风电机组电变桨系统故障诊断

高军强

(兰州电机股份有限公司， 甘肃 兰州 730050)

0 引 言

随着我国风电场建设越来越多，风机维护却未能得到同步发展，因此各风电场的风机可利用率并不高。而变桨系统作为风机的主要能够部分，其故障率也较高，鉴于风电机组的变桨系统主要作用：①捕获风能的功能。在自动对风之后，风机主控会执行变桨命令，使叶片转到可以捕获最大风能的角度；②调节风轮转速的功能。根据实际风速的大小，风机控制系统不断调整桨叶的角度，从而使叶轮的实际旋转速度达到控制系统设定的设定值；③气动刹车的功能。当风机一旦发生危险故障，风轮必须在几秒内由10～20 r/min(风机机型不同，风轮的额定转速不同)的高转速迅速降低至大概0.8 r/min以下，为此变桨系统会迅速控制桨叶由正常工作的角度回到安全停止位置，这样风轮几乎不捕获风能，风轮就会迅速减速。如何降低及处理变桨系统的故障是风机维护主要解决的问题之一。要掌握排除风机的电变桨故障就必须对风机的变桨系统有一个充分的认识。

1 风电机组电变桨系统中机械故障的分析

1.1 叶 片

叶片是风机捕获风能的必不可少的机械构件。叶片材料一般为玻璃纤维或环氧树脂，叶片(如图1 BJ-01 叶片结构图)主要结构为单梁、双腹板、3AX蒙皮及UD后缘。后缘加强层材料设计为UD玻璃钢，外壳后缘及部分前缘采用basle夹层结构，肋板采用PVC夹层结构后缘用UD带加强。叶片表面涂层具有抗沙尘、盐雾、紫外线、耐磨损性、抗震性的耐候性能。叶片的尖部装有雷电接闪器，接闪器和铜质导线连接，铜导线固定在后缘肋板上。叶片作为一个旋转的机械部件，容易发生裂纹、脱漆、雷击着火等故障，目前解决这类故障的办法有无人机巡检、在叶片上安装传感器进行在线监测、定期维护等。

图1 BJ-01 叶片结构图

1.2 导流罩

导流罩(如图2 BJ-02导流罩实物外形图)位于轮毂的外部，主要功能是保护轮毂和人员不受外部各种环境因素的侵害，为通风和冷却导入空气，为设备维护提供安全保障。导流罩采用玻璃钢材质制作，由不饱和聚酯树脂和无碱玻璃纤维制品制成。导流罩的外表面涂有一层胶衣，胶衣具有抗紫外线的功能。导流罩一般不会导致风机正常运行故障，所以可以不予以分析。

1.3 轮 毂

轮毂(如图3 BJ-03 已安装了变桨轴承的轮毂实物外形图)是变桨系统的主要构件，轮毂一般采用树脂砂型铸造而成。轮毂主要用于安装变桨轴承、变桨电机、变桨控制柜、电池箱及变桨润滑泵等构件。一般的轮毂至少有5个孔，其中3个孔用于安装变桨轴承、一个孔用于连接风机的主轴承、另一个孔用于维护人员进出。轮毂作为一个重要的连接件，机械作用非常重要。轮毂可能发生的故障一般有叶片和主轴固定螺栓松动或者力矩值不够，所以风机维护人员必须严格按照3个月、6个月、每一年等的定期维护标准进行维护，从而杜绝不会出现螺栓松动的故障发生。

图2 BJ-02导流罩实物外形图 图3 BJ-03已安装了变桨轴承的轮毂实物外形图

1.4 变桨轴承

变桨轴承(如图3 BJ-03已安装了变桨轴承的轮毂实物外形图)是变桨系统的一个主要的驱动链，安装于轮毂上，连接了叶片、变桨电机、轴承编码器和轴承润滑小齿等部件。变桨电机通过驱动变桨轴承来控制叶片的角度。变桨电机安装与轮毂座上，并通过减速机与变桨轴承连接。由于变桨轴承变化频率较高，所以变桨轴承在使用过程中承受较大的叫变载荷。变桨轴承一般必须做力学性能检测、化学成分检测、无损探伤检测、热处理检测、启动摩擦力矩检测和旋转精度检测等试验。变桨轴承容易发生的故障有因润滑不到位而发生机械磨损与卡涩，为了避免这个故障，风机维护人员一定要定期检查变桨润滑泵是否正常工作、润滑集控单元是否有堵塞、油管是否有松动或者漏油的现象，并且进行定期加注润滑油脂。

