Vensys变桨系统简介.ppt

Vensys变桨控制系统,金风科技培训中心 12年2月 编 订 姬晓峰,Vensys变桨控制系统,主要内容： 一、变桨系统的机械结构 二、变桨系统的功能 三、变桨系统的电气结构及控制原理 四、主要元件实物认知及功能原理 五、 变桨系统故障判断 六、变桨回路讲解,通过本章你将了解到以下内容： 1、了解系统的机械结构,及变桨系统的机械驱动方式 2、了解变桨系统的功能，变桨系统的控制策略 3、了解变桨系统的电气结构，及各元件之间的连接与配合。 4、对主要元器件的实物认知，了解元件的原理及在变桨系统中的作用 5、对变桨系统故障进行判断，并对常见故障进行分析,一、变桨系统的机械结构,控制系统,变桨电机通过变桨减速器驱动涨紧轮，涨紧轮拉动齿形带，齿形带带动变桨盘完成叶片的角度调整。,二、变桨系统的功能 实现风力发电机组的变桨控制，在额定风速以上通过控制叶片桨叶角，使输出功率保持在额定功率附近。在额定功率以下，保持叶片角度在最小桨叶角，使得风力发电机处在最大吸收风能状态。停机时，调整桨叶角至停机位置（87度），使风力发电机组出于安全状态。 变桨控制柜主电路采用交流-直流-交流结构，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来控制电机的转速）。 每个叶片的变桨控制柜，都配备一套由超级电容组成的备用电源，超级电容储备的能量，在保证变桨控制柜内部电路正常工作的前提下，足以使叶片以7度/s的速率，从0度顺桨到90度位置。当来自滑环的电源掉电时，备用电源直接为变桨系统供电，仍可保证整套边疆电控系统正常工作。当超级电容电压低于软件设定值，主控制器会控制机组停机。,变桨机组的控制策略为： A、额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，这样可以跟踪最优Cp； 额定风速以下阶段：要实现的主要目标就是让叶轮尽可能多的吸收风能。 Cp越大,吸收的风能越多。由于额定风速以下风速较小，因此，此时没有必要变桨，只需要此时将叶片角度设置为规定的最小桨矩角。 B、额定风速以上通过扭矩控制器及变桨控制器共同作用，使得功率、扭矩相对平稳；功率曲线较好。 额定风速以上阶段：变速控制器（扭矩控制器）和变桨控制器同时发挥作用。通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定,从而恒定功率。通过变桨调整发电机的转速,使得其始终跟踪转速设置点。,三、变桨系统的电气结构及控制流程,3.1变桨系统分布结构,Vensys变桨系统由三个柜子组成，每个柜子都是一套独立的控制系统，完成对单只叶片的角度控制与调节。主控发出的信号通过机舱柜，经过滑环，传到三个变桨柜。,3.2变桨线路连接图,3.3变桨系统驱动原理,变桨控制柜通过安装在电机尾部的旋转编码器来检测叶片所在的角度。 分别安装在桨叶对应的87度、5度接近开关，提供了附加的位置检测功能。安装在桨叶对应92度的限位开关提供了当位置检测失效的情况下的安全保护功能。 通过变桨逆变器AC2驱动变桨电机进行桨叶角度调整。 直流开关电源NG5将400VAC转换为60VDC，为超级电容充电同时为24VDC电源供电。 3.4变桨控制流程图 Vensys变桨系统动作方式分为：自动模式、手动模式、强制手动模式，现根据流程图对动作模式进行说明。控制流程图如下：,四、主要元件实物认知及功能原理,4.1 变桨柜在轮毂中的安装,4.2 变桨柜内部布局,控制柜内部电源及控制检测部分: 开关电源(NG5) 变桨变频器(AC2) 超级电容 A10自制模块 BC3150及beckoff模块 温度检测（PT100） 控制柜外部驱动及检测部分: g. 