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文檔簡介
1、變槳電磁剎車不動(dòng)作原因分析及改進(jìn)姓名:明哲專業(yè):電氣工程及其自動(dòng)化入職時(shí)間:2009年7月1日部門:技術(shù)服務(wù)中心為人類奉獻(xiàn)白云藍(lán)天,給未來留下更多資源。Preserving white clouds and blue sky for human beings and reserving more resources for future.15 目 錄摘要:3關(guān)鍵詞:3一、引言3二、金風(fēng)1.5MW變槳系統(tǒng)簡述3(一)、變槳系統(tǒng)的硬件3(二)、變槳系統(tǒng)的軟件4(三)、變槳系統(tǒng)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)5三、故障信息分析5 (一)、f文件分析5 (二)、b文件分析6 (三)、故障危害8四、故障點(diǎn)分析8 (一)、AC
2、28 (二)、K2繼電器8 (三)、DC-DC模塊9 (四)、其他故障點(diǎn)10五、改進(jìn)方案10 (一)、對K2繼電器的改進(jìn)10 (二)、對DC-DC模塊的改進(jìn)11六、總結(jié)15七、參考文獻(xiàn)15摘要:變槳電機(jī)的電磁剎車作為變槳?jiǎng)幼鞯奈ㄒ恢苿?dòng)元件,有著極其重要的意義。本文通過一則故障實(shí)例,分析了造成電磁剎車不動(dòng)作的各種可能。并針對此故障,提出了3種改進(jìn)方案,同時(shí)考慮到故障引發(fā)的多種危害,重點(diǎn)設(shè)計(jì)了DC-DC模塊的電壓檢測電路,以實(shí)現(xiàn)對變槳系統(tǒng)的硬件保護(hù),保證在發(fā)生故障時(shí)變槳系統(tǒng)不受損害。關(guān)鍵詞:變槳 電磁剎車 電壓檢測一、引言現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)、自動(dòng)控制、力學(xué)、材料學(xué)等多
3、學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。變槳技術(shù)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的核心部分,變槳距機(jī)構(gòu)的主要作用是調(diào)節(jié)槳距角以控制功率和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。此外,在大風(fēng)或停機(jī)時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)要把葉片調(diào)整到順槳位置以保護(hù)風(fēng)力機(jī)。金風(fēng)1.5MW機(jī)組的變槳系統(tǒng),采用的是各自獨(dú)立的變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行制動(dòng)控制。機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)由蓄電池、伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速齒輪箱、傳感器、回轉(zhuǎn)支承等部分組成。機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)平時(shí)由輪轂上的滑環(huán)或旋轉(zhuǎn)變壓器來提供電力,而機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)的“失效安全”設(shè)計(jì)必須用蓄電池或超級電容等儲(chǔ)能元件來完成。二、金風(fēng)1.5MW變槳系統(tǒng)簡述(一)、變槳系統(tǒng)的硬件變槳系統(tǒng)的硬件主要包括:內(nèi)部電源及控制檢測部分和外部驅(qū)動(dòng)及
