CN101514687A - 一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统及控制方法,其特征在于:它包括一设置在发电机组的增速齿轮箱输出轴与高速轴之间的扭转减振器,一安装在所述高速轴上的钢制刹车盘,一与所述钢制刹车盘对应的刹车闸钳,一套控制刹车闸钳的液压系统,一设置在所述增速齿轮箱输出轴或高速轴上的速度传感器,一设置在固定支架上的风速计,所述液压系统、速度传感器和风速计分别通过数据线连接一装载有控制系统的计算机。本发明采用ABS原理,控制刹车闸钳与刹车盘在制动效率最佳点附近动作,可以有效地消除或减轻扭转振动和缓冲动载荷冲击的作用,提高齿轮箱的使用寿命,保障风机的正常运行。本发明可以广泛用于各种水平轴兆瓦级风力发电机组中。
Description
技术领域
本发明涉及一种刹车系统,特别是关于一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统及控制方法。
背景技术
一般的风力发电机组的刹车装置是个开环控制过程,在刹车的整个过程中没有任何的信息反馈。对于刹车装置的运行状态,整个风力发电机组在响应刹车动作后的状态,以及最后的刹车状态,风力发电机组的控制系统都无从得知,因而不能很好地控制整个系统使其进入最佳的运动状态,保证其稳定性。目前出于结构上和成本上的考虑,大多数刹车装置都安装在高速轴端,在高速轴端设置刹车闸的最大弊端是:齿轮箱在刹车时经常出现过载,由于风轮制动时叶片不连贯停顿,动态载荷使齿轮箱内的轮齿来回碰撞,从而使齿牙长期受较大弯曲应力,造成齿轮箱过早的疲劳损坏。在冬季,风速一般较高,经常超出风机所能承受的风速范围。这样需要风机经常进行紧急刹车,从而产生巨大的惯性冲量,对齿轮箱、叶片及刹车系统有“致命”的危害。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种可以针对高速轴不同转动状态,进行刹车压力选择,以在最佳刹车点进行刹车的兆瓦级风力发电机组的刹车系统及控制方法。
为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:它包括一设置在发电机组的增速齿轮箱输出轴与高速轴之间的扭转减振器,一安装在所述高速轴上的钢制刹车盘,一与所述钢制刹车盘对应的刹车闸钳,一套控制刹车闸钳的液压系统,一设置在所述增速齿轮箱输出轴或高速轴上的速度传感器,一设置在固定支架上的风速计,所述液压系统、速度传感器和风速计分别通过数据线连接一装载有控制系统的计算机。
所述扭转减振器包括一连接在所述增速齿轮箱输出轴的主动盘毂,一连接在所述高速轴上的从动盘毂,一套接在所述从动盘毂上的减振压盘,所述主动盘毂与从动盘毂、从动盘毂与减振压盘之间分别设置有减振摩擦片,所述主动盘毂、从动盘毂、减振压盘相互对应开有若干放置有减振弹簧的长方形的窗口,在所述减振弹簧的外侧圆周上,若干限位销穿过所述从动盘毂将所述主动盘毂与所述减振压盘连成一体,在所述减振弹簧的内侧圆周上,若干紧固螺栓穿过所述从动盘毂将所述主动盘毂与所述减振摩擦片、减振压盘连接成一体。
所述的扭转减振器的主动盘毂和减振压盘的长方形窗口与减振弹簧接触的地方设置有翻边。
设置在所述增速齿轮箱输出轴或高速轴上的速度传感器为霍尔速度传感器,与其配合在所述主动盘毂或从动盘毂上设置有一测速盘。
所述液压系统包括一油泵,所述油泵通过油管连接一液动换向阀,所述液动换向阀通过油管连接一电磁换向阀,所述电磁换向阀通过数据线连接所述计算机,并通过油路控制所述液动换向阀换向,通过油路连接所述油泵,所述液动换向阀通过油管连接一液压缸的活塞两端,所述活塞的输出端连接所述刹车闸钳。
所述液压系统中设置有溢流阀和防止回流的单向阀。
