國(guó)能信控互聯(lián)技術(shù)（河北）有限公司 饒木金

變槳距系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中控制并調(diào)整葉片槳距角裝置，作為變槳距系統(tǒng)中執(zhí)行裝置的變槳電機(jī)直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能的吸收利用率及整機(jī)的安全性。變槳電機(jī)在正常并網(wǎng)情況下具備快速響應(yīng)變槳控制器指令，調(diào)節(jié)槳距角功能；在調(diào)節(jié)槳距角到指定位置后需要對(duì)槳距角進(jìn)行保持；對(duì)特殊緊急工況下系統(tǒng)斷電后需要緊急制動(dòng)鎖死。對(duì)此作為變槳電機(jī)重要組成部件的制動(dòng)器需要配合電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)以上功能。目前，主流電動(dòng)變槳系統(tǒng)有三相交流異步及永磁同步兩套方案，兩方案在槳距角保持上存在根本區(qū)別。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)需求，制動(dòng)器也陸續(xù)引用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，但從技術(shù)驗(yàn)證上未能提供變槳工況下有效試驗(yàn)方案，對(duì)此結(jié)合變槳運(yùn)用實(shí)際工況，提出響應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)摩擦盤疲勞磨損、制動(dòng)力矩穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性等相關(guān)測(cè)試技術(shù)要求，為變槳電機(jī)在制動(dòng)器應(yīng)用上提供有效參考。

1 制動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)及工作原理

變槳電機(jī)上主要使用彈簧加壓式電磁安全制動(dòng)器，又稱電磁抱閘或電磁剎車，是一種在干式條件下工作的摩擦式直流電磁制動(dòng)器，可以在失電情況下使電機(jī)軸緊急制動(dòng)或正常工作停機(jī)后使電機(jī)軸保持制動(dòng)狀態(tài)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、制動(dòng)平穩(wěn)、性能穩(wěn)定可靠、安裝維修方便、壽命長(zhǎng)久、噪音低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 基本結(jié)構(gòu)

彈簧加壓式電磁安全制動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電磁鐵系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)組成。其中，電磁鐵系統(tǒng)包括電磁鐵、銜鐵、制動(dòng)彈簧等，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括軸套和制動(dòng)摩擦盤。將制動(dòng)器用螺釘安裝在電機(jī)座或?qū)ε寄Σ帘P或法蘭上。調(diào)節(jié)定距螺管使銜鐵和磁鐵之間的氣隙保持在額定值[1]。

圖1 彈簧加壓式電磁安全制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

彈簧加壓式電磁安全制動(dòng)器的制動(dòng)力來(lái)自彈簧，電磁力用于解除制動(dòng)。制動(dòng)器失電時(shí)，電磁鐵的線圈失去電磁力，壓縮彈簧依靠自身的彈力將銜鐵和制動(dòng)摩擦盤壓向?qū)ε寄Σ帘P，正隨電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的摩擦盤與銜鐵和對(duì)偶摩擦盤產(chǎn)生摩擦力而使制動(dòng)器制動(dòng)、電機(jī)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)器接通直流電后，電磁鐵的線圈產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，銜鐵在電磁力的作用下，抵消彈簧力被吸引到電磁鐵上，使銜鐵與制動(dòng)摩擦盤分離，制動(dòng)器制動(dòng)被釋放，電機(jī)軸可以帶著摩擦盤正常旋轉(zhuǎn)。一般在風(fēng)電變槳電機(jī)整體結(jié)構(gòu)中，制動(dòng)器在裝配位置上分為前置與后置式兩種類型，使用電機(jī)金屬法蘭或制動(dòng)器自帶摩擦法蘭作為剎車面，通過(guò)摩擦法蘭與電機(jī)本體及制動(dòng)器本體進(jìn)行有效的同心度配合，保證制動(dòng)器有效吸合/釋放進(jìn)行工作。

2 風(fēng)電變槳運(yùn)行工況

目前，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中主流電動(dòng)變槳系統(tǒng)有三相交流異步及永磁同步兩種方案。三相交流異步變槳系統(tǒng)采用低壓大電流集成系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器采用轉(zhuǎn)差頻率控制，在槳距角進(jìn)入死區(qū)后需要對(duì)變槳電機(jī)制動(dòng)器抱閘鎖死，防止異步電機(jī)勵(lì)磁大電流對(duì)電機(jī)造成不必要的溫升及能耗問(wèn)題。同時(shí)風(fēng)電變槳系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中將隨風(fēng)況變化進(jìn)行調(diào)整葉片槳葉需求，會(huì)進(jìn)行不固定的電機(jī)啟動(dòng)、停止切換，對(duì)此制動(dòng)器也將出現(xiàn)頻繁啟停[2]。

