变桨电磁刹车.docx

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变桨电磁刹车

变桨电磁刹车不动作原因分析及改进

姓名：

明哲

专业：

电气工程及其自动化

入职时间：

2009年7月1日

部门：

技术服务中心

摘要：

变桨电机的电磁刹车作为变桨动作的唯一制动元件，有着极其重要的意义。

本文通过一则故障实例，分析了造成电磁刹车不动作的各种可能。

并针对此故障，提出了3种改进方案，同时考虑到故障引发的多种危害，重点设计了DC-DC模块的电压检测电路，以实现对变桨系统的硬件保护，保证在发生故障时变桨系统不受损害。

关键词：

变桨电磁刹车电压检测

一、引言

现代风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。

变桨技术是整个风力发电技术中的核心部分，变桨距机构的主要作用是调节桨距角以控制功率和风轮转速。

此外，在大风或停机时，变桨距机构要把叶片调整到顺桨位置以保护风力机。

金风1.5MW机组的变桨系统，采用的是各自独立的变桨执行机构，通过机电执行机构进行制动控制。

机电执行机构由蓄电池、伺服电动机、驱动器、减速齿轮箱、传感器、回转支承等部分组成。

机电执行机构平时由轮毂上的滑环或旋转变压器来提供电力，而机电执行机构的“失效—安全”设计必须用蓄电池或超级电容等储能元件来完成。

（一）、变桨系统的硬件

变桨系统的硬件主要包括：

内部电源及控制检测部分和外部驱动及其检测部分，其中内部电源及其控制检测部分包括：

开关电源（NG5），变频器（AC2），超级电容，A10自制模块，beckoff模块，DC/DC电源模块；外部驱动及其检测部分包括：

变桨电机，旋转编码器，温度监测（PT100），5o接近开关、87o接近开关及90o限位开关。

整个变桨系统的运行原理如下图所示：

图2.1变桨系统运行原理图

（二）、变桨系统的软件

变桨系统有其单独的变桨程序，该程序存储于BC3150中。

变桨程序是由九个部分组成的，即：

主控的控制字，电容、电压和电流的检测，变桨控制字，变桨角度计算，变桨速度计算，旋边信息检测，运行中急停条件监测，变桨模式选择，输出设定等。

主控软件发送控制命令字给变桨软件，变桨软件执行相应的动作；变桨软件将变桨系统的运行状态及运行参数反馈给主控软件；来自机舱的安全链信号与变桨安全链信号彼此独立；当来自机舱的安全链信号断开时，变桨执行机构有硬件、软件双重保护，从而保证叶片以急停的速度顺桨。

限于篇幅和本文讨论内容，在此不作更进一步的论述。

（三）、变桨系统的制动机构

1、变桨制动机构的组成

整个变桨系统通过变桨电机拖动齿形带进行变桨动作，由于没有像偏航系统一样的液压制动系统，唯一的制动方法便是电磁刹车制动。

制动系统包括：

AC2，电磁刹车系统，K2继电器以及60V转24V的DC-DC模块。

其中，柜体内部的接线通过X6哈丁头与变桨电机进行连接。

电机主要参数：

种类

额定功率

最大转矩

制动转矩

额定电压

额定电流

IM3001

75Nm

100Nm

29V

125A

2、电磁刹车动作原理

电磁刹车制动的原理比较简单：

利用通电线圈产生的磁场吸引衔铁动作，使制动轮或衔铁与制动盘相互脱离；线圈断电后在弹簧的作用下释放衔铁，使制动轮或衔铁与制动盘相互摩擦实现制动。

3、变桨动作流程

当变桨系统要进行变桨动作时，通过PLC发出变桨命令，AC2控制K2继电器得电，则电磁制动线圈得电，吸引衔铁松开制动，然后变桨电机拖动变桨动作；当变桨停止时，K2继电器失电，从而电磁制动线圈失电，衔铁被释放进行抱闸。

三、故障信息分析

（一）、f文件分析

2009年10月19日，官厅现场20#风机报出安全链故障而停机。

到达现场后，通过风机的就地监控系统，读取当时的F文件，显示了安全系统故障（error_safety_system_global）和变桨内部安全链故障（error_safety_system_safety_system_ok_from_pitch），并无其他的故障信息，如下图所示：

