【正文】 證槳葉角度能夠嚴(yán)格同步 .MDS 控制器參數(shù)通過公用通信鏈對(duì)電動(dòng)機(jī)溫度、電 源情況、限位開關(guān)及電動(dòng)機(jī)剎車狀態(tài)等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，一旦出現(xiàn)故障立即將槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)到安全位置。 （二） 電動(dòng)變槳的構(gòu)成 元件 電動(dòng)變槳系統(tǒng)主要由變槳控制器、備用電源、 伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī) 4個(gè)部分組成，圖 3示出較為常用的一種變槳系統(tǒng)（變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 3） 圖 3 電動(dòng)變槳 控制器 結(jié)構(gòu)框圖 變槳系統(tǒng)及備用電源 變槳控制器是變槳系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)與風(fēng)力 機(jī)組控制器及伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊， 6 以及溫度檢測與控制、集中潤滑、配電管理、監(jiān)控保護(hù)、安全鏈和人機(jī)交互等功能。從安全角度考慮，變槳控制器需在邏輯上保證在維護(hù)或者修理狀態(tài)僅能有 1 個(gè)槳葉離開順槳位置。 備用電源由儲(chǔ)能元件和充電器組成。 如圖 4 所示， 備用電源需在主電源發(fā)生停電故障時(shí)為系統(tǒng)供電，使電動(dòng)變槳系統(tǒng)將槳葉從零驅(qū)動(dòng)到 90176。的順槳位置。絕大多數(shù)時(shí)間里備用電源備而不用，故 3 個(gè)儲(chǔ)能元件共用 1 個(gè)充電器，輪換充電，以降低設(shè)備成本。 出于對(duì)工作環(huán)境的考慮，儲(chǔ)能元件必須免維護(hù)、可倒置、隨槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)無漏液，且必須滿足變槳系統(tǒng)對(duì)溫度范圍、壽命等方面的要求，通常采用蓄電池或者超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件備用電源的容量是變槳系統(tǒng)能否順利順槳的關(guān)鍵，采用閥控式密封鉛酸蓄電池（ VRLA）作為儲(chǔ)能元件時(shí)，其設(shè)計(jì)容量應(yīng)滿足 3～ 5 次順槳的需要；采用鋰電池作為儲(chǔ)能元件時(shí)，其設(shè)計(jì)容量可比 VRLA 適當(dāng)減少；采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件時(shí)， 其設(shè)計(jì)容量應(yīng)滿足 ～ 2 次變槳的需要 備用電源的容量是變槳系統(tǒng)能否順利順槳的關(guān)鍵，采用閥控式密封鉛酸蓄電池（ VRLA）作為儲(chǔ)能元件時(shí) ，其設(shè)計(jì)容量應(yīng)滿足 3～ 5次順槳的需要；采用鋰電池作為儲(chǔ)能元件時(shí)，其設(shè)計(jì)容量可比 VRLA 適當(dāng)減少；采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件時(shí)， 其設(shè)計(jì)容量應(yīng)滿足 ～ 2次變槳的需要 圖 4 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)后備電源 7 圖 5 電動(dòng)變槳系統(tǒng) 變槳電機(jī) 電機(jī) （如圖示 6 所示） 是變槳?jiǎng)幼鞯淖罱K執(zhí)行元件，其特性對(duì)變槳系統(tǒng)的性能有著重要影響。在變槳系統(tǒng)中，可采用的電機(jī)主要有 4 種：有刷直流電機(jī)、感應(yīng)異步電機(jī)、無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī) 感應(yīng)異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、但體積稍大，適用于環(huán)境條件惡劣、不易維護(hù)但控制精度要求稍低的場合；無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)功率密度高、體積小、控制精度高，非常適用在對(duì)安裝空間有嚴(yán)格要求的場合 直流電機(jī)控制簡單、控制性能好，在變槳系統(tǒng)上取得了廣泛應(yīng)用。