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變槳電磁剎車不動作原因分析及改進 姓名：明哲 專業(yè)：電氣工程及其自動化 入職時間：2009年7月1日 部門：技術服務中心 目 錄 摘要： 3 關鍵詞： 3 一、引言 3 二、金風1.5MW變槳系統(tǒng)簡述 3 （一）、變槳系統(tǒng)的硬件 3 （二）、變槳系統(tǒng)的軟件 4 （三）、變槳系統(tǒng)的制動機構 5 三、故障信息分析 5 （一）、f文件分析 5 （二）、b文件分析 6 （三）、故障危害 8 四、故障點分析 8 （一）、AC2 8 （二）、K2繼電器 8 （三）、DC-DC模塊 9 （四）、其他故障點 10 五、改進方案 10 （一）、對K2繼電器的改進 10 （二）、對DC-DC模塊的改進 11 六、總結 15 七、參考文獻 15 摘要： 變槳電機的電磁剎車作為變槳動作的唯一制動元件，有著極其重要的意義。本文通過一則故障實例，分析了造成電磁剎車不動作的各種可能。并針對此故障，提出了3種改進方案，同時考慮到故障引發(fā)的多種危害，重點設計了DC-DC模塊的電壓檢測電路，以實現(xiàn)對變槳系統(tǒng)的硬件保護，保證在發(fā)生故障時變槳系統(tǒng)不受損害。 關鍵詞： 變槳 電磁剎車 電壓檢測 一、引言 現(xiàn)代風力發(fā)電技術是涉及空氣動力學、機械傳動、電機、自動控制、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統(tǒng)工程。變槳技術是整個風力發(fā)電技術中的核心部分，變槳距機構的主要作用是調節(jié)槳距角以控制功率和風輪轉速。此外，在大風或停機時，變槳距機構要把葉片調整到順槳位置以保護風力機。金風1.5MW機組的變槳系統(tǒng)，采用的是各自獨立的變槳執(zhí)行機構，通過機電執(zhí)行機構進行制動控制。機電執(zhí)行機構由蓄電池、伺服電動機、驅動器、減速齒輪箱、傳感器、回轉支承等部分組成。機電執(zhí)行機構平時由輪轂上的滑環(huán)或旋轉變壓器來提供電力，而機電執(zhí)行機構的“失效—安全”設計必須用蓄電池或超級電容等儲能元件來完成。 二、金風1.5MW變槳系統(tǒng)簡述 （一）、變槳系統(tǒng)的硬件 變槳系統(tǒng)的硬件主要包括：內部電源及控制檢測部分和外部驅動及其檢測部分，其中內部電源及其控制檢測部分包括：開關電源（NG5），變頻器（AC2），超級電容，A10自制模塊， beckoff模塊，DC/DC電源模塊；外部驅動及其檢測部分包括：變槳電機，旋轉編碼器，溫度監(jiān)測（PT100），5o接近開關、87o接近開關及90o限位開關。整個變槳系統(tǒng)的運行原理如下圖所示： 圖2.1 變槳系統(tǒng)運行原理圖 （二）、變槳系統(tǒng)的軟件 變槳系統(tǒng)有其單獨的變槳程序，該程序存儲于BC3150中。變槳程序是由九個部分組成的，即：主控的控制字，電容、電壓和電流的檢測，變槳控制字，變槳角度計算，變槳速度計算，旋邊信息檢測，運行中急停條件監(jiān)測，變槳模式選擇，輸出設定等。主控軟件發(fā)送控制命令字給變槳軟件，變槳軟件執(zhí)行相應的動作；變槳軟件將變槳系統(tǒng)的運行狀態(tài)及運行參數(shù)反饋給主控軟件；來自機艙的安全鏈信號與變槳安全鏈信號彼此獨立；當來自機艙的安全鏈信號斷開時，變槳執(zhí)行機構有硬件、軟件雙重保護，從而保證葉片以急停的速度順槳。限于篇幅和本文討論內容，在此不作更進一步的論述。 （三）、變槳系統(tǒng)的制動機構 1、變槳制動機構的組成 整個變槳系統(tǒng)通過變槳電機拖動齒形帶進行變槳動作，由于沒有像偏航系統(tǒng)一樣的液壓制動系統(tǒng)，唯一的制動方法便是電磁剎車制動。制動系統(tǒng)包括：AC2，電磁剎車系統(tǒng)，K2繼電器以及60V轉24V的DC-DC模塊。其中，柜體內部的接線通過X6哈丁頭與變槳電機進行連接。