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      風(fēng)電機(jī)組偏航傳感器設(shè)計

      2015-12-12 08:18:36任華彬徐鳳榮王明軍
      風(fēng)能 2015年4期
      關(guān)鍵詞:風(fēng)輪高電平風(fēng)向

      文 | 任華彬,徐鳳榮,王明軍

      當(dāng)風(fēng)電機(jī)組葉輪平面與風(fēng)向垂直,即:葉輪軸線方向與風(fēng)向一致時,葉輪吸收的風(fēng)能最大,機(jī)組發(fā)電效率最高。由于風(fēng)電場的風(fēng)向不斷變化,機(jī)組需要隨著風(fēng)向的變化按照一定的邏輯進(jìn)行偏航對風(fēng)。因此,偏航準(zhǔn)確與否,直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率。主動偏航系統(tǒng)偏航接近開關(guān)和偏航限位開關(guān)分別是偏航系統(tǒng)的檢測元件和偏航極限停機(jī)的觸發(fā)機(jī)構(gòu),本文將對這兩個偏航傳感器的設(shè)計進(jìn)行分析和探討。

      風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)

      風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng),按驅(qū)動方式分為主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)兩種。被動系統(tǒng)指的是依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航系統(tǒng),常見的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向三種;主動系統(tǒng)指由調(diào)向電機(jī)將風(fēng)輪調(diào)整至迎風(fēng)位置。主動偏航系統(tǒng)需要測量風(fēng)向,根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)輪平面法線方向來確定調(diào)整方向,雖結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,但迎風(fēng)過程是可控的。

      兆瓦級風(fēng)電機(jī)組采用主動偏航系統(tǒng),通過偏航電機(jī)來調(diào)整風(fēng)輪并使其對準(zhǔn)風(fēng)向。研究由電機(jī)帶動的主動迎風(fēng)偏航控制系統(tǒng),使迎風(fēng)調(diào)向準(zhǔn)確穩(wěn)定,對延長調(diào)向機(jī)構(gòu)的壽命和提高發(fā)電量均具有十分重要的意義。

      偏航系統(tǒng)也稱對風(fēng)裝置,由控制與檢測部分、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和扭纜保護(hù)裝置三部分組成。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個:其一是與風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合,使風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài),使風(fēng)電機(jī)組能充分吸收風(fēng)能,提高機(jī)組的發(fā)電效率。其二是保證機(jī)組懸垂部分的電纜不至于產(chǎn)生過度的紐轉(zhuǎn)而使電纜斷裂、失效,在電纜達(dá)到設(shè)計纏繞值時能夠自動解纜。

      如圖1所示,偏航系統(tǒng)主要由風(fēng)向標(biāo)、偏航電機(jī)、減速齒輪箱和回轉(zhuǎn)體大齒輪組成。其工作原理為:控制系統(tǒng)通過對機(jī)艙尾部的氣象設(shè)備測得的風(fēng)速、風(fēng)向及機(jī)組狀態(tài)等信息進(jìn)行分析,按照一定的邏輯確定是否需要驅(qū)動裝置來調(diào)整機(jī)艙與風(fēng)向的角度,使風(fēng)輪葉片始終朝著迎風(fēng)的方向,以保證風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時能夠充分吸收當(dāng)前的風(fēng)動能,電機(jī)通過同軸聯(lián)接的減速齒輪箱減速后將動力傳給塔筒法蘭盤上的偏航大齒輪,從而帶動整個機(jī)艙轉(zhuǎn)動,當(dāng)對風(fēng)完成后,電機(jī)停止工作,液壓剎車和電氣剎車同時投入,偏航過程結(jié)束。另外,為保持整個過程的穩(wěn)定性,偏航過程中需要液壓站提供一定的制動力。

