一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置的製作方法

2023-05-18 01:03:46 1

專利名稱：一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，屬於風能模擬實驗技術領域，應用於風力發電、建築、交通等行業。
背景技術：
在新能源領域，風能是一種清潔的、可再生的、儲量很大的能源，風力發電是具有大規模發展潛力的成熟的可再生能源技術。風力機及發電機系統是風能轉化成電能的必要設備，風機結構、槳葉翼型、風力發電系統等機組或部件的開發測試與樣機驗證，都要用到自然風模擬裝置，作為實驗測試設備。在交通行業中，汽車、軌道交通、風機等運輸設備在樣機開發中，需要在自然風速條件下測試其性能參數。風洞通常是必要的測試環境，自然風模擬裝置是這類風洞中關鍵設備。在建築行業，高層建築和高聳結構，如煙 、電視塔等，對風載荷很敏感。方案論證中通常需要做物理模擬測試，風速物理模擬裝置可以為建築方案論證提供物理實驗的必要設備。目前，模擬自然風的風速大小和方向兩個參數的風速模擬裝置已有專利和論文，應用範圍限於風速傳感器的測試與標定等。實際上，自然風作為具有一定動能的一種物質，風速大小和方向只是描述其基本特性的兩個參數，還有風的脈動特性，時程特性，隨機分布特性等重要特性。模擬這些重要特性的手段，目前主要是數字模擬，即應用計算機仿真方法，數字計算模擬出自然風的這些特性，這方面已有許多論文報導，屬於自然風的虛擬形態模擬。而從物理層面模擬自然風的這些特性的物理裝置，無論專利還是論文均未見報導。目前國內外建立的風洞是自然風的一種很好的模擬手段，但是佔地空間巨大，耗資巨大，運行費用很高。

發明內容
本發明公開了一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，空間開放，可以有效克服現有的自然風模擬裝置存在的空間封閉、不能適應大功率風機等大型裝置的實物測試、佔地空間巨大、造價巨大等問題。本發明技術方案是這樣實現的一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，包括鼓風機、可變形風筒、旋轉平臺、風特性控制器、支架、圓盤軸承和計算機。所述的鼓風機安裝在可變形風筒內，可變形風筒安裝在旋轉平臺的圓盤軸承上，鼓風機通過圓盤軸承與支架連接，圓盤軸承與旋轉平臺電機連接，旋轉平臺電機旋轉拖動鼓風機旋轉；可變形風筒電機、鼓風機電機和旋轉平臺電機均由風特性控制器控制，計算機內置自然風模擬軟體，風特性控制器與計算機之間採用RS233\RS485接口通信。所述的鼓風機包括風力機、直流電機、和直流電機驅動器，鼓風機整體固定在可變形風筒固定端上，直流電機的電機軸與風力機連接，直流電機拖動風力機旋轉產生風。直流電動機電源進線與該直流電機的驅動器連接。鼓風機在風特性控制器的控制下，風的動能、風的隨機特性、時程特性、脈動特性是根據特定模型的隨機過程特性曲線運動，從而使鼓風機吹出來的風具有自然風的特性。所述的可變形風筒，用於與鼓風機配合改變風量大小和風的種類，由風特性控制器來的控制信號控制可變形風筒的電機，電機驅動可變性風筒的機械結構運動，改變可變形風筒內部形狀和截面面積大小，與鼓風機風速大小配合，產生不同等級的風，按氣象學分類為十二級；可變形風筒共有五個電機，四個安裝在可變形風筒上、下、左、右方位，一個安裝在出風方向；五個電機均是交流伺服電動機，每個交流伺服電動機配有交流伺服驅動器。所述的旋轉平臺，它由旋轉平臺電機、圓盤軸承、支架組成，用於改變風的方向；旋轉平臺電機配有交流伺服驅動器。旋轉平臺電機定位精度為0.01度，拖動可變形風筒到任 意角度，因此，可模擬出360度角的任意方位角度的風。