電機主要參數(shù)： 種類 額定功率 最大轉矩 制動轉矩 額定電壓 額定電流 IM3001 4.5kW 75Nm 100Nm 29V 125A 2、電磁剎車動作原理 電磁剎車制動的原理比較簡單：利用通電線圈產生的磁場吸引銜鐵動作，使制動輪或銜鐵與制動盤相互脫離；線圈斷電后在彈簧的作用下釋放銜鐵，使制動輪或銜鐵與制動盤相互摩擦實現(xiàn)制動。 3、變槳動作流程 當變槳系統(tǒng)要進行變槳動作時，通過PLC發(fā)出變槳命令，AC2控制K2繼電器得電，則電磁制動線圈得電，吸引銜鐵松開制動，然后變槳電機拖動變槳動作；當變槳停止時，K2繼電器失電，從而電磁制動線圈失電，銜鐵被釋放進行抱閘。 三、故障信息分析 （一）、f文件分析 2009年10月19日，官廳現(xiàn)場20#風機報出安全鏈故障而停機。到達現(xiàn)場后，通過風機的就地監(jiān)控系統(tǒng)，讀取當時的F文件，顯示了安全系統(tǒng)故障（error_safety_system_global）和變槳內部安全鏈故障（error_safety_system_safety_system_ok_from_pitch），并無其他的故障信息，如下圖所示： 圖3.1 故障文件safety system部分 進一步分析F文件中變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障時刻42#葉片的角度和其他兩個葉片相差較大。三個葉片的角度分別為，41#：5.254 degree；42#：1.647 degree；43#：5.389 degree，其中42#葉片與43#葉片角度相差3.742度，42#葉片與41#葉片角度相差3.607度?？梢耘卸ù舜喂收鲜怯捎?2#葉片角度與其他兩個葉片的角度相差大于3.5度，超過了程序規(guī)定葉片角度差值不能大于3.5度的設定而引起的故障。如下圖所示： 圖3.2 故障文件pitch position部分 （二）、b文件分析 在初步查明故障原因后，進一步分析b文件，選取故障時間點前后各2秒的葉片角度及超級電容高電壓數(shù)據(jù)繪制時序圖3.3及圖3.4。 圖3.3 葉片角度對比圖 圖3.4 超級電容高電壓變化圖 從圖3.3可以看出在故障前1.5秒時葉片1、3開始向90變槳，葉片3未有明顯變化，在0時刻三個葉片角度最大差值超過3.5度，導致風機報故障，故障后葉片1、3繼續(xù)向90度順槳，但葉片2仍未動作。通過圖3.4可以發(fā)現(xiàn)，在故障前1.5秒附近，三個葉片的電容高電壓開始下降，說明AC2開始動作耗電；對比圖3.3可知，1號和3號葉片均開始順槳動作，葉片角度增大。反觀2號葉片，超級電容電壓下降速度最快，一直降至55V后，超級電容開始充電，在達到56V左右時，電壓再次下降，之后電容電壓一直在55V之下，NG5一直處于充電狀態(tài)，說明有大量的電能消耗，但2號葉片角度并無明顯變化。同時F文件中并沒有顯示出有逆變器OK信號丟失故障，說明AC2工作正常。通過分析電機參數(shù)可知電機最大轉矩為75Nm，制動轉矩為100Nm，當電磁剎車未松開的情況下電機即使達到最大轉矩也不能動作，造成電機堵轉。符合上述故障現(xiàn)象。至此可以確定，此故障的根本原因為變槳電機在電磁剎車未松開的情況下工作。 （三）、故障危害 此故障對機組的危害主要體現(xiàn)在變槳電機在沒有松開制動的情況下工作，變槳電機長時間堵轉，極易造成變槳電機燒毀及對電磁剎車機構磨損。 四、故障點分析 通過上文分析，可知是由于變槳電磁剎車未松閘。分析變槳圖紙電磁剎車回路可知可能的故障點為以下幾方面： （一）、AC2 AC2由NG5通過超級電容供電，通過內部逆變器，將直流輸入變?yōu)榻涣鬏敵?，為變槳電機提供動力電源。根據(jù)變槳圖紙，可以很方便的看出AC2的各個管腳的作用，其中F3和F9管腳接到X2端子排的6號和7號端口，與K2繼電器的線圈構成回路。也就是AC2直接控制K2繼電器的接通與關斷。