风电机组叶片气动控制技术浅析
王硕
摘 要：该文首先从空气动力制动、机械制动两个角度出发，对水平轴风电机组传动链制动系统的构成进行了分析，并对主动制动器和被动制动器的特点对比和风电机组对制动系统的要求以及机械制动器的主要作用展开了探讨，将主动式机械制动器在水平轴变桨矩风电机组中的应用优势进行了总结，希望对我国相关领域的全面发展起到了促进作用。
关键词：水平轴 变桨矩 风电机组 传动轴 机械制动器 选取
中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0042-02
1 水平轴风电机组传动链制动系统的构成
1.1 空气动力制动
定桨距（失速型）机组在传统几百kW级风力发电机机组的典型代表，其拥有固定的桨叶角，扰流器被安装在叶尖，其在同液压缸活塞杆连接时，需要对不锈钢丝绳进行应用，液压缸活塞杆位于叶片根部，它们共同构成了空气动力制动机构。正常运行状态下的风电机组，受动力源的推动，将会有效地融合叶片主体部分与叶尖扰流器，从而提升叶片的完整性。
如果风电机组在运行的过程中，应进行脱网停机操作是，将会失去动力源，在离心的影响下，扰流器将进行80°～90°的旋转，促进阻尼板的形成，由于轴最远端点是叶尖部分的主要位置，那么叶片在运行中将发挥杠杆的作用，促使气动阻力在扰流器中非常高，此时，尽管毫无磨损，风电机组的速度也将锐减，这就是所谓的空气动力刹车[1]。风电机组在运行的过程中，典型的制动器就是叶尖扰流器。
而目前广泛使用的风电机组如果在MW级以上，其通常都是变桨距机组，它拥有可调节叶片桨矩角的特点，空气动力制动是在叶片顺桨的基础上实现。此时“扰流器”是由整个叶片来充当，所以此时将产生更大的气动阻力，并形成良好的制动效果。
值得注意的是，作为一种失效保护装置，空气动力制动在定桨矩机组中，当叶片运动时，弹簧力、离心力在扰流器上会导致叶片主体上的叶尖扰流器产生相互脱离的状态，在释放动力源的过程中，扰流器会在故障激发以及主动激发的背景下而打开，导致叶片不会继续转动，因此其运行过程中的安全性有效提升。
同时，针对变桨矩机组来讲，在对一对一变桨控制进行应用的过程中，可以忽略故障叶片，而其他叶片能够实现安全顺桨，变桨驱动在备用电源系统的运行下，会确保安全顺桨在完全故障状态下实现[2]。由此可见，故障安全设计被应用于变桨距机组和定桨距（失速型）机组中，尽管彻底中断了轮毂供电，也可以促使自动安全停机的现象产生于机组中。
1.2 机械制动
通常需要在齿轮箱高速轴上设置机械制动器，机械制动装置是由这一设备同制动动力设备、制动盘共同构成的。从制动类型的角度来看，被动制动器、主动制动器两种类型产生于高速轴制定器中[3]。也就是说，在将动力供应给主动制动器时，制动动作是在制动器卡钳闭合的过程中实现的，而被动制动器正好相反，制动动作是在动力供应撤除时实现，弹簧为制动动力组件，同空气动力制动相比，电机组传动链制动中机械制动处于次要地位。
2 主动制动器和被动制动器的比较分析
2.1 特点对比
在对主动制动器进行应用的过程中，其优点如下：在制造过程中所需的资金相对较少，可以进行便捷的维护和安装。长期运行中的机组所消耗的成本相对较低等；但是其缺陷在于，机组断电时，制动功能在主动制动器彻底消失。从整体上来看，主动制动器的优势，弥补了被动制动器的相关缺陷。
“失电安全”的含义为：第一，当给点工作正常时，其处于正常运行状态；第二，当断电现象产生于系统中时，动力电在液压由泵中丧失，无法再次有效建立系统压力，UPS负责供应电磁阀直流电，此时相关开关处于不动作状态；同时，压力在蓄能器中非常充足，可以促使其有效运行，通常情况下，可以持续运行2 d[4]。UPS在将电供应给系统中以后，可以在主控程序的基础上促使制动器进行刹车动作；UPS持续进行电能的提供，在30 min以后，为满足主控程序动作时间奠定良好的基础。
2.2 风电机组对制动系统的要求及机械制动器的主要作用
在对风电机组进行构建的过程中，根据DS472和GL标准，要求制动系统必须拥有两套，且二者之间是相互独立的。同时，根据这一标准，最少一套制动系统必须存在于风电机组中，其应在低速轴或风轮上，其中DS472明确规定空气动力制动系统是必不可少的[5]。在实际对其进行应用的过程中，要求必须同时提供机械制动与空气动力制动，但是，如果独立的空气动力制动系统被应用于每个叶片中，同时，电网掉电时风力机在每个空气动力制动系统中都会减速，那么就不需要对机械制动器进行设计。同时，机械制动器在运行的过程中，最大的作用就是促使风轮停止转动，也就是实现停车的目标，所以，风轮不会在空气动力制动的影响下而彻底停止运行。因此，机械制动在风电机组中作为辅助制动设备，其拥有以下功能和作用。
第一，维护作业期间制动。正常停机状态下的机组，空气动力刹车的实现需要对叶片顺桨进行充分应用，在实现刹车以后，空转状態成为叶轮的主要状态。在锁定叶轮以后，如果需要工作人员进入轮毂，才可以对机械刹车进行启动，促使叶轮位于恰当的位置上，并确保有效动作产生于叶轮锁定装置中。
第二，辅助紧急制动。通常情况下会形成两种紧急制动情况，一种是启动空气动力刹车系统后，促使机械刹车处于运行状态，几秒钟后，逐渐增加制动力，其在同气动刹车共同作用的背景下，可以促使停机状态产生于机组中；另一种是当多个故障产生于气动刹车系统中以后，那么机械刹车在紧急停机中将充分发挥复杂作用。
所以，制动器在运行的过程中，一个主要功能就是维护制动，辅助功能为紧急制动。对于变桨矩机组来讲，三倍冗余由三叶片引起，“失电安全”的气动刹车在运行的过程中，可以促使可靠制动在机组中得以实现[6]。高速轴制动器作为辅助设备，在运行中，可以实现对制动的维护，那么传动系齿轮箱在紧急制动的情况下就不会发生严重的损害。
由上述可知，在严格遵守IEC61400-1标准、GL规范和DS472的基础上，传动链制动系统中的机械制动器功能可以充分体现，同时主动和被动制动器的优势和劣势都能够得以充分体现，因此，最佳的选择是将主动制动器应用于变桨矩风电机组中。
3 结语
综上所述，同西方发达国家相比，我国的风电市场起步相对较晚，但是近年来的发展速度非常快，只有应用合理的水平轴变桨矩风电机组传动轴机械制动器，才能够促使我国产品在风电市场中的竞争力有所提升，为我国风电整机厂的全面发展奠定良好的基础，在这种情况下，该文通过分析对比，对主动式机械制动器在水平轴变桨矩风电机组中的优势进行了全面分析，希望能够对我国相关领域的全面起到促进作用。
参考文献
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[3] 潘志富，赵佃军，刘二军，等.浅析中小型水闸启闭机常见故障的解决对策及技术标准[J].水电站设计，2015，27（1）：115-117.
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