所述的風特性控制器，用於為鼓風機、可變形風筒的電機和旋轉平臺電機的驅動器提供控制信號，控制信號為標準0-5V直流信號；其中，給鼓風機的信號一個，給可變形風筒的信號五個，給旋轉平臺電機的信號一個。所述的計算機內置自然風模擬模型軟體，用於產生風的特性信號，並把風特性信號分解成幾個控制信號，以數據格式方式傳輸給風特性控制器，由風特性控制器把這些數位訊號轉換成標準的0-5V信號。所述的可變形風筒的內部為喇叭形結構，喇叭由一段圓管和一段喇叭口組成，圓管與喇叭口軟連結。一段圓管由上下兩個半圓管合圍而成，上半圓管與交流伺服電機一連接，下半圓管與交流伺服電機五連接，交流伺服電機一和交流伺服電機五控制該段圓管直徑大小；一段喇叭口由左半部分和右半部分組成，左半部分連接交流伺服電機三，右半部分連接交流伺服電機四，交流伺服電機三和交流伺服電機四控制喇叭口的角度；節流擋板安裝在喇叭口之後，節流擋板與交流伺服電機二連接，交流伺服電機二控制節流擋板的開度。將本發明裝置組合使用，可以對大型和超大型自然風源進行模擬，為大型風機或建築結構驗證提供測試環境。本發明的有益效果在於本裝置或其組合體所構成的自然風模擬環境是一種開放結構，不同於封閉的風洞模擬出封閉的自然風環境，本發明是在自然環境下模擬出自然風源，小型的可安裝於實驗室，大型或超大型的可安裝於自然環境中，為大型風力發電機或高層建築設計模型驗證提供驗證環境，無需大型工程施工，不僅節省大量人力物力資源，佔地少，造價低，而且是風洞這類模擬裝置所不可替代的。


圖I為本發明自然風物理模擬裝置的系統原理框圖；圖2自然風物理模擬裝置的鼓風機原理框圖；圖3自然風物理模擬裝置的風特性控制器原理框圖；圖4自然風物理模擬裝置的可變形風筒電機安裝位置示意圖。I、計算機，2、可變形風筒，3、鼓風機，4、圓盤軸承，5、旋轉平臺電機，6、支架，7、風特性控制器，8、風力機，9、直流電動機，10、可變形風筒固定端，11、直流電動機電源進線，12、微處理器模塊，13、顯示器，14、RS232/RS485接口，15、直流電機驅動器，16、交流伺服電機驅動器，17、交流伺服電機驅動器一，18、交流伺服電機驅動器二，19、交流伺服電機驅動器三，20、交流伺服電機驅動器四，21、交流伺服電機驅動器五，22、交流伺服電機一，23、交流伺服電機二，24、交流伺服電機三，25、交流伺服電機四，26、交流伺服電機五。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。如圖I所示安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，包括鼓風機3、可變形風筒2、旋轉平臺、風特性控制器7、支架6、圓盤軸承4和計算機I。所述的鼓風機3安裝在可變形風筒2內，可變形風筒2安裝在旋轉平臺的圓盤軸承4上，鼓風機3通過圓盤軸承4與支架6連接，圓盤軸承4與旋轉平臺電機5連接，旋轉平臺電機5旋轉拖動鼓風機3旋轉；可變形風筒電機、鼓風機電機和旋轉平臺電機均由風特性控制器7控制，計算機I內置自然風模擬軟體，風特性控制器7與計算機I之間採用RS233\RS485接口 14通信。·由計算機I計算出風的特性參數，並把風特性信號分解成幾個控制信號，以數據通信方式，通過計算機通用串行通信接口傳輸給風特性控制器7的RS232/RS485通信接口14，風特性控制器7把這些數位訊號轉換成標準的0-5V信號。風特性控制器7的風速大小信號與鼓風機3的電機驅動器連接，實現風速大小調節；風特性控制器7的交流伺服電機驅動器一 17、交流伺服電機驅動器二 18、交流伺服電機驅動器三19、交流伺服電機驅動器四20、交流伺服電機驅動器五21分別與可變形風筒的交流伺服電機一 22、交流伺服電機二23、交流伺服電機三24、交流伺服電機四25、交流伺服電機五26連接，調節可變形風筒2的內部結構，改變風量大小；風特性控制器7的交流伺服電機驅動器16與旋轉平臺電機5的電源輸入端11連接，旋轉平臺電機5拖動圓盤軸承4運動，圓盤軸承4拖動鼓風機3旋轉，從而改變風的變化方向，得到模擬的自然風。