运动控制是随风飘荡

运动控制技术调整叶片位置，阻尼振动，并保持风力涡轮机为最佳发电

风能正沿着增长曲线发展，仅在美国，装机容量就超过了2万兆瓦。20世纪80年代部署的20千瓦、15米的涡轮机已经让位于直径在100米左右的2.5至3兆瓦涡轮机。然而，单凭规模并不能保证性能;它采用运动控制来优化发电。

优化叶片间距
风力涡轮机仅仅是风力发电机。典型地，三个玻璃纤维或复合叶片连接到一个毂，形成一个转子。旋翼依次安装在100米或更高的塔上。风压推动叶片以10或15转/分的速度旋转转子，产生扭矩。转子轴进入机舱，与变速箱连接，变速箱将转速转换为1500至1800赫兹，这取决于功率是50赫兹还是60赫兹电网。然后发电机将旋转转换成电流。

在这项技术的早期，叶片要么保持在正确的位置随风旋转，要么切换到失速位置，使转子停止转动。随着涡轮机变得越来越复杂，设计中开始包括执行器来调整叶片螺距，以最大限度地利用风速和风向。该系统是集中的，并同时调整所有三个叶片，是否抓住风或失速。然而，随着转子变得更大，风的条件可能因叶片而异，这使得单独的控制势在必行。

尽管液压可以完成一定数量的桨距调整，但它需要运动控制才能有效地完成，特别是当目标是实时修改位置时。“液压非常擅长于简化，”德克萨斯州sippco MLS公司的首席执行官Raul Martinez说。“运动控制提供了更复杂的控制，运动轮廓，加速/减速等。”缺点是它们需要电力，而在紧急情况下，电力不一定可用。这意味着给系统增加一个应急电源，比如电池或电容器。

刀片控制可以是被动的(“休眠”)或主动的(实时调整)。基于集中式架构，系统通常控制俯仰和方位位置。这种灵活性很重要。特别是当塔的高度超过100米时，结构会产生振动和共振。这就是实时刀片调整可以帮助补偿的地方。马丁内斯说:“通过控制叶片，我们可以诱导共振来平衡机器，这样我们就可以减少压力。”本质上，他们的位置叶片，使风影响阻尼共振。“我们可以减少涡轮机本身产生的谐波和振动，”他补充道。

该公司还在试验在叶片结构中嵌入光纤应变传感器，以改善风荷载反馈。马丁内斯说:“我们正在开发一种智能驱动器，它可以看到叶片上的负载或电机或变速箱中频率的共振，并试图平衡它们。”“这就是为什么我们认为电子俯仰控制优于液压控制，因为它具有这些优化功能。”

由于桨叶的大小和质量，桨距调节系统需要大量的功率。例如，一台1.5 MW的涡轮机需要一台能够提供2至3 kW正常功率的电机，在高加速度情况下需要提供多达7至10 kW的电机。MLS从直流平台开始，但随着控制系统变得越来越复杂，减少惯性和提高响应能力的需求驱使他们转向交流组件。该系统包括一个环形齿轮和一个行星齿轮箱，典型的减速比为1000:1到2000:1。

转,转,转
当然，任何能转动的东西都需要某种支撑。除了从轮毂到发动机舱支撑主传动轴的轴承外，轴承还需要在主轴进入变速箱时支撑主轴。典型的设计采用球面滚子轴承的主轴应用，但随着涡轮机的发展，轴承也有。“我不认为球面滚子轴承是前进的方向，因为变速箱越来越大，质量越来越高，”该公司风能业务部门应用工程经理道格•卢卡斯(Doug Lucas)表示铁姆肯公司有限公司(广州,俄亥俄州)。减肥是关键;长力臂末端的大质量物体可以被推入共振振荡。即使叶片位置引入了补偿和阻尼，它也可能是一个问题。卢卡斯说:“你需要想出功率密度更高的解决方案，试图将这些变速箱缩小到更合理的尺寸。”“我们通常建议的轴承往往是圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承。”

材料的选择是避免矿化和断裂的关键。一种选择是渗碳钢，表面坚硬，但向中心更有韧性。损伤往往停留在表面，而不是全部通过，而对于表面硬化的钢，裂纹可以更快地通过材料传播，导致失效。

这就引出了可靠性的问题。风力系统是公用事业级的，必须建造20到30年的寿命。可靠性从精心设计开始，从合适的电机尺寸到轴承。“风力涡轮机最复杂的事情之一是系统动力学，”卢卡斯说。“我认为了解这些影响和对轴承系统的影响可以大大提高这些风力涡轮机齿轮箱的可靠性。”例如，风力涡轮机的负荷往往会增加，因此在对部件进行选型时需要考虑到这一点。

所涉及的环境条件使得确保生命周期特别具有挑战性。根据位置的不同，风力涡轮机可能暴露在大于-30℃到+60℃的温度波动中，这意味着从电机到轴承到驱动组件的一切都需要更加坚固。德克萨斯州仪器公司(Houston, Texas Instruments)的产品线经理Keith Ogboenyiya说:“用于风力逆变器的产品与用于手机的产品有不同的温度要求，所以我们的许多设备的额定温度为-40℃至125℃。”

涡轮机受到灰尘和冰的影响，而基于海洋的机组则增加了盐腐蚀的问题。塔的高度也使这些装置容易受到雷击的攻击，这意味着要小心驱动器和塔的接地。

为了确保生命周期，供应商正专注于提供诊断功能的智能组件，当系统处于100米高空，可能必须从外部访问时，这是一个好处。联网系统允许远程软件更新。即插即用操作简化了必要时的维护。系统需要易于操作和维护，因为不能保证熟练的技术人员能够立即修复故障并重新启动操作。

当然，除了运动控制，风力变频器的应用还需要可靠的驱动和控制电子设备。“用于实时控制的微控制器必须执行快速模数(A/D)采样和转换任务，以快速采样电压和电流，并具有灵活的脉宽调制(PWM)产生能力，”Zhen Yu说。美国德州仪器公司MCU数字电源业务开发经理。“为了实现高性能或高效率的风力逆变器应用，模拟和控制外设必须配备快速CPU。”

风力涡轮机变得越来越复杂，以满足效率需求的挑战。越来越多地，电子轴系的灵活性和精度提供了实现性能要求的唯一解决方案。随着全球对可再生能源的关注，风电市场在未来一段时间内将成为运动控制的一个强大的市场机会。