      由于風(fēng)向的不斷變化,偏航電機(jī)也不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)向同一個方向偏航的圈數(shù)大于設(shè)定的圈數(shù)時,會引起電纜的纏繞甚至出現(xiàn)電纜絞死,影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此系統(tǒng)設(shè)置了自動解纜命令。當(dāng)圈數(shù)超過風(fēng)電機(jī)組設(shè)定的圈數(shù)時,系統(tǒng)執(zhí)行自動解纜命令,啟動偏航電機(jī),向相反的方向轉(zhuǎn)動纏繞的圈數(shù);當(dāng)出現(xiàn)因軟件或硬件的原因?qū)е伦詣咏饫|失效時,風(fēng)電機(jī)組會觸發(fā)偏航限位開關(guān)極限位置達(dá)到保護(hù)扭轉(zhuǎn)電纜的目的。

      偏航系統(tǒng)接近開關(guān)與限位開關(guān)

      如圖2所示,偏航系統(tǒng)由軸承、剎車器、驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪箱、接近開關(guān)和限位開關(guān)等部件組成。該系統(tǒng)為主動式系統(tǒng),能夠根據(jù)風(fēng)電機(jī)組尾部的風(fēng)向儀測得的風(fēng)向值與風(fēng)電機(jī)組實際偏航角度按照一定的邏輯自動對風(fēng),使風(fēng)輪的掃風(fēng)面盡量與風(fēng)向垂直,以最大限度的捕獲風(fēng)能;同時會根據(jù)測得的角度值判斷風(fēng)電機(jī)組扭轉(zhuǎn)電纜是否達(dá)到設(shè)置的軟件極限保護(hù)值,當(dāng)?shù)竭_(dá)軟件極限保護(hù)值時停機(jī)進(jìn)行自動解纜;另外,出現(xiàn)軟件失效時,通過偏航限位開關(guān)串聯(lián)的硬件回路有效的保護(hù)扭轉(zhuǎn)電纜。

      對風(fēng)和解纜需要知道風(fēng)電機(jī)組實際的對風(fēng)角度、電纜扭纜角度及偏航方向,某風(fēng)電機(jī)組采用2個接近開關(guān)計算實際的風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)角度、電纜扭纜角度及偏航方向,采用限位開關(guān)用于電纜扭纜的極限保護(hù)。偏航接近開關(guān)和限位開關(guān)在偏航系統(tǒng)工作過程中起到非常關(guān)鍵的作用,如設(shè)計的不合理,輕則出現(xiàn)因角度測量不準(zhǔn)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)不準(zhǔn)而影響發(fā)電量,重則出現(xiàn)扭斷電纜的嚴(yán)重事故。

      圖1 風(fēng)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      圖2 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      圖3 偏航傳感器位置

      偏航接近開關(guān)設(shè)計

      某風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的接近開關(guān)安裝相對位置如圖3所示。接近開關(guān)用于測量實際機(jī)艙角度(相對于正北方向)和方向的傳感器,該風(fēng)電機(jī)組偏航外齒圈齒數(shù)為169個,定義齒頂寬如圖4中的B,定義齒間距如圖4中的C,當(dāng)偏航電機(jī)運(yùn)行時通過減速齒輪箱帶動外齒圈運(yùn)行,接近開關(guān)經(jīng)過一個齒頂時產(chǎn)生一個高電平信號,運(yùn)行一整圈接近開關(guān)將產(chǎn)生169個高電平信號,即一個高電平信號對應(yīng)的偏航角度為2.13°,控制系統(tǒng)根據(jù)測量的高電平信號個數(shù)計算出實際的偏航角度。另外2個接近開關(guān)在分別接近齒頂時會產(chǎn)生高電平信號,在離開齒頂向齒底運(yùn)行時高電平信號將消失,可以通過2個接近開關(guān)高、低電平信號的邏輯關(guān)系判斷實際偏航運(yùn)動的方向,如2個接近開關(guān)的高、低電平信號如表1所示,則代表逆時針偏航,高、低電平信號如表2所示,則代表順時針偏航。但只有接近開關(guān)1和2之間的間距滿足一定的關(guān)系時才能出現(xiàn)表1和表2所示的高、低電平序列,通過實際測試和公式計算,當(dāng)圖4中所示的接近開關(guān)之間的距離A應(yīng)滿足C

