變槳電機制動器選型技術(shù)研究

饒木金 胡岳

摘要：通過對彈簧加壓制動器基本構(gòu)成及其工作原理進行介紹，有效結(jié)合變槳電機現(xiàn)場運用工況，對異步變槳電機及永磁同步電機啟停方案進行分析，提出了變槳電機制動器在啟停時間、制動摩擦盤疲勞磨損、力矩穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性上的相關(guān)技術(shù)要求，通過試驗進行模擬測試，對變槳電機在制動器選型上提供重要的實際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：變槳電機;制動器;制動力矩;啟停時間;摩擦盤;疲勞;磨損。

中圖分類號：TK83 文獻標(biāo)識碼：A

1引言

變槳距系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機組中控制并調(diào)整葉片槳距角裝置，作為變槳距系統(tǒng)中執(zhí)行裝置的變槳電機直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機組對風(fēng)能的吸收利用率及整機的安全性。變槳電機在正常并網(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槳距角進行保持;對特殊緊急工況下系統(tǒng)斷電后需要緊急制動鎖死。對此作為變槳電機重要組成部件的制動器需要配合電動機實現(xiàn)以上功能。目前，主流電動變槳系統(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。近年來隨著市場需求，制動器也陸續(xù)引用國內(nèi)產(chǎn)品，但從技術(shù)驗證上未能提供變槳工況下有效試驗方案，對此在制動器選型上結(jié)合變槳運用實際工況，提出響應(yīng)時間、制動摩擦盤疲勞磨損、制動力矩穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性等相關(guān)測試技術(shù)要求，為變槳電機在制動器選型上提供有效參考。

2制動器基本結(jié)構(gòu)及工作原理

變槳電機上主要使用彈簧加壓式電磁安全制動器，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器，可以在失電情況下使電機軸緊急制動或正常工作停機后使電機軸保持制動狀態(tài)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、制動平穩(wěn)、性能穩(wěn)定可靠、安裝維修方便、壽命長久、噪音低、易于控制等優(yōu)點。

2.1基本結(jié)構(gòu)

彈簧加壓式電磁安全制動器的基本結(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2、銜鐵3、制動彈簧4等，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括軸套5和制動摩擦盤6。將制動器用螺釘1安裝在電機座或?qū)ε寄Σ帘P7或法蘭上。調(diào)節(jié)定距螺管8使銜鐵和磁鐵之間的氣隙保持在額定值。

2.2工作原理

彈簧加壓式電磁安全制動器的制動力來自彈簧，電磁力用于解除制動。制動器失電時，電磁鐵2的線圈失去電磁力，壓縮彈簧4依靠自身的彈力將銜鐵3和制動摩擦盤6壓向?qū)ε寄Σ帘P7，正隨電機軸旋轉(zhuǎn)的摩擦盤與銜鐵和對偶摩擦盤產(chǎn)生摩擦力而使制動器制動、電機軸停止轉(zhuǎn)動。制動器接通直流電后，電磁鐵的線圈產(chǎn)生一個電磁場，銜鐵在電磁力的作用下，抵消彈簧力被吸引到電磁鐵上，使銜鐵與制動摩擦盤分離，制動器制動被釋放，電機軸可以帶著摩擦盤正常旋轉(zhuǎn)。

3變槳運行工況

目前，主流電動變槳系統(tǒng)有三相交流異步及永磁同步兩套方案。三相交流異步變槳系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)差頻率控制，在槳距角進入死區(qū)后需要制動器抱閘鎖死，在該工況將制動器將出現(xiàn)頻繁啟停。永磁同步變槳系統(tǒng)采用id=0的矢量控制方式，在風(fēng)電機組并網(wǎng)情況下制動器均處于釋放狀態(tài)。

3.1啟停時間

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

變槳距系統(tǒng)大部分時間抱閘處于零速抱閘，即變槳電機轉(zhuǎn)速為零后增加一段時間延時后進行抱閘。該需求下對制動器連接時間t1無特殊要求。當(dāng)變槳距系統(tǒng)處于失控狀態(tài)，無法正常調(diào)節(jié)到指定位置時將以一定速度向安全限位開關(guān)選擇，進行硬件回路斷電，保證槳葉處于安全狀態(tài)。緊急順槳速度以不大于10°/s計算，限位撞鐵有效距離以5°計算，要求t1最大不應(yīng)超過0.5s，否則將出現(xiàn)變槳距系統(tǒng)無法硬件斷電，槳葉亂轉(zhuǎn)。

3.2制動摩擦盤疲勞磨損

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：

（1）變槳電機正常運行工況下，制動器處于分離狀態(tài)，制動摩擦盤跟隨電機軸旋轉(zhuǎn)，由于輪轂處于360°旋轉(zhuǎn)，受重力及振動作用，制動摩擦盤處于高速低摩擦力下長期磨損。

（2）變槳電機啟動過程中由于電機輸出力矩時間小于分離時間t2，在電機輸出力矩大于制動器制動力矩時，制動摩擦盤處于低速下短時磨損。在三相交流異步方案中較為常見，永磁同步方案中可以忽略。

