電動變槳電磁制動器損壞典型案例分析

劉剛

邢臺任縣中廣核新能源發(fā)電有限公司 河北邢臺 054000

目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用了變槳距的功率調(diào)節(jié)方式，變槳距機(jī)構(gòu)主要有電動變槳和液壓變槳兩種方式，電動變槳系統(tǒng)槳距角控制精度高，氣候適應(yīng)性好，受溫度影響小，維護(hù)方便，國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用了電動變槳距方式。

1 電動變槳系統(tǒng)簡介

電動變槳在驅(qū)動方式上主要有減速器驅(qū)動與變槳軸承相連接的齒形帶進(jìn)行變槳和減速器小齒驅(qū)動變槳軸承內(nèi)齒圈進(jìn)行變槳兩種方式，電動變槳系統(tǒng)一般包括變槳控制器，伺服電動機(jī)驅(qū)動器，變槳伺服電機(jī)，變槳減速器，后備電源，傳感器等，其中傳感器主要包括接近開關(guān)，限位開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器，變槳系統(tǒng)工作時，變槳控制器根據(jù)風(fēng)電機(jī)組主控所給的位置或速度指令控制伺服電動機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行輸出，伺服電動機(jī)驅(qū)動器將變槳控制器給定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)化為電流和頻率信號控制變槳伺服電機(jī)運行，變槳伺服電機(jī)通過變槳減速器實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩向低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)變，最終由變槳減速器帶動葉片進(jìn)行變槳。

2 電磁制動器原理簡介

變槳系統(tǒng)的伺服電機(jī)通常采用電磁失電制動器，使用24V直流電供電，在斷電時實現(xiàn)制動，圖1電磁制動器包含勵磁部分(線圈、磁軛、彈簧、銜鐵)、制動盤、花鍵套，電磁制動器一般安裝在電機(jī)后端蓋上，花鍵套一般通過平鍵與電機(jī)軸連接，制動盤與花鍵套通過花鍵嚙合，當(dāng)制動器的線圈失電時，銜鐵在彈簧力的作用下推向制動盤，制動盤與電機(jī)端蓋和銜鐵產(chǎn)生摩擦力，從而產(chǎn)生摩擦力矩，通過花鍵套傳遞至電機(jī)軸實現(xiàn)電機(jī)的制動，當(dāng)線圈通電時，彈簧線圈產(chǎn)生磁場，銜鐵在電磁力作用下克服彈簧力被吸向磁軛，此時制動盤與銜鐵脫離，制動盤可在電機(jī)軸帶動下正常旋轉(zhuǎn)，制動解除。

圖1 電磁制動器

3 KEB變槳電磁制動器失效案例分析

3.1 KEB變槳系統(tǒng)簡介

KEB變槳驅(qū)動系統(tǒng)使用伺服電機(jī)配合減速器驅(qū)動變槳軸承內(nèi)齒圈進(jìn)行變槳的方式，伺服電機(jī)與變槳減速器組成變槳驅(qū)動單元，安裝在輪轂上，輪轂與變槳軸承外圈連接，葉片與變槳軸承內(nèi)圈連接，變槳減速器的小齒輪與變槳軸承內(nèi)齒圈嚙合，變槳電機(jī)通過減速器驅(qū)動內(nèi)齒圈旋轉(zhuǎn)帶動葉片進(jìn)行變槳，變槳電機(jī)輸出軸安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，通過測量變槳電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度可以計算出葉片槳距角，輪轂安裝有兩個接近開關(guān)和一個限位開關(guān)，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至5度或85度時，接近開關(guān)輸出24V信號反饋至變槳系統(tǒng)的P6驅(qū)動器中，接近開關(guān)的反饋信號可以與編碼器測得的角度進(jìn)行對比校正，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至95度時，會觸發(fā)限位開關(guān)，此時驅(qū)動器停止輸出電流，電磁制動器抱閘，葉片停留在安全位置。

