風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)和剎車

1、第五章風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)和剎車風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)和剎車機構(gòu)是一個整體。 在定槳距風力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)的主 要任務(wù)是執(zhí)行風力發(fā)電機組的氣動剎車和機械剎車； 在變槳距風力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)主 要控制變距機構(gòu)，實現(xiàn)風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速控制、功率控制，同時也控制機械剎車機構(gòu)。第一節(jié)定槳距風力發(fā)電機組的剎車機構(gòu)一、氣動剎車機構(gòu)氣動剎車機構(gòu)是由安裝在葉尖的擾流器通過不銹鋼絲繩和葉片根部的液壓油缸的活塞桿相聯(lián)接構(gòu)成的。擾流器的結(jié)構(gòu)（氣動剎車結(jié)構(gòu)）如圖 5-1所示。當風力發(fā)電機組正常運行時， 在液壓力的作用下，葉尖擾流器和葉片主體部分精密地合為一體，組成完整的葉片。當風力發(fā)電機組需要脫網(wǎng)停機時，液

2、壓油缸失去壓力，擾流器在離心力的作用下釋放并旋轉(zhuǎn)80 -90。形成阻尼板，由于葉尖部分處于距離軸最遠點，整個葉片作為一個長的杠桿，使擾流器產(chǎn)生的氣動阻力相當高，足以使風力發(fā)電機組在幾乎沒有任何磨損的情況下迅速減速，這一過程即為葉片空氣動力剎車。葉尖擾流器是風力發(fā)電機組的 主要制動器，每次制動時都是它起主要作用。在葉輪旋轉(zhuǎn)時，作用在擾流器上的離心力和彈簧力會使葉尖擾流器力圖脫離葉片主體轉(zhuǎn)動到 制動位置；而液壓力的釋放，不論是由于控制系統(tǒng)是正常指令，還是液壓系統(tǒng)的故障引起， 都將導致擾流器展開而使葉輪停止運行。因此，空氣動力剎車是一種失效保護裝置，它使整個風力發(fā)電機組的制動系統(tǒng)具有很高的可靠性。二

3、、機構(gòu)剎車機構(gòu)圖5-2為機構(gòu)剎車機構(gòu)由安裝在低速軸或高速軸上的剎車圓盤和布置在四周的液壓夾鉗構(gòu)成。液壓夾鉗固定，剎車圓盤隨軸一起轉(zhuǎn)動。剎車夾鉗有一個預壓的彈簧制動力，液壓力通過油缸中的活塞將制動夾鉗打開。機械剎車的預壓彈簧制動力，一般要求在額定負載下脫網(wǎng)時能夠保證風力發(fā)電機組安全停機。但在正常停機的情況下，液壓力并不是完全釋放， 即在制動過程中只作用了一部分彈簧力。為此，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置了一個特殊的減壓閥和蓄能器， 以保證在制動過程中不完全提供彈簧的制動力。s.圖5 2機與剎帶機構(gòu)為了監(jiān)視機械剎車機構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，剎車夾鉗內(nèi)部裝有溫度傳感器和指示剎車片厚度的傳感 器。第二節(jié)定槳距風力發(fā)電機組的液

4、壓系統(tǒng)定槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)實際上是制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要用來執(zhí)行風力發(fā)電機組的開關(guān)機指令。通常它由兩個壓力保持回路組成，一路通過蓄能器供給葉尖擾流器， 另一路通過蓄能器供給機械剎車機構(gòu)。這兩個回路的工作任務(wù)是使機組運行時制動機構(gòu)始終保持壓 力。當需要停機時，兩回路中的常開電磁閥先后失電，葉尖擾流器一路壓力油被泄回油箱， 葉尖動作；稍后，機械剎車一路壓力油進入剎車油缸，驅(qū)動剎車夾鉗，使葉輪停止轉(zhuǎn)動。在 兩個回路中各裝有兩個壓力傳感器，以指示系統(tǒng)壓力，控制液壓泵站補油和確定剎車機構(gòu)的狀態(tài)。比葉LnLSIOJ 一PgWMPa J ri.M Jk-min3 一槳即風力發(fā)電一的液壓系第 1-油