（3）變槳緊急撞限位停機時，需要制動器依靠制動盤將整個系統(tǒng)慣量進行制動，制動摩擦盤處于高速大扭矩下短時磨損。

（4）極限工況下，變槳電機輸出力矩大于制動器制動力矩，當(dāng)變槳電機制動回路故障時，變槳電機直接帶動抱閘狀態(tài)下的制動盤旋轉(zhuǎn)。

3.3力矩穩(wěn)定性

由于變槳運行安全性要求，對制動器提出了制動力矩穩(wěn)定性要求。如環(huán)境溫度、濕度變化對制動力矩影響;對于零速制動及緊急制動下制動器靜態(tài)力矩、動態(tài)力矩存在差異;新出廠產(chǎn)品及經(jīng)歷制動盤疲勞磨損后制動力矩偏差等。以上方面制動力矩穩(wěn)定性都關(guān)系到變槳電機能否安全運行，需要在選型過程中進行考量。

3.4熱穩(wěn)定性

變槳電機運行狀態(tài)下溫度較高，一般在60～120℃之間，制動器直接安裝在電機上，一方面承受電機溫度對制動器運行溫度的影響。同時變槳制動器采用恒定24V供電，無降壓保持設(shè)計，對此，制動器本身發(fā)熱反過來對電機溫升也存在影響，制動器選型中需要考慮制動器熱穩(wěn)定性是否在電機運行溫升內(nèi)的可接受范圍。

4試驗分析

4.1啟停時間試驗

結(jié)合變槳電機控制進行制動器啟停時間測試，首先需要將制動器回路進行單獨控制，調(diào)整電機力矩輸出小于制動器力矩。提前2s讓電機保持力矩輸出，制動器處于抱閘狀態(tài)，當(dāng)制動器供電后開始計時，觀察變槳電機速度、位置開始變化時時間。現(xiàn)選用某品牌制動器進行試驗結(jié)果如圖3所示，當(dāng)在時間56.46s時制動器得電，于56.68s時變槳電機方采集到速度變化信號。制動器分離時間t2近似為0.22s，與變槳距系統(tǒng)響應(yīng)時間要求200ms存在微小差距。

變槳電機旋轉(zhuǎn)過程中直接將制動器回路斷電，使用抱閘制動力矩將電機速度減速至零，當(dāng)制動器產(chǎn)生制動力矩時變槳電機開始輸出轉(zhuǎn)矩，電機電流快速上升，試驗結(jié)果如圖4所示。制動器連接時間t1=66.70-66.46=0.24s<0.5s，滿足變槳距系統(tǒng)使用工況。

4.2制動盤疲勞磨損試驗

使用三相交流異步變槳距系統(tǒng)進行模擬變槳運行的（1）、（2）兩種工況，變槳電機啟動，并保持高速1500rpm下運行15s后停止，循環(huán)測試。在電機頻繁啟動及空載情況下產(chǎn)生以上兩種疲勞磨損。記錄試驗前制動力矩及制動盤厚度。選用某廠家某型號產(chǎn)品經(jīng)過15萬次、40萬次時拆卸制動器，測量制動盤厚度（90°等分測量4點）及制動力矩如表1。

可以看出該款制動器在經(jīng)過（1）（2）工況的疲勞磨損試驗后，制動力矩有明顯衰減，摩擦盤厚度基本無變化。需要根據(jù)變槳距系統(tǒng)使用期間啟停次數(shù)進行制動力矩能力評估。

在變槳運行疲勞磨損的（3）工況，使變槳電機在高速2000rpm下運轉(zhuǎn)，中途同時斷開制動器及變槳電機供電，使用制動器制動力矩對電機進行緊急制動。試驗中選用轉(zhuǎn)動慣量大的異步電機，在試驗前及500、1000次疲勞試驗后進行制動器摩擦盤厚度及制動力矩測量。選用某廠家某型號產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)如表2。

制動器經(jīng)歷工況（3）批量磨損下制動力矩及制動盤厚度基本無變化。

極限工況（4）使用變槳距系統(tǒng)輸出力矩大于制動力矩設(shè)計進行測試，進行一次0～90°的緊急順槳過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一次順槳過程的磨損制動器額定力矩跌幅大于40%，制動盤研磨出粗糙的非金屬顆粒，制動器處于失效狀態(tài)。

4.3力矩穩(wěn)定性試驗

面對變槳距復(fù)雜應(yīng)用工況，需要對制動器試驗進行綜合考慮。在一般變槳運行工況（環(huán)境溫度-30℃～+50℃;環(huán)境濕度≤95%，無凝露;海拔≤2000m）下制動器制可不進行試驗，基本能保持力矩穩(wěn)定性。在超出正常運行環(huán)境要求時需要進行驗證試驗。超低溫由于制動器內(nèi)部金屬彈簧與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)致制動力矩出現(xiàn)偏差。濕度主要影響到制動摩擦盤摩擦系數(shù)，對密封性不良安裝的制動器，制動力矩存在20%左右差異。

4.4熱穩(wěn)定性試驗

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

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

5結(jié)束語

通過對變槳距系統(tǒng)幾種運行工況分析，在實驗室模擬了相關(guān)試驗，對制動器在選型過程中的啟停時間、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。但由于實驗室與現(xiàn)場運行環(huán)境存在的偏差，比如振動和多條件的綜合性影響等，不能完全等效現(xiàn)場實際運行工況。如有條件可對變槳距系統(tǒng)現(xiàn)場運行不同時間下的制動摩擦盤厚度及制動力矩數(shù)據(jù)進行采集，與實驗室試驗進行比對驗證，指導(dǎo)今后在變槳電動機上的制動器選型測試技術(shù)。