变桨电机 h. 旋转编码器 i. 温度检测（PT100） j. 0和87 接近开关及90限位开关 k. 滑环,4.3 变桨柜主要元器件,进口NG5参数 型号：Zivan Battery Charger NG5 输入电压：400VAC(+/-15%) 输出电压：60VDC 输出电流：80ADC 充电方式：间歇性充电，当电压低于55V时开始充电，超级电容电压达到60V时停止充电。,直流开关电源NG5,国产NG5参数： 型号：JF-CHARGER-60V-80A-K, JF-CHARGE-60V-80A-J 输入电压：400VAC（+/-15%） 输出电压：60VDC 输出电流：80ADC 充电方式：持续工作，电压维持60V。,NG5基本原理图,优点： 效率高； 体积小； 充电时间短； 充电不受交流电源变化的约束； 能够提供理想的充电曲线。 直流充电电源首先对三相AC400V进行整流，获得DC540V，随后通过DC/DC变换电路将DC540V转换为所需要的工作电压，该工作电压是与超级电容的电压有关的。 直流充电器输出的信号分别为：充电器正常信号（NG5 OK信号）、充电器温度信号。充电正常信号为充电器给出的一个干触点，当充电器正常工作时，该触点闭合。如果充电器出现异常则该触点断开。充电器温度信号为由充电器引出的PT100电阻信号。 在国产Vensys变桨系统中仅使用了直流充电电源的正常工作指示信号，未使用温度信号。,AC2基本原理图,该设备的端子布局如图所示：,AC2共有6个外部接口，变桨系统对其使用情况如下： 端口A：串行通信口，共有8个针，使用A3（PCLTXD）、A4（NCLTXD）两个针。输出信号是驱动器内部状态信号，用于指示驱动器当前的内部故障。 端口B：2个针，没有使用。 端口C：4个针，CAN总线接口，没有使用。 端口D：6个针，增量型编码器接口，使用D3、D5，为旋转编码器送来的两路正交编码信号。 端口E：14个针，E1接入控制器送来的010V模拟量电压信号，此信号决定驱动器输出电压的频率，用于调速；E2、E3两个针间串入5K的电阻；E12用来接收主控发出的手动向前变桨信号，E13用来接收主控发出的手动向后变桨信号。 端口F：12个针，F1为驱动器使能信号，此端口接入60V电压后驱动器才能工作；F4为松闸信号，此端口接收到高电平后，会在端口F9（NBRAKE）输出高电平，通过继电器控制变桨电机内的电磁刹车；F5（SAFETY）和F11（-BATT）短接；F6和F12间串入变桨电机内部的PTC，用于测量电机温度。,主控制器通过模拟/数字 I/O信号来控制驱动器动作和接收驱动器状态，两者之间并没有任何通讯协议。,在Vensys系统中AC2的动作详见表1,型号：4-BMOD2600-6 额定电压：60VDC 总容量：125F 总存储能量：150kJ 四组串联 单组电容电压：16VDC 单组电容容量：500F,c. 变桨超级电容,超级电容由四个模块串联组成。在电容模块间串联有一个300A的熔断器。 超级电容模块的外壳是由耐磨损的铝合金冲压制成的，这样的电容是永久封装的，不需要维护。 相比密封铅酸蓄电池作为备用电源的变桨系统，采用超级电容的变桨控制系统具有下列优点： a、充电时间短； b、交流变直流的整流模块同时作为充电器，无须再单独配置充放电管理电路； c、超级电容随使用年限的增加，容量减小的非常小； d、寿命长； e、无须维护； f、体积小，重量轻等优点； g、充电时产生的热量少。,d. A10检测模块,A10集成了超级电容电压检测，AC2故障输出。 将取自超级电容的60V、30V直流电压信号、充电器的直流电流输出信号。经过信号处理，转换成适合BECKHOFF双极性模拟输入模块允许输入范围内。 