【正文】 問題，而且還改善了低風(fēng)速時(shí)的葉尖速比。所以，有些風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用無刷雙反饋電機(jī)，該電機(jī)定子有兩套極數(shù)不同的繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，無須滑環(huán)與電刷，可靠性高。 ? ?2 2 21 2 11429F s V V sV??? ? ? 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 9 2 . 齒輪箱系統(tǒng) 槳葉的轉(zhuǎn)速達(dá)不到發(fā)電機(jī)所需的同步轉(zhuǎn)速，這就需要增速箱。 增 速箱的特點(diǎn)是： 1)高速線采用行星架浮動(dòng)，低速級采用太陽輪浮動(dòng)，這樣使結(jié)構(gòu)簡化而緊湊，同時(shí)均載效果好。 在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)的極數(shù)愈多，增速箱的傳動(dòng)比就可以越小，但極數(shù)愈多，發(fā)電機(jī)的效率也就越低。同時(shí)在齒輪箱的使用中，應(yīng)根據(jù)使用地點(diǎn)的不同添加潤滑油冷卻或加溫機(jī)構(gòu)，以確保齒輪箱的潤滑，增加其使用壽命。其尖部安裝有葉尖擾流器，在需要制動(dòng)時(shí)打開。 2) 變槳距系統(tǒng)就是葉片用可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸安裝在輪轂上，輪轂上安裝的幾個(gè)葉片可同步轉(zhuǎn)動(dòng)以改變?nèi)~片的安裝角，即同步改變?nèi)~片的迎角以滿足不同的風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)得到最大功率。 變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風(fēng)輪的能量吸收，保持一定的 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 10 輸出功率。因此 國際風(fēng)力發(fā)電市場的主流產(chǎn)品是變速變槳距機(jī)組。同時(shí)，自然風(fēng)速的大小和方向是隨機(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入和切出電網(wǎng)、 輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對風(fēng)以及對風(fēng)過程中的故障檢測和保護(hù)必須自動(dòng)控制。 與一般工業(yè)控制過程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著的改善。 第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的剎車系統(tǒng) 引言 前面提到過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作環(huán)境比較惡劣。當(dāng)風(fēng)速不在這個(gè)范圍時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就處于剎車停機(jī)狀態(tài)。此外，當(dāng)風(fēng)速低于實(shí)際范圍時(shí)。同時(shí)根據(jù)不同的工作要求，剎車裝置分別處在開與關(guān)的狀態(tài)。 葉尖擾流器形式的空氣動(dòng)力剎車，是目前定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中普遍采用的一種剎車形式。液壓系統(tǒng)提供的液壓油通過旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入安裝在槳葉根部的液壓缸，壓縮葉尖擾流器機(jī)構(gòu)中的彈簧，使葉尖擾流器與槳葉主體聯(lián)為一體；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要停機(jī)時(shí)，液壓系統(tǒng)釋放液壓油，葉尖擾流器在離心力作用下，按設(shè)計(jì)的軌跡轉(zhuǎn)過 90 度，成為阻尼板，在空氣阻力下起制動(dòng)作用。 制動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，主要用來執(zhí)行風(fēng)力機(jī)的開關(guān)機(jī)指令。這兩個(gè)回路的工作任務(wù)是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)制動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持壓力。稍后，機(jī)械剎車這一路壓力油卸回油箱，驅(qū)動(dòng)剎車閘，使風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 現(xiàn)在就圖 3． 1 介紹一下風(fēng)機(jī)的剎車系統(tǒng)，圖左側(cè)是空氣動(dòng)力剎車壓力保持回路，壓力油經(jīng)液壓泵 濾濁器 4 進(jìn)入系統(tǒng)。 