KEB變槳系統(tǒng)主回路采用交直交回路，KEB變槳系統(tǒng)中的P6驅(qū)動器具有控制功能和驅(qū)動變槳電機(jī)的作用，P6驅(qū)動器輸入為交流400V，P6驅(qū)動器與主控制器PLC使用Profibus DP現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，當(dāng)P6驅(qū)動器接收到主控制的變槳指令時，P6驅(qū)動器輸出400V交流電供給變槳電機(jī)進(jìn)行變槳，P6驅(qū)動器內(nèi)部有變槳程序，即使與主控制PLC的通信中斷，也可以輸出指令使葉片順槳至安全位置，P6驅(qū)動器也可以將電網(wǎng)400V交流電整流為直流電儲存在超級電容中，當(dāng)電網(wǎng)掉電時，使用超級電容中儲存的電能為變槳電機(jī)進(jìn)行供電，確保葉片正常收槳至安全位置。

3.2 KEB變槳限位開關(guān)故障現(xiàn)象描述

機(jī)組在運行過程中報出KEB2號槳葉95度限位開關(guān)誤觸發(fā)故障，報出故障后使用監(jiān)控軟件查看機(jī)組2號葉片槳距角為166度，已超出葉片正常變槳范圍，1號葉片槳距角與3號葉片槳距角為89度，處于正常停機(jī)位置。

3.3 KEB變槳限位開關(guān)故障數(shù)據(jù)分析

機(jī)組報出故障后會把故障相關(guān)數(shù)據(jù)以故障文件的形式保存下來，通過對故障文件中相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，可對故障發(fā)生的原因進(jìn)行判斷，根據(jù)機(jī)組報出的KEB2號槳葉95度限位開關(guān)誤觸發(fā)故障，首先對2號葉片槳距角及2號葉片的95度限位開關(guān)信號進(jìn)行分析，限位開關(guān)擋塊安裝在變槳95度位置，由于限位開關(guān)擋塊本身有一定長度，正常情況下限位開關(guān)觸發(fā)范圍為槳距角95度至107度，因此當(dāng)槳距角在此范圍內(nèi)時，限位開關(guān)會觸碰擋塊，限位開關(guān)觸發(fā)后，將反饋信號傳輸至P6驅(qū)動器中，P6驅(qū)動器停止變槳，圖2中限位開關(guān)共觸發(fā)3次(限位開關(guān)信號為開關(guān)量，信號為0或1，為便于對比分析，將限位開關(guān)信號高電平時的值修改為90)，根據(jù)槳距角和限位開關(guān)信號對比分析，限位開關(guān)觸發(fā)時槳距角均在上述范圍內(nèi)(由于擋塊存在安裝誤差，觸發(fā)范圍約在95.6至107.5度之間)，限位開關(guān)信號狀態(tài)與槳距角數(shù)值相符，可以判斷故障時刻限位開關(guān)確實被觸發(fā)。

機(jī)組正常運行時三個葉片同步進(jìn)行變槳，三個葉片槳距角應(yīng)時刻保持一致，對故障文件中三個葉片槳距角進(jìn)行分析，根據(jù)圖3中的三個葉片槳距角變化情況可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組在停機(jī)時，2號葉片在收槳至89度時，未能停止變槳，而是繼續(xù)變槳至166度，然后葉片在100至200度范圍內(nèi)多次重復(fù)進(jìn)行變槳，正常情況下，當(dāng)驅(qū)動器檢測到限位開關(guān)信號觸發(fā)時，應(yīng)停止輸出電流，電磁制動器抱閘，葉片停止在95度位置，但圖2中顯示2號葉片在觸發(fā)限位開關(guān)時葉片未能停止在95度，而是繼續(xù)進(jìn)行變槳，葉片在95度未能停止變槳是此故障的主要原因。

圖3 三個葉片槳距角數(shù)據(jù)

機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)時，三個葉片槳距角正常應(yīng)為89度，而2號葉片觸發(fā)限位開關(guān)原因可能為：

(1)主控制器PLC的角度設(shè)定值給定錯誤，在故障情況下依然使變槳控制器進(jìn)行了變槳。

(2)變槳系統(tǒng)的P6驅(qū)動器故障導(dǎo)致限位開關(guān)觸發(fā)情況下依然有電流輸出。

(3)變槳機(jī)械問題導(dǎo)致葉片失去制動，葉片在重力和風(fēng)力作用下發(fā)生了誤動。

對上述原因進(jìn)行分析，首先排查主控程序的槳距角設(shè)定值，根據(jù)圖4所示，2號葉片槳距角在小于89度時可以跟隨槳距角設(shè)定值，在89度以后槳距角設(shè)定值恒定為89度，設(shè)定值符合正常停機(jī)角度，但實際變槳角度已超出89度，未能正常跟隨設(shè)定值，因此角度設(shè)定值無異常，排除了主控制器PLC的問題。