AC2 OK信号经过A10 光电隔离后，将信号传送给PLC模块。,基本原理图,AC2 OK信号,超级电容高低压,NG5充电电流,变桨控制柜中都有一个总线控制器BC3150，它是每个变桨控制系统的核心，其内部有变桨控制程序。此程序一方面负责变桨控制系统与主控制器之间的通信，另一方面负责变桨控制系统外围信号的采集处理和对变桨执行机构的控制。紧急状态下（例如变桨控制系统突然失去供电或通信中断），三个变桨控制柜中的控制系统，可以分别利用各自柜内超级电容存储的电能，分别对三个叶片实施90度顺桨停机动作。,e. BC3150及beckoff模块,KL5001 SSI 接口模块可直接连接 SSI 传感器。传感器电源由 SSI 接口提供。接口电路产生一个脉冲信号以读取传感器数据，读取的数据以字的形式传送到控制器的过程映像区中。各种操作模式、传输频率和内部位宽可以永久地保存在控制寄存器中。 在Vensys变桨系统中，用于为旋编提供电源，同时采集旋编角度信号 KL4001 模拟量输出模块可输出 0 V 到 10 V 范围的信号。该模块可为处理层提供分辨率为 12 位的电气隔离信号。总线端子的输出通道有一个公共接地电位端。KL4001是单通道型，适用于带有接地电位的电气隔离信号。它通过运行 LED 显示端子与总线耦合器之间的数据交换状态。 在Vensys变桨系统中，以电压的形式，将主控设定的变桨速度传到AC2，控制叶片变桨角度。,这种温度传感器是利用导体铂（pt）的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的。通常这样的温度传感器可以测量负200到正500摄氏度的范围，而且在这个温度范围下，铂的电阻值和温度具有良好的线性关系。在Vensys变桨系统中主要用于变桨电机温度、柜体温度、NG5温度、超级电容温度测量。,f. 温度传感器 （Pt 100）,PT100分度表,在图表中，纵坐标为十分度，横坐标为个分度。 举例说明：当环境温度为57摄氏度时，对应PT100电阻为122.09欧姆。,类型：IM3001(3相笼型转子异步电机) 额定功率：4.5kW，1500rpm，S2 60min 最大转矩：75Nm 制动转矩：100Nm 额定电压：29V 额定电流：125A 额定功率因数：0.89 绝缘等级：F 转动惯量：0.0148kgm2 防护等级：IP54,g. 变桨电机,变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节（通过逆变器改变供电的频率来控制电机的转速）。相比采用直流电机调速的变桨控制系统，在保证调速性能的前提下，避免了直流电机存在碳刷容易磨损，维护工作量大、成本增加的缺点。,25位分辨率，8192脉冲/4096圈 格雷码或二进制码输出 自诊断功能 电子清零 可选组件：增量通道A，B；,h. 绝对式旋转编码器GM 400,内部基本原理图,绝对位置从码盘上读取，在码盘上，每一位对应一个码道，每个数位编码器对应一个输出电路，每一个通道都包含一个光源的接收器，每圈 (360) 读数完成后，将重复读数输出。,j. 限位开关,每个变桨柜配套一个限位开关，限位开关安装在92度位置,k. 滑环,左边插头为400VAC电源 中间插头为Profibus DP现场总线 右边插头为安全链,滑环在轮毂里的安装,主要技术参数 振动速度：机舱加速度约为0.3g。频率小于3Hz（机组运行时）。 保护等级：IP65。 闪电区域：轮毂内为1区防雷。 运行速度：n=0r/min24.8r/min。 平均速度：n=17r/min。 最大转速：nmax=24.8r/min（短期速度）。 旋转方向：从滑环连接器法兰连接处看是顺时针旋转。 