      圖4 偏航齒距及傳感器間距

      表1 逆時針偏航序列

      表2 順時針偏航序列

      偏航限位開關(guān)設(shè)計

      偏航限位開關(guān)的安裝位置如圖2所示,主要作用為在計數(shù)傳感器或軟件出現(xiàn)問題時,通過觸發(fā)限位開關(guān)極限信號保護(hù)機(jī)組的扭轉(zhuǎn)電纜。在偏航過程中,通過偏航外齒和限位開關(guān)齒盤之間的嚙合帶動限位開關(guān)軸的轉(zhuǎn)動,軸上連接有不同變比的凸輪,通過軸的轉(zhuǎn)動帶動不同變比的凸輪轉(zhuǎn)動,當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的極限角度時(如720°),對應(yīng)的凸輪會頂住相應(yīng)的開關(guān)點,該開關(guān)點信號用于切斷相應(yīng)的偏航控制回路,從而達(dá)到保護(hù)扭轉(zhuǎn)電纜的目的。不同機(jī)組限位開關(guān)本身的結(jié)構(gòu)基本一致,主要的工作是根據(jù)不同的偏航齒圈、限位開關(guān)齒盤及機(jī)架尺寸設(shè)計滿足要求的安裝支架。

      標(biāo)準(zhǔn)齒外嚙合的情況如圖5所示,d為齒的嚙合圓直徑,m為齒的模數(shù),Z為齒數(shù),ha為嚙合圓和齒頂圓之間的距離,a為兩個齒嚙合的中心距,根據(jù)機(jī)械手冊可知:

      嚙合圓直徑 d=mZ+2ha

      一般情況 ha=m

      可得 d=mZ+2m=m(Z+2)

      可分別得2個嚙合圓直徑 d1= m(Z1+2),d2= m(Z2+2)

      兩個齒圈嚙合的中心距a=(d1+d2)/2=m(Z1+Z2+4)/2

      圖5 標(biāo)準(zhǔn)齒外嚙合

      根據(jù)以上公式可以計算出偏航齒圈和限位開關(guān)齒盤嚙合后的中心距離。如某機(jī)型的偏航齒數(shù)Z2=169,限位開關(guān)齒盤齒數(shù)為Z1=12,模數(shù)m=18,通過以上公式計算可得偏航齒圈嚙合圓直徑d1=3078mm,限位開關(guān)嚙合圓直徑d2=252mm,進(jìn)而得兩個齒圈嚙合后的中心距a=1665mm,根據(jù)以上計算的結(jié)果、機(jī)架的相關(guān)尺寸及限位開關(guān)傳感器的尺寸即可設(shè)計限位開關(guān)傳感器的支架,同時根據(jù)限位開關(guān)嚙合圓直徑d2設(shè)計限位開關(guān)齒盤。

      結(jié)語

      風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)發(fā)電和電纜出現(xiàn)扭纜后的解纜,且在軟件異常時能有效保護(hù)扭轉(zhuǎn)電纜不被扭斷,實現(xiàn)對風(fēng)和解纜功能需要測量實際的偏航角度、電纜扭纜角度及運(yùn)行方向,實現(xiàn)軟件異常時的電纜保護(hù)需要設(shè)計限位開關(guān)保護(hù)。在實際的樣機(jī)設(shè)計中出現(xiàn)過傳感器設(shè)計不合理導(dǎo)致偏航系統(tǒng)不能正常工作的情況,本文詳細(xì)介紹了測量偏航角度大小和方向的一種設(shè)計方法及偏航限位開關(guān)的設(shè)計過程,在實際工程設(shè)計方面具有重要的指導(dǎo)和現(xiàn)實意義。

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