一种风力机的智能快速刹车系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风力机的智能快速刹车系统，由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、电气箱组成。工作时伸缩插片由辅助板推出，在变阻尼液中运动，变阻尼液受到磁场作用刚度增加，进而增加转子阻尼力，达到制动效果。其控制系统可实现对变阻尼液的无极驱动，实现刹车装置快速精确刹车；MPC中参数取值方法及OPC技术的应用，保证了算法快速收敛、数据处理精度。智能控制流程为：由传感器测量实时信号，产生偏移量后传递到PLC控制器；在PLC中实现MPC算法的结果输出，以电压信号作用于线圈，产生变化的磁场作用于磁流变液，实现刹车减速和制动。

【技术实现步骤摘要】
一种风力机的智能快速刹车系统
本专利技术涉及机械
，尤其涉及一种通过磁流变阻尼液来增加转动阻尼以达到制动效果的刹车减速装置，以及基于一种偏移量控制的模型预测控制算法实现对该装置快速、精确制动的风力机的智能快速刹车系统。
技术介绍
能源问题是全世界面临的重大发展和生存问题，在传统能源日益消耗、环保问题日渐突出的今天，如何高效利用可清洁能源，特别是风能的高质量利用，是人们亟待解决的重大问题。传统上我国风力机技术和部件主要靠外国技术引进，自主化程度很低，对于我国风电事业的发展极为不利，随着经济与科技的发展，我国必定要解决风力机技术的自主化率问题和产品质量问题。风力机制动的目的在于限制叶轮和风速，在风力机的制动系统中，传统上有气动制动与机械制动两种主要的制动方式，前者主要是在叶片内部内置液压装置，在需要制动时在液压装置的作用下使风力机叶片的叶尖中内置的小叶片弹出或甩出，达到制动效果，但是这种装置安装难度大，维护成本高，可靠性较低。后者主要是用盘式刹车，使刹车片与刹车盘作用，产生制动力矩，这种方法主要的问题是机械刹车在制动时产生很大的热量，这也正是绝大多数风力机容易造成火险事故的原因。所以找到一种高效、简易的制动装置，并实现其快速、精确制动效果，成为风力机制动系统技术发展的难题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种风力机的智能快速刹车系统。实现制动的刹车减速装置，可以安装在叶片主轴与机舱上，较传统方式而言安装方式更为简单；技术容易实现；装置安全性较高，不会引发火险事故；同时本实专利技术专利实现了一种基于偏移量控制的模型预测控制(MPC)算法的快速、精确制动的控制系统方法。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：本专利技术由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、熔断器、电气箱组成，所述转子罩上面开螺纹孔，所述转子罩与风力机主轴固定连接；所述转子罩和定子罩连接时，使用旋转轴密封圈进行密封，防止内部液体泄漏，所述转子罩和定子罩连接的轴接凹槽内部填充变阻尼液。因变阻尼液与罩壁间存在粘性力，且由于罩壁内的挡板的设置，可以增加变阻尼液的刚度，从而减小变阻尼液的流动性，其运动和变形能力大大下降，伸缩插片在液体中运动就会遭受较大的阻尼力，达到制动效果；所述定子固连罩为圆环形、中空，所述定子固连罩的罩体上面开螺纹孔，且与风力机机舱或机舱内的固定物通过螺栓固定连接，在定子固连罩的两侧开矩形孔，实现伸缩片的伸缩动作，所述矩形孔与伸缩片紧密接触，并且在孔中安装橡胶封圈以防液体泄漏。所述变阻尼液选取磁流变液，所述磁流变液在磁场作用下刚度增加。所述伸缩片一段开有两个孔，两个孔分别于弹簧连接。所述辅助架由两根两端固连在定子固连罩上的铁棒组成，固连方式可为焊接，铁棒中间开限位孔，限制辅助板的两个极限位置。所述辅助板由带有限位板的轴与板体和板体底部镶嵌的铁块组成，带有限位板的轴上有两个轴肩，轴两端插入辅助架的限位孔，轴上的限位板与限位孔相互作用可以限制辅助板的两个极限位置，轴与板体本身为一体，可由直接浇铸生成。所述开关、电源、熔断器之间以导线连接，开关、电源、熔断器放置在电气箱中，开关可以设置为继电器开关，由风力机主控系统控制。一种风力机的智能快速刹车系统控制方法，包括以下步骤：(1)首先实现常规的风轮叶片运转系统的二阶系统建模，系统变量包括三个变量：叶尖的挥舞位移(z)、风轮转角位移驱动磁流变液的线圈中的电流(i)，常规二阶系统方程描述为：其中，状态变量M0、C0、K0分别为常规建模确定的3×3质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；B0为3×1挥舞、摆振方向的气动力矩阵；(2)将二阶系统转化为一阶系统并离散化，令则方程(1)转化为：其中，将系统进一步离散化为：其中，ηx、ηy为预测变量与实际物理量之间的偏移量；3)基于偏移量控制的MPC算法：将上述方程(3)写为增量形式：式中I为单位矩阵。然后进一步定义新的状态变量X(k)＝[Δx(k)Tym(k)T]T，将式(4)重写为偏移量信号：其中，根据系统方程(5)，预测未来第k+j(j＝1,2,...p)时刻的运动轨迹为：其中，p、pc分别为预测水平和控制水平系数。取预测水平系数10≤p≤15，可以取得良好的控制效果，且pc＝p-1；在偏移量控制的MPC中，为充分利用LQR控制的优点而加速收敛，取相应的偏差域和控制域罚权值矩阵分别定义为：其中LQR控制器的加权值矩阵分别为Q、R。