永磁同步變槳系統(tǒng)主要采用id=0的矢量控制方式，電機(jī)輸出力矩與電流基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在變槳系統(tǒng)不需要進(jìn)行變槳過(guò)程中所需要輸出的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)電機(jī)電流也較小，并且能夠提供較好的零速轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行在這種工況下不會(huì)對(duì)溫升及能耗等產(chǎn)生太大影響。故在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)情況下永磁變槳電機(jī)方案的制動(dòng)器均處于長(zhǎng)期供電釋放狀態(tài)。

另外，風(fēng)電變槳系統(tǒng)在運(yùn)行環(huán)境上具有多變復(fù)雜的振動(dòng)、沖擊、旋轉(zhuǎn)、高低溫及快速溫變、電磁干擾等綜合環(huán)境應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力提出很高的技術(shù)要求。

2.1 制動(dòng)器啟停時(shí)效

變槳距系統(tǒng)接收槳距角指令到變槳距軸承開(kāi)始動(dòng)作時(shí)間規(guī)定要求不大于200ms，對(duì)此制動(dòng)器分離時(shí)間t2需要完全保證在200ms以內(nèi)，如圖2所示。

圖2 制動(dòng)器扭矩-時(shí)間曲線

變槳距系統(tǒng)大部分時(shí)間抱閘處于零速抱閘，即變槳電機(jī)轉(zhuǎn)速為零后延時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)行抱閘。該需求下對(duì)制動(dòng)器連接時(shí)間t1無(wú)特殊要求。當(dāng)變槳距系統(tǒng)處于失控狀態(tài)，無(wú)法正常調(diào)節(jié)到指定位置時(shí)將以一定速度向安全限位開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行硬件回路斷電，保證槳葉處于安全狀態(tài)。緊急順槳速度以不大于10°/s計(jì)算，限位撞鐵有效距離以5°計(jì)算，要求t1最大不應(yīng)超過(guò)0.5s，否則將出現(xiàn)越過(guò)安全限位，導(dǎo)致變槳距系統(tǒng)無(wú)法硬件斷電，槳葉亂轉(zhuǎn)失控。

2.2 制動(dòng)摩擦盤疲勞磨損

變槳距系統(tǒng)正常工作條件下存在以下幾種工況疲勞磨損：

一是變槳電機(jī)正常運(yùn)行工況下，制動(dòng)器處于分離狀態(tài)，制動(dòng)摩擦盤通過(guò)花鍵聯(lián)接跟隨電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，由于輪轂處于360°旋轉(zhuǎn)，受重力及振動(dòng)作用，制動(dòng)摩擦盤處于長(zhǎng)期懸浮小力矩摩擦磨損[3]。

二是變槳電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中由于電機(jī)輸出力矩時(shí)間快于分離時(shí)間t2，在電機(jī)輸出力矩大于制動(dòng)器制動(dòng)力矩時(shí)，制動(dòng)摩擦盤處于低速下短時(shí)帶載磨損。在三相交流異步方案中由于啟停的頻繁性導(dǎo)致該工況較為常見(jiàn)，永磁同步方案中基本可以忽略。

三是變槳緊急停機(jī)需求，需要通過(guò)撞限位斷硬件停機(jī)時(shí)，制動(dòng)器依靠制動(dòng)盤摩擦阻力將整個(gè)變槳系統(tǒng)慣量進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)摩擦盤處于高速大扭矩下短時(shí)磨損。在整個(gè)風(fēng)電變槳設(shè)計(jì)壽命20年中，需要近似按1000次進(jìn)行急停能力評(píng)估。

四是極限工況下，當(dāng)變槳電機(jī)制動(dòng)回路故障時(shí)，此時(shí)如果變槳電機(jī)輸出力矩能力大于制動(dòng)器制動(dòng)力矩，變槳電機(jī)將直接強(qiáng)制帶動(dòng)制動(dòng)器吸合狀態(tài)下的制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)，此時(shí)制動(dòng)器處于非正常的工作模式，有可能直接在此應(yīng)用工況下出現(xiàn)過(guò)度磨損。

2.3 電機(jī)制動(dòng)力矩穩(wěn)定性

由于變槳運(yùn)行安全性要求，對(duì)制動(dòng)器提出了制動(dòng)力矩穩(wěn)定性要求。如環(huán)境溫度、濕度變化對(duì)制動(dòng)力矩影響；對(duì)于零速制動(dòng)及緊急制動(dòng)下制動(dòng)器靜態(tài)力矩、動(dòng)態(tài)力矩存在差異；新出廠產(chǎn)品及經(jīng)歷制動(dòng)盤疲勞磨損后制動(dòng)力矩偏差等。以上方面制動(dòng)力矩穩(wěn)定性都關(guān)系到變槳電機(jī)能否安全運(yùn)行，需要在應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)行考量。

