风力机磁悬浮偏航装置及其悬浮控制研究

摘要

目前风电场主流风电设备为水平轴式风力发电机，主动偏航系统作为水平轴式风力发电机的重要构成部分，对发电机的使用寿命、工作效率都有着决定性的影响。当风向变化时，主动偏航系统中的偏航电动机驱动偏航齿轮转动，齿轮带动机头旋转，完成风机的对风工作。目前这种偏航系统存在一些问题，如零部件多而重、结构复杂；需要定期更换润滑油和润滑脂，维护频繁；多电机驱动、占用空间大；在偏航过程中，机头承受的较大偏心力矩会产生塔身侧弯和桨叶震颤等。
　　基于对上述主动偏航系统存在问题的分析，本文提出了一种问题解决方案：新型的偏航装置——磁悬浮偏航装置。它能够精准对风、硬件结构简单、维修方便、使用寿命长、驱动能耗低、具有自主知识产权。
　　风力机磁悬浮偏航装置的研究内容涉及面较广，本文主要进行的研究如下：
　　(1)以电磁学理论为依据，结合直线电机、盘式电机设计方法，设计出具有磁悬浮性能的盘式电机。
　　(2)对所设计的盘式电机模型进行有限元电磁场分析，进一步明确模型电磁场分布情况。
　　(3)建立了悬浮系统的动态数学模型，给出悬浮力、励磁电流、悬浮气隙之间的关系，导出以电流作为控制输入变量的状态空间方程，提出悬浮系统的控制策略和算法，并采用Matlab对其进行了仿真分析。
　　(4)设计制作了以DSP F2812为主控芯片、以IGBT器件构成两象限DC-DC斩波器的悬浮控制器，设计制作了气隙信号处理电路及大功率IGBT驱动电路。给出了具体的软件设计流程图，对软件中的IIR滤波子程序、PID子程序给出详细设计方法。(5)磁悬浮偏航装置模型的研制与磁悬浮试验分析。

目录

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第一章 绪论

1.1风力机偏航装置的发展现状

1.2风力机磁悬浮偏航装置

1.2.1风力机磁悬浮偏航装置的研究意义

1.2.2风力机磁悬浮偏航装置所涉及的主要技术

1.2.3风力机磁悬浮偏航装置设计创新点

1.3本文要解决的关键问题及主要内容

第二章 风力机磁悬浮偏航装置的结构设计

2.1磁悬浮偏航装置模型定转子设计

2.1.1盘式电机定子设计

2.1.2盘式电机转子(悬浮电磁铁)设计

2.1.3盘式电机的制作材料选择

2.2磁悬浮装置的电磁场有限元分析

第三章 风力机磁悬浮偏航装置的悬浮系统数学建模分析

3.1悬浮系统动态数学模型的建立及力学分析

3.2悬浮系统动态模型磁路分析及磁力计算

3.3悬浮系统动态模型中电磁铁电压电流关系

3.4悬浮系统数学模型的状态空间方程

3.5 MATLAB软件仿真与分析

第四章 磁悬浮偏航装置的悬浮控制

4.1悬浮控制器的硬件电路设计

4.1.1主控芯片的选择

4.1.2气隙传感器选择要求及信号处理电路设计

4.1.3 H桥两象限斩波主电路设计

4.1.4功率器件IGBT的驱动电路分析与设计

4.2悬浮控制器的软件设计

4.2.1软件设计流程图

4.2.2巴特沃斯低通滤波器子程序设计

4.2.3 PID控制了程序的软件设计

4.2.4软件设计中应注意的问题

第五章 磁悬浮偏航装置模型研制及实验分析

5.1磁悬浮偏航装置模型的研制

5.2悬浮控制的实验分析

第六章 总结与展望

参考文献

致谢