摘要：目前，我国是科技快速发展的新时期，针对风力发电机组液压制动系统的高集成化、高可靠性的要求，基于模块化设计思路，展开偏航刹车及高速轴刹车液压系统的设计。将液压系统可以分为动力模块、功能模块和辅助模块。根据不同工况下的需求，可以任意组合。不仅利用模块化设计降低成本，还可以快速响应市场实现个性化定制。
关键词：风电；液压系统；紧凑型；设计
引言
2.0MW风机制动器为被动式液压刹车。刹车钳的作用是在发现紧急状况和维护的情况下使机组全面停机。风机运行时，液压站的液压力克服刹车钳弹簧力，将半钳张开；需要紧急制动时，手动或通过电信号切换液压站的电磁阀，切断液压油路，依靠刹车钳弹簧力将制动盘抱死而实现制动。众所周知，ＫＴＲ数十年的风机联轴器的研发和生产经验，已为遍布世界的风机厂家配套数十万套，目前最大机型至7ＭＷ（正在设计的机型已达10ＭＷ），声名显赫，贯穿整个风力发电历史。同时ＫＴＲ还配套供应风电专用的ＫＴＲ液压制动器。2013年底，德国ＫＴＲ总部收购了专业生产电动制动器德国ＥＭＢ制动器公司．并于2014年成立子公司ＫＴＲＢｒａｋｅＳｙｓｔｅｍｓＧｍｂＨ来专业研发和生产液压制动器和电动制动器。
1概述
1.1制动器动作机理
图1为原设计的液压站原理图，图示初始位置为制动器蓄能器泄压状态，即刹车状态。电磁阀Y1断开，阀Y2接通，蓄能器中的液压油直接由阀Y2经节流阀18缓慢流回油箱，压力表15慢慢减小直至完全泄压。设置节流阀18的目的就在于使制动过程缓慢进行，以防止粗暴制动带来的摩擦温升和大的机械冲压力开关S1为制动器状态显示开关，如蓄能器压力低于设定值48±5bar，则显示制动器on，如蓄能器压力高于设定值，则显示制动器off。风机正常运行时，需要将阀Y1接通，阀Y2断开，压力表15迅速达到与压力表21相同的压力，即系统为制动器蓄能器充压，同时液压油进入制动缸，克服制动器碟形弹簧弹力，主、被动制动摩擦片与制动盘表面各产生1.35mm左右的制动间隙，制动盘可以自由旋转，这就是被动式制动器和液压系统的动作机理。电磁阀Y1、Y2永远处于相反的通断位置，在液压站上，操作手柄被设计成双联式，不致产生误动作。用手动泵也可短暂地为制动器或蓄能器充压，操作时一边打压，同时用手提起双联阀手柄，即手动让阀Y1接通，阀Y2断开，压力油即可进入制动器缸。当压力超过48bar时，即可克服弹簧力，将制动器张开。当把双联阀手柄放下时，阀Y1断开，阀Y2接通，制动器因失压而制动。
图1 原设计的液压站原理图
1.2偏航制动回路
风电机组在实际运转过程中，风力和风向时刻发生变化，为了尽可能的利用风能，在机组中设置了偏航驱动器。偏航驱动是驱使机舱相对塔架发生旋转的装置，用于调整叶片处于最佳位置发电以及极端情况下保护风机。偏航制动器在工作中一般有三种状态：刹车、阻尼、松闸。在风机正常发电时，叶片正向迎风，偏航制动器处于刹车状态，电磁阀7．3和7．4处于失电状态，齿轮泵通过单向阀4．3和节流阀6．2向偏航制动油缸供油，当压力达到设定值，齿轮泵停止向系统供油，蓄能器13逐步释放压力油保压，处于失电状态的电磁阀7．3和7．4相应的单向阀减少泄漏。随着时间推移，液压回路中存在泄漏，系统压力降低，当系统压力低于设定压力后，启动齿轮泵补压。在风向发生变化后，为了保证叶片处于最佳迎风位置，风电机机组根据系统获取的风向变化，促使机舱进行旋转，带动叶片进行自动对风。此时机舱需保证稳定的偏航旋转速度，通过预先设定的系统压力给予偏航系统阻尼，防止偏航位置偏差或是速度偏差。按图2图示意，系统控制设定电磁阀7．3得电，此时油路需通过溢流阀10．2保压，保证系统存在一定背压，使偏航制动器处于阻尼状态。为了防止偏航过程中电缆过度扭转，需在偏航后机舱反向回转解缆，此时偏航制动器处于松闸状态。控制电磁阀7．3和7．4同时得电，偏航系统泄压，制动油缸回摆松闸。