但是直流電機(jī)的電刷和換向器不僅降低了電機(jī)的可靠性，也增加了電機(jī)長度，對(duì)在輪轂這種狹小空間內(nèi)的安裝使用造成了不利影響。矢量控制技術(shù)解決了交流電機(jī)在伺服驅(qū)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)控制問題，使交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能可與直流伺服系統(tǒng)相媲美，而且總體成本更低。變槳系統(tǒng)中，有刷直流電機(jī) 必定被交流伺服電機(jī)所取代。 變槳電機(jī)及減速器 回轉(zhuǎn)支撐 8 圖 6電動(dòng)變槳電機(jī) 伺服驅(qū)動(dòng)器 伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)變槳控制器發(fā)過來的指令， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過減速器后帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)槳葉角度的隨動(dòng)控制。變槳系統(tǒng)通常采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三閉環(huán)控制方式。按照位置環(huán)閉環(huán)位置的不同，伺服驅(qū)動(dòng)器功能可分為位置伺服控制和速度伺服控制兩類 圖 7 速度伺服控制環(huán)框圖 9 圖 7 示出速度伺服控制環(huán)框圖。由伺服驅(qū)動(dòng)器完成速度伺服功能時(shí)，變槳控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出速度指令，并實(shí)時(shí)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，以此保證變槳系統(tǒng)的同步。該控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接口少，功能要求較低 。 圖 8 位置伺服系統(tǒng)環(huán)框圖 圖 8 示出位置伺服控制環(huán)框圖。由伺服驅(qū)動(dòng)器完成位置伺服功能時(shí)，出于對(duì) 3個(gè)槳葉變槳同步性的考慮，變槳控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器同時(shí)發(fā)出位置指令和速度指令，即以指定的速度到達(dá)指定位置。該控制方式下，各部件間功能耦合少，連接簡單，但對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器功能要求較高 。 與大多數(shù)伺服系統(tǒng)不同，考慮到風(fēng)力機(jī)組的安全，變槳系統(tǒng)伺服電機(jī)的 D 端均安裝有剎車盤。在風(fēng)力機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，剎車盤處于松開狀態(tài)，不對(duì)運(yùn)行產(chǎn)生任何影響；當(dāng)由于機(jī)組故障或者電網(wǎng)失電等原因，風(fēng)力機(jī)組停止運(yùn)行、槳葉在順槳位置時(shí)，剎車盤處于剎車狀態(tài)，防止槳距角因風(fēng)漂移或其他原因槳葉誤動(dòng) 。 （三） 電動(dòng)變槳系統(tǒng)的工作過程 風(fēng)機(jī)在運(yùn)行和暫停模式下，槳葉連續(xù)變槳。連續(xù)變槳時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器通過通信總線接收主控制器的變槳命令，輸出一個(gè)較低頻率的電壓使伺服電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，通 10 過齒輪箱帶動(dòng)槳葉緩慢進(jìn)行變槳，變槳速度可低至 176。 /s，只要 改變變頻器輸出電壓的相序，就能夠改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)使槳葉向 90176?；蛘?0176。方向連續(xù)變槳。槳葉的極限位置由與回轉(zhuǎn)支承嚙合的位置傳感器內(nèi)部的 90176。和 0176。兩個(gè)行程開關(guān)來決定，從而保護(hù)槳葉角度不會(huì)超過安全范圍。 風(fēng)機(jī)在停止和緊急停止模式下，風(fēng)機(jī)將全順槳。 