图3.1故障文件safetysystem部分

进一步分析F文件中变桨系统数据发现，故障时刻42#叶片的角度和其他两个叶片相差较大。

三个叶片的角度分别为，41#：

5.254degree；42#：

1.647degree；43#：

5.389degree，其中42#叶片与43#叶片角度相差3.742度，42#叶片与41#叶片角度相差3.607度。

可以判定此次故障是由于42#叶片角度与其他两个叶片的角度相差大于3.5度，超过了程序规定叶片角度差值不能大于3.5度的设定而引起的故障。

如下图所示：

图3.2故障文件pitchposition部分

（二）、b文件分析

在初步查明故障原因后，进一步分析b文件，选取故障时间点前后各2秒的叶片角度及超级电容高电压数据绘制时序图3.3及图3.4。

图3.3叶片角度对比图

图3.4超级电容高电压变化图

从图3.3可以看出在故障前1.5秒时叶片1、3开始向90°变桨，叶片3未有明显变化，在0时刻三个叶片角度最大差值超过3.5度，导致风机报故障，故障后叶片1、3继续向90度顺桨，但叶片2仍未动作。

通过图3.4可以发现，在故障前1.5秒附近，三个叶片的电容高电压开始下降，说明AC2开始动作耗电；对比图3.3可知，1号和3号叶片均开始顺桨动作，叶片角度增大。

反观2号叶片，超级电容电压下降速度最快，一直降至55V后，超级电容开始充电，在达到56V左右时，电压再次下降，之后电容电压一直在55V之下，NG5一直处于充电状态，说明有大量的电能消耗，但2号叶片角度并无明显变化。