上述一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统的控制方法,包括以下步骤:
1)在计算机系统中预置常规刹车高速轴的极限转速w,角加速度底值L和峰值H;
2)由计算机采集速度传感器获得的高速轴转速W和风速计获得的风速Vw;3)由计算机根据高速轴的转速W和风速Vw,计算出液压刹车闸钳加压时的最佳压力P:
其中:JB:叶片转动惯量,风力发电机组制造好以后,就已经固定;JG:发电机转动惯量,风力发电机组制造好以后,就已经固定;高速轴角加速度;A:迎风面积,风力发电机组制造好以后,就已经固定;i:增速比,风力发电机组制造好以后,就已经固定;CP:风能利用系数,根据当地气候条件选取;ρ:空气密度,根据当地气候条件选取;vw:风速,由风速计测量得到;η:齿轮箱传动效率,风力发电机组制造好以后,就已经相对固定;R:制动力臂,刹车闸作用点到刹车盘中心的距离,安装好后就已经确定;
3)判断高速轴的转速W是否大于设定值w:a)若W小于w,进入常规刹车模式,一次刹死停机,刹车过程结束;b)若W大于w,则进入步骤4);
4)首先判断开始刹车以来是否有过刹车动作:a)若之前没有刹车动作,则控制液压系统用最佳压力P进行加压刹车,延时一段时间t后,第二次采集高速轴转速W1,并保存在系统内,根据计算机获得的延时时间t,计算出瞬时的高速轴的角加速度 b)若之前已经有过刹车动作,由系统已经保存的上一次刹车后的高速轴的转速W1和当前获得的高速轴的转速W,根据 计算出瞬时的高速轴4的角加速度
5)判断计算得到的角加速度值与系统设置的角加速度底值L、峰值H的关系,判断液压系统应该增压,减压还是保压控制;
6)执行压力控制:a)选择增压控制时,计算机控制电磁换向阀一侧通电,电磁换向阀通过液动换向阀控制油缸中的活塞向增加液压刹车闸钳与钢制刹车盘之间摩擦力的方向给油;b)选择减压控制时,计算机控制电磁换向阀另一侧通电,电磁换向阀通过液动换向阀控制油缸中的活塞向降低液压刹车闸钳与钢制刹车盘之间摩擦力的方向给油;c)选择保压控制时,计算机控制电磁换向阀的两侧都不通电,液动换向阀位于中位,保持液压刹车闸钳与钢制刹车盘之间的摩擦力不变。
7)时间延时后,回到步骤2)。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明由于在增速齿轮箱的输出轴与高速轴之间加装了一扭转减振器,因此可以通过扭转减振器的主动轮毂与从动轮毂和从动轮毂与减振压盘之间设置的减振摩擦片,以及主动轮毂与从动轮毂之间的减振弹簧,消除或减轻扭转振动和缓冲动载荷冲击的作用,提高齿轮箱的使用寿命,保障风机的正常运行。2、本发明由于在控制刹车闸钳的液压系统中,借鉴车用ABS控制原理来控制刹车闸钳的压力,因此既可以提高刹车效率,又可以在同等条件下提高刹车零部件的使用寿命,延长设备维护周期。3、本发明由于在刹车系统设置了速度传感器、风速计等设备,并在计算机系统中设置了数据采集分析等反馈闭环控制软件,因此可以通过控制系统及时对参数进行调整,从而可以保证刹车位置在刹车压力最佳点附近刹车,并提高了整机运行的稳定性和可控性。4、本发明选用了感应式霍尔速度传感器,使刹车系统的控制精度高、反应速度快。5、本发明方法采用ABS原理,控制刹车闸钳与刹车盘在制动效率最佳点附近动作,因此既可以避免出现刹车闸钳在转速较高、动载荷较大时将刹车盘卡死出现大的冲击和振动的现象,有效地改善刹车环境,又可以减缓增速箱承受的较大动载荷,还可以降低刹车过程中产生的噪音和刹车闸钳与钢制刹车盘摩擦产生的热量。本发明可以广泛用于各种水平轴兆瓦级风力发电机组中。
附图说明
图1是本发明结构原理图
图2是本发明扭转减振器侧视示意图
