李宁、陆强、慈佳雪
国投哈密风电有限公司 新疆 哈密 839000
摘要：近年来国内外风电行业发展迅速，风电机组的日常维护、消缺等问题也成了风电机组稳定运行的一项严峻挑战。变桨电磁刹车作为变桨系统的唯一制动元件，对机组正常运行有着极其重要的意义。本文通过一则故障实例，就变桨电磁刹车损坏原因及改进措施进行阐述。
关键词：风电机组、变桨、电磁刹车继电器、辅助触点、DC-DC模块7T1
引言
现代风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。变桨技术是整个风力发电技术中的核心部分，变桨距机构的主要作用是调节桨距角以控制功率和风轮转速。此外，在大风或停机时，变桨距机构要把叶片调整到顺桨位置以保护风力机。根据国内风电机组的设计，变桨系统普遍采用的是各自独立的变桨执行机构，通过变桨执行机构进行制动控制。变桨执行机构由超级电容（蓄电池）、伺服电动机、驱动器、减速齿轮箱、传感器、电磁刹车等部分组成。
一、变桨刹车系统的制动机构及原理
1、变桨制动机构的组成
变桨系统通过变桨电机拖动齿形带进行变桨动作，由于没有像偏航系统一样的液压制动系统，故唯一的制动方法便是电磁刹车制动。制动系统包括：AC2，电磁刹车系统，5k1电磁刹车继电器、驱动器减速齿轮箱、DC-DC模块等。电机主要参数：
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2、电磁刹车动作原理
电磁刹车制动的原理比较简单：利用通电线圈产生的磁场吸引衔铁动作，使制动轮或衔铁与制动盘相互脱离；线圈断电后在弹簧的作用下释放衔铁，使制动轮或衔铁与制动盘相互摩擦实现制动。
3、变桨动作流程
当变桨系统要进行变桨动作时，通过PLC发出变桨命令，AC2控制5k1电磁刹车继电器得电，则电磁制动线圈得电，吸引衔铁松开制动，然后变桨电机拖动齿形带进行变桨；当变桨停止时，5k1电磁刹车继电器失电，从而电磁制动线圈失电，衔铁被释放进行抱闸刹车。
二、变桨电磁刹车损坏的危害
1、变桨电磁刹车继电器损坏，变桨电机无法松开刹车，变桨电机处于抱闸状态，变桨电机长时间处于运行状态，导致变桨电机电流急剧增加，极易造成变桨电机烧损及长时间运行对变桨电磁刹车机构造成严重磨损。
2、变桨电磁刹车继电器损坏，导致刹车抱死，变桨电机持续运行，变桨电机刹车片不断磨损，出现较大的振动及噪音；刹车片材料采用树脂复合材料，上述情况长时间发生，摩擦率大幅上升，刹车片的使用寿命急剧下降，超出风电机组定期维护周期，若不及时处理，可能造成严重的安全事故。
三、原因分析
风电场地处隔壁荒漠，环境条件恶劣，天气情况及其不稳定，变桨系统作为风电机组主要发电输出部分，从而变桨电机的刹车系统也变得尤为重要。
5k1电磁刹车继电器是电磁刹车的直接控制元件。它的外观图如图1所示。5k1电磁刹车继电器有11个管脚，提供3组触点。11、14和31、34串接在电磁刹车回路里，控制电磁刹车线圈的得电和失电。如果5k1电磁刹车继电器因某种原因导致触点未吸合，则电磁刹车不能松开。
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为了满足风电机组负荷要求，变桨系统需不停的调节变桨角度，调节风电机组的功率，故变桨刹车系统也需不停的进行刹车-释放-刹车；尤其在风电机组限负荷及风速起伏不定时，变桨系统调节桨角的次数更加频繁，变桨刹车继电器的动作次数也随之频繁，导致5k1电磁刹车继电器内部辅助触点频繁吸合，长时间动作辅助触点不断老化，触点出现卡涩、灼烧、发黑现象，继电器出现动作不灵敏，最终导致5k1电磁刹车继电器损坏，变桨电机刹车抱死。
在变桨柜里DC-DC模块负责给电磁刹车线圈供电，此模块输入电压范围为：24V-85V，额定输出为24V，16A。如果电源摸块损坏，则不能给电磁刹车线圈供电，至使电磁刹车无法松开制动。
经过上述分析，确定原因如下：
1、变桨刹车继电器频繁动作，导致其内部辅助触点长时间运行，出现老化、卡涩、灼烧、发黑现象，最终导致5k1电磁刹车继电器损坏失效。
2、电磁刹车线圈供电电源DC-DC模块损坏失效，导致5k1电磁刹车继电器线圈无法得电，导致电磁刹车无法松开制动。
四、变桨电磁刹车损坏的改进措施
1、5k1电磁刹车继电器的改进
由5k1电磁刹车继电器的管脚图可以看出，三个触点均用在电路中，控制电磁刹车回路和柜体风扇。本身无辅助触点用来监控5k1电磁刹车继电器是否吸合。可以用11、12或31、32这两个常闭触点来作为辅助触点，将这个触点接给KL1104模块，作为检测5k1电磁刹车继电器吸合的信号。通过在程序中加上对5k1电磁刹车继电器的检测项，当5k1电磁刹车继电器吸合时，11与12常闭触点断开，信号由高电平变为低电平，则得知5k1电磁刹车继电器已经吸合，如果未吸合则报出故障。
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1、DC-DC模块改进
由于现在使用的DC-DC模块为完全封装好的电源模块，所以无法得知内部各个元件的详细情况。有可能某个电容或者电感在这种全密闭的封装模式下，工作寿命会受到缩短。而且在频繁变桨的时候，三极管的开关次数也经受着极大的考验。整个电源模块并没有良好的散热，这就大大减小了模块的寿命，最方便的方法是更换一种新型号的开关电源，提供更宽的电压输出范围和相对稳定的电压质量，另外，给DC-DC模块加装一个检测制动电路，以保证发生故障时，变桨系统不会受到损害，这个电路所实现的功能是在检测到电源模块电压下降到一定值时，断开变桨内部安全链，使风机紧急停机，同时锁定故障叶片，禁止其变桨动作，避免DC-DC模块损坏对变桨系统造成更严重的事故。
结束语
面临风力发电机组变桨电磁刹车损坏问题日益严重，如何去维护和消除风电机组变桨电磁刹车问题仍是风电行业目前乃至将来面临的重要问题。变桨电磁刹车在风电机组安全稳定运行中至关重要。从保证风电机组安全稳定运行、设备安全、人员安全方面出发，能够准确的排查和消除故障是非常有必要的。
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