開機(jī)時(shí)電磁閥 12 一 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 一 3 和旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入空氣動(dòng)力剎車液壓缸。運(yùn)行時(shí)，回路壓力主要由蓄能器保持，通過液壓缸上的鋼索拉住葉尖擾流器，使之與槳葉主體 緊密結(jié)合。工作壓力由蓄能器 8— 1 保持。壓力開關(guān) 9— 3與 9— 4用 來 指示制動(dòng)器的工作狀態(tài)。所謂超速保護(hù)是指當(dāng)風(fēng)輪超速時(shí)，液壓缸中的壓力迅速升高，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，突開閥被打開，液壓油被卸回油箱，葉尖擾流器在離心力的作用下，迅速脫離槳葉主體，旋轉(zhuǎn) 90 度成為阻尼板，使機(jī)組在控制系統(tǒng)或監(jiān)測系統(tǒng)或電磁閥失效的情況下得以安全停機(jī)。 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，主軸上的轉(zhuǎn)矩成倍增大，如果把機(jī)械剎車作 為主剎車系統(tǒng)，那么剎車盤的直徑就很大，使整個(gè)機(jī)組的結(jié)構(gòu)變大，同時(shí)當(dāng)液壓 系統(tǒng)的壓力增大時(shí)，整個(gè)液壓系統(tǒng)的密封性能要求就高，漏油的可能性也就增 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 14 大了。 高速軸與低速軸都可以安裝機(jī)械剎車裝置，都有其優(yōu)缺點(diǎn)。但也存在一定的缺點(diǎn)：制動(dòng)載荷大，對齒輪箱的沖擊大，安全性較差。其缺點(diǎn)是：所需剎車力矩大，要求閘體的支撐材料好。 制動(dòng)系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全保障的重要環(huán)節(jié)，一般是按失效保護(hù)的原則設(shè) 計(jì)，即失電時(shí)或液壓系統(tǒng)失效時(shí)處于制動(dòng)狀態(tài)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有以下幾種： 1．運(yùn)行狀態(tài) (1)機(jī)械剎車松開 (2)允許機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電 (3)機(jī)組自動(dòng)調(diào)向 (4)液壓系統(tǒng)保持工作壓力 (5)葉尖阻尼板收回或交槳距系統(tǒng)選擇最佳工作狀態(tài) 2．暫停狀態(tài) (1)機(jī)械剎車松開 (2)液壓泵保持工作壓力 (3)自動(dòng)調(diào)向保持工作狀態(tài) (4)葉尖阻尼板收回或變槳距系統(tǒng) 調(diào)整槳葉節(jié)距角朝向風(fēng)速 90 度方向 (5)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組空轉(zhuǎn) 3．停機(jī)狀態(tài) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 15 (1)機(jī)械剎車關(guān)閉 (2)液壓系統(tǒng)打開電磁閥使葉尖阻尼板彈出，或變槳距系統(tǒng)失去壓力而實(shí)現(xiàn)機(jī)械旁路。 (2)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低子設(shè)定值時(shí)，第 一步剎車投入。 (4)下一次使用剎車系統(tǒng)時(shí)，第二個(gè)投入的剎車先投入。 發(fā)電機(jī)已聯(lián)網(wǎng)，制動(dòng)程序是： (1)通過電磁閥釋放葉尖 (2)當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 (無論大還是小 )降低到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)主接觸器動(dòng)作，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫網(wǎng)。 2．安全停機(jī) (1)葉尖擾流器釋放的同時(shí)第一步剎車投入。 (3)葉尖擾流器不收回。 (2)葉尖擾流器及兩步剎車同時(shí)投入，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫網(wǎng)?？墒刮覀兙_的計(jì)算風(fēng)輪負(fù)荷的大小，以 及剎車系統(tǒng)動(dòng)作的速率對轉(zhuǎn)子速 度的影響。但若動(dòng)作速率 過大，風(fēng)輪槳葉將承受更大的載荷。 數(shù)學(xué)模型 根據(jù)大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況，假設(shè)如下： (1)發(fā)電機(jī)解列前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)已對準(zhǔn)風(fēng)向且正向電網(wǎng)輸電。 (3)經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后，剎車機(jī)構(gòu)以一定的速度動(dòng)作。 (4)剎車機(jī) 構(gòu)一旦動(dòng)作，剎車扭矩就發(fā)生作用。