同时F文件中并没有显示出有逆变器OK信号丢失故障，说明AC2工作正常。

通过分析电机参数可知电机最大转矩为75Nm，制动转矩为100Nm，当电磁刹车未松开的情况下电机即使达到最大转矩也不能动作，造成电机堵转。

符合上述故障现象。

至此可以确定，此故障的根本原因为变桨电机在电磁刹车未松开的情况下工作。

（三）、故障危害

此故障对机组的危害主要体现在变桨电机在没有松开制动的情况下工作，变桨电机长时间堵转，极易造成变桨电机烧毁及对电磁刹车机构磨损。

四、故障点分析

通过上文分析，可知是由于变桨电磁刹车未松闸。

分析变桨图纸电磁刹车回路可知可能的故障点为以下几方面：

（一）、AC2

AC2由NG5通过超级电容供电，通过内部逆变器，将直流输入变为交流输出，为变桨电机提供动力电源。

根据变桨图纸，可以很方便的看出AC2的各个管脚的作用，其中F3和F9管脚接到X2端子排的6号和7号端口，与K2继电器的线圈构成回路。

也就是AC2直接控制K2继电器的接通与关断。

在一般情况下，AC2极少出现故障，但是故障类型具有很大的隐蔽性，不易发现。

现场通过用万用表测量AC2的输出，发现正常。

（二）、K2继电器

K2继电器是电磁刹车的直接控制元件。

它的外观图如图4.1所示。

K2继电器有11个管脚，提供3组触点。

11、14和31、34串接在电磁刹车回路里，控制电磁刹车线圈的得电和失电。

如果K2继电器因某种原因导致触点未吸合，则电磁刹车不能松开。

图K2继电器

现场通过与一号叶片变桨柜调换K2继电器，给一号叶片手动变桨，发现一切正常，则排除K2继电器损坏的可能。

（三）、DC-DC模块

在变桨柜里有两个DC-DC模块，由NG5经过超级电容负责供给60V的输入电压。

原DC-DC模块负责给电磁刹车线圈供电，此模块输入电压范围为：

28V-160V，额定输出为24V，12A。

由于此模块为公司自制，所以无法找到更多的内部详细信息。

现在使用的DC-DC模块实物图由图5.6所示，有5个接口，接线方式可由变桨图纸得到，底部有电源指示灯，正常运行时亮。

如果电源摸块损坏，则不能给电磁刹车线圈供电，至使电磁刹车无法松开制动。

图4.2DC-DC模块实物图

现场处理时选择用电源模块直接给电磁刹车供电，手动变桨时发现，电磁刹车偶尔出现不松开的现象，于是判定DC-DC模块供电出现问题。

（四）、其他故障点

除了以上几点外，电磁刹车线圈本身的好坏，各个触点间的接线，都有可能导致整个制动回路的断开，从而致使电磁刹车不动作。

针对这几点按着图纸依次用万用表测量，均为正常。

五、改进方案

（一）、对K2继电器的改进

由K2继电器的管脚图可以看出，三个触点均用在电路中，控制电磁刹车回路和柜体风扇。

本身无辅助触点用来监控K2继电器是否吸合。

可以用11、12或31、32这两个常闭触点来作为辅助触点，将这个触点接给KL1104，作为检测K2吸合的信号。

通过在程序中加上对K2继电器的检测项，当K2吸合时，11与12常闭触点断开，信号由高电平变为低电平，则得知K2已经吸合，如果未吸合则报出故障。

图5.1K2继电器针脚与底座端口对照图

（二）、对DC-DC模块的改进

方案一

更换此种旧式DC-DC模块。

由于现在使用的DC-DC模块为完全封装好的电源模块，所以无法得知内部各个元件的详细情况。

有可能某个电容或者电感在这种全密闭的封装模式下，工作寿命会受到缩短。

而且在频繁变桨的时候，三极管的开关次数也经受着极大的考验。

整个电源模块并没有良好的散热，这就大大减小了模块的寿命。

联系到变桨改造前，有部分机组出现PLC掉电的现象，也有一定可能是旧模块随着长时间的使用，不能稳定供给24V电。

而当它已经不能使电磁刹车动作的时候，就会出现论文中所描述的故障。

所以，最方便的方法是更换一种新型号的开关电源，提供更宽的电压输出范围和相对稳定的电压质量。

同时，由于现场条件有限，无法分析该机组换下来的电源模块，以找到是哪个元件损坏，建议公司可以对旧模块做研究改进。

但是即便跟换新模块，也不能保证不再发生此项故障，因此为了保证故障发生后，机组不受损伤，需要一个新的方案来进行保护。

2、方案二

方案二是无论使用何种DC-DC模块时，都给DC-DC模块加装一个检测制动电路，以保证发生故障时，变桨系统不会受到损害。

这个电路所实现的功能是在检测到电源模块电压下降到一定值时，断开变桨内部安全链和K3继电器，使风机紧急停机，同时锁定故障叶片，禁止其变桨动作。

这样就能避免因为此项故障而对变桨系统造成损害。

完整的电路图如图5.1所示。

整个保护电路主要包括3部分，分别是①继电器供电电路，②电压检测电路和③继电器回路，电路左侧的24V电由旧电源模块供给。

下面就电路进行详细介绍：

图5.2DC-DC模块检测制动电路

、继电器供电电路

①部分，此电路的功能是给③继电器回路提供5V的直流电。

用到的元件包括：

芯片LM2576，电容Cin、Cout，电感L1和D1肖特基二极管。

LM2576是一个提供稳定直流电压输出的芯片，它可以提供最大为3A的输出电流，提供3.3V、5V、12V、15V和可调的输出电压。

本系统具体选用型号为LM2576-5，可在输入电压为8V-40V的范围内稳定输出5V电压和输出电流。

工作环境温度为-40o到125o。

为了达到稳定输出5V电压的目的，该部分电路所需的外部稳压元件为输入电容Cin、输出电容Cout、二极管D1、电感L1。

其参数为：

Cin

Cout

D1

L1

100μF

150μF

1N5822

330μH

、电压检测电路

②部分，此电路的功能是检测电源电压，当电源电压下降到指定值时，电压检测芯片由高电平输出改为低电平输出。

此电路包括电压测量芯片HT7050和两个分压电阻R1、R2。

HT7050为电压检测芯片，有3个引脚，分别是IN，GND和OUT。

通过对比IN电压和内部电压设定值，来决定OUT输出电平的高低。

此电路具体选用型号为：

HT7050A，其内部电压设定值为5V。

当IN引脚输入电压值低于5V时，OUT引脚将会输出低电平，输入电压值高于5V时OUT引脚将会输出低电平，输入电压允许有2.4%的波动。

由于条件所限，并不知道电源电压降