2.4 制動(dòng)器與電機(jī)熱穩(wěn)定性

變槳電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下溫度較高，一般在60～120℃，制動(dòng)器直接安裝在電機(jī)上，一方面承受電機(jī)溫度對(duì)制動(dòng)器運(yùn)行溫度的影響。同時(shí)變槳制動(dòng)器采用恒定24V供電，無(wú)降壓保持設(shè)計(jì)，對(duì)此，制動(dòng)器本身發(fā)熱反過(guò)來(lái)對(duì)電機(jī)溫升也存在影響，制動(dòng)器應(yīng)用中需要考慮制動(dòng)器熱穩(wěn)定性是否在電機(jī)運(yùn)行溫升內(nèi)的可接受范圍。

3 應(yīng)用試驗(yàn)分析

3.1 啟停時(shí)間試驗(yàn)

結(jié)合變槳電機(jī)控制進(jìn)行制動(dòng)器啟停時(shí)間測(cè)試，首先需要將制動(dòng)器回路進(jìn)行單獨(dú)控制，調(diào)整電機(jī)力矩輸出小于制動(dòng)器力矩。提前2s讓電機(jī)保持力矩輸出，制動(dòng)器處于抱閘狀態(tài)，當(dāng)制動(dòng)器供電后開(kāi)始計(jì)時(shí)，觀察變槳電機(jī)速度、位置開(kāi)始變化時(shí)間?，F(xiàn)選用某品牌制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)在時(shí)間56.46s時(shí)制動(dòng)器得電，于56.68s時(shí)變槳電機(jī)方采集到速度變化信號(hào)。制動(dòng)器分離時(shí)間t2近似為0.22s，與變槳距系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求200ms存在微小差距。

圖3 制動(dòng)器分離時(shí)間試驗(yàn)

變槳電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中直接將制動(dòng)器回路斷電，使用抱閘制動(dòng)力矩將電機(jī)速度減速至零，當(dāng)制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力矩時(shí)變槳電機(jī)開(kāi)始輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)電流快速上升，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。制動(dòng)器連接時(shí)間t1=66.70-66.46=0.24s＜0.5s，滿足變槳距系統(tǒng)使用工況[4]。

圖4 制動(dòng)器連接時(shí)間試驗(yàn)

3.2 制動(dòng)盤疲勞磨損試驗(yàn)

使用三相交流異步變槳距系統(tǒng)進(jìn)行模擬變槳運(yùn)行的（1）、（2）兩種工況，變槳電機(jī)啟動(dòng)，并保持高速1500rpm下運(yùn)行15s后停止，循環(huán)測(cè)試。在電機(jī)頻繁啟動(dòng)及空載情況下產(chǎn)生以上兩種疲勞磨損。記錄試驗(yàn)前制動(dòng)力矩及制動(dòng)盤厚度。選用某廠家某型號(hào)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)15萬(wàn)次、40萬(wàn)次時(shí)拆卸制動(dòng)器，測(cè)量制動(dòng)盤厚度（90°等分測(cè)量4點(diǎn)）及制動(dòng)力矩見(jiàn)表1。

表1 制動(dòng)盤疲勞（1、2）磨損數(shù)據(jù)

可以看出該款制動(dòng)器在經(jīng)過(guò)（1）、（2）工況的疲勞磨損試驗(yàn)后，制動(dòng)力矩有明顯衰減，摩擦盤厚度基本無(wú)變化。需要根據(jù)變槳距系統(tǒng)使用期間啟停次數(shù)進(jìn)行制動(dòng)力矩能力評(píng)估。

在變槳運(yùn)行疲勞磨損的（3）工況，使變槳電機(jī)在高速2000rpm下運(yùn)轉(zhuǎn)，中途同時(shí)斷開(kāi)制動(dòng)器及變槳電機(jī)供電，使用制動(dòng)器制動(dòng)力矩對(duì)電機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)。試驗(yàn)中選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的異步電機(jī)，在試驗(yàn)前及500、1000次疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行制動(dòng)器摩擦盤厚度及制動(dòng)力矩測(cè)量。選用某廠家某型號(hào)產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 制動(dòng)盤疲勞（3）磨損數(shù)據(jù)

制動(dòng)器經(jīng)歷工況（3）批量磨損下制動(dòng)力矩及制動(dòng)盤厚度基本無(wú)變化。

極限工況（4）使用變槳距系統(tǒng)輸出力矩大于制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)行一次0～90°的緊急順槳過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)一次順槳過(guò)程的磨損制動(dòng)器額定力矩跌幅大于40%，制動(dòng)盤研磨出粗糙的非金屬顆粒，制動(dòng)器處于失效狀態(tài)。

3.3 力矩穩(wěn)定性試驗(yàn)