数据传输：Profibus BAUD Rate：12MBaud。 屏蔽通道：要求动力电缆的屏蔽层单独占用一通道，不能和Harting接头的接地混接。,五、变桨系统故障判断 变桨系统故障可分为以下几种: 变桨电机温度故障 变桨电容温度故障 变桨电容高电压故障 变桨电容电压不平衡 变桨柜温度故障 变桨变频器温度故障 变桨变频器OK信号丢失故障 叶片位置比较故障 变桨节点故障 Vensys变桨系统常见故障为：变桨安全链及故障字故障、变桨速度超限故障,旋转编码器数据溢出故障 变桨电源供应故障 变桨位置传感器故障 变桨位置传感器范围故障 变桨限位开关故障 变桨速度超限故障 变桨速度比较故障 手动或强制手动变桨动作故障,5.1 error_pitchV_error_code_3（变桨安全连及故障字故障） 解释说明：当风机检测到3#变桨柜“error_code2_pitchbox3的数值大于0时，立即报此故障（0代表工作正常，凡大于0的数都代表一种不正常的状态）。 金风1.5MW系列风力发电机组配套VENSYS变桨系统的F文件中，每个变桨柜对应两个故障字（error_code1和error_code2）。三个变桨柜的故障字完全一致，选取3号变桨柜的故障字为例进行说明。在F文件中，3号变桨柜的两个故障字分别为error_code1_pitchbox3和error_code2_pitchbox3需要借助计算器将整数转化为二进制进行分析。二进制格式下，每位的说明可参考金风1.5MW机组VENSYS变桨系统F文件变桨故障代码说明，或参考变桨程序。 由故障文件可以看出error_code2_pitchbox3=2560，即3#变桨柜存在故障。 使用WINDOWS系统自带科学计算器，进行二进制转换：,2560（Dec）=101000000000 从右边第一位为零位开始向左计数，即error_code2_9_pitch3=1和error_code2_11_pitch3=1。现分别使用金风1.5MW机组VENSYS变桨系统F文件变桨故障代码说明和变桨程序对问题进行分析。 A、查询金风1.5MW机组VENSYS变桨系统F文件变桨故障代码说明 由文件可以看出error_code2_pitchbox3=2560表示故障内容为：1号桨叶和2号桨叶间，角度差值绝对值大于3.5度；2号桨叶和3号桨叶间，角度差值绝对值大于3.5度。 B、查询变桨程序,由程序可以看出error_code2_pitchbox3=2560表示故障内容为：主控程序计算出的角度，1号桨叶和2号桨叶间，角度差值绝对值大于3.5度；2号桨叶和3号桨叶间，角度差值绝对值大于3.5度。 通过以上分析，以后在处理变桨故障字故障时可通过以上两种途径获得故障字的内容，根据内容分析故障原因。,5.2 变桨速度超限（error_pitch_speed_limit）,解释说明：叶片即时变桨速度持续40ms大于10度/秒，风机报此故障,1 可能原因： 旋转编码器受到干扰，内部器件损坏； 旋转编码器插头出现松脱现象，导致接触不良； 由旋转编码器到KL5001的信号回来上出现接触不良问题，或X3端子排出现问题；,旋转编码器插头处的屏蔽层接触不良或未接触，致使干扰信号进入信号回路，数据出现跳变。 2 处理方法： 旋转编码器的插头及插头处的屏蔽层连接； 检查旋转编码器信号线到变桨柜出的哈丁插头的屏蔽层的连接； 检查X3端子排上的接线及KL5001上的接线，并检查X3端子排的压敏电阻是否良好； 若以上检查都良好，那么建议更换旋转编码器。 3 故障文件分析,打开故障文件F文件；查询文件中的pitch speed故障说明块，如图：,查看故障文件可以看到变量error_pitch_speed_limit状态显示字为ON，并且为蓝色，表示变桨速度超限；变量error_pitch_speed_limit_2状态显示字为ON，并且为蓝色，表示2#变桨柜变桨速度超限。