這個(gè)飛輪受到三種力矩的作用： (1)作用在風(fēng)輪槳葉上的氣動(dòng)力矩 (2)傳動(dòng)裝置上的摩擦力矩 (3)來自剎車機(jī)構(gòu)的剎車力矩 據(jù)此本文建立其運(yùn)動(dòng)方程為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 17 9 9 6 9 0 0 5 8 . 5 3 7 . 5A B FJ T T T K N M? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?1 A B CT T T dtJ? ? ? ? 其中 : (4 / )ra d s?其 中 ： 轉(zhuǎn) 子 角 速 度 2( 1 0 . 7 / )r a d s?： 轉(zhuǎn) 子 角 加 速 度 2( 3 . 5 )mJ k g ?： 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 ( 9 9 6 )AT K N M?： 氣 動(dòng) 力 矩 ( 9 0 0 )BT K N M?： 剎 車 力 矩 ( 5 8 . 5 )FT K N M?： 摩 擦 力 矩 計(jì)算氣動(dòng)力矩時(shí)，要用到風(fēng)速。 2 3 2 2 m11( , ) 1 .2 5 3 .1 4 0 .5 9 3 3 3 3 0 9 9 622ATT C V R KN? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 3. 2 k g / m?式 中 ： 空 氣 密 度 （ 15 ） ( , ) (0 . 5 9 3 )TC ?? ： 轉(zhuǎn) 矩 系 數(shù) : m /sV 風(fēng) 速 （ 33 ） :mR 槳 葉 半 徑 （ 30 ） 0 1()n iTiiC a a?????? RV??? 式中： 0 1 na ,a,...,a 為多項(xiàng)式系數(shù)。 傳遞裝置的摩擦力矩為 213A CT C C ??? ? ? 式中： 1C , 2C , 3C 是常數(shù) 剎車機(jī)構(gòu)最終作用在主動(dòng)軸上。 開始時(shí)此力矩為最大，然后隨作用時(shí)間而線性的減少，當(dāng)時(shí)間為 90s 時(shí)，變?yōu)槌?shù)，且為最大值的一半。用來計(jì) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 18 算該力矩的是一個(gè)分段函數(shù)： t2 902BTTT T??額 定額 定額 定 .2 模型分析 從上述結(jié)果可以得出以下結(jié)論； (1)時(shí) 間 延遲越長，轉(zhuǎn)子所達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速越大，剎車時(shí)間相應(yīng)也就越長。 (3)當(dāng)時(shí)間延遲大于一定值時(shí)，若沒有增加其它保護(hù)措施，則僅剎車機(jī)構(gòu)不能使機(jī)組停下來，轉(zhuǎn)速將一直增加下去直至飛車損壞。 誤差的存在是由于以下因素： (1)無論風(fēng)速取的是風(fēng)輪正前方 的值，還是風(fēng)輪邊緣正前方均勻分布若干點(diǎn)的加權(quán)值，都不能代表實(shí)際的風(fēng)速場。 (3)槳葉的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，如升力系數(shù)與阻力系數(shù)，也是誤差的來源之一。這種成熟的理論對于風(fēng)力發(fā)電裝置中的剎車系統(tǒng)有一定的借鑒意義。當(dāng)車輪要抱死時(shí)降低制動(dòng)力，而當(dāng)車輪不會(huì)抱死時(shí)，又增加制動(dòng)力，如此反復(fù)動(dòng)作，防止車輪抱死，進(jìn)而消除制動(dòng)過程中的側(cè)滑、跑偏、喪失轉(zhuǎn)向能力等非穩(wěn)定狀態(tài)，以獲得良好的制動(dòng)性能、操縱性能和穩(wěn)定性能。 ABS 主要由輪速傳感器、電子控制 裝置 (ECU)和壓力調(diào)節(jié)器組成，除此之外，還有制動(dòng)警告燈和防抱死警告燈等。輪速傳感器由傳 感頭和齒圈等組成。把這些信號加以分析，對制動(dòng)壓力發(fā)出控制 指令。當(dāng)這些 部件發(fā)生異常時(shí)，由指示燈或蜂鳴器給駕駛員報(bào)警，使整個(gè)系統(tǒng)停止工作，恢 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 20 復(fù)到常規(guī)制動(dòng)方式。液壓式壓力調(diào)節(jié)器安裝在主缸 (總泵 )和輪缸 (分泵 )之間，主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換 ECU的指令，并獨(dú)立于駕駛員執(zhí)行 ECU的命令。直接控制制動(dòng)壓力的形式稱為循環(huán)式，間接控制制動(dòng)壓力的形式稱為可變?nèi)莘e式。 (1)常規(guī)制動(dòng)過程 常規(guī)制動(dòng)時(shí)電磁閥不通電，主缸和輪缸是相通的，主缸隨時(shí)控制制動(dòng)壓力的風(fēng)力發(fā)電裝置剎車系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)智能控制研究增減，這時(shí)液壓泵不需要工作。