)成熟；電力電子變流裝置所需要的容量小；可以在小容量情況下采用全風(fēng)冷； 3.發(fā)電所需要的風(fēng)速范圍要求太高，一般在同步速的＋ 20％－－ 20％以內(nèi)，發(fā)電量受限制，容易脫網(wǎng)，發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性很差；有三級行星齒輪箱， 5 年需要更換一次，維護(hù)成本很高 ， 技術(shù)上及其困難，電網(wǎng)的適應(yīng)性差，功率因數(shù)受限制，一般只能到 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 雙饋式發(fā)電機(jī) 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī) 直驅(qū)是指風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間沒有變速機(jī)構(gòu)（即齒輪箱），而是由風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。與其他型式的風(fēng)電機(jī)相比，減輕了成本，減輕機(jī)艙的重量，同時(shí)裝軸連接的可靠性也提高了。為了解決風(fēng)速變化帶來的輸出電壓頻率變動的問題，需要在發(fā)電機(jī)定子繞組和電網(wǎng)之間配置換流器（變頻器），先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電 壓整流，得到直流電壓，再將該直流電壓逆變未頻率、幅值、相位都滿足要求的交流電，送入電網(wǎng) 直驅(qū)（圖 ）： 直驅(qū)電機(jī)和電力電子裝置成本高； 熟； ，導(dǎo)致電機(jī)的級對數(shù)極多，一般都超過 100 對，使電機(jī)的體積很大； 冷卻困難； 壓符合并網(wǎng)條件就行了 圖 直驅(qū)式發(fā)電機(jī) 結(jié)語： 雙饋技術(shù)已經(jīng)在過去的十多年中成為不可爭辯的主流技術(shù)，而直驅(qū)和永磁直驅(qū)技術(shù)目前來看尚無法動搖帶齒輪箱技術(shù)的主流地位?？梢钥隙ǖ氖?，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的成熟性、質(zhì)量的穩(wěn)定 性和可靠性、及時(shí)而低成本的維修和維護(hù)將湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 是市場選擇的最重要標(biāo)準(zhǔn)，特別是在海上風(fēng)電的機(jī)組選擇中，目前看來，帶齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組仍是海上風(fēng)電的絕對主流 。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 第 3 章 PLC 控制理論研究 PLC 的基本概念 隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)代社會要求制造業(yè)對市場需求作出迅速的響應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基 礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。 PLC 的組成部分 可編程控制器簡稱為 PLC，它的應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用。 它具有以下特點(diǎn) :編程簡單易學(xué)、功能強(qiáng)、性價(jià)比高、硬件配套齊全、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝工作量少、維修方便、體積小、功耗低。 本設(shè)計(jì)使用的是西門子 S7300，它是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。它有以下幾部分組成： 1) 中央處理單元（ CPU） CPU 用于存儲和處理用戶程序，控制集中式 I/O 和分布 式 I/O。 2) 電源模塊（ PS） 用于將 AC 220V 的電源轉(zhuǎn)化為 DC 24V 電源，供 CPU 模塊和 I/O 模塊適用。 3) 信號模塊（ SM） 是數(shù)字量輸入 /輸出模塊和模擬量輸入 /輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓電流于 PLC 內(nèi)部的信號電平匹配。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)和限位開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈等輸出設(shè)備。模擬量輸入模塊是接收傳感器和變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量電流，電壓等信號。模擬量輸出模塊用來控制電動調(diào)節(jié)閥、湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 變頻器等執(zhí)行器。 4) 功能模塊（ FM） 是 智能的信號處理模塊，不占用 CPU 的資源，對來自現(xiàn)場的信號進(jìn)行控制和處理，并將信息傳送給 CPU。 5) 通信處理器（ CP） 用于 PLC 之間、 PLC 和計(jì)算機(jī)或其它智能設(shè)備之間的通信。 6) 接口模塊 (IM) 用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架。 S7300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用的是緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊、 CPU、信號模塊、功能模塊、接口模塊和通信處理器都安裝在導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌是一種專用的金屬機(jī)架，只需將模塊鉤在 DIN 標(biāo)準(zhǔn)的安裝導(dǎo)軌上，然后用螺栓鎖緊就可以了。 電源模塊安裝在最左邊， CPU 模塊緊接著電源模 塊，如果有接口模塊，它放在 CPU 模塊的右側(cè)。 S7300 用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。每個機(jī)架最多只能裝 8 個信號模塊、功能模塊或通信處理器模塊，組態(tài)時(shí)系統(tǒng)自動分配模塊的地址。如果這些模塊超過 8 個，可以增加擴(kuò)展模塊。除了中央機(jī)架最多可以增加擴(kuò)展 3個擴(kuò)展機(jī)架，因此最多可以安裝 32個模塊。其中0 號機(jī)架的 DC 5V 電源由 CPU 模塊產(chǎn)生，其額定電流與 CPU 的型號有關(guān)。擴(kuò)展機(jī)架的背板總線電源由接口模塊 IM361 產(chǎn)生。