4、其檢測部分,其中內(nèi)部電源及其控制檢測部分包括:開關(guān)電源(NG5),變頻器(AC2),超級電容,A10自制模塊, beckoff模塊,DC/DC電源模塊;外部驅(qū)動(dòng)及其檢測部分包括:變槳電機(jī),旋轉(zhuǎn)編碼器,溫度監(jiān)測(PT100),5o接近開關(guān)、87o接近開關(guān)及90o限位開關(guān)。整個(gè)變槳系統(tǒng)的運(yùn)行原理如下圖所示:圖2.1 變槳系統(tǒng)運(yùn)行原理圖(二)、變槳系統(tǒng)的軟件變槳系統(tǒng)有其單獨(dú)的變槳程序,該程序存儲(chǔ)于BC3150中。變槳程序是由九個(gè)部分組成的,即:主控的控制字,電容、電壓和電流的檢測,變槳控制字,變槳角度計(jì)算,變槳速度計(jì)算,旋邊信息檢測,運(yùn)行中急停條件監(jiān)測,變槳模式選擇,輸出設(shè)定等。主控軟件發(fā)送控制命令
5、字給變槳軟件,變槳軟件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作;變槳軟件將變槳系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)反饋給主控軟件;來自機(jī)艙的安全鏈信號與變槳安全鏈信號彼此獨(dú)立;當(dāng)來自機(jī)艙的安全鏈信號斷開時(shí),變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)有硬件、軟件雙重保護(hù),從而保證葉片以急停的速度順槳。限于篇幅和本文討論內(nèi)容,在此不作更進(jìn)一步的論述。(三)、變槳系統(tǒng)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)1、變槳制動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成整個(gè)變槳系統(tǒng)通過變槳電機(jī)拖動(dòng)齒形帶進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鳎捎跊]有像偏航系統(tǒng)一樣的液壓制動(dòng)系統(tǒng),唯一的制動(dòng)方法便是電磁剎車制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)包括:AC2,電磁剎車系統(tǒng),K2繼電器以及60V轉(zhuǎn)24V的DC-DC模塊。其中,柜體內(nèi)部的接線通過X6哈丁頭與變槳電機(jī)進(jìn)行連接。電機(jī)主要參數(shù):種類
6、額定功率最大轉(zhuǎn)矩制動(dòng)轉(zhuǎn)矩額定電壓額定電流IM30014.5kW75Nm100Nm29V125A2、電磁剎車動(dòng)作原理電磁剎車制動(dòng)的原理比較簡單:利用通電線圈產(chǎn)生的磁場吸引銜鐵動(dòng)作,使制動(dòng)輪或銜鐵與制動(dòng)盤相互脫離;線圈斷電后在彈簧的作用下釋放銜鐵,使制動(dòng)輪或銜鐵與制動(dòng)盤相互摩擦實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。3、變槳?jiǎng)幼髁鞒坍?dāng)變槳系統(tǒng)要進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鲿r(shí),通過PLC發(fā)出變槳命令,AC2控制K2繼電器得電,則電磁制動(dòng)線圈得電,吸引銜鐵松開制動(dòng),然后變槳電機(jī)拖動(dòng)變槳?jiǎng)幼鳎划?dāng)變槳停止時(shí),K2繼電器失電,從而電磁制動(dòng)線圈失電,銜鐵被釋放進(jìn)行抱閘。三、故障信息分析(一)、f文件分析2009年10月19日,官廳現(xiàn)場20#風(fēng)機(jī)報(bào)出安全鏈
