摘要：随着金风1.5MW机组运行时间增增加，风机故障也较之前有所增多。通过对所发生的故障进行统计和分析，发现大约百分之六十的故障均由风机的变桨系统报出。本章通过对变桨系统的故障分析，以及对固态继电器及传统电磁式继电器分析研究，提出固态继电器在变桨系统中的应用。通过替代的方式以达到降低故障频次，提高设备可利用率的目的。
关键词：变桨系统； 固态继电器 ； K2继电器
继电器广泛应用与工业控制领域，它是自动化控制中的基本元件。由于控制需求的多样性，继电器的种类也从单一品种发展到了许多的种类。随着技术的发展，固态继电器的无触点导通的性能已得到不断完善，相对于传统电磁继电器具有更广泛的应用价值。
1风机变桨系统运行情况介绍
金风1.5MW风机变桨系统组成部分有三套控制系统，分别对三个叶片进行同步控制，实现同步动作。变桨系统通过变桨电机驱动齿形带进行变桨动作，制动方式是电磁刹车制动。变桨系统的原理：在启动阶段，叶片位置由顺桨位置变为54度，直到叶轮转速增加到8.8RPM，机组并网发电。在发电模式下叶片的角度由风的大小决定，变速变桨的功能是
1）通过变桨控制，调整叶片角度，提高迎风面积，使叶片能够吸收更多的风能。
2）在停机过程中为叶轮提供气动刹车，确保风机能够在故障或非故障情况下正常停机。停机的模式：分为普通停机、快速停机和紧急停机三种模式。
3）减少作用在机组上的极限载荷。
4）超过额定风速后，通过叶片角度的调节是风机的出力始终保持在额定功率附近。额定风速以下通过控制发电机的转速使其跟踪风速，确保叶轮尽可能的吸收风能；额定风速以上通过扭矩控制和变桨控制共同作用，功率和扭矩保持在相对平稳状态。
K2继电器的工作原理：在变桨系统中的作用是控制变桨电机的刹车、松闸，同时对变桨电机的冷却风扇散热器的运行进行控制。变桨系统需要变桨时通过PLC发出变桨命令，AC2控制K2继电器得电，则电磁制动线圈带电，吸引衔铁松开闸片，然后变电电机驱动变桨动作；当变桨停止时，K2继电器失电，从而电磁制动线圈失电，衔铁被释放闸片进行抱闸。在风电机组运行过程中，由于三只叶片的角度必须始终保持匹配，而在此期间三只叶片的变桨电机的电磁刹车也必须保持同步动作。只有这样才能确保风机的正常运行。由于K2继电器是控制变桨电机的电磁刹车，因此对K2继电器的可靠性提出更高的要求。K2继电器的工作原理如下：
（附图）实物图和接线图
在实际使用过程中，由于K2继电器为电磁式继电器，电流通断主要依靠触点的合分来实现。风机在运行过程中出现风速变化较快或电网限负荷的情况时，导致变桨系统始终处于工作过程中。而此时给变桨电磁刹车提供电源的K2继电器的触点会频繁动作，随着时间的积累，最终导致触头氧化接触不良或粘连情况出现，在这种情况下会造成单个叶片卡桨出现卡桨，由于叶片角度不匹配，风机PLC会报出变桨位置比较故障。虽然继电器费用不高，但是由于继电器的故障会导致机组的长时间的停机。如遇到风速较高的情况无法登机；夜间停机故障无法及时处理以及由于卡桨使处于枯风季节的地区的机组叶轮长时间无法锁定。因此最好能够通过更可靠的方式进行替换，减少或杜绝由于此类原因导致的机组停机
表1风机故障统计表
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表1所示为风电场电场年度故障统计，由表中可发现变桨位置比较故障占年度总故障的13%。故障占比较大，若能解决触头氧化和粘连问题将能大大降低风机故障频次。
2电磁继电器结构及工作特性
如图一所示，K2继电器主要由铁心、线圈、触点、推动杆、衔铁、复位弹簧等组成。工作时线圈通以电流，线圈周围产生磁场使得铁心磁化产生电磁力。衔铁被电磁力吸引带动推动杆，使触点吸合。反之线圈失电时，电磁力消失。衔铁在复位弹簧的作用下恢复原始状态，触点分开。
电磁继电器优点：
1.有机械断开点，无漏电流。
2.可以提供多组常开常闭触电。
3.价格便宜。
4.直流交流兼容。
电磁继电器缺点：
1．触头寿命有限。
2．开断频率较高。
3．易受电磁干扰。
4．对工况环境要求较高。
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图一 K2继电器结构图
3固态继电器结构及特点
3.1概述
固态继电器是一种全部由电子元件组成的无触点开关元件。它与电磁继电器相比是一种没有机械运动的静态元件。主要由半导体、集成电路等组成。固态继电器具有双向可控硅的开关特性，可以达到无触点、无火花的开断被控电路。因无触点、寿命长、速度快、抗干扰能力强，被得到广泛应用。
3.2固态继电器的组成
固态继电器有三部分组成：输入电路、驱动电路、输出电路。原理图见图二。
输入电路：按输入类型有直流输入和交流输入。主要为固态继电器提供一个触发信号源。
