变桨系统分析

变桨系统分析

变速变桨距风力发电机组目前已成为大型风力发电机组研发和应用的主流机型。与定桨距风力发电机组相比，变桨距风力发电机组具有在额定功率点以上输出功率平稳、相同功率机组额定风速低、不受气流密度变化等环境因素影响和良好的启动和制动性能等优点。变桨距风力机是指整个叶片绕叶片中心轴旋转，使叶片功角在一定范围内变化，以便调节输出功率不超过设计容许的值。在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺桨，这样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性

1.1 变桨系统概述

变桨控制系统实现风力发电机组的变桨控制，在额定功率以上通过控制叶片桨距角使输出功率保持在额定状态。变桨控制柜主电路采用交流--直流--交流回路，由逆变器为变桨电机供电，变桨电机采用交流异步电机，变桨速率由变桨电机转速调节。

变桨控制系统包括三个主要部件，驱动装置－电机，齿轮箱和变桨轴承。从额定功率起，通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风机的功率控制。如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风机停机。

变桨控制系统是通过改变叶片迎角，实现功率变化来进行调节的。通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。在90度迎角时是叶片的工作位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而达到功率。一般变桨角度范围为0～86度。采用变桨矩调节，风机的启动性好、刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降、额定点以前的功率输出饱满、额定点以的输出功率平滑、风轮叶根承受的动、静载

荷小。变桨系统作为基本制动系统，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。

变桨控制系统有四个主要任务：

 通过调整叶片角把风机的电力速度控制在规定风速之上的一个恒定速度。

 当安全链被打开时，使用转子作为空气动力制动装置把叶片转回到羽状位置（安全运行）。

 调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力。

 通过衰减风转交互作用引起的震动使风机上的机械载荷极小化。

1.2 变桨轴承

1.2.1 变桨轴承的结构

从剖面图可以看出，变桨轴承采用深沟球轴承深沟球轴承主要承受纯径向载荷，也可承受轴向载荷。承受纯径向载荷时，接触角为零。

位置1：变桨轴承外圈螺栓孔，与轮毂联接。

位置2：变桨轴承内圈螺栓孔，与叶片联接。

位置3：S标记，轴承淬硬轨迹的始末点，此区轴承承受力较弱，要避免进入工作区。

位置4：位置工艺孔。

位置5：定位销孔，用来定位变桨轴承和轮毂。

位置6：进油孔，在此孔打入润滑油，起到润滑轴承作用。

位置7：最小滚动圆直径的标记（啮合圆）。

1.2.2 变桨轴承的工作原理

当风向发生变化时，通过变桨驱动电机带动变桨轴承转动从而改变叶片对风向地迎角，使叶片保持最佳的迎风状态，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在叶片上的扭矩和功率的目的。

1.2.3 变桨轴承的基本维护

1.检查变桨轴承表面清洁度。

2.检查变桨轴承表面防腐涂层。

3.检查变桨轴承齿面情况。

4.变桨轴承螺栓的紧固。

5.变桨轴承润滑。

1.3 变桨驱动

组成部分

变桨驱动装置由变桨电机和变桨齿轮箱两部分组成。变桨驱动装置通过螺柱与轮毂配合联接。变桨齿轮箱前的小齿轮与变桨轴承内圈啮合，并要保证啮合间隙应在0.2～0.5mm之间，间隙由加工精度保证，无法调整。

工作原理

变桨齿轮箱必须为小型并且具有高过载能力。齿轮箱不能自锁定以便小齿轮驱动。为了调整变桨，叶片可以旋转到参考位置，顺桨位置，在该位置叶片以大约双倍的额定扭矩瞬间压下止挡。这在一天运行之中可以发生多次。通过短时间使变频器和电机过载来达到要求的扭矩。齿轮箱和电机是直联型。变桨电机是含有位置反馈和电热调节器的伺服电动机。电动机由变频器连接到直流母线供给电流。