在一般情況下，AC2極少出現(xiàn)故障，但是故障類型具有很大的隱蔽性，不易發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)場通過用萬用表測量AC2的輸出，發(fā)現(xiàn)正常。 （二）、K2繼電器 K2繼電器是電磁剎車的直接控制元件。它的外觀圖如圖4.1所示。K2繼電器有11個管腳，提供3組觸點。11、14和31、34串接在電磁剎車回路里，控制電磁剎車線圈的得電和失電。如果K2繼電器因某種原因導致觸點未吸合，則電磁剎車不能松開。 圖4.1 K2繼電器 現(xiàn)場通過與一號葉片變槳柜調換K2繼電器，給一號葉片手動變槳，發(fā)現(xiàn)一切正常，則排除K2繼電器損壞的可能。 （三）、DC-DC模塊 在變槳柜里有兩個DC-DC模塊，由NG5經(jīng)過超級電容負責供給60V的輸入電壓。原DC-DC模塊負責給電磁剎車線圈供電，此模塊輸入電壓范圍為：28V-160V，額定輸出為24V，12A。由于此模塊為公司自制，所以無法找到更多的內部詳細信息?，F(xiàn)在使用的DC-DC模塊實物圖由圖5.6所示，有5個接口，接線方式可由變槳圖紙得到，底部有電源指示燈，正常運行時亮。如果電源摸塊損壞，則不能給電磁剎車線圈供電，至使電磁剎車無法松開制動。 圖4.2 DC-DC模塊實物圖 現(xiàn)場處理時選擇用電源模塊直接給電磁剎車供電，手動變槳時發(fā)現(xiàn)，電磁剎車偶爾出現(xiàn)不松開的現(xiàn)象，于是判定DC-DC模塊供電出現(xiàn)問題。 （四）、其他故障點 除了以上幾點外，電磁剎車線圈本身的好壞，各個觸點間的接線，都有可能導致整個制動回路的斷開，從而致使電磁剎車不動作。針對這幾點按著圖紙依次用萬用表測量，均為正常。 五、改進方案 （一）、對K2繼電器的改進 由K2繼電器的管腳圖可以看出，三個觸點均用在電路中，控制電磁剎車回路和柜體風扇。本身無輔助觸點用來監(jiān)控K2繼電器是否吸合?？梢杂?1、12或31、32這兩個常閉觸點來作為輔助觸點，將這個觸點接給KL1104，作為檢測K2吸合的信號。通過在程序中加上對K2繼電器的檢測項，當K2吸合時，11與12常閉觸點斷開，信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，則得知K2已經(jīng)吸合，如果未吸合則報出故障。 圖5.1 K2繼電器針腳與底座端口對照圖 （二）、對DC-DC模塊的改進 方案一 更換此種舊式DC-DC模塊。由于現(xiàn)在使用的DC-DC模塊為完全封裝好的電源模塊，所以無法得知內部各個元件的詳細情況。有可能某個電容或者電感在這種全密閉的封裝模式下，工作壽命會受到縮短。而且在頻繁變槳的時候，三極管的開關次數(shù)也經(jīng)受著極大的考驗。整個電源模塊并沒有良好的散熱，這就大大減小了模塊的壽命。聯(lián)系到變槳改造前，有部分機組出現(xiàn)PLC掉電的現(xiàn)象，也有一定可能是舊模塊隨著長時間的使用，不能穩(wěn)定供給24V電。而當它已經(jīng)不能使電磁剎車動作的時候，就會出現(xiàn)論文中所描述的故障。所以，最方便的方法是更換一種新型號的開關電源，提供更寬的電壓輸出范圍和相對穩(wěn)定的電壓質量。同時，由于現(xiàn)場條件有限，無法分析該機組換下來的電源模塊，以找到是哪個元件損壞，建議公司可以對舊模塊做研究改進。但是即便跟換新模塊，也不能保證不再發(fā)生此項故障，因此為了保證故障發(fā)生后，機組不受損傷，需要一個新的方案來進行保護。 2、方案二 方案二是無論使用何種DC-DC模塊時，都給DC-DC模塊加裝一個檢測制動電路，以保證發(fā)生故障時，變槳系統(tǒng)不會受到損害。這個電路所實現(xiàn)的功能是在檢測到電源模塊電壓下降到一定值時，斷開變槳內部安全鏈和K3繼電器，使風機緊急停機，同時鎖定故障葉片，禁止其變槳動作。這樣就能避免因為此項故障而對變槳系統(tǒng)造成損害。完整的電路圖如圖5.1所示。整個保護電路主要包括3部分，分別是①繼電器供電電路，②電壓檢測電路和③繼電器回路，電路左側的24V電由舊電源模塊供給。