驱动电路：主要包括隔离耦合电路、功能电路、触发电路。一般隔离耦合电路使用的元件是“光耦合器”，它响应速度快，且输入端为发光二极管，很容易与输入信号匹配电平。可直接与数字量输出模块相连。功能电路包括检测、整流、过零、保护等功能，以提高继电器性能。触发电路则是给输出器件提供触发信号。
输出电路：主要是在触发信号的控制下实现继电器的通断。
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图二 固态继电器原理方框图
3.3固态继电器的特点
固态继电器除了具有和电磁继电器同样的功能外，还兼具逻辑电路。一般为采取绝缘灌装全密封方式。因此固态继电器具有良好的抗震、耐腐蚀性。可在工况环境较差情况下长时间安全可靠运行。
固态继电器优点：
1．高寿命、高可靠。固态继电器由于内部无机械触点，不会像电磁继电器一样由于触点老化、应变而降低寿命。通常来说固态继电器使用寿命为电磁继电器50-100倍。
2.灵敏度高、切换速度快。固态继电器采用半导体元件设计封装，切换速度可达几毫秒甚至微秒级别，完全满足风机对叶片同步控制需求。
3.固态继电器输入电压范围较宽，驱动功率低，可直接与风机24V数字量输出模块相连，不需要另加驱动器。
固态继电器缺点：
1.无明显断开点，断开后仍有数微安至数毫安微电流。不能实现理想电隔离，不适用于小输出信号。
2.固态继电器一般存在通态压降，导通后功耗及发热量大，对高温的耐受性较差。需根据情况配备散热风扇。
3.交直流不能通用，触点组数少，通常只有一组常开或常闭。
4固态继电器在变桨回路中的应用
1.风机变桨电磁刹车工作原理
电磁刹车制动主要利用通电后线圈产生的磁场吸引衔铁动作，使衔铁与闸片分离，断电后衔铁在弹簧的作用下重新与闸片压紧，产生摩擦力制动。
变桨逆变器控制信号电压通常为24V，变桨时PLC会给变桨逆变器发出变桨命令，变桨逆变器控制信号将会变为0V。K2继电器线圈通过电流，电磁刹车得电，吸引衔铁松开，进行变桨动作。当停止变桨时，控制信号恢复24V电压，K2继电器线圈两端无电压差，线圈内部无电流，电磁刹车失电，衔铁受到弹簧作用力而抱闸。图三为变桨电磁刹车回路原理图。
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图三变桨电磁刹车回路原理图
2.固态继电器应用方案
风机电磁刹车的电源回路及控制回路均为直流24V。所以固态继电器选取直流控直流型。如图四所示，固态继电器一般有四个端口，分别为A1、A2、T1、L1。工作时只要在A1和A2加上控制信号，就可以控制T1和L1的通断。
固态继电器在选型时要对负载的浪涌特性进行分析，固态继电器在接通的瞬间会产生很大的电流，由于热量不能短时间散发，很可能造成内部可控硅烧坏。因此在选型时必须保证在稳态工作下，继电器能承受住浪涌电流。固态继电器负载能力受环境温度和自身温度影响较大，安装使用时应保证良好的散热条件，一般工作电流在10A及以上时需配备散热器。
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图四 固态继电器结构图
图五所示为改造后的电磁刹车回路图。将K2继电器替换为固态继电器。风机中电磁刹车线圈所加电源为直流。所以固态继电器输出为直流感性负载。对于直流感性负载在关断时会产生一个反电动势，所以需设计一个吸收回路将能量消耗，避免反向击穿损坏元件。吸收回路一般在负载两端并联一只二极管，极性如图五所示。二极管额定电流应等于工作电流，电压大于工作电压4倍。为保护固态继电器稳定运行，在输出回路中串联一只压敏电阻能有效防止瞬态过电压，有效抑制输出端瞬态电压和电压指数上升率dv/dt。
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图五 改造后电磁刹车回路图
5仿真试验结果及实用性评价
根据设计方案，现场对改造后电磁刹车回路进行仿真实验。电源回路采取风机1：1仿真。NG5提供60V直流电源，经过T1模块转变为24V直流。对变桨电机电磁刹车供电。控制信号采取可编程电源，提供频率为1HZ的脉冲信号。经过1周测试，固态继电器运行状态良好，动作可靠，完全具备电磁继电器功能。
结束语：
从前述可以看到固态继电器在性能上比电磁继电器有的较高的优越性。只要了解固态继电器特性，在回路中加以保护电路辅助，固态继电器不管在寿命上，还是动作可靠性上都远强于电磁继电器。
固态继电器初始成本略高于电磁继电器，但考虑到使用寿命、维护成本、以及故障率，使用固态继电器的平均成本是远低于电磁继电器的。
综上所述固态继电器在金风1.5MW风机变桨回路的应用，存在一定价值。
参考文献
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