7、故障而停機(jī)。到達(dá)現(xiàn)場后,通過風(fēng)機(jī)的就地監(jiān)控系統(tǒng),讀取當(dāng)時(shí)的F文件,顯示了安全系統(tǒng)故障(error_safety_system_global)和變槳內(nèi)部安全鏈故障(error_safety_system_safety_system_ok_from_pitch),并無其他的故障信息,如下圖所示:圖3.1 故障文件safety system部分進(jìn)一步分析F文件中變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),故障時(shí)刻42#葉片的角度和其他兩個(gè)葉片相差較大。三個(gè)葉片的角度分別為,41#:5.254 degree;42#:1.647 degree;43#:5.389 degree,其中42#葉片與43#葉片角度相差3.742度,42
8、#葉片與41#葉片角度相差3.607度。可以判定此次故障是由于42#葉片角度與其他兩個(gè)葉片的角度相差大于3.5度,超過了程序規(guī)定葉片角度差值不能大于3.5度的設(shè)定而引起的故障。如下圖所示:圖3.2 故障文件pitch position部分(二)、b文件分析在初步查明故障原因后,進(jìn)一步分析b文件,選取故障時(shí)間點(diǎn)前后各2秒的葉片角度及超級電容高電壓數(shù)據(jù)繪制時(shí)序圖3.3及圖3.4。圖3.3 葉片角度對比圖圖3.4 超級電容高電壓變化圖從圖3.3可以看出在故障前1.5秒時(shí)葉片1、3開始向90°變槳,葉片3未有明顯變化,在0時(shí)刻三個(gè)葉片角度最大差值超過3.5度,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)報(bào)故障,故障后葉片1、3
9、繼續(xù)向90度順槳,但葉片2仍未動(dòng)作。通過圖3.4可以發(fā)現(xiàn),在故障前1.5秒附近,三個(gè)葉片的電容高電壓開始下降,說明AC2開始動(dòng)作耗電;對比圖3.3可知,1號和3號葉片均開始順槳?jiǎng)幼?,葉片角度增大。反觀2號葉片,超級電容電壓下降速度最快,一直降至55V后,超級電容開始充電,在達(dá)到56V左右時(shí),電壓再次下降,之后電容電壓一直在55V之下,NG5一直處于充電狀態(tài),說明有大量的電能消耗,但2號葉片角度并無明顯變化。同時(shí)F文件中并沒有顯示出有逆變器OK信號丟失故障,說明AC2工作正常。通過分析電機(jī)參數(shù)可知電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為75Nm,制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100Nm,當(dāng)電磁剎車未松開的情況下電機(jī)即使達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩也不能動(dòng)作
10、,造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)。符合上述故障現(xiàn)象。至此可以確定,此故障的根本原因?yàn)樽儤姍C(jī)在電磁剎車未松開的情況下工作。(三)、故障危害此故障對機(jī)組的危害主要體現(xiàn)在變槳電機(jī)在沒有松開制動(dòng)的情況下工作,變槳電機(jī)長時(shí)間堵轉(zhuǎn),極易造成變槳電機(jī)燒毀及對電磁剎車機(jī)構(gòu)磨損。四、故障點(diǎn)分析通過上文分析,可知是由于變槳電磁剎車未松閘。分析變槳圖紙電磁剎車回路可知可能的故障點(diǎn)為以下幾方面:(一)、AC2AC2由NG5通過超級電容供電,通過內(nèi)部逆變器,將直流輸入變?yōu)榻涣鬏敵?,為變槳電機(jī)提供動(dòng)力電源。根據(jù)變槳圖紙,可以很方便的看出AC2的各個(gè)管腳的作用,其中F3和F9管腳接到X2端子排的6號和7號端口,與K2繼電器的線圈構(gòu)成回路。
