风力机磁悬浮偏航装置及其悬浮控制研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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控制子程序的软件设计
• 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