旋轉平臺電機5是交流伺服電機，角度控制精度O. 01度，因此，風的方向控制精度高。圖2為本發明鼓風機原理框圖。鼓風機由風力機8、直流電機9、電源進線11和直流電機的驅動器15構成，鼓風機整體固定在可變形風筒固定端10上，直流電機9的電機軸與風力機8連接，直流電機9拖動風力機旋轉產生風。直流電機9的電源進線11與該直流電機的驅動器15連接。圖3為本發明風特性控制器原理框圖。微處理器模塊12為核心部件，顯示器11顯示風的特性參數，微處理器12通過RS232/RS485接口接收由計算機I的RS232串口傳輸來的風特性信號的變換成標準的0-5V信號，其中風速大小信號與直流電機驅動器15的輸入端連接，直流電機驅動器15的輸出與直流電動機電源進線11連接，為直流電機提供驅動電源；其中風的方向信號與交流伺服電機驅動器16的輸入端連接，交流伺服電機驅動器16的輸出連接旋轉平臺電機5，為旋轉平臺電機5提供驅動電源；其中的風量大小信號有五個，分別連接與交流伺服電機驅動器一 17、交流伺服電機驅動器二 18、交流伺服電機驅動器三19、交流伺服電機驅動器四20、交流伺服電機驅動器五21的輸入端連接，這五個交流伺服電機驅動器的輸出分別與可變形風筒交流伺服電機一 22、交流伺服電機二 23、交流伺服電機三24、交流伺服電機四25、交流伺服電機五26的電源端連接，為這5個可變形風筒的交流伺服電機提供驅動電源。
圖4為本發明可變形風筒電機安裝位置示意圖。在可變形風筒的上方安裝有交流伺服電機一 22，在可變形風筒的下方安裝有交流伺服電機五26，在可變形風筒的左側安裝有交流伺服電機三24，在可變形風筒的右側方安裝有交流伺服電機四25，這4個電機用於調節這四個方向的喇叭形構件，改變喇叭口的大小和形狀，在出風口方向安裝有一個交流伺服電機23，用於調節可變形風筒內截面擋板開度大小，控制風量。可變形風筒2的內部為喇叭形結構，喇叭由一段圓管和一段喇叭口組成，圓管與喇叭口軟連結。一段圓管由上下兩個半圓管合圍而成，上半圓管與交流伺服電機一 22連接，下半圓管與交流伺服電機一五26連接,交流伺服電機一 22和交流伺服電機一五26控制該段圓管直徑大小；一段喇叭口由左半部分和右半部分組成，左半部分連接交流伺服電機三24，右半部分連接交流伺服電機一四25，交流伺服電機三24和交流伺服電機四25控制喇叭口的角度；節流擋板安裝在喇叭口之後，節流擋板與交流伺服電機二 23連接，交流伺服電機二 23控制節流擋板的開度。計算機內置軟體有自然風的各種模型，通過計算機輸出控制指令給風特性控制 器，風特性控制器控制鼓風機的電機、可變形風筒電機和旋轉平臺電機按特定模型運動，從而得到的具有各種類型的模擬自然風，為風力資源開發利用研究提供實驗驗證風源。自然風模擬模型軟體可以用多種計算機軟體工具開發，如MATLAB，C++，VB等，該軟體可以不斷升級更新，使自然風模擬模型與真實自然風之間的誤差不斷減小，直至完全吻合。
權利要求
1.一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，包括鼓風機、可變形風筒、旋轉平臺、風特性控制器、支架、圓盤軸承和計算機，其特徵在於所述的鼓風機安裝在可變形風筒內，可變形風筒安裝在旋轉平臺的圓盤軸承上，鼓風機通過圓盤軸承與支架連接，圓盤軸承與旋轉平臺電機連接，旋轉平臺電機旋轉拖動鼓風機旋轉；可變形風筒電機、鼓風機電機和旋轉平臺電機均由風特性控制器控制，計算機內置自然風模擬軟體，風特性控制器與計算機之間採用RS233\RS485接口通信。