面對(duì)變槳距復(fù)雜應(yīng)用工況，需要對(duì)制動(dòng)器試驗(yàn)進(jìn)行綜合考慮。在一般變槳運(yùn)行工況（環(huán)境溫度-30℃～+50℃；環(huán)境濕度≤95%，無(wú)凝露；海拔≤2000m）下制動(dòng)器制可不進(jìn)行試驗(yàn)，基本能保持力矩穩(wěn)定性。在超出正常運(yùn)行環(huán)境要求時(shí)需要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。超低溫由于制動(dòng)器內(nèi)部金屬?gòu)椈膳c非金屬摩擦盤收縮率不同，可能導(dǎo)致電磁力克服彈簧力不同，導(dǎo)致制動(dòng)力矩出現(xiàn)偏差。濕度主要影響到制動(dòng)摩擦盤摩擦系數(shù)，對(duì)密封性不良安裝的制動(dòng)器，制動(dòng)力矩存在20%左右差異。同時(shí)，制動(dòng)器摩擦盤的清潔程度直接關(guān)系到產(chǎn)品的力矩穩(wěn)定性，在變槳電機(jī)組裝過(guò)程中由于金屬防銹油、操作員工汗液等異物污染，很容易將異物在金屬盤上造成不可逆的污染，在生產(chǎn)過(guò)程控制上需要進(jìn)行嚴(yán)格把控，保證變槳電機(jī)的最終產(chǎn)品力矩穩(wěn)定。

3.4 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

變槳距系統(tǒng)采用恒定24V供電，單獨(dú)進(jìn)行制動(dòng)器熱平衡試驗(yàn)，在室溫29.4℃下制動(dòng)器表面最高溫度為78.8℃，平衡后熱成像如圖5所示。

圖5 制動(dòng)器熱平衡試驗(yàn)

制動(dòng)器發(fā)熱對(duì)變槳電機(jī)溫升具有多大影響，試驗(yàn)中采用安裝制動(dòng)器的電機(jī)在只進(jìn)行制動(dòng)器供電下的熱平衡試驗(yàn)，結(jié)果顯示環(huán)境溫度28.5℃時(shí)，裝有供電24V下制動(dòng)器電機(jī)表面最高溫度為39.9℃，約有11K的溫升影響，如圖6所示。

圖6 安裝制動(dòng)器電機(jī)熱平衡試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)變槳距系統(tǒng)幾種運(yùn)行工況分析，在實(shí)驗(yàn)室模擬了相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)制動(dòng)器在應(yīng)用過(guò)程中的啟停時(shí)間、疲勞磨損、力矩穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性方面給出相關(guān)考慮方向。在啟停時(shí)間方面需要嚴(yán)格控制制動(dòng)器的釋放/吸合時(shí)間，既要保證盡可能快的釋放避開(kāi)電機(jī)力矩的輸出速度，又要盡可能快的吸合產(chǎn)生制動(dòng)扭矩，避免緊急情況下硬件斷電的需求。對(duì)于疲勞磨損，綜合考慮了風(fēng)電變槳應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)長(zhǎng)時(shí)懸浮摩擦、啟動(dòng)過(guò)程摩擦、緊急停機(jī)克服慣量摩擦及變槳系統(tǒng)電路異常情況的摩擦情況進(jìn)行預(yù)測(cè)性模擬，指出需要關(guān)鍵注意變槳系統(tǒng)在克服慣量停機(jī)過(guò)程中的磨損；對(duì)于異常供電回路異常導(dǎo)致的輸出轉(zhuǎn)矩大于制動(dòng)力矩將會(huì)直接造成產(chǎn)品損壞。力矩穩(wěn)定性是制動(dòng)器產(chǎn)品本身關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，在應(yīng)用場(chǎng)景中也一樣承擔(dān)的關(guān)鍵作用，對(duì)批次性產(chǎn)品上建議進(jìn)行監(jiān)控。最后熱穩(wěn)定性上可以看到在長(zhǎng)時(shí)間供電過(guò)程中，產(chǎn)品自身能耗將反作用影響電機(jī)，電機(jī)溫升又影響制動(dòng)器運(yùn)行環(huán)境溫度，在評(píng)估應(yīng)用場(chǎng)景中，需要考慮制動(dòng)器實(shí)際可能的運(yùn)行溫度狀態(tài)，評(píng)估其穩(wěn)定性。

由于實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境存在的偏差，比如振動(dòng)和多條件的綜合性影響等，不能完全等效現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況。如有條件可對(duì)變槳距系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行不同時(shí)間下的制動(dòng)摩擦盤厚度及制動(dòng)力矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，指導(dǎo)今后在變槳電動(dòng)機(jī)上的制動(dòng)器應(yīng)用測(cè)試技術(shù)。