功率可回收的电液比例偏航阻尼装置的研究

刘峰

摘 要：该文论述了用于大型风电机组的功率可回收的电液比例偏航阻尼装置，它是一种新型偏航阻尼装置，介绍了其工作原理及其构成；当风机机舱偏航回转时，它驱动一由电液比例溢流阀加载的“液压泵-液压马达组合”，由它为机舱在偏航时施以阻尼力矩，其阻尼力矩可以通过给电液比例阀发出的指令来改变，以使机舱的廻转更加平稳达到最佳的效果，而且驱动液压泵的功率可以大部分回收，减少了发热。该偏航阻尼装置为大型风电机组偏航制动系统增添了一种新的阻尼方式，经试验证明取得了良好的效果。

关键词：偏航制动 液压加载 电液比例溢流阀 双出轴偏航电机

中图分类号：TU923 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-0-02

风力发电机组是将风能转化为电能的机械设备。目前，大型风力发电机组向大功率、高效率、高可靠性方向发展，风力发电机组的制动系统的性能影响着风电机组的运行情况；该文首先针对目前一些风力发电机组偏航制动系统易发生的问题进行了分析并提出了可行的解决措施，具有实用的参考价值[1]。

偏航系统是风力发电机组不可缺少的组成部分。它是一个较复杂的自动控制系统，其中偏航制动的性能尤为重要，偏航制动的功能是使偏航停止及偏航运动过程中产生一定的阻尼力矩，使机舱平稳转动。

当前国内国外的大型和特大型风电机组的偏航制动机构均是由多组钳盘式液压制动器和一个大直径的制动盘构成，即将多个液压制动器固定在迴转的机舱座上，而制动盘则被固定在风机的塔架上，当机舱做偏航迴转（俗称对风）时依靠制动器的摩擦片与制动盘之间的摩擦产生的的摩擦阻力矩（称阻尼力矩）使机舱平稳的转动。这种传统的靠摩擦对机舱产生阻尼力矩的方式，在实际运行中存在着下列需要解决的问题：（1）钳盘式液压制动器的摩擦副磨损较严重，需经常更换摩擦片；（2）摩擦全部转换为热能无法再回收利用；（3）在偏航运动过程中由于摩擦产生强烈的噪声乃至振动；（4）阻尼力矩一旦设定后（即输给液压制动器的压力不变）在偏航过程中不可调节。

针对这种情况，该文提出了不采用机械摩擦的方式对机舱回转时产生阻尼力矩，而采用液压加载的方式对机舱产生反向力矩，来解决上述4个问题。

1 液压加载的原理及功率回收

由于驱动机舱回转的电机（称偏航电机）是多个，这些电机被固定在可回转的机舱座上，每个电机都通过自己的减速机的输出轴端的齿轮与固定在风机塔架上的大直径齿圈的齿相啮合，因此当这些电机旋转时则机舱就绕着大直径齿圈的中心旋转。这里偏航电机采用了双出轴的电机，轴的一端接减速机的输入端而另一端接一个液压泵，该液压泵利用电机的轴作为动力来源，将液压泵加载后就会对机舱产生阻尼力矩。

液压泵的加载可由节流阀（或溢流阀）或由液压马达加载，但是由阀加载时油液通过阀要发热有能量损失，不能回收，因此该文提出用“液压泵-液压马达机组”（见图1）由电液比例溢流阀加载的方式为液压泵加载对机舱产生阻尼力矩[2]，由于泵的输出的油通向液压马达使其旋转，而液压马达的轴与泵轴为同一个轴，这样就可将液压马达的动能回输给液压泵，这就将多台偏航电机驱动液压泵所用能量的大部分回收了。这里功率回收必须是液压马达的排量要略小于液压泵的排量，液压泵的出口必须并联一个电液比例溢流阀，由它给液压泵载；图1为“液压泵-液压马达组合”图片，圖2为该偏航阻尼装置的外形图片。

图3表示了偏航阻尼装置的液压系统的组成和工作原理；当液压泵做正向旋转时，液流的流向如图4箭头与线条、虚线所示，油液经单向阀1-2被泵a口吸入，再由b口供出，再分两路，一路进入液压马达c口驱动马达旋转，油液从d口排出再回到泵的吸油口，形成一个闭式循环，另一路经单向阀2-1、比例溢流阀3流回油箱，由于马达的排量小于泵的排量，泵和马达又是同轴，则泵输出的流量大于进入马达的流量，而过剩的流量只能通过比例溢流阀3流回油箱，增加比例阀的输入电流就可增加泵的出口的压力，即增加了负载，调节输入给比例阀的电流就可调节机舱回转的阻尼力矩。反之，当液压泵反向旋转时液流的流向如图5中箭头与线条、虚线所示，也由电液比例溢流阀3调节阻尼力矩。这里通过比例溢流阀的一小部分的流量要转换为热量损失掉了而大部分流量用于驱动液压马达做功输给泵，则该部分动能被回收了[3]。

当输入给比例溢流阀的电流为零时，阻尼力矩为最小，此时风电机组可处于解缆工况。

对于功率回收的效果做如下分析：若不设有液压马达功率回收时，液压泵输出的压力油则全部溢流了，其损失的功率为：

N=PQ （1）

式（1）中，P为液压泵输出的压力；Q为液压泵输出的流量。

若设有液压马达做功率回收时，则液压泵输出的功率N分为两部：

N=N1+N2 （2）

式（2）中，N1为溢流损失的功率约10%N；N2为输入给马达的功率为90%N。其中N2部分的15%为机械损失和容积损失之和（液压马达的总效率为85%），则输给液压马达的功率损失为0.9·0.15N=13.5%N，由此可得总损失为：

（10%+13.5 %）N=23.5%N

则功率回收占液压泵输出的功率的76.5%。

2 结论

该文提出的用于大型风电机组的功率可回收的电液比例偏航阻尼装置有如下的特点。

（1）采用液压加载的方式产生阻尼力矩可以避免机械摩擦方式产生阻尼力矩出现的问题（如摩损、噪声和振动等）。

（2）驱动液压泵的功率大部分（大约76%）可回收再利用，可节省驱动偏航电机的功率。

（3）用液压加载的方式产生的阻尼力矩的大小可以通过电液比例溢流阀来调节，即阻尼力矩与输入给电液比例溢流阀的电信号成比例，以适应风况的变化。

该新型偏航阻尼装置为大型风电机组偏航制动系统增添了一种新的阻尼方式，经试验证明取得了良好的效果。目前国内外尚属少见。

参考文献

[1] 姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 吴根茂.实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社，2003.

[3] 上海煤矿机械研究所编.液压传动设计手册[M].上海：上海人民出版社，1988.