图3是本发明扭转减振器结构示意图
图4是本发明扭转减振器上的从动盘毂侧视示意图
图5是本发明的压力控制原理示意图
图6是本发明使用方法流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示,现有技术中的风力发电机组包括由风推动的叶片1,由叶片1带动的低速轴2,与低速轴2连接的一增速齿轮箱3,增速齿轮箱3的输出端连接一高速轴4,高速轴4连接发电机5的输入端,高速轴4上设置有刹车系统,本发明主要是针对刹车系统进行的改进。
本发明的刹车系统包括:在增速齿轮箱3的输出轴31与高速轴4之间连接扭转减振器6,在高速轴4上安装一钢制刹车盘7,对应钢制刹车盘7设置一刹车闸钳8,一套控制刹车闸钳8的液压系统9,一速度传感器10设置在增速齿轮箱3输出轴31上,用于获取当前输出轴31带动高速轴4的转速,一风速计11设置在一固定支架上,用于测量当前环境风速。液压系统9、速度传感器10和风速计11分别通过数据线连接一装载有控制系统的计算机12。
如图2、图3、图4所示,本发明的扭转减振器6包括一固定连接在增速齿轮箱3的输出轴31上的主动盘毂61,一固定连接在高速轴4上的从动盘毂62,在从动盘毂62上套接有一减振压盘63,在主动盘毂61与从动盘毂62之间、从动盘毂62与减振压盘63之间分别设置有减振摩擦片64。主动盘毂61、从动盘毂62和减振压盘63相互对应,在同一圆周上间隔切向开有若干长方形的窗口65,在每对应的窗口65内设置有一减振弹簧66。主动盘毂61和减振压盘63相互对应,在同一圆周上间隔开有若干通孔67,与每对通孔67的位置对应,从动盘毂62上设置有扇形缺口68。用若干限位销69分别穿过各对通孔67和缺口68,将主动盘毂61与减振压盘63固定连接。主动盘毂61、从动盘毂62和减振压盘63上还相互对应在靠近圆心的同一圆周上,开有若干螺栓孔70,从动盘毂62上的螺栓孔70为弧形长孔,用若干设有蝶形弹簧垫圈的紧固螺栓71,穿过各对应的螺栓孔70,用蝶形弹簧垫圈和螺母72,把主动盘毂61、减振摩擦片64和减振压盘63固定连接。
本发明的主动盘毂61和减振压盘63的长方形窗口65与减振弹簧66接触的地方设置有翻边73,这样可以将减振弹簧66很好的保持在长方形窗口65内,并增加减振弹簧66的受力面积,减少减振弹簧66的损坏。如图1、图3所示,本发明安装在增速齿轮箱3的输出轴31上的速度传感器10可以采用霍尔速度传感器,与其配合在扭转减震器6的主动盘毂61上设置一测速盘13。速度传感器10与测速盘13也可以分别安装在高速轴4和从动盘毂62上。
当进行刹车时,增速齿轮箱3的转矩经过主动盘毂61传递给从动盘毂62,窗口65内的减振弹簧66进行减振、缓冲。减振摩擦片64可以抑制传动过程中可能出现的共振,还可以增强主动盘毂61与从动盘毂62之间的阻尼。当传动过程中,由于刹车的动作,出现大的转速差,系统产生较大动载冲击时,连接成一体的主动盘毂61和减振压盘63可以与从动盘毂62之间产生相对转动,从动盘毂62的刹车效应是通过减振摩擦片64的摩擦阻尼和减振弹簧66的伸缩传递给主动盘毂61的,直至停止相对转动。在这一过程中,从动轮毂62上设置的弧形长孔状螺栓孔70及扇形缺口68既不影响主动轮毂61和减振压盘63与从动轮毂62之间的扭转滞后关系,又限制了最大扭转滞后转角,充分发挥了减振摩擦片64的减振摩擦和减振弹簧66缓冲减振的作用。本发明扭转减振器6的这种“转动-相对静止”两种状态交替工作的特点,有效地消除了现有技术中的动载荷冲击和振动大的问题和由于动载荷所产生的齿轮箱内齿轮的轮齿瞬时过载碰撞的问题。另外主动盘毂61、从动盘毂62和减振压盘63相互对应设置的窗口65和限位销69可以限制从动盘毂62相对主动盘毂61转动的角度范围,防止减振弹簧66出现过大的变形和损坏。