2.根據權利要求I所述的一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，其特徵在於所述的鼓風包括風力機、直流電機和直流電機驅動器，鼓風機整體固定在可變形風筒固定端上，直流電機的電機軸與風力機連接，直流電機拖動風力機旋轉產生風；直流電動機電源進線與該直流電機的驅動器連接，鼓風機在風特性控制器的控制下，風的動能、風的隨機特性、時程特性、脈動特性是根據特定模型的隨機過程特性曲線運動，從而使鼓風機3吹出來的風具有自然風的特性。
3.根據權利要求I所述一種安裝在實驗室或自然環境中的的自然風物理模擬裝置，其特徵在於所述的可變形風筒，用於與鼓風機配合改變風量大小和風的種類，由風特性控制器來的控制信號控制變形風筒的電機，電機驅動可變性風筒的機械結構運動，改變風筒內部形狀和截面面積大小，與鼓風機風速大小配合，產生不同等級的風，按氣象學分類為十二級；可變形風筒共有五個電機，四個安裝在風筒上下左右方位，一個安裝出風方向；五個電機均是交流伺服電動機，每個交流伺服電動機配有交流伺服驅動器。
4.根據權利要求I所述的一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，其特徵在於所述的旋轉平臺，它由旋轉平臺電機、圓盤軸承、支架組成，用於改變風的方向；旋轉平臺電機配有交流伺服驅動器；旋轉平臺電機定位精度為O. Ol度，拖動可變形風筒到任意角度，因此，可模擬出360度角的任意方位角度的風。
5.根據權利要求I所述的一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，其特徵在於所述的風特性控制器，用於為鼓風機、可變形風筒的電機和旋轉平臺電機的驅動器提供控制信號，控制信號為標準0-5V直流信號；其中，給鼓風機的信號一個，給可變形風筒的信號五個，給旋轉平臺電機的信號一個。
6.根據權利要求I所述的一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，其特徵在於所述的計算機內置自然風模擬模型軟體，用於產生風的特性信號，並把風特性信號分解成幾個控制信號，以數據格式方式傳輸給風特性控制器，由風特性控制器把這些數位訊號轉換成標準的0-5V信號。
7.根據權利要求I所述的一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，其特徵在於所述的可變形風筒的內部為喇叭形結構，喇叭由一段圓管和一段喇叭口組成，圓管與喇叭口軟連結；一段圓管由上下兩個半圓管合圍而成，上半圓管與交流伺服電機一連接，下半圓管與交流伺服電機五連接，交流伺服電機一和交流伺服電機五控制該段圓管直徑大小；一段喇叭口由左半部分和右半部分組成，左半部分連接交流伺服電機三，右半部分連接交流伺服電機四，交流伺服電機三和交流伺服電機四控制喇叭口的角度；節流擋板安裝在喇叭口之後，節流擋板與交流伺服電機二 23連接，交流伺服電機二 23控制節流擋板的開度。
全文摘要
一種安裝在實驗室或自然環境中的自然風物理模擬裝置，包括鼓風機、可變形風筒、旋轉平臺、風特性控制器、支架、圓盤軸承和計算機，其特徵在於所述的鼓風機安裝在可變形風筒內，可變形風筒安裝在旋轉平臺的圓盤軸承上，鼓風機通過圓盤軸承與支架連接，圓盤軸承與旋轉平臺電機連接，旋轉平臺電機旋轉拖動鼓風機旋轉；可變形風筒電機、鼓風機電機和旋轉平臺電機均由風特性控制器控制，計算機內置自然風模擬軟體，風特性控制器與計算機之間採用RS233\RS485接口通信。本裝置或其組合體所構成的自然風模擬環境是一種開放結構，不同於封閉的風洞模擬出封閉的自然風環境，無需大型工程施工，且佔地少，造價低，是風洞這類模擬裝置所不可替代的。
文檔編號G01M9/08GK102944377SQ201210506040
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者陳進 申請人:上海第二工業大學