11、也就是AC2直接控制K2繼電器的接通與關(guān)斷。在一般情況下,AC2極少出現(xiàn)故障,但是故障類型具有很大的隱蔽性,不易發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)場通過用萬用表測量AC2的輸出,發(fā)現(xiàn)正常。(二)、K2繼電器K2繼電器是電磁剎車的直接控制元件。它的外觀圖如圖4.1所示。K2繼電器有11個(gè)管腳,提供3組觸點(diǎn)。11、14和31、34串接在電磁剎車回路里,控制電磁剎車線圈的得電和失電。如果K2繼電器因某種原因?qū)е掠|點(diǎn)未吸合,則電磁剎車不能松開。圖4.1 K2繼電器現(xiàn)場通過與一號葉片變槳柜調(diào)換K2繼電器,給一號葉片手動(dòng)變槳,發(fā)現(xiàn)一切正常,則排除K2繼電器損壞的可能。(三)、DC-DC模塊在變槳柜里有兩個(gè)DC-DC模塊,由NG5經(jīng)
12、過超級電容負(fù)責(zé)供給60V的輸入電壓。原DC-DC模塊負(fù)責(zé)給電磁剎車線圈供電,此模塊輸入電壓范圍為:28V-160V,額定輸出為24V,12A。由于此模塊為公司自制,所以無法找到更多的內(nèi)部詳細(xì)信息?,F(xiàn)在使用的DC-DC模塊實(shí)物圖由圖5.6所示,有5個(gè)接口,接線方式可由變槳圖紙得到,底部有電源指示燈,正常運(yùn)行時(shí)亮。如果電源摸塊損壞,則不能給電磁剎車線圈供電,至使電磁剎車無法松開制動(dòng)。圖4.2 DC-DC模塊實(shí)物圖現(xiàn)場處理時(shí)選擇用電源模塊直接給電磁剎車供電,手動(dòng)變槳時(shí)發(fā)現(xiàn),電磁剎車偶爾出現(xiàn)不松開的現(xiàn)象,于是判定DC-DC模塊供電出現(xiàn)問題。(四)、其他故障點(diǎn)除了以上幾點(diǎn)外,電磁剎車線圈本身的好壞,各個(gè)
13、觸點(diǎn)間的接線,都有可能導(dǎo)致整個(gè)制動(dòng)回路的斷開,從而致使電磁剎車不動(dòng)作。針對這幾點(diǎn)按著圖紙依次用萬用表測量,均為正常。五、改進(jìn)方案(一)、對K2繼電器的改進(jìn)由K2繼電器的管腳圖可以看出,三個(gè)觸點(diǎn)均用在電路中,控制電磁剎車回路和柜體風(fēng)扇。本身無輔助觸點(diǎn)用來監(jiān)控K2繼電器是否吸合??梢杂?1、12或31、32這兩個(gè)常閉觸點(diǎn)來作為輔助觸點(diǎn),將這個(gè)觸點(diǎn)接給KL1104,作為檢測K2吸合的信號。通過在程序中加上對K2繼電器的檢測項(xiàng),當(dāng)K2吸合時(shí),11與12常閉觸點(diǎn)斷開,信號由高電平變?yōu)榈碗娖?,則得知K2已經(jīng)吸合,如果未吸合則報(bào)出故障。圖5.1 K2繼電器針腳與底座端口對照圖(二)、對DC-DC模塊的改進(jìn)方
14、案一更換此種舊式DC-DC模塊。由于現(xiàn)在使用的DC-DC模塊為完全封裝好的電源模塊,所以無法得知內(nèi)部各個(gè)元件的詳細(xì)情況。有可能某個(gè)電容或者電感在這種全密閉的封裝模式下,工作壽命會(huì)受到縮短。而且在頻繁變槳的時(shí)候,三極管的開關(guān)次數(shù)也經(jīng)受著極大的考驗(yàn)。整個(gè)電源模塊并沒有良好的散熱,這就大大減小了模塊的壽命。聯(lián)系到變槳改造前,有部分機(jī)組出現(xiàn)PLC掉電的現(xiàn)象,也有一定可能是舊模塊隨著長時(shí)間的使用,不能穩(wěn)定供給24V電。而當(dāng)它已經(jīng)不能使電磁剎車動(dòng)作的時(shí)候,就會(huì)出現(xiàn)論文中所描述的故障。所以,最方便的方法是更換一種新型號的開關(guān)電源,提供更寬的電壓輸出范圍和相對穩(wěn)定的電壓質(zhì)量。同時(shí),由于現(xiàn)場條件有限,無法分析該