圖4 2號葉片槳距角及其設(shè)定值

針對2號葉片在100至200度之間重復(fù)變槳的原因進(jìn)行分析，圖5所示，2號葉片由100度至200度變槳過程中，變槳電機(jī)電流為0，可以分析葉片在由100度至200度變槳時并非受變槳電機(jī)驅(qū)動，而應(yīng)是發(fā)生了誤動，而在變槳至200度時，P6驅(qū)動器故障自動復(fù)位，由于主控給定的葉片設(shè)定值為89度，因此變槳驅(qū)動器輸出電流驅(qū)動變槳電機(jī)使葉片由200度向89度設(shè)定值進(jìn)行變槳，根據(jù)圖5所示，在變槳至95.6度時觸發(fā)了限位開關(guān)，P6驅(qū)動器停止輸出，并再次報出限位開關(guān)觸發(fā)故障，然后葉片再次變槳至200度，然后重復(fù)上述過程。

圖5 2號葉片變槳電機(jī)電流與槳距角

綜合上述分析，可以發(fā)現(xiàn)，主控給到2號葉片的槳距角設(shè)定值正常，P6驅(qū)動器在限位開關(guān)觸發(fā)時可正常停止輸出，且在驅(qū)動器故障復(fù)位后可跟隨槳距角設(shè)定值進(jìn)行變槳，可以分析出P6驅(qū)動器輸出正常，初步判斷為機(jī)械問題導(dǎo)致葉片發(fā)生了誤動，初步判斷原因為變槳電機(jī)電磁制動器失效。

3.4 KEB變槳限位開關(guān)故障原因分析

在對2號葉片的驅(qū)動單元進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)電磁制動器的制動盤磨損嚴(yán)重，且制動盤內(nèi)花鍵已損壞，不能與花鍵套正常嚙合，制動盤的制動力矩不能通過花鍵套傳遞至電機(jī)軸，導(dǎo)致制動失效，在制動失效后，葉片失控并發(fā)生了誤動。

4 Vensys變槳電磁制動器失效案例分析

4.1 Vensys變槳系統(tǒng)簡介

Vensys變槳系統(tǒng)采用減速器驅(qū)動與變槳軸承相連接的齒形帶進(jìn)行變槳的方式，齒形帶通過壓板固定在變槳軸承上，變槳電機(jī)與變槳減速器固定在輪轂上，組成變槳驅(qū)動單元，變槳減速器輸出軸安裝有驅(qū)動輪，通過驅(qū)動輪帶動齒形帶及變槳軸承轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)變槳，變槳電機(jī)減速器小齒驅(qū)動變槳軸承內(nèi)齒圈進(jìn)行變槳的方式可以實現(xiàn)360度變槳，齒形帶變槳的方式受齒形帶長度限制，只能在有限范圍內(nèi)變槳，一般極限范圍為槳距角124度，如果變槳超出此范圍，會導(dǎo)致齒形帶斷裂或齒形帶固定壓板損壞，當(dāng)齒形帶斷裂或壓板損壞后，變槳減速器與變槳軸承將失去機(jī)械連接，此時葉片將不受控制。

Vensys變槳使用倍福模塊作為控制器，與主控制器通過Profibus DP總線進(jìn)行通信，接收主控制器的變槳指令，使用AC2變頻器驅(qū)動變槳電機(jī)，使用安裝在變槳電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)編碼器測量槳距角，輪轂安裝有兩個接近開關(guān)和一個限位開關(guān)，在葉片變槳至5度和87度時，接近開關(guān)將24V信號反饋至變槳控制器中，在槳距角在-2度至5度范圍內(nèi)時5度接近開關(guān)有反饋信號，槳距角在87度至94度范圍內(nèi)時87度接近開關(guān)有反饋信號，范圍內(nèi)時當(dāng)變槳至92度時，會觸發(fā)限位開關(guān)，限位開關(guān)觸發(fā)范圍為92至99度，Vensys變槳系統(tǒng)控制器中的程序?qū)θ~片角度進(jìn)行了保護(hù)，在收槳過程中如果滿足葉片角度持續(xù)小于86度，5度接近開關(guān)有反饋信號，87度接近開關(guān)無反饋信號三個條件之一，葉片會繼續(xù)變槳至觸發(fā)限位開關(guān)，確保葉片停留在安全位置，限位開關(guān)為變槳系統(tǒng)的硬件保護(hù)，當(dāng)限位開關(guān)觸發(fā)時會斷開AC2變頻器的輸出使能，此時AC2變頻器停止輸出電流，電磁制動器抱閘，確保葉片停留在92度安全位置，Vensys變槳系統(tǒng)使用變槳超級電容作為后備電源，當(dāng)電網(wǎng)掉電時提供葉片收槳所需的能量。