如图5所示,本发明的液压系统9包括一油泵91,油泵91通过油管连接一液动换向阀92,液动换向阀92通过油管连接一电磁换向阀93,电磁换向阀93通过数据线连接计算机12,同时,电磁换向阀93通过油路连接油泵91。在机架上设置一液压缸94,液动换向阀92通过油管连接活塞95两端的液压缸94,活塞95的输出端96连接刹车闸钳8。液压系统9还设置有液压油过滤器97、溢流阀98和防止回流的单向阀99等。本发明的电磁换向阀93的作用是接受计算机12的控制指令,通过其不同的阀门位置变换,推动液动换向阀92处于不同的工作位从而实现常规供油、增压供油、或者减压供油状态。
本发明的计算机12内设置有控制软件,用来采集时间、转速传感器10测得的高速轴4转速和风速计测得的风速等数据,并对采集的数据进行分析判断,发出对液压系统9中电磁换向阀93的控制指令。计算机12在开始刹车前,需要设定常规刹车高速轴4的极限转速w,角加速度底值L、峰值H等。常规刹车高速轴4的极限转速w,可以根据实际情况设定,比如设定w为10rad/s,角加速度的底值L和峰值H是根据风力发电机组的型号不同,而有不同的设定。
如图6所示,本发明在刹车系统中使用ABS控制原理,进行刹车时,计算机12将速度传感器10获得的高速轴4的转速W,与计算机12软件中设定的极限转速w作比较,再由计算机12根据比较结果做出相应的刹车指令。如果速度传感器10获得的高速轴4的转速W小于设定的极限转速w,则进入常规制动模式,即可一次将其刹死停车。如果速度传感器10获得的高速轴4的转速W大于设定的极限转速w,则由计算机12对液压系统9做出对刹车闸钳8施加压力的指令。考虑到机械系统的惯性作用,在一定延时后,转速稳定,由计算机12计算当前高速轴4的角加速度将当前的高速轴4的角加速度与计算机12中设定的角加速度的底值L和峰值H进行比较,如果当前的高速轴4的角加速度大于设定的角加速度的峰值H时,便由计算机12对刹车闸钳8做出增大压力指令,从而增加液压刹车闸钳8与钢制刹车盘7之间的摩擦力,减小高速轴4的角加速度如果当前的高速轴4的角加速度小于设定的角加速度的底值L时,便由计算机12对液压刹车闸钳8做出减小压力指令,从而减小液压刹车闸钳8与钢制刹车盘7之间的摩擦力,增加高速轴4的角加速度如果当前的高速轴4的角加速度介于设定的角加速度的峰值H和底值L之间时,便由计算机12对刹车闸钳8做出保持压力指令,从而保持液压刹车闸钳8与钢制刹车盘7之间的摩擦力,保持高速轴4的角加速度同样在考虑到机械系统的惯性作用,延时后,由计算机12再次对获得的高速轴4的转速W与设定的极限转速w比较,开始下一次循环。高速轴4在一定的角加速度范围内进行减速,减到计算机设定的极限转速w以下时,跳出ABS刹车循环进入常规刹车。
通过以上描述可以看出,本发明刹车系统的控制方法可以归纳为以下步骤:
1)在计算机12系统中预置常规刹车高速轴4的极限转速w,角加速度底值L和峰值H;
2)由计算机12采集速度传感器10获得的高速轴4转速W和风速计11获得的风速Vw;
3)由计算机12根据高速轴4的转速W和风速Vw,计算出液压刹车闸钳8加压时的最佳压力P:
其中:
JB:叶片转动惯量,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
JG:发电机转动惯量,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
A:迎风面积,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
i:增速比,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