变桨驱动装置的基本维护

1.检查变将驱动装置表面清洁度。

2.检查变将驱动装置表面防腐层。

3.检查变桨电机是否过热、有异常噪声等。

4.检查变桨齿轮箱润滑油。

5.检查变桨驱动装置螺栓紧固。

1.4 顺桨接近撞块和变桨限位撞块

变桨限位开关 顺桨接近撞块

工作原理

当叶片变桨趋于最大角度的时候，变桨限位撞块会运行到缓冲块上起到变桨缓冲作用，以保护变桨系统，保证系统正常运行。

当叶片变桨趋于顺桨位置时，顺桨接近撞块就会运行到顺桨感光装置上方，感光装置接受信号后会传递给变桨系统，提示叶片已经处于顺桨位置。

顺桨接近撞块和变桨限位撞块的基本维护

1.检查顺桨感光装置的清洁度，以保证能够正常接受感光信号。

2.检查易损件缓冲块，做到及时更换。

3.检查各撞块螺栓的紧固。

1.5 极限工作位置撞块和限位开关

极限工作位置撞块和限位开关

极限工作位置撞块

工作原理

当变桨轴承趋于极限工作位置时，极限工作位置撞块就会运行到限位开关上方，与限位开关撞杆作用，限位开关撞杆安装在限位开关上，当其受到撞击后，限位开关会把信号通过电缆传递给变频柜，提示变桨轴承已经处于极限工作位置。

限位开关的基本维护

1.检查开关灵敏度，是否有松动。

2.检查限位开关接线是正常，手动刹车测试。

3.检查螺栓紧固。

1.6 变频柜和电池柜

工作原理

电池柜系统的目的是保证变桨系统在外部电源中断时可以安全操作。电池柜是通过二极管连接到变频器共用的直流母线供电装置，在外部电源中断时由电池供应电力保证变桨系统的安全工作。每一个变频器都有一个制动断路器在制动状态时避免过高电压。变频器应留有与PLC的通讯接口。

变频柜和电池柜基本维护

1.变浆控制柜/轮毂之间缓冲器是否有磨损。

2.变浆控制柜内接线是否有松动。

3.柜子支架及柜子的螺栓紧固。

1.7 变桨系统的控制回路

由于变桨柜是在转动的轮毂里面，所以在静止机舱的线路到达旋转的轮毂必须要通过滑环。机舱线到达轮毂内的接线：通过滑环的线路主要分成4部分，550VDC，230VAC，24VDC安全链，CAN总线这几部分组成。550VDC是为变频器提供动力电源的，230VAC为变桨柜提供加热和备用电源，24V主要是安全链信号线，CAN总线是变频器与主PLC通讯用的。24V接线是通过一个插座接入的，其接线图如下图：

图2-3

如图所示，1 2号脚是为散热风扇提供电源的，3号脚接入限位开关然后串到下一个变桨箱柜，4 5号都是安全链，最后限位开关通过此线接到安全链回路，6 7号脚是安全链回路的，8 9号也是安全链回路，11 12 13是CAN总线。还有从此处分开的，到下一个变桨控制柜的。

1.8 变桨系统常见故障原因及处理方法

变桨电机温度高

原因：温度过高多数由于线圈发热引起，有可能是电机内部短路或外载负荷太大所致，而过流也引起温度升高。

处理方法：先检查可能引起故障的外部原因：变桨齿轮箱卡瑟、变桨齿轮夹有异物；

再检查因电气回路导致的原因，常见的是变桨电机的电器刹车没有打开，可检查电气刹车回路有无断线、接触器有无卡瑟等。排除了外部故障再检查电机内部是否绝缘老化或被破坏导致短路。

变桨错误

原因：变桨控制器内部发出的故障，变桨控制器OK信号中断，可能是变桨控制器故障，或者信号输出有问题。

处理方法：此故障一般与其他变桨故障一起发生，当中控器故障无法控制变桨时，PITCH CONTROLLER OK信号为0，可进入轮毂检查中控器是否损坏，一般中控器故障，会导致无法手动变桨，若可以手动变桨，则检查信号输出的线路是否有虚接、断线等，前面提到的滑环问题也能引起此故障。

变桨失效

原因：当风轮转动时，机舱柜控制器要根据转速调整变桨位置使风轮按定值转动，若此传输错误或延迟300ms内不能给变桨控制器传达动作指令，则为了避免超速会报错停机。

处理方法：机舱柜控制器的信号无法传给变桨控制器主要由信号故障引起，影响这个信号的主要是信号线和滑环，检查信号端子有无电压，有电压则控制器将变桨信号发出，继续查机舱柜到滑环部分，若无故障继续检查滑环，再检查滑环到轮毂，分段检查逐步排查故障。