5、箱2-液壓泵3-電動機4-精濾油器5-油位指水器 A-灌灌睥 7-單向國8-蓄廢髀9-壓力抨關(guān) 場-節(jié)漉閥 H-壓力表12-電磁梅M， 13 -電攝閥f2i M-新車莪鉗 ”-夾外鯽 岫-電被網(wǎng)3)圖5-3為FD43-600kW 風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)。由于偏航機構(gòu)也引入了液壓回路，它由 三個壓力保持回路組成。圖左側(cè)是氣動剎車壓力保持回路，壓力油經(jīng)油泵 2、精濾油器4 進入系統(tǒng)。溢流閥 6用來限制系統(tǒng)最高壓力。開機時電磁閥12-1接通，壓力油經(jīng)單向閥7- 2進入蓄能器8-2,并通過單向閥7-3和旋轉(zhuǎn)接頭進入氣動剎車油缸。壓力開關(guān)+ &由蓄能器的壓力控制，當蓄能器壓力達到設(shè)定值時，開關(guān)動作，電磁

6、閥 12 1關(guān)閉。運行 時，回路壓力主要由蓄能器保持，通過液壓油缸上的鋼索拉住葉尖 擾流器，使之和葉片主體緊密結(jié)合。電磁閥12-2為停機閥，用來釋放氣動剎車油缸的液壓油，使葉尖擾流器在離心力作用下滑出；突開閥15,用于超速保護，當葉輪飛車時，離心力增大，通過活塞的作用，使回路內(nèi) 壓力升高；當壓力達到一定值時，突開閥開啟，壓力油泄回油箱。突開閥不受控制系統(tǒng)的指令控制，是獨立的安全保護裝置。圖中間是兩個獨立的高速軸制動器回路，通過電磁閥131、13-2分別控制制動器中壓力油的進出，從而控制制動器動作。工作壓力由蓄能器8-1保持。壓力開關(guān)9-1根據(jù)蓄能器的壓力控制液壓泵電動機的停！起。壓力開關(guān)9-3

7、、9-4用來指示制動器的工作狀態(tài)。右側(cè)為偏航系統(tǒng)回路，偏航系統(tǒng)有兩個工作壓力，分別提供偏航時的阻尼和偏航結(jié)束時的制動力。工作壓力仍由蓄能器 8-1保持。由于機艙有很大的慣性，調(diào)向過程必須確保系統(tǒng)的 穩(wěn)定性，此時偏航制動器用作阻尼器。工作時，4DT得電，電磁閥16左側(cè)接通，回路壓力由溢流閥保持，以提供調(diào)向系統(tǒng)足夠的阻尼；調(diào)向結(jié)束時，4DT失電，電磁閥右側(cè)接通，制動壓力由蓄能器直接提供。由于系統(tǒng)的內(nèi)泄漏、 油溫的變化、及電磁閥的動作，液壓系統(tǒng)的工作壓力實際上始終處于變化的狀態(tài)之中。其氣動剎車和機械剎車回路的工作壓力分別如圖5-4a、b所示。溢酒閩 為停止泵起動泵起動一低壓警告榮仲止-5 -4 氣一

8、-4 機械機45力圖氣動一隼壓力b）機椎剎車壓力一開機時液壓搴起動 一內(nèi)湘II引起的樂力降 液壓家和新起動務(wù)引起的壓力升醬一電磁短動作引起的壓力障國L停機時電磁網(wǎng)打開圖中虛線之間為設(shè)定的工作范圍。 當壓力由于溫升或壓力開關(guān)失靈超出該范圍一定值時， 會 導致突開閥誤動作，因此必須對系統(tǒng)壓力進行限制， 系統(tǒng)最高壓力由溢流閥調(diào)節(jié)。而當壓力 同樣由于壓力開關(guān)失靈或液壓泵站故障低于工作壓力下限時， 系統(tǒng)設(shè)置了低壓警告線， 以免 在緊急狀態(tài)下，機械剎車中的壓力不足以制動風力發(fā)電機組。第三節(jié)變槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)變距系統(tǒng)中采用了比例控制技術(shù)。為了便于理解，這里先對比例控制技術(shù)作一簡要介紹。一、比例控制