4.2 Vensys變槳系統(tǒng)限位開關(guān)故障描述

機(jī)組在報出限位開關(guān)故障前處于停機(jī)狀態(tài)，停機(jī)后12小時機(jī)組報出3#變槳限位開關(guān)故障，報出限位開關(guān)故障9個小時后機(jī)組連續(xù)報出3#變槳最小角度超限故障、3#變槳5度接近開關(guān)故障、3#變槳限位開關(guān)故障、3#變槳逆變器正常信號丟失故障、變槳位置比較故障、3#變槳速度超限故障等多個故障，機(jī)組在報出故障前后長時間處于大風(fēng)天氣，部分時刻瞬時風(fēng)速最大為20m/s。

4.3 Vensys變槳限位開關(guān)故障數(shù)據(jù)分析

由于機(jī)組在故障發(fā)生前處于停機(jī)狀態(tài)，在報出故障時無故障文件產(chǎn)生，因此通過中央監(jiān)控儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助分析，對停機(jī)時刻的槳距角進(jìn)行分析，圖6所示葉片在19時58分均已收槳至88度位置，處于正常停機(jī)位置，在21時36分之前三個葉片槳距角均穩(wěn)定在88度位置，之后3號葉片槳距角逐漸增大，在到達(dá)92度時觸發(fā)限位開關(guān)，查看現(xiàn)場故障記錄，在槳距角92度時報出3#變槳限位開關(guān)故障，在觸發(fā)限位開關(guān)后角度依然繼續(xù)增大，在99度之前處于緩慢增大狀態(tài)，槳距角在92度至99度是限位開關(guān)的觸發(fā)范圍，此時變槳電機(jī)驅(qū)動器不進(jìn)行輸出，且電磁制動器處于抱閘狀態(tài)，根據(jù)3號葉片槳距角在92度至99度之間發(fā)生變化的現(xiàn)象分析原因為制動失效導(dǎo)致葉片發(fā)生了誤動情況。

圖6 三個葉片槳距角數(shù)據(jù)

當(dāng)槳距角超過99度后開始出現(xiàn)異常變化，如圖7所示，3號葉片槳距角在-300至300度之間重復(fù)變化(由于變槳程序中對編碼器測量的角度進(jìn)行了處理，輸出角度限制在正負(fù)300度之間，因此葉片角度會在正負(fù)300度之間重復(fù)變化，實際為變槳電機(jī)單向轉(zhuǎn)動)，分析此現(xiàn)象原因為當(dāng)葉片角度超過99度后，不在限位開關(guān)觸發(fā)范圍內(nèi)，且超出了87度接近開關(guān)觸發(fā)范圍，87度接近開關(guān)無反饋信號，滿足了繼續(xù)變槳的條件，此時葉片會繼續(xù)變槳，當(dāng)葉片角度到達(dá)124度時，齒形帶發(fā)生斷裂，此時變槳驅(qū)動單元與變槳軸承失去機(jī)械連接，變槳電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時編碼器測得的槳距角將不能指示葉片實際位置，在變槳電機(jī)空轉(zhuǎn)時，部分時間內(nèi)出現(xiàn)槳距角不變的現(xiàn)象，圖7中16時53分至16時55分，17時06分至17時07分兩個時間段3號葉片的槳距角均未發(fā)生變化，分析原因為在葉片失控過程中偶然觸發(fā)了限位開關(guān)，或在葉片角度大于86度時觸發(fā)了87度接近開關(guān)，根據(jù)程序設(shè)定，此時變槳控制器不再輸出變槳指令，變槳驅(qū)動器停止輸出，變槳電機(jī)不再轉(zhuǎn)動，槳距角不發(fā)生變化，當(dāng)葉片繼續(xù)轉(zhuǎn)動，脫離限位開關(guān)觸發(fā)范圍，或槳距角大于86度時未觸發(fā)87度接近開關(guān)，此時變槳控制器會繼續(xù)輸出變槳指令，變槳驅(qū)動器會繼續(xù)驅(qū)動變槳電機(jī)轉(zhuǎn)動，實際現(xiàn)象表現(xiàn)為槳距角會在-300度至300度之間重復(fù)變化，但部分時間段內(nèi)槳距角不變。

