五風(fēng)力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)和剎車

第五章

風(fēng)力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)和剎車風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是執(zhí)行風(fēng)力發(fā)電機組的氣動剎車和機械剎車；在變槳距風(fēng)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(fēng)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(fēng)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與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(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組正常運行時，在液壓力的作用下,葉尖擾流器與葉片主體部分精密地合為一體，組成完整的葉片。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組需要脫網(wǎng)停機時，液壓油缸失去壓力，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(yuǎn)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(dāng)高,足以使風(fēng)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(fēng)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(dǎo)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(fēng)力發(fā)電機組的制動系統(tǒng)具有很高的可靠性。??二、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與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(yù)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(yù)壓彈簧制動力，一般要求在額定負(fù)載下脫網(wǎng)時能夠保證風(fēng)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。???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(fēng)力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)??定槳距風(fēng)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(fēng)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(dāng)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(jìn)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)。?

?圖5-３為FD43－６0０kW風(fēng)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(jìn)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(jìn)入蓄能器8－２,并通過單向閥7—3和旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入氣動剎車油缸。壓力開關(guān)+＂&由蓄能器的壓力控制，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定值時,開關(guān)動作，電磁閥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，使之與葉片主體緊密結(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(dāng)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(dāng)壓力達(dá)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13—１、13—2分別控制制動器中壓力油的進(jìn)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、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.其氣動剎車與機械剎車回路的工作壓力分別如圖5-4ａ、ｂ所示。

?

圖中虛線之間為設(shè)定的工作范圍.當(dāng)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(dǎo)致突開閥誤動作，因此必須對系統(tǒng)壓力進(jìn)行限制,系統(tǒng)最高壓力由溢流閥調(diào)節(jié)。而當(dāng)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(fēng)力發(fā)電機組。第三節(jié)變槳距風(fēng)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(jìn)行遠(yuǎn)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-±９V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。該力或位移又作為輸入量加給比例閥，后者產(chǎn)生一個與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(jìn)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(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。?

當(dāng)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與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與輸入信號相等時為止。因而此技術(shù)能使閥心在閥體中準(zhǔn)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)。ＬVＤT由繞在與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(dāng)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，其大小與運動量成比例而相位移指示運動方向。該輸出可供給一個相敏整流器(解調(diào)器)，該整流器將產(chǎn)生一個與運動成比例且極性取決于運動方向的直流信號。?

（二)控制放大器?

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(jìn)行適當(dāng)?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，即閥心在閥體中的位置僅取決于輸入信號而與流量、壓力或摩擦力無關(guān).位置傳感器提供一個ＬVＤT反饋信號。此反饋信號與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。??

當(dāng)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。?

二、液壓系統(tǒng)圖

?變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的液壓系統(tǒng)與定槳距風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機組液壓系統(tǒng)。??三、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(fù)載而定。??液壓泵由壓力傳感器12的信號控制。當(dāng)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(dāng)壓力降至１30ｂａr以下時,泵起動；在1４5ｂar時，泵停止.在運行、暫停和停止?fàn)顟B(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１1—1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1１—1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與連接器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(jìn)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(yù)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(dǎo)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(-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－5°－８８°之間運動。為了提高整個變距系統(tǒng)的動態(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.

?

在比例閥至油箱的回路上裝有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(dǎo)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.

?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)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）與比例閥的A口相連。

?電磁閥21—1通電后，從而使先導(dǎo)管路(虛線）增加壓力。先導(dǎo)止回閥24裝在變距油缸后端靠先導(dǎo)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１9－2傳送P－A到缸筒的前端?；钊蛴乙苿?，相應(yīng)的葉片節(jié)距向－5°方向調(diào)節(jié),油從油缸右端（后端）通過先導(dǎo)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，壓力油通過止回閥傳送P-B進(jìn)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1７—1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21—1斷電時，先導(dǎo)管路壓力油排放到油箱;先導(dǎo)止回閥２4不再保持在雙向打開位置，但仍然保持止回閥的作用,只允許壓力油流進(jìn)缸筒.從而使來自風(fēng)的變距力不能從油缸左端方向移動活塞，避免向-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(fēng)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19—２、節(jié)流閥1７—２、單向閥11－5和２4的重復(fù)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17-2控制并限制到約９°/ｓ。??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(yù)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(dāng)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(yán)重?fù)p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(fēng)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)。停機指令發(fā)出后,電磁閥2１－2失電，來自蓄能器16—２的和減壓閥22壓力油可通過電磁閥２1—2的3口進(jìn)入制動器油缸,實現(xiàn)停機時的制動。??（二）緊急停機?