9、技術(shù)比例控制技術(shù)是在開關(guān)控制技術(shù)和伺服控制技術(shù)間的過渡技術(shù)，它具有控制原理簡單、 控制精度高、抗污染能力強、價格適中，受到人們的普遍重視，使該技術(shù)得到飛速發(fā)展。它是在 普通液壓閥基礎(chǔ)上，用比例電磁鐵取代閥的調(diào)節(jié)機構(gòu)及普通電磁鐵構(gòu)成的。采用比例放大器控制比例電磁鐵就可實現(xiàn)對比例閥進行遠距離連續(xù)控制，從而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力、流量、 方向的無級調(diào)節(jié)。比例控制技術(shù)基本工作原理是根據(jù)輸入電信號電壓值的大小，通過電放大器，將該輸入電壓信號（一般在0-為V之間）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號，如 1mV=1mA （見圖5-5）。這個電 流信號作為輸入量被送入比例電磁鐵，從而產(chǎn)生和輸入信號成比例的輸出量 力或位移。該力

10、或位移又作為輸入量加給比例閥，后者產(chǎn)生一個和前者成比例的流量或壓力。通過這樣的轉(zhuǎn)換，一個輸入電壓信號的變化，不但能控制執(zhí)行元件和機械設(shè)備上工作部件的運動方向，而且可對其作用力和運動速度進行無級調(diào)節(jié)。此外，還能對相應(yīng)的時間過程，例如, 在一段時間內(nèi)流量的變化，加速度的變化或減速度的變化等進行連續(xù)調(diào)節(jié)。當需要更高的閥性能時， 可在閥或電磁鐵上接裝一個位置傳感器以提供一個和閥心位置成比 例的電信號。此位置信號向閥的控制器提供一個反饋，使閥心可以由一個閉環(huán)配置來定位。如圖5-5所示，一個輸入信號經(jīng)放大器放大后的輸出信號再去驅(qū)動電磁鐵。電磁鐵推動閥心,直到來自位置傳感器的反饋信號和輸入信號相等時為止。因

11、而此技術(shù)能使閥心在閥體中準確地定位，而由摩擦力、液動力或液壓力所引起的任何干擾都被自動地糾正。（一）位置傳感器通常用于閥心位置反饋的傳感器，如圖5-6所示的非接觸式LVDT （線性可變差動變壓器）cLVDT由繞在和電磁鐵推桿相連的軟鐵鐵心上的一個一次繞組和兩個二次繞組組成。一次繞組由一高頻交流電源供電，它在鐵心中產(chǎn)生變化磁場， 該磁場通過變壓器作用在兩個二次繞組中感應(yīng)出電壓。 如果兩個二次繞組對置連接，則當鐵心居中時， 每個繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓將抵消而產(chǎn)生的凈輸出為零。隨著鐵心離開中心移動， 一個二次繞組中的感應(yīng)電壓提高而另一個中降低。于是產(chǎn)生一個凈輸出電壓，其大小和運動量成比例而相位移指示運

12、動方向。 該輸出可供給一個相敏整流器（解調(diào)器），該整流器將產(chǎn)生一個和運動成比例且極性取決于 運動方向的直流信號。國4 5位置反懂一意圖（二）控制放大器用出他心位置佛惠舞控制放大器的原理如圖 5-7所示。輸入信號可以是可變電流或電壓。根據(jù)輸入信號的極性， 閥心兩端的電磁鐵將有一個通電，使閥心向某一側(cè)移動。放大器為兩個運動方向設(shè)置了單獨的增益調(diào)整，可用于微調(diào)閥的特性或設(shè)定最大流量。還設(shè)置了一個斜坡發(fā)生器，進行適當?shù)慕泳€可啟動或禁止該發(fā)生器，并且設(shè)置了斜坡時間調(diào)整。還針對每個輸出級設(shè)置了死區(qū)補償 調(diào)整。這使得可用電子方法消除閥心遮蓋的影響。使用位置傳感器的比例閥意味著閥心是位置控制的，即閥心在閥體中

13、的位置僅取決于輸入信號而和流量、壓力或摩擦力無關(guān)。位置傳感器提供一個LVDT反饋信號。此反饋信號和輸入信號相加所得到的誤差信號驅(qū)動放大器 的輸出級。在放大器面板上設(shè)有輸入信號和LVDT反饋信號的監(jiān)測點。搟州圖5-7控制放大器原理圖當比例控制系統(tǒng)設(shè)有反饋信號時，可實現(xiàn)控制精度較好的閉環(huán)控制，其系統(tǒng)框圖如圖5-8所示。圖5 -S閉環(huán)控朗比例系統(tǒng)方椎圖二、液壓系統(tǒng)圖變槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)和定槳距風力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)很相似，也由兩個壓力保持回路組成。一路由蓄能器通過電液比例閥供給葉片變距油缸，另一路由蓄能器供給高速軸上的機械剎車機構(gòu)。圖 5-9為VESTASV39 型風力發(fā)電機組液壓系統(tǒng)。d