1．油箱2．齿轮泵3．高压过滤器4．单向阀5．减压阀6．节流阀7．电磁阀8．截止阀9．主轴制动油缸10．溢流阀11．偏航制动油缸12．手动泵13．蓄能器14．压力传感器
图2 兆瓦级风电制动系统液压原理图
1.3液压站改造
由于制动器的工作压力只有45bar，而在原设计中，制动器控制回路是直接与液压站的主回路联通的，制动器压力在55bar到150bar这个范围中变化，导致制动器中蝶形弹簧的受力随系统压力的变化而变化。风轮刹车的延迟与斜坡时间仅通过节流阀18可能不能实现，为防止这一问题的出现可在刹车回路添加一个减压阀。止回阀与减压阀组合可以保持制动器的工作压力为55bar，保证延迟与斜坡时间的实现。
2紧凑型风电制动液压系统设计及验证
1）动力模块动力模块主要包括电机、齿轮泵、油箱等部件。动力模块采用紧凑型布置方案，通过主阀块将电机、齿轮泵和油箱连接成一体，尽可能的不采用多余零件和标准件进行安装。2）功能模块功能模块旨在实现高速轴刹车及偏航刹车功能，主要包括两大阀组，采用可整体拆卸的方式进行设计。两大阀组通过阀块叠加的方式进行连接，最后通过过渡块安装在主阀块上，如图2所示。根据客户的实际需求，对功能模块进行整体移除或叠加，不需要进行大的变动设计及制造。3）辅助模块辅助模块主要包括两大辅助模块：蓄能器模块及手动泵模块。两大模块同样采用整体拆卸的方式进行设计，直接安装在主阀块上，可进行整体移除或叠加，有利于液压系统的安装调试及维修。4）拓展功能在系统机构设计中，在主阀块及油箱中预留多个接口，可根据客户要求进行功能模块叠加。在主阀块中叠加一个叶片锁紧回路模块，可添加测速传感器进行系统流量测定等。在油箱中增加温度及液位传感器，进行温度监控及液位控制等功能。5）样机验证试验根据风电机组的使用环境，对该紧凑型风电制动液压系统各大部件进行详细选型设计并进行了样机试制试验，完成如图3所示样机一台，并进行了各种试验：空运行、耐压试验、功能试验（手动泵测试、压力设定试验、高速轴刹车试验、偏航刹车试验等）和外观渗油检查。验证结果符合设计要求，其性能数据与批量生产定型产品一致。
结语
对2MW风电机组液压制动系统原理进行了介绍，设计开发了紧凑型风电制动液压系统。通过试验验证、制造成本分析以及客户反馈，紧凑型风电制动液压系统具备以下优点：有效降低产品的制造成本、模块化组合回路适应范围广、产品制造过程便捷、维修方便。因此紧凑型风电液压系统在风电中的应用广阔，对紧凑型液压系统的深入研究具有重要的工程意义。
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论文作者:付华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/14
标签：制动器论文; 蓄能器论文; 液压论文; 刹车论文; 液压系统论文; 风电论文; 压力论文; 《电力设备》2019年第11期论文;