CP:风能利用系数,根据当地气候条件选取;
ρ:空气密度,根据当地气候条件选取;
vw:风速,由风速计测量得到;
η:齿轮箱传动效率,风力发电机组制造好以后,就已经相对固定;
R:制动力臂,刹车闸作用点到刹车盘中心的距离,安装好后就已经确定;
3)判断高速轴4的转速W是否大于初始设定值w(10rad/s):
a)若W小于w(10rad/s),则进入常规刹车模式,液压系统9产生的压力能够使得风力发电机组一次刹死停车,风力发电机组停机,刹车过程结束;
b)若W大于w(10rad/s),则进入ABS刹车模式,进入步骤4);
4)首先判断开始刹车以来是否有过刹车动作:
a)若之前没有刹车动作,则液压缸9用步骤2中计算得到的最佳压力P进行加压刹车,在延时一段时间t后,第二次采集高速轴转速W1,并保存在计算机12系统内部,根据计算机12获得的延时t,计算出瞬时的高速轴4的角加速度
6)执行压力控制:
a)选择增压控制时,计算机12通过数据线控制电磁换向阀93,使电磁换向阀93的左侧通电,电磁换向阀93通过油路控制液动换向阀92左位接入油路,液压油进入液压缸94左腔,使液压缸94中活塞95向右运动,使活塞95的输出端96驱动液压刹车闸钳8,增加与钢制刹车盘7之间的摩擦力;
b)选择减压控制时,计算机12通过数据线控制电磁换向阀93,使电磁换向阀93的右侧通电,电磁换向阀93通过油路控制液动换向阀92右位接入油路,液压油进入液压缸94右腔,使液压缸94中活塞95向左运动,使活塞95的输出端96驱动液压刹车闸钳8,降低与钢制刹车盘7之间的摩擦力;
c)选择保压控制时,计算机12通过数据线控制电磁换向阀93,使电磁换向阀93的两侧都不通电,电磁换向阀93通过油路控制液动换向阀92,使液动换向阀92中位接入油路,液压油保持在液压缸94中,使液压缸94压力不变,液压缸94中活塞95的输出端不动,液压刹车闸钳8与钢制刹车盘7之间的摩擦力不变。
7)时间延时后,回到步骤2)。
本发明方法和装置的实施例仅用于说明本发明,其中各部件的结构、设置位置、连接方式,及方法步骤的设置和顺序都是可以有所变化的,凡是在本发明技术方案的基础上进行的改进和等同变换,均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1、一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:它包括一设置在发电机组的增速齿轮箱输出轴与高速轴之间的扭转减振器,一安装在所述高速轴上的钢制刹车盘,一与所述钢制刹车盘对应的刹车闸钳,一套控制刹车闸钳的液压系统,一设置在所述增速齿轮箱输出轴或高速轴上的速度传感器,一设置在固定支架上的风速计,所述液压系统、速度传感器和风速计分别通过数据线连接一装载有控制系统的计算机。
2、如权利要求1所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:所述扭转减振器包括一连接在所述增速齿轮箱输出轴的主动盘毂,一连接在所述高速轴上的从动盘毂,一套接在所述从动盘毂上的减振压盘,所述主动盘毂与从动盘毂、从动盘毂与减振压盘之间分别设置有减振摩擦片,所述主动盘毂、从动盘毂、减振压盘相互对应开有若干放置有减振弹簧的长方形的窗口,在所述减振弹簧的外侧圆周上,若干限位销穿过所述从动盘毂将所述主动盘毂与所述减振压盘连成一体,在所述减振弹簧的内侧圆周上,若干紧固螺栓穿过所述从动盘毂将所述主动盘毂与所述减振摩擦片、减振压盘连接成一体。
3、如权利要求2所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:所述的扭转减振器的主动盘毂和减振压盘的长方形窗口与减振弹簧接触的地方设置有翻边。