14、%.一邱口 ：一曲段J *一 -K,召一國置/聲啟、,尚+ 41 &訐年君一電產(chǎn) H-麥m嶙 A壓力*磔31A博事事11單向以一壓力符再爆同一14 用力現(xiàn)1，一年江唉口，事或修：,x.呵 il - .個七* ? I -中：出，彳2. 苴；TK 一壓療開關(guān)Mf號立用；牌:、液壓泵站液壓泵站的動力源是齒輪泵 5,為變距回路和制動器回路所共有。液壓泵安裝在油箱油面以下并通過聯(lián)軸器6,由油箱上部的電動機驅(qū)動。泵的流量變化根據(jù)負載而定。液壓泵由壓力傳感器 12的信號控制。當泵停止時，系統(tǒng)由蓄能器16保持壓力。系統(tǒng)的工作壓力設(shè)定范圍為 130 145bar。當壓力降至130bar以下時，泵起動；在 145

15、bar時，泵 停止。在運行、暫停和停止狀態(tài)，泵根據(jù)壓力傳感器的信號自動工作，在緊急停機狀態(tài)，泵 將被迅速斷路而關(guān)閉。壓力油從泵通過高壓濾油器10和單向閥111傳送到蓄能器16。濾油器上裝有旁通閥和污染指示器，它在旁通閥打開前起作用。閥111在泵停止時阻止回流。緊跟在濾油器外面，先后有二個壓力表連接器（ M1和M2）,它們用于測量泵的壓力或濾油器兩端的壓力 降。測量時將各測量點的連接器通過軟管和連接器M8上的壓力表14接通。溢流閥13-1是防止泵在系統(tǒng)壓力超過 145bar時繼續(xù)泵油進入系統(tǒng)的安全閥。在蓄能器16因外部加熱情況下，溢流閥13-1會限制氣壓及油壓升高。節(jié)流閥18-1用于抑制蓄能器預

16、壓力并在系統(tǒng)維修時，釋放來自蓄能器16-1的壓力油。油箱上裝有油位開關(guān) 2,以防油溢出或泵在無油情況下運轉(zhuǎn)。油箱內(nèi)的油溫由裝在油池內(nèi)的PT100傳感器測得，出線盒裝在油箱上部。油溫過高時會導致報警，以免在高溫下泵的磨損，延長密封的使用壽命。四、變距控制變距控制系統(tǒng)的節(jié)距控制是通過比例閥來實現(xiàn)的。在圖5-10中，控制器根據(jù)功率或轉(zhuǎn)速信號給出一個（一10-+10） V的控制電壓，通過比例閥控制器轉(zhuǎn)換成一定范圍的電流信號， 控制比例閥輸出流量的方向和大小。點劃線內(nèi)是帶控制放大器的比例閥，設(shè)有內(nèi)部LVDT反饋。變距油缸按比例閥輸出的方向和流量操縱葉片節(jié)距在一5。-88。之間運動。為了提高整個變距系統(tǒng)的

17、動態(tài)性能，在變距油缸上也設(shè)有LVDT位置傳感器，如圖 5-10所示。帶電子裝置的比例閥位宣傳感搟不而圖5】。節(jié)距控制示意圖在比例閥至油箱白回路上裝有1bar單向閥11-4。該單向閥確保比例閥 T-口上總是保持1bar壓力，避免比例閥阻尼室內(nèi)的阻尼消失”導到該閥不穩(wěn)定而產(chǎn)生振動。比例閥上的紅色 LED （發(fā)光二極管）指示 LVDT故障，LVDT輸出信號是比例閥上滑閥位 置的測量值，控制電壓和LVDT信號相互間的關(guān)系，如圖 5-11所示。20控制電壓J V圖5 -1】變距速率、位置反饋信號與控制電樂的關(guān)系變距速度由控制器計算給出，以0。為參考中心點。控制電壓和變距速率的關(guān)系如圖5-11所示。（一）