全順槳時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器通過通信總線接收主控制器的變槳命令，由變頻器輸出一個(gè)較高頻率使伺服電動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪箱帶動(dòng)槳葉快速順槳，一般采用電動(dòng)變槳的系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)全順槳時(shí)槳葉速度可達(dá) 15176。 /s，使槳葉快速轉(zhuǎn)到 90176。為了克服槳葉高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的影響， 防止變槳速度過快，在變頻器直流母線上設(shè)置了制動(dòng)電阻，當(dāng)槳葉快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將超過同步轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，變頻器直流母線電壓將上升，產(chǎn)生的能量將消耗在制動(dòng)電阻上，從而為電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)力矩，為槳葉提供阻尼作用。風(fēng)機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，槳葉在 90176。位置上的定位則由一組電磁制動(dòng)器來控制。 在風(fēng)機(jī)失電的情況下，緊急變槳的動(dòng)力由一組蓄電池組來提供的，蓄電池組并聯(lián)在變頻器的直流母線上，平時(shí)通過充電器浮充以保持充足的功率，一旦系統(tǒng)失電，蓄電池組立即不間斷的為變頻器的直流回路供電，由變頻器驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng) 機(jī)迅速使槳葉全順槳 三 、液壓變槳 電 — 液伺服變槳又稱液壓變槳，變槳系統(tǒng)由電動(dòng)液壓泵為工作動(dòng)力，液壓油為傳遞介質(zhì)，電磁閥（比例電磁閥）作為控制元件，通過將油缸活塞桿的徑向運(yùn)動(dòng)變?yōu)闃~的圓周運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)槳葉的變槳距。 （一）液壓系統(tǒng)變槳的 液壓回路 結(jié)構(gòu) 液壓變槳系統(tǒng)以 vcslas 公司的 v80 型風(fēng)機(jī)為例，變漿距伺服控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 9 所示。變漿距控制系統(tǒng)由信號(hào)給定、比較器、位置（槳距 ）控制器、速率控制器、 D/A 轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋回路組成。輪轂控制器與主控制器通過 ARCNET總線通信，漿距參考值由主控制器通過通信總線給定，由輪轂控制器進(jìn)行變槳控制 11 運(yùn)算。輪轂控制器根據(jù)起 /停機(jī)信號(hào)、風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)的輸出功率進(jìn)行變槳控制。 圖 9 變漿距伺服控制系統(tǒng)的原理框圖 它由油箱、液壓動(dòng)力泵、動(dòng)力單元蓄壓器、液壓管路、旋轉(zhuǎn)接頭、變槳系統(tǒng)蓄壓器以及三套獨(dú)立的變槳裝置組成。 槳葉與輪轂之間通過一個(gè)四點(diǎn)球軸承在整流罩內(nèi)進(jìn)行連接，使槳葉可以進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，液壓油缸一端固定在輪轂支架上，另一端可伸縮的活塞桿連接在槳葉根部軸承的外圓切線上，這樣活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)能夠轉(zhuǎn)化為槳葉的圓周運(yùn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)的變槳角度為 5176。 90176。 液壓系統(tǒng)由各種液壓元件組成。液壓元件可分為動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件。動(dòng)力元件將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能，如液壓泵?？刂圃刂葡到y(tǒng)壓力、流量、方向，以及信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大。作為控制元件的主要是各類液壓閥。