1.5 限位撞块

限位撞块(如图4 BJ-O4限位撞块实物外形图)是桨叶气动刹车的安全保证，限位撞块一般安装在变桨轴承盖上。限位撞块的主要配合限位开关一起工作。限位撞块一般会因固定螺丝松动而前后攒动，这样会导致变桨的限位角度发生变化，当超过限位设定值时，就会导致风机故障停机。解决这个故障的办法就是进行定检，排除固定螺丝松动的可能性，提高可靠性。

图4 BJ-04限位撞块实物外形图

2 风电机组电变桨系统中电气故障的分析

2.1 变桨控制柜

变桨控制柜是整个变桨系统的控制单元，被安装于轮毂的支架上面。

变桨控制柜(如图5 BJ-05 变桨控制柜实物结构图)主要由变桨控制器、安全继电器、接触器、通讯模块、温控开关、避雷模块、加热器、冷却风扇和后备电源等组成。

变桨控制器包括用于控制每个桨叶角度所需要的动力、控制、安全和通讯电源。变桨控制器通过不断监测通信状况、发动机温度及电流、主电源、限位开关、电机制动等状态，并不断比较传感器采集的角度和速度是否满足主控系统发送的设计值来完成与主控之间的逻辑控制。一旦出现故障，变桨控制器将立即启动,并自动运行叶片到安全停止的位置(90°或91°), 这样风机就会停止。如果通讯或主控系统失效, 所有变桨控制器也会立即使各叶片运行至安全停止位置。

变桨控制柜主要出现的故障有：①继电器触点失灵或者不工作。比如安全继电器的触点在安全链闭合时就会得电闭合，在风机出现严重故障时整个系统的安全链会断开，安全继电器就会失电断开，这样变桨控制器在检测到安全继电器失电的状态后就会执行自动运行叶片到安全停止的位置(90°或91°)的指令。这个故障等级比较高，存在安全隐患，所以该故障对继电器的性能要求比较高，排除故障的办法就是及时更换性能可靠、适用范围大的继电器；②通讯中断故障。这个故障等级也是比较高的，处理这个故障的办法有检查通讯模块是否烧坏、检查通讯线缆是否有松动、清洗滑环的通讯通道和检查机舱柜的通讯线缆是否有松动等；③变桨控制单位的冷却风扇不工作。这种故障多发生在夏天，常用的处理办法有检查风扇看是否有卡的硬物、检查温控开关的触点是否正常和检查变桨控制单位的输出信号是否正常等；④变桨电机和电池箱的加热器不工作。这个故障的处理方法有检查变桨电机和电池箱的温控开关是否正常工作、测量加热器的电阻是否正常和检查变桨控制单位的输出信号是否正常等；⑤变桨控制柜的避雷端子烧坏。这个故障的产生原因主要是避雷电缆接地造成，处理这种故障的方法就是做好避雷电缆的绝缘防护，避免避雷电缆被转动的滑环罩或者螺丝之类的硬物所磨伤而接地；⑥后备电源损坏。主要指的是300 VDC和24 VDC的电源模块。24 VDC的电源模块因容易损坏而被列为易损件，处理办法只能是及时更换性能更可靠的电源模块。300 VDC电池(如图6 BJ-06 电池箱实物结构图)是有生命周期的电气元件，但是也存在因充放电不正常而临时损坏的现象。避免电池临时损坏的方法就是检查变桨控制系统对电池的充电是否正常、定期进行电池电压测量及放电处理；⑦变桨控制器(如图5BJ-05中的蓝色模块)内部故障。变桨控制器常常出现内部模块的电气元件损坏的故障，这种故障避免的方法有定期清理变桨控制柜内的灰尘和杂物、定期检查变桨控制器的冷却风扇是否正常运行等。

图5 BJ-05变桨控制柜实物结构图 图6 BJ-06电池箱实物结构图

2.2 变桨轴承编码器

变桨轴承编码器(如图7 BJ-07变桨轴承编码器实物外形图)安装于轮毂座上，通过编码器上的小轮与变桨轴承啮合。变桨轴承编码器一般都是轴型、光电绝对值式编码器。变桨轴承编码器是变桨电机编码器的冗余测量元件，变桨轴承编码器测量的变桨角度用于校准变桨电机编码器测的角度，当两者的角度相差大于设定值时，风机系统就会报变桨角度偏差过大故障而停机，然后通过检查来判断是否变桨电机编码器存在故障。