與此同時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)液 壓泵工作，把流回液壓油箱的制動(dòng)液加壓后輸送到主缸，為下一個(gè)制動(dòng)周期作好 準(zhǔn)備，這種液壓泵叫再循環(huán)泵。因此，在 ABS 工作過程中液壓泵必需常開。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 21 (4)增壓過程 電磁閥斷電后，主缸和輪缸再次相遇，主 缸端的高壓制動(dòng)液 (包括液壓泵輸出的制動(dòng) 液 )再次進(jìn)入輪缸，增加了制動(dòng)壓力，增壓和減壓速度可以通過電磁 閥的進(jìn)出油 口來 控制。一是分別控制方式，另一個(gè)是將后輪的兩個(gè)傳感器的信號加以綜合處理后同時(shí)進(jìn) 行控制的同步控制方式。 四傳感器二通道式 采用兩個(gè)傳感器分別控制汽車兩前輪，根據(jù)后輪的兩個(gè)傳感器信號計(jì)算出基 準(zhǔn)速度，利用對角前輪的制動(dòng)液壓力控制后輪。這種方式?jīng)]有電子控制器，屬于機(jī)械式 ABS。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 22 ABS 在剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用 前面介紹過風(fēng)力發(fā)電機(jī)剎車系統(tǒng)主要有空氣 動(dòng)力剎車與機(jī)械剎車組成，機(jī)械 剎車主要安裝在高速軸或低速軸上，一般在高速軸上。風(fēng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，閘體在彈簧力作用下閘墊與圓 閘盤接觸，由于摩擦力作用在閘墊與圓閘盤上，使風(fēng)機(jī)不能啟動(dòng)；在無故障且風(fēng) 速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，液壓泵工作，當(dāng)液壓壓力大于彈簧力時(shí)，上下閘體分別與圓 閘盤分離，風(fēng)機(jī)自由旋轉(zhuǎn)。動(dòng)態(tài)載荷使齒輪箱內(nèi)齒與齒來回碰撞，從而使齒牙長期受彎曲應(yīng)力， 造成齒輪箱的損壞。 這樣需要風(fēng)機(jī)經(jīng)常進(jìn)行緊急剎車，從而產(chǎn)生巨大的慣性沖量，對齒輪箱、葉片及 剎車系統(tǒng)有“致命”的危害。但這樣就需要較大的剎車力矩，較大的剎車力矩又需要?jiǎng)x車閘的 尺寸大。還有一可行的辦法是在液壓系統(tǒng)中添加阻尼管，使 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 23 剎車達(dá)到“柔性接觸”。 本文是在高速軸與低速軸上各加一套剎車閘，在低速軸上添加液壓閘可避免剎車過硬，使風(fēng)機(jī)的制動(dòng)過程趨于勻減速運(yùn)動(dòng)，減小齒輪箱受到的沖擊，減少閘墊得更換，降低維護(hù)費(fèi)用。 剎車閘不同安裝位置剎車時(shí)受力分析 風(fēng)機(jī)的剎車過程從能量轉(zhuǎn)換的角度看，是將旋轉(zhuǎn)部分 (風(fēng)輪、齒輪、軸等 )的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成其它能量 (如剎車片與剎車盤磨擦 所產(chǎn)生的熱 )的過程。剎車過程中，如果傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的變形能集中在某一環(huán)節(jié)，則會(huì)引起局部應(yīng)力過大，這對傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命是非常不利的。 首先，假設(shè)低速軸、高速軸、是剛性的，轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，高速軸和低速軸按定傳動(dòng)比變化。下面就在風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同的剎車閘安裝位置在剎車時(shí)的受力進(jìn)行分析。這就需要?jiǎng)x車閘的尺寸 較大。 (2)剎車閘安裝在高速軸上時(shí)，需要較小剎車力矩。 但是剎車鬧安裝在高速軸時(shí)，齒輪箱所受扭矩就較大。 剎車閘的選擇 及計(jì)算 由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)用制動(dòng)器安裝在十幾米、幾十米高的塔架上的隨風(fēng)而動(dòng)的機(jī)艙內(nèi)，維修很困難，應(yīng)具有質(zhì)量輕、制動(dòng)力矩大、經(jīng)久耐用、制動(dòng)可靠等特點(diǎn)。這是因?yàn)楸P式制動(dòng)器具有以下的優(yōu)點(diǎn)： (1)制動(dòng)力矩大，可調(diào) 范圍大，制動(dòng)平穩(wěn)可靠，動(dòng)作靈敏，維修方便 (2)頻繁使用時(shí)無沖擊，性能穩(wěn)定，散熱性好，安全。 (4)制動(dòng)盤沿厚度方向變形量比制動(dòng)輪的徑向變形小得多，易實(shí)現(xiàn)間隙小和磨損后的自動(dòng)補(bǔ)償。 但是它也有以下缺點(diǎn)：制動(dòng)村塊的摩擦面積小，比壓大，需要材質(zhì)較好的制 動(dòng)襯塊，且徑向尺寸較大，價(jià)格稍貴。 的制動(dòng)力矩 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）