執(zhí)行元件將流體的壓力裝置能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)各類機(jī)構(gòu)，如液壓缸 。輔助元件為保證系統(tǒng)正常工作除上述元件外的裝置，如郵箱、過濾器、蓄能器、管件等。 12 （二）液壓變槳系統(tǒng)的工作過程 圖 10液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡化原理圖 風(fēng)機(jī)在運(yùn)行和暫停模式下，槳葉進(jìn)行連續(xù)變槳。 葉片向 5176。方向旋轉(zhuǎn)時(shí)：電磁閥 YV YV YV3 和 YV4 通電，液壓比例閥交叉連接端線圈通電（ P 與 B、 A與 T連通），液壓油經(jīng)泵 P— 止回閥 V1— 旋轉(zhuǎn)接頭 — 止回閥 V3— 電磁閥 YV4— 比例閥 2V3 的 P_B 端 — 止回閥 V5— 到油缸的 B 端，推動(dòng)油缸活塞桿右移，液壓油從油缸 A端 — 電磁閥 YV3— 比例閥 2V3 的 A_T— 回到油箱。 葉片向 90176。方向旋轉(zhuǎn)時(shí)：電磁閥 YV YV YV3 和 YV4 通電，液壓比例閥直接連接端線圈通電（ P 與 A、 T與 B連通），液壓油經(jīng)比例閥 2V3的 P_A 端 — 電磁閥 YV3到油缸的 A 端，液壓油從油缸 B 端 — 止回閥 V8— 電磁閥 YV4— 回到壓力管，由于油缸 A端的活塞面積大于 B 端，因此活塞桿將向左移。 風(fēng)機(jī)在停止和緊急停止模式下，風(fēng)機(jī)將全順槳 液壓變槳系統(tǒng)在全順槳時(shí)槳葉由一組常開型緊急變槳電磁閥 YV YV2 來控制，電磁閥的特征是完全打開或完全關(guān)閉，它使液壓回路中的流量迅速增加，以實(shí)現(xiàn)快速順槳作業(yè)。由于此時(shí)液壓泵為停止?fàn)顟B(tài)， 液壓系統(tǒng)的備用動(dòng)力來自于液壓回路中數(shù)個(gè)充有氮?dú)獠㈩A(yù)加壓至 的蓄壓器。全順槳時(shí)，電磁閥 YV YV YV3 和YV4 均失電，液壓油從蓄壓器 Z3壓出 — 經(jīng)流量控制閥 V7— 電磁閥 YV2— 止回閥 V6 到達(dá)油缸的 A 端，液壓油從油缸的 B 端流出，經(jīng)電磁閥 YV1— 帶控制端的流量閥 V9—回到油箱。 13 V9 的設(shè)置是為了控制變槳速度不至于過快，當(dāng)緊急變槳時(shí)，槳葉快速向 90176。變化使活塞桿產(chǎn)生一個(gè)向左的外部拉力，導(dǎo)致油缸的 A 端的壓力下降，使 V9的控制端壓力也隨著降低 ,V9 緩慢閉合而逐漸減小變槳回路液壓油的流量，從而限制了變槳速度，緊急順槳的速度被限制在 10176。 /S。 四 、電動(dòng)變槳與液壓變槳的對(duì)比 圖 11 電動(dòng)變槳系統(tǒng) 圖 12 液壓變槳系統(tǒng) 14 (一 )性能 對(duì)比 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命一般為 25 年，加之其多安裝在偏遠(yuǎn)荒漠環(huán)境惡劣的地區(qū)，又為風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)增加許多困難，所以要求風(fēng)機(jī)的配套組件及系統(tǒng)有穩(wěn)定的質(zhì)量要求。變槳系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中是比較重要的，其性能及質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能。 下面我將以一個(gè)表格的形式來簡單的對(duì)比液壓變槳和電動(dòng)變槳的優(yōu)劣。 表 1 電動(dòng)變槳與液壓變槳的對(duì)比表 技術(shù)項(xiàng)目 液壓變槳距系統(tǒng) 電動(dòng)變槳距系統(tǒng) 槳距調(diào)節(jié) 油缸的執(zhí)行（動(dòng)作）速度比齒輪略快，響應(yīng)頻率，扭矩大。 無需調(diào)速機(jī)構(gòu) 電路的響應(yīng)速度比油路略快。 需要備用電源 緊急情況下的保護(hù) 在低溫下，蓄能器儲(chǔ)存的能量降較小。 蓄能器儲(chǔ)存的能量通過壓力容易實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。 在低溫下，蓄電池儲(chǔ)存的能量降較大。 蓄電池儲(chǔ)存的能量不容易實(shí)現(xiàn)監(jiān)控 使用壽命 主要損耗件蓄能器的使用 ，連續(xù)使用 8000 小時(shí) 主要損耗件蓄電池的使用 ，連續(xù)使用 4000 小時(shí) 外部配套需求 占用空間小