圖7 三個葉片槳距角數(shù)據(jù)

4.4 Vensys變槳限位開關(guān)故障原因分析

通過對風(fēng)機(jī)進(jìn)行就地檢查發(fā)現(xiàn)，3號變槳系統(tǒng)確實發(fā)生了齒形帶斷裂的情況，在對電磁制動器進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)電磁制動器內(nèi)浸入了齒輪油，由于變槳減速器密封圈磨損嚴(yán)重，泄露出的齒輪油浸入了電磁制動器中，齒輪油導(dǎo)致制動盤與電機(jī)端蓋和銜鐵之間的摩擦力矩減少，電磁制動器不能提供有效的制動力矩，且故障時刻現(xiàn)場為大風(fēng)天氣，加劇了葉片的滑動，當(dāng)葉片滑動至92度時，觸發(fā)限位開關(guān)并報出限位開關(guān)故障，滑動至99度時，脫離限位開關(guān)觸發(fā)范圍，并滿足了繼續(xù)變槳的條件，此時變槳控制器輸出變槳命令，由AC2變頻器驅(qū)動變槳電機(jī)變槳，當(dāng)變槳至齒形帶的極限角度124度時，齒形帶斷裂，變槳驅(qū)動單元與變槳軸承失去連接，變槳電機(jī)一直處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，引起此問題的根本原因為變槳減速器內(nèi)齒輪油泄露引起的電磁制動器失效。

5 電動變槳系統(tǒng)電磁制動器失效改進(jìn)措施

電磁制動器作為變槳系統(tǒng)中葉片唯一的機(jī)械制動方式，在風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時確保了葉片停留在安全位置，對機(jī)組的安全停機(jī)起到至關(guān)重要的作用，在風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)中應(yīng)注重變槳系統(tǒng)中電磁制動器的檢查與維護(hù)。

(1)電動變槳中普遍使用伺服電機(jī)和減速器組合作為驅(qū)動單元，當(dāng)減速器的油封出現(xiàn)磨損時，齒輪油會泄露，嚴(yán)重時會經(jīng)過變槳電機(jī)浸入至電磁制動器中，齒輪油會導(dǎo)致電磁制動器制動盤的摩擦力下降，制動狀態(tài)下不能提供有效摩擦力矩，葉片發(fā)生滑動，葉片的滑動帶動電機(jī)軸和制動盤轉(zhuǎn)動，制動盤與電機(jī)端蓋和銜鐵之間的相對滑動會加劇制動盤的磨損，加快制動器的失效，制動盤摩擦產(chǎn)生的粉末與齒輪油混合物附著在制動盤與電機(jī)端蓋之間，在制動器打開狀態(tài)下，制動盤與電機(jī)端蓋之間產(chǎn)生摩擦阻力，使電機(jī)負(fù)荷增大，電機(jī)繞組溫度升高。

(2)電磁制動器間隙的檢查，變槳系統(tǒng)長時間的工作，制動次數(shù)增加，頻繁的制動使制動盤產(chǎn)生磨損，制動盤變薄，制動盤厚度減小會使制動盤與銜鐵之間的間隙增大，彈簧長度伸長，彈簧力減小，導(dǎo)致制動盤的摩擦力矩減小，引起葉片的滑動，同時間隙增大，電磁制動器磁軛不能有效吸合銜鐵，變槳電機(jī)會發(fā)生堵轉(zhuǎn)，然后導(dǎo)致變槳電機(jī)的繞組溫度升高甚至損壞。

結(jié)語

電動變槳系統(tǒng)在變槳距機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用，變槳系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制和安全停機(jī)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，電磁制動器可以防止葉片發(fā)生誤動，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在停機(jī)時葉片穩(wěn)定在順槳位置，對保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的停機(jī)安全起到重要的作用，在變槳系統(tǒng)的維護(hù)中，電磁制動器損壞的提前發(fā)現(xiàn)與預(yù)防應(yīng)作為變槳系統(tǒng)維護(hù)的重要方向。