4、如权利要求2所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:设置在所述增速齿轮箱输出轴或高速轴上的速度传感器为霍尔速度传感器,与其配合在所述主动盘毂或从动盘毂上设置有一测速盘。
5、如权利要求3所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:设置在所述增速齿轮箱输出轴或高速轴上的速度传感器为霍尔速度传感器,与其配合在所述主动盘毂或从动盘毂上设置有一测速盘。
6、如权利要求1或2或3或4或5所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:所述液压系统包括一油泵,所述油泵通过油管连接一液动换向阀,所述液动换向阀通过油管连接一电磁换向阀,所述电磁换向阀通过数据线连接所述计算机,并通过油路控制所述液动换向阀换向,通过油路连接所述油泵,所述液动换向阀通过油管连接一液压缸的活塞两端,所述活塞的输出端连接所述刹车闸钳。
7、如权利要求6所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统,其特征在于:所述液压系统中设置了溢流阀和防止回流的单向阀。
8、如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的一种兆瓦级风力发电机组的刹车系统的控制方法,包括以下步骤:
1)在计算机系统中预置常规刹车高速轴的极限转速w,角加速度底值L和峰值H;
2)由计算机采集速度传感器获得的高速轴转速W和风速计获得的风速Vw;
3)由计算机根据高速轴的转速W和风速Vw,计算出液压刹车闸钳加压时的最佳压力P:
其中:
JB:叶片转动惯量,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
JG:发电机转动惯量,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
A:迎风面积,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
i:增速比,风力发电机组制造好以后,就已经固定;
CP:风能利用系数,根据当地气候条件选取;
ρ:空气密度,根据当地气候条件选取;
vw:风速,由风速计测量得到;
η:齿轮箱传动效率,风力发电机组制造好以后,就已经相对固定;
R:制动力臂,刹车闸作用点到刹车盘中心的距离,安装好后就已经确定;
3)判断高速轴的转速W是否大于设定值w:
a)若W小于w,进入常规刹车模式,一次刹死停机,刹车过程结束;
b)若W大于w,则进入步骤4);
4)首先判断开始刹车以来是否有过刹车动作:
a)若之前没有刹车动作,则控制液压系统用最佳压力P进行加压刹车,延时一段时间t后,第二次采集高速轴转速W1,并保存在系统内,根据计算机获得的延时时间t,计算出瞬时的高速轴的角加速度
6)执行压力控制:
a)选择增压控制时,计算机控制电磁换向阀一侧通电,电磁换向阀通过液动换向阀控制油缸中的活塞向增加液压刹车闸钳与钢制刹车盘之间摩擦力的方向给油;
b)选择减压控制时,计算机控制电磁换向阀另一侧通电,电磁换向阀通过液动换向阀控制油缸中的活塞向降低液压刹车闸钳与钢制刹车盘之间摩擦力的方向给油;
c)选择保压控制时,计算机控制电磁换向阀的两侧都不通电,液动换向阀位于中位,向活塞两端供油,保持液压刹车闸钳与钢制刹车盘之间的摩擦力不变。
7)时间延时后,回到步骤2)。
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