变桨轴承编码器的故障主要有轴打滑、小轮受机械损坏和角度跳变等，处理以上故障的方法有检查固定编码器的轴、更换受损的编码器小轮、更换轴承编码器和重新校准、调试轴承编码器。

2.3 变桨电机编码器

变桨电机编码器安装于变桨电机的后端(如图8 BJ-08变桨电机编码器实物外形图)，安装方式为外壳可移动, 轴固定，通过弹簧力矩安装。变桨电机编码器一般都是轴型、光电增量式编码器。因变桨电机编码器的精度较高，变桨控制器主要采集变桨电机编码器测得的变桨信号来参与控制。变桨电机编码器的故障与变桨轴承编码器的故障类似，处理的方法也类似。

图7 BJ-07 变桨轴承编码器实物外形图 图8 BJ-08变桨电机编码器实物外形图

2.4 91°限位开关和95°限位开关

91°和95°限位开关(如图9 BJ-09变桨系统的外部传感器)均安装于靠近变桨轴承的支架上。91°和95°限位开关实物图如图9所示。

91°是变桨的安全停止位置，那么如何使变桨转到91°就停止呢？为了满足变桨转到91°停止，就必须使91°限位开关的常闭点触发成为开点，这样变桨控制器就会切断变桨电机的电源，从而停止变桨至91°。而要使91°限位开关的常闭点触发成为开点，就必须将限位撞块安装于变桨轴承座上，并通过调试，使限位撞块在随着变桨轴承转动到91°时正好撞到91°限位开关的小轮，从而使91°限位开关的常闭点触发成为开点。

95°是冗余的变桨安全停止位置，它只有在91°限位开关失效的情况下才起作用，95°限位开关触发所引起的故障等级非常高，而且95°限位开关一旦触发，只能人为去用手操盒转动到91°，变桨控制系统是无法自动控制变桨转回至91°的。

91°限位开关和95°限位开关常见的故障有小轮被撞断、连接的电缆被撞断或者控制其工作的信号丢失。处理这些故障就必须进行认真的机械安装和电气调试，保证限位开关的小轮运动灵活，不受限位撞块的激烈碰撞。另外定期检查控制限位开关的继电器的吸合情况，避免继电器的吸合阻塞或者失灵。

图9 BJ-09变桨系统的外部传感器

2.5 变桨润滑泵

变桨润滑系统(如图10 BJ-10变桨润滑系统图)一般由润滑泵、分流器、润滑小齿、润滑传感器及若干油管组成。润滑泵接通电源后开始工作，润滑油通过泵芯升压后经安全阀后通过一个6出口分配器，最后到各个润滑点。当泵运行时间至设定时间后，即进入泵停止间隔时间，当间隔时间至设定时间后，泵又开始工作，如此循环。当管内压力超过安全阀设定压力后安全阀将自动泄压。

变桨润滑系统常常出现的故障有润滑泵和油管漏油、分配器堵塞、润滑泵电机不工作等，处理故障的方法有定期检查润滑泵的工作状态是否正常、检查分配器的打油信号是否正常和检查油管及堵头是否有松动等。

图10 BJ-10变桨润滑系统图

3 结 语

着重讲述风电机组电变桨系统的机械组成、电气组成，通过分析阐述，可以掌握排除风机电变桨系统故障的不同的基本方法，基于风机电变桨控制系统的知识，就可以排除风机的通讯故障和控制信号执行故障；基于变桨柜的知识，就可以排除单个变桨系统出现的系统故障和控制柜内的控制故障；基于变桨轴承编码器和变桨电机编码器的知识，就可排除变桨角度跳变、编码器测得的变桨角度偏差大及变桨轴承故障；基于91°和95°限位撞块的知识，就可以排除变桨系统开桨中止或者变桨回到安全停止位置的故障；基于变桨润滑泵的知识，就可以排除变桨润滑泵缺润滑脂和变桨润滑泵电机不动作等故障。这些方法为最基础的风机电变桨系统排除风机电变桨系统故障提供了有意的参考。

参考文献：

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