18、液壓系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)僧停時的工作情況電磁閥19-1和19-2 （緊急順槳閥）通電后，使比例閥上的P 口得到來自泵和蓄能器 16-1壓力。節(jié)距油缸的左端（前端）和比例閥的A 口相連。電磁閥21-1通電后，從而使先導管路（虛線）增加壓力。先導止回閥24裝在變距油缸后端靠先導壓力打開以允許活塞雙向自由流動。把比例閥20通電到 直接”（P A, B-T ）時，壓力油即通過單向閥 11- 2和電磁閥1 9-2傳送P-A到缸筒的前端?；钊蛴乙苿樱鄳?yīng)的葉片節(jié)距向一5方向調(diào)節(jié)，油從油缸右端（后端）通過先導止回閥24和比例閥（B 口至T 口）回流到油箱。把比例閥通電到 跨接”（P-B, A-T）時，壓力油通過止回

19、閥傳送P-B進入油缸后端，活塞向左移動，相應(yīng)的葉片節(jié)距向+88方向調(diào)節(jié)，油從油缸左端（ 前端）通過電磁閥19-2和單向閥11-3回流到壓力管路。由于右端活塞面積大于左端活塞面積，使活塞右端壓力高于 左端的壓力，從而能使活塞向前移動。（二）液壓系統(tǒng)在停機/緊急停機時的工作情況停機指令發(fā)出后，電磁閥 19-1和19-2斷電，油從蓄能器 16-1通過閥19-1和節(jié)流閥171及閥24傳送到油缸后端。缸筒的前端通過閥19-2和節(jié)流閥17-2排放到油箱，葉片變距到+ 88。機械端點而不受來自比例閥的影響。電磁閥211斷電時，先導管路壓力油排放到油箱； 先導止回閥24不再保持在雙向打開位 置，但仍然保持止回

20、閥的作用，只允許壓力油流進缸筒。從而使來自風的變距力不能從油缸 左端方向移動活塞，避免向一 5。的方向調(diào)節(jié)葉片節(jié)距。在停機狀態(tài)，液壓泵繼續(xù)自動停 /起運轉(zhuǎn)。順槳由部分來自蓄能器16-1 ,部分直接來自泵5的壓力油來完成。在緊急停機位時，泵很快斷開，順槳只由來自蓄能器16-1的壓力油來完成。為了防止在緊急停機時，蓄能器內(nèi)油量不夠變距油缸一個行程，緊急順槳將由來自風的自變距力完成。油缸右端將由兩部分液壓油來填補：1部分來油缸左端通過電磁閥192、節(jié)流閥17-2、單向閥11-5和24的重復循環(huán)油；另一部分油來自油箱通過吸油管路及單向 閥 11-5 和 24。緊急順槳的速度由二個節(jié)流閥17-1和17-

21、2控制并限制到約9/So五、制動機構(gòu)制動系統(tǒng)由泵系統(tǒng)通過減壓閥22供給壓力源。蓄能器16-2是確保能在蓄能器16-1或泵沒有壓力的情況下也能工作。可調(diào)節(jié)流閥18-2用于抑制蓄能器16-2的預充壓力或在維修制動系統(tǒng)時，用于來自釋放的 油。壓力開關(guān)23-1是常閉的，當蓄能器 16-2上的壓力降低于15bar時打開報警。壓力開關(guān)23-2用于檢查制動壓力上升，包括在制動器動作時。溢流閥13-2防止制動系統(tǒng)在減壓閥22誤動作或在蓄能器16-2受外部加熱時，壓力過高(23bar)。過高的壓力即過高的制動轉(zhuǎn)矩，會造成對傳動系統(tǒng)的嚴重損壞。液壓系統(tǒng)在制動器一側(cè)裝有球閥，以便螺桿活塞泵在液壓系統(tǒng)不能加壓時，用于制動風力發(fā)電機組。打開球閥、旋上活塞泵，制動卡鉗將被加壓，單向閥 17-7阻止回流油向蓄能器 16-2方向流動。要防止在電磁閥21-2通電時加壓，這時制動系統(tǒng)的壓力油經(jīng)電磁閥排回油箱，加不上來自螺桿活塞泵的壓力。在任何一次使用螺桿泵以后，球閥必須關(guān)閉。(-)運行/暫停/停機開機指令發(fā)出后，電磁閥 21-2通電，制動卡鉗排油到油箱，剎車因此而被釋放。暫停期間 保持運行時的狀態(tài)。