,故障原因b文件中看，旋转编码器的数值出现跳变。,根据上节提到的可能原因及处理步骤对机组进行检查处理。 至此变桨速度超限故障处理完毕。 六、变桨回路讲解 6.1 超级电容和NG5回路,变桨柜的电源由机舱通过滑环提供，进口处有一处防雷保护R11。 开关Q1控制柜体400VAC和60CDC供电。 400VAC市电为变桨电机散热风扇M2、AC2散热风扇M3、柜体加热器R0、NG5供电。 变桨电机散热风扇有AC2控制，当变桨电机开始工作，电机散热风扇启动。 国产Vensys变桨，当柜体Q1闭合，AC2散热风扇启动。 加热器由控制器控制，当柜体温度低于4度时，控制器通过K5继电器启动加热器 NG5将交流400VAC变成主流60VDC，为超级电容、AC2及24VDC直流模块供电。 NG5 OK信号用于反馈供电电源是否正常、内部是否正常。 国产变桨NG5温度传感器悬空。 超级电容组有四个单体电容C1、C2、C3、C4串联组成，作为变桨系统的备用电源。超级电容组回路装有300A保险，位于C1与C2之间。从C3处和C1处各引出一根信号线用于超级电容高低压测量。,6.2 AC2回路,AC2由NG5提供60VDC工作电压。 自动状态下，当空开Q1合上，限位开关未触发，AC2 KEY激活，AC2进入工作状态；同时K9根据需求可以对AC2进行复位；KEY闭合后，对AC2内部电容进行充电，同时用于检测AC2供电电源电压，KEY ON/OFF状态可对AC2进行复位。 S1旋钮开关（手动/自动）用于手动状态下屏蔽限位开关信号。 KL4001将主控发出的变桨速度信号通过E1、2、3、4传给AC2，AC2根据此速度值驱动变桨电机。 Forward信号端用于变桨模式的选择：自动、手动、急停。当选择自动时，变桨速度由主控控制；当选择手动和急停时，变桨速度由AC2内部控制器控制。 Backing B、Backing F信号端用于手动变桨时的电机运动方向的判断。 ENC A、ENC B信号端为旋编的增量通道信号输入，用于反馈变桨速度。 PCLTXD、NCLTXD信号端为AC2 OK信号反馈端，用于向主控反馈AC2的工作状态。 当变桨电机被驱动时，AC2同时会发出松闸信号，通过K2继电器控制电磁刹车和电机散热风扇。 变桨电机的热敏保护将电机的温度信号反馈给AC2，用于电机的热保护。,6.3 旋编回路,KL2408为8通道数字量输出模块。通道1用于控制AC2变桨状态的切换：手动、急停、正常；通道2控制K9继电器状态，用于对AC2进行手动复位复位，功能悬空；通道3、通道4用于手动变桨方向的控制；通道6控制K4继电器状态，用于反馈变桨安全链状态；通道7控制继电器K5，用于启动加热器；通道8控制K6状态，用于启动柜体散热风扇。 KL5001为SSI接口模块，用于驱动旋转编码器，同时采集旋转编码器反馈的角度信号。 旋转编码器的增量通道为AC2提供速度反馈；DV MT用于反馈旋编的工作状态， LED或者感光器件导致故障发生，通过DV输出端就可以显示出来。此外多圈传感器单元的电源受到监控。一旦电源电压低于指定的电压电平，DV MT输出端就被置位。这两个输出端都是低有效的，也就是说在发生故障时被接到GND；旋编清零端用于旋编的电气清零，需要清零时，此信号持续3S提供24VDC完成清零，平时接地 。,6.4 安全链回路,K4为变桨内部安全链信号继电器，当没有变桨内部没有安全链故障时，K4继电器吸合。K7为变桨外部安全链信号继电器，当变桨外部安全链和变桨内部安全链都正常时，通过K7继电器将信号反馈到变桨柜。,谢谢,