功率可回收的電液比例偏航阻尼裝置的研究

劉峰

摘 要：該文論述了用于大型風電機組的功率可回收的電液比例偏航阻尼裝置，它是一種新型偏航阻尼裝置，介紹了其工作原理及其構成；當風機機艙偏航回轉時，它驅動一由電液比例溢流閥加載的“液壓泵-液壓馬達組合”，由它為機艙在偏航時施以阻尼力矩，其阻尼力矩可以通過給電液比例閥發出的指令來改變，以使機艙的廻轉更加平穩達到最佳的效果，而且驅動液壓泵的功率可以大部分回收，減少了發熱。該偏航阻尼裝置為大型風電機組偏航制動系統增添了一種新的阻尼方式，經試驗證明取得了良好的效果。

關鍵詞：偏航制動 液壓加載 電液比例溢流閥 雙出軸偏航電機

中圖分類號：TU923 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-0-02

風力發電機組是將風能轉化為電能的機械設備。目前，大型風力發電機組向大功率、高效率、高可靠性方向發展，風力發電機組的制動系統的性能影響著風電機組的運行情況；該文首先針對目前一些風力發電機組偏航制動系統易發生的問題進行了分析并提出了可行的解決措施，具有實用的參考價值[1]。

偏航系統是風力發電機組不可缺少的組成部分。它是一個較復雜的自動控制系統，其中偏航制動的性能尤為重要，偏航制動的功能是使偏航停止及偏航運動過程中產生一定的阻尼力矩，使機艙平穩轉動。

當前國內國外的大型和特大型風電機組的偏航制動機構均是由多組鉗盤式液壓制動器和一個大直徑的制動盤構成，即將多個液壓制動器固定在迴轉的機艙座上，而制動盤則被固定在風機的塔架上，當機艙做偏航迴轉（俗稱對風）時依靠制動器的摩擦片與制動盤之間的摩擦產生的的摩擦阻力矩（稱阻尼力矩）使機艙平穩的轉動。這種傳統的靠摩擦對機艙產生阻尼力矩的方式，在實際運行中存在著下列需要解決的問題：（1）鉗盤式液壓制動器的摩擦副磨損較嚴重，需經常更換摩擦片；（2）摩擦全部轉換為熱能無法再回收利用；（3）在偏航運動過程中由于摩擦產生強烈的噪聲乃至振動；（4）阻尼力矩一旦設定后（即輸給液壓制動器的壓力不變）在偏航過程中不可調節。

針對這種情況，該文提出了不采用機械摩擦的方式對機艙回轉時產生阻尼力矩，而采用液壓加載的方式對機艙產生反向力矩，來解決上述4個問題。

1 液壓加載的原理及功率回收

由于驅動機艙回轉的電機（稱偏航電機）是多個，這些電機被固定在可回轉的機艙座上，每個電機都通過自己的減速機的輸出軸端的齒輪與固定在風機塔架上的大直徑齒圈的齒相嚙合，因此當這些電機旋轉時則機艙就繞著大直徑齒圈的中心旋轉。這里偏航電機采用了雙出軸的電機，軸的一端接減速機的輸入端而另一端接一個液壓泵，該液壓泵利用電機的軸作為動力來源，將液壓泵加載后就會對機艙產生阻尼力矩。

液壓泵的加載可由節流閥（或溢流閥）或由液壓馬達加載，但是由閥加載時油液通過閥要發熱有能量損失，不能回收，因此該文提出用“液壓泵-液壓馬達機組”（見圖1）由電液比例溢流閥加載的方式為液壓泵加載對機艙產生阻尼力矩[2]，由于泵的輸出的油通向液壓馬達使其旋轉，而液壓馬達的軸與泵軸為同一個軸，這樣就可將液壓馬達的動能回輸給液壓泵，這就將多臺偏航電機驅動液壓泵所用能量的大部分回收了。這里功率回收必須是液壓馬達的排量要略小于液壓泵的排量，液壓泵的出口必須并聯一個電液比例溢流閥，由它給液壓泵載；圖1為“液壓泵-液壓馬達組合”圖片，圖2為該偏航阻尼裝置的外形圖片。

圖3表示了偏航阻尼裝置的液壓系統的組成和工作原理；當液壓泵做正向旋轉時，液流的流向如圖4箭頭與線條、虛線所示，油液經單向閥1-2被泵a口吸入，再由b口供出，再分兩路，一路進入液壓馬達c口驅動馬達旋轉，油液從d口排出再回到泵的吸油口，形成一個閉式循環，另一路經單向閥2-1、比例溢流閥3流回油箱，由于馬達的排量小于泵的排量，泵和馬達又是同軸，則泵輸出的流量大于進入馬達的流量，而過剩的流量只能通過比例溢流閥3流回油箱，增加比例閥的輸入電流就可增加泵的出口的壓力，即增加了負載，調節輸入給比例閥的電流就可調節機艙回轉的阻尼力矩。反之，當液壓泵反向旋轉時液流的流向如圖5中箭頭與線條、虛線所示，也由電液比例溢流閥3調節阻尼力矩。這里通過比例溢流閥的一小部分的流量要轉換為熱量損失掉了而大部分流量用于驅動液壓馬達做功輸給泵，則該部分動能被回收了[3]。

當輸入給比例溢流閥的電流為零時，阻尼力矩為最小，此時風電機組可處于解纜工況。

對于功率回收的效果做如下分析：若不設有液壓馬達功率回收時，液壓泵輸出的壓力油則全部溢流了，其損失的功率為：

N=PQ （1）

式（1）中，P為液壓泵輸出的壓力；Q為液壓泵輸出的流量。

若設有液壓馬達做功率回收時，則液壓泵輸出的功率N分為兩部：

N=N1+N2 （2）

式（2）中，N1為溢流損失的功率約10%N；N2為輸入給馬達的功率為90%N。其中N2部分的15%為機械損失和容積損失之和（液壓馬達的總效率為85%），則輸給液壓馬達的功率損失為0.9·0.15N=13.5%N，由此可得總損失為：

（10%+13.5 %）N=23.5%N

則功率回收占液壓泵輸出的功率的76.5%。

2 結論

該文提出的用于大型風電機組的功率可回收的電液比例偏航阻尼裝置有如下的特點。

（1）采用液壓加載的方式產生阻尼力矩可以避免機械摩擦方式產生阻尼力矩出現的問題（如摩損、噪聲和振動等）。

（2）驅動液壓泵的功率大部分（大約76%）可回收再利用，可節省驅動偏航電機的功率。

（3）用液壓加載的方式產生的阻尼力矩的大小可以通過電液比例溢流閥來調節，即阻尼力矩與輸入給電液比例溢流閥的電信號成比例，以適應風況的變化。

該新型偏航阻尼裝置為大型風電機組偏航制動系統增添了一種新的阻尼方式，經試驗證明取得了良好的效果。目前國內外尚屬少見。

參考文獻

[1] 姚興佳，宋俊.風力發電機組原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2] 吳根茂.實用電液比例技術[M].杭州：浙江大學出版社，2003.

[3] 上海煤礦機械研究所編.液壓傳動設計手冊[M].上海：上海人民出版社，1988.