下面就電路進行詳細介紹： 圖5.2 DC-DC模塊檢測制動電路 ①、繼電器供電電路 如圖5.2中的①部分，此電路的功能是給③繼電器回路提供5V的直流電。用到的元件包括：芯片LM2576，電容Cin、Cout，電感L1和D1肖特基二極管。 LM2576是一個提供穩(wěn)定直流電壓輸出的芯片，它可以提供最大為3A的輸出電流，提供3.3V、5V、12V、15V和可調的輸出電壓。本系統(tǒng)具體選用型號為LM2576-5，可在輸入電壓為8V-40V的范圍內穩(wěn)定輸出5V電壓和0.5A輸出電流。工作環(huán)境溫度為-40o到125o。 為了達到穩(wěn)定輸出5V電壓的目的，該部分電路所需的外部穩(wěn)壓元件為輸入電容Cin、輸出電容Cout、二極管D1、電感L1。其參數(shù)為： Cin Cout D1 L1 100μF 150μF 1N5822 330μH ②、電壓檢測電路 如圖5.2中的②部分，此電路的功能是檢測電源電壓，當電源電壓下降到指定值時，電壓檢測芯片由高電平輸出改為低電平輸出。此電路包括電壓測量芯片HT7050和兩個分壓電阻R1、R2。 HT7050為電壓檢測芯片，有3個引腳，分別是IN，GND和OUT。通過對比IN 電壓和內部電壓設定值，來決定OUT輸出電平的高低。此電路具體選用型號為：HT7050A，其內部電壓設定值為5V。當IN引腳輸入電壓值低于5V時，OUT引腳將會輸出低電平，輸入電壓值高于5V時OUT引腳將會輸出低電平，輸入電壓允許有2.4%的波動。 由于條件所限，并不知道電源電壓降至何時就無法驅動電磁剎車，此處假定電磁剎車在20V時不動作。則分壓電阻的阻值比可以由此算出，為（20-5）/5=3:1。在保證分壓比的前提下，考慮到晶閘管的關斷電流，分壓電阻R1、R2的阻值設定為3KΩ和1KΩ?？紤]到輸入電壓的波動范圍，當電源電壓低于19.52V時，則此部分電路的OUT輸出低電平，滿足假定要求。 ③、繼電器電路 如圖5.2中的③部分，此電路是整個保護電路的執(zhí)行電路，電路包括一個5V驅動的繼電器，一個NPN型三極管。繼電器選用歐姆龍G5V-2-5VDC型，其內部電路圖如圖5.2中的③部分所示。其中4、8觸點串接入K3繼電器的線圈回路，9、13串接入K4繼電器的線圈回路，如圖5.3所示。當繼電器失電之后，K3回路和K4回路同時斷開，既可以保證斷開變槳內部安全鏈，報出故障，又可以鎖定AC2，使葉片不能進行變槳動作。如果選用多個觸點的繼電器，則可以接入不同的回路，實現(xiàn)不同的功能。繼電器的吸合與斷開，通過回路中的三極管進行控制。 三極管選用NPN型，要求基極輸入正電壓時保持導通狀態(tài)，基極變?yōu)樨撾妷簳r，三極管關斷。根據(jù)三極管基極和集電極的工作電流，具體選用型號為2SC4323，保證可以迅速和可靠的動作。 圖5.3 繼電器串接K3、K4示意圖 3、方案三 方案三相對于方案二而言，主要改進在程序上。因為本文重點在方案二上，所以在此只是提出一個想法。因為變槳系統(tǒng)中有A10模塊，用來檢測超級電容的高低電壓，輸入到KL3404里。因為可以方便的在A10模塊上裝上一組分壓電阻，用來檢測DC-DC電源模塊的輸出電壓，然后輸入到KL3404里。然后修改變槳程序，檢測其電壓值，并設定故障值，以保證電壓降低后報出故障，同時程序控制該葉片停止變槳。 六、總結 論文從一個實際的故障出發(fā)，通過分析故障信息，得出故障發(fā)生的原因，找到故障點，并針對此項故障和故障點，提出相應的改進方案。這個故障處理起來難度并不大，但是卻需要逐本溯源找出故障的真正所在，并看到故障發(fā)生后的隱藏危害?？紤]到風機很多細節(jié)的地方，并沒有可靠的保護，可能由一點小的故障引發(fā)大的危害，造成不必要的損失，因此本文重點設計了DC-DC模塊的電壓檢測制動電路，希望可以為公司的技術部門提供一些思路，幫助完善整個風機的保護系統(tǒng)。 七、參考文獻 《金風1.5MW變槳圖紙》 《金風1.5MW故障處理手冊》