風(fēng)電機組偏航傳感器設(shè)計

文 | 任華彬，徐鳳榮，王明軍

當(dāng)風(fēng)電機組葉輪平面與風(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，機組發(fā)電效率最高。由于風(fēng)電場的風(fēng)向不斷變化，機組需要隨著風(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的觸發(fā)機構(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)電機組偏航系統(tǒng)

風(fēng)電機組的偏航系統(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)機構(gòu)完成機組風(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)電機組采用主動偏航系統(tǒng)，通過偏航電機來調(diào)整風(fēng)輪并使其對準(zhǔn)風(fēng)向。研究由電機帶動的主動迎風(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)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，使風(fēng)電機組能充分吸收風(fēng)能，提高機組的發(fā)電效率。其二是保證機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、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)通過對機艙尾部的氣象設(shè)備測得的風(fēng)速、風(fēng)向及機組狀態(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)電機組在運行時能夠充分吸收當(dāng)前的風(fēng)動能，電機通過同軸聯(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，從而帶動整個機艙轉(zhuǎn)動，當(dāng)對風(fēng)完成后，電機停止工作，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，偏航電機也不斷地運轉(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)電機組的正常運轉(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，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、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)電機組尾部的風(fēng)向儀測得的風(fēng)向值與風(fēng)電機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)電機組采用2個接近開關(guān)計算實際的風(fēng)電機組對風(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)用于測量實際機艙角度（相對于正北方向）和方向的傳感器，該風(fēng)電機組偏航外齒圈齒數(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)偏航電機運行時通過減速齒輪箱帶動外齒圈運行，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)電機組偏航系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電機組對風(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。