15、機(jī)組換下來的電源模塊,以找到是哪個(gè)元件損壞,建議公司可以對舊模塊做研究改進(jìn)。但是即便跟換新模塊,也不能保證不再發(fā)生此項(xiàng)故障,因此為了保證故障發(fā)生后,機(jī)組不受損傷,需要一個(gè)新的方案來進(jìn)行保護(hù)。2、方案二方案二是無論使用何種DC-DC模塊時(shí),都給DC-DC模塊加裝一個(gè)檢測制動(dòng)電路,以保證發(fā)生故障時(shí),變槳系統(tǒng)不會(huì)受到損害。這個(gè)電路所實(shí)現(xiàn)的功能是在檢測到電源模塊電壓下降到一定值時(shí),斷開變槳內(nèi)部安全鏈和K3繼電器,使風(fēng)機(jī)緊急停機(jī),同時(shí)鎖定故障葉片,禁止其變槳?jiǎng)幼鳌_@樣就能避免因?yàn)榇隧?xiàng)故障而對變槳系統(tǒng)造成損害。完整的電路圖如圖5.1所示。整個(gè)保護(hù)電路主要包括3部分,分別是繼電器供電電路,電壓檢測電路和繼電
16、器回路,電路左側(cè)的24V電由舊電源模塊供給。下面就電路進(jìn)行詳細(xì)介紹:圖5.2 DC-DC模塊檢測制動(dòng)電路、繼電器供電電路如圖5.2中的部分,此電路的功能是給繼電器回路提供5V的直流電。用到的元件包括:芯片LM2576,電容Cin、Cout,電感L1和D1肖特基二極管。LM2576是一個(gè)提供穩(wěn)定直流電壓輸出的芯片,它可以提供最大為3A的輸出電流,提供3.3V、5V、12V、15V和可調(diào)的輸出電壓。本系統(tǒng)具體選用型號為LM2576-5,可在輸入電壓為8V-40V的范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出5V電壓和0.5A輸出電流。工作環(huán)境溫度為-40o到125o。為了達(dá)到穩(wěn)定輸出5V電壓的目的,該部分電路所需的外部穩(wěn)壓元件
17、為輸入電容Cin、輸出電容Cout、二極管D1、電感L1。其參數(shù)為:CinCoutD1L1100F150F1N5822330H、電壓檢測電路如圖5.2中的部分,此電路的功能是檢測電源電壓,當(dāng)電源電壓下降到指定值時(shí),電壓檢測芯片由高電平輸出改為低電平輸出。此電路包括電壓測量芯片HT7050和兩個(gè)分壓電阻R1、R2。HT7050為電壓檢測芯片,有3個(gè)引腳,分別是IN,GND和OUT。通過對比IN 電壓和內(nèi)部電壓設(shè)定值,來決定OUT輸出電平的高低。此電路具體選用型號為:HT7050A,其內(nèi)部電壓設(shè)定值為5V。當(dāng)IN引腳輸入電壓值低于5V時(shí),OUT引腳將會(huì)輸出低電平,輸入電壓值高于5V時(shí)OUT引腳將會(huì)
18、輸出低電平,輸入電壓允許有2.4%的波動(dòng)。由于條件所限,并不知道電源電壓降至何時(shí)就無法驅(qū)動(dòng)電磁剎車,此處假定電磁剎車在20V時(shí)不動(dòng)作。則分壓電阻的阻值比可以由此算出,為(20-5)/5=3:1。在保證分壓比的前提下,考慮到晶閘管的關(guān)斷電流,分壓電阻R1、R2的阻值設(shè)定為3K和1K。考慮到輸入電壓的波動(dòng)范圍,當(dāng)電源電壓低于19.52V時(shí),則此部分電路的OUT輸出低電平,滿足假定要求。、繼電器電路如圖5.2中的部分,此電路是整個(gè)保護(hù)電路的執(zhí)行電路,電路包括一個(gè)5V驅(qū)動(dòng)的繼電器,一個(gè)NPN型三極管。繼電器選用歐姆龍G5V-2-5VDC型,其內(nèi)部電路圖如圖5.2中的部分所示。其中4、8觸點(diǎn)串接入K3繼電器的線圈回路,9、13串接入K4繼電器的線圈回路,如圖5.3所示。當(dāng)繼電器失電之后,K3回路和K4回路同時(shí)斷開,既可以保證斷開變槳內(nèi)部安全鏈,報(bào)出故障,又可以鎖定AC2,使葉片不能
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