则相应的控制性能指标可以描述为：Jmin＝ΔYTYwΔY+ΔuTuwΔu(8)同时在偏移量的控制中需给定输出信号的目标值为：其中，re为目标调节的性能参数,一般情况下取默认值re＝0.1。本专利技术的有益效果在于：本专利技术是一种风力机的智能快速刹车系统，与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1)设计了一种基于变阻尼液的新型刹车减速装置，该装置能耗小、装置结构与安装简单、成本较低、响应速度快。能够通过弹出伸缩片和改变液体刚度来增加转子转动的阻尼力，从而改变转子罩所固连的转子轴或其他转子结构的转速，达到制动效果。该装置可与风力机主轴和机舱固连，达到较好的制动效果。2)采用了一种基于偏移量控制的MPC算法，实现了快速、精确制动的控制系统方法。进一步提高了变阻尼液刹车减速装置的有效性和精确性，提高了风力机机组安全性，进而减少风力机和能源利用成本，有利于风能技术的应用和发展，可为节能减排和环保事业做出新的贡献。附图说明图1为定子固连罩；图2为定子固连罩及矩形孔示意图；图3为辅助架与辅助板示意图；图4为辅助架示意图；图5为可伸缩插片示意图；图6为转子罩示意图；图7为装置关闭和开启时伸缩片的两个极限位置；图8为整体装配示意图；图9为限位孔示意图；图10为电路图；图11为电气箱示意图；图12为控制系统硬件结构示意图；图13为变频解调器工作原理图；图14为MPC控制流程图。图中：1.定子固连罩，2.定子螺纹孔，3.线圈，4.伸缩片，5.轴接凹槽，6.弹簧，7.辅助架，8.电磁铁，9.辅助板，10.矩形孔，11.旋转轴密封圈，12.限位孔，13.限位板，14.转子罩，15.变阻尼液，16.轴肩，17.注射孔，18.孔塞，19.挡板，20.熔断器，21.开关，22.电源，23.电气箱，24.电气放置架两层，25.锁，26.孔。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1所示：为解决风力机工作过程中的制动问题，本专利技术专利的第一部分是提出一种利用可控伸缩插片和变阻尼液实现制动的刹车减速装置，其原理为：当装置开关闭合后，变阻尼液受到线圈所产生的磁场作用，则会增加变阻尼液的刚度，使得在该种液体中运动的转子受到很大的阻尼力作用，并且转子上弹出可控插片，辅助增加转子所受阻尼力，从而达到制动减速的作用。此法可以克服传统风力机制动装置安装、工作时的问题，且技术容易实现，安装和实现难度较低，方式新颖。本专利技术专利的减速装置以解决技术背景中所述传统制动系统问题的技术方案是：一种可用于风力机的刹车减速装置。装置开关闭合，电源开始给回路内的电磁铁线圈供电，线圈得电后，电磁铁吸引辅助板尾部的金属体，从而使辅助板尾部上升，前部下压，可控伸缩插片在辅助板的下压的作用下弹出；得电的线圈产生磁场，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、熔断器、电气箱组成，所述转子罩上面开螺纹孔，所述转子罩与风力机主轴固定连接；所述转子罩和定子罩连接时，使用旋转轴密封圈进行密封，防止内部液体泄漏，所述转子罩和定子罩连接的轴接凹槽内部填充变阻尼液。

【技术特征摘要】
1.一种风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：由转子罩、定子固连罩、旋转轴密封圈、变阻尼液、弹簧、伸缩插片、电磁铁、线圈、辅助板、辅助架、开关、电源、熔断器、电气箱组成，所述转子罩上面开螺纹孔，所述转子罩与风力机主轴固定连接；所述转子罩和定子罩连接时，使用旋转轴密封圈进行密封，防止内部液体泄漏，所述转子罩和定子罩连接的轴接凹槽内部填充变阻尼液。2.根据权利要求1所述的风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：所述定子固连罩为圆环形、中空，所述定子固连罩的罩体上面开螺纹孔，且与风力机机舱或机舱内的固定物通过螺栓固定连接，在定子固连罩的两侧开矩形孔，实现伸缩片的伸缩动作，所述矩形孔与伸缩片紧密接触，并且在孔中安装橡胶封圈以防液体泄漏。3.根据权利要求1所述的风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：所述变阻尼液选取磁流变液，所述磁流变液在磁场作用下刚度增加。4.根据权利要求2所述的风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：所述伸缩片一段开有两个孔，两个孔分别于弹簧连接。5.根据权利要求1所述的风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：所述辅助架由两根两端固连在定子固连罩上的铁棒组成，固连方式可为焊接，铁棒中间开限位孔，限制辅助板的两个极限位置。6.根据权利要求1所述的风力机的智能快速刹车系统，其特征在于：所述辅助板由带有限位板的轴与板体和板体底部镶嵌的铁块组成，带有限位板的轴上有两个轴肩，轴两端插入辅助架的限位孔，轴上的限位板与限位孔相互作用可以限制辅助板的两个极限位置，轴与板体本身为一体，可由直接浇铸生成。7.根据权利要求1所述的风力机的智能快速刹...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘廷瑞，常林，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37