毕业设计风力发电机组变桨机构故障分析

XX 职 业 技 术 学 院毕业设计论 文 2021 级 风能与动力技术 专业题 目： 风力发电机组变桨机构故障分析 毕业时间： 二O一三年六月 学生姓名： XXX 指导教师： XXX 班 级： 10风电1班 2012 年 12月20日 XX职业技术学院 2021 届各专业毕业论文设计成绩评定表姓名班级10风电1班专业风能与动力技术指导教师第一次指导意见 年 月 日指导教师第二次指导意见 年 月 日指导教师第三次指导意见 年 月 日指导教师评语及评分 成绩： 签字盖章 年 月 日辩论小组评价意见及评分成绩： 签字盖章 年 月 日教学系毕业实践环节指导小组意见 签字盖章 年 月 日学院毕业实践环节指导委员会审核意见 签字盖章 年 月 日说明：1、以上各栏必须按要求逐项填写.。2、此表附于毕业论文 (设计)封面之后。目录摘 要4一、风能概述4 一风能的特点及其开展4二我国风力发电的现状及趋势5二、风力发电机组结构及参数5一根本结构5三、变桨系统6一变桨系统的简介6二变桨系统的作用6三变桨系统的组成7四、变桨系统分析8一变桨系统的工作原理8二变桨系统控制8三变桨系统控制模式8四变桨系统各部件连接框图9五变桨系统的主要任务10五、变桨系统故障研究10一变桨常见故障原因及处理方法10小结15参考文献15致谢16 摘 要：风力作为一种可再生资源是取之不尽、用之不竭的。风力发电环境污染小，可取代煤炭石油等非可再生资源的使用。因此，随着风力发电技术的日趋成熟，风力用作发电的动力来源有着更为广阔的开展前景。风力发电机组电控系统主要由变桨系统、变流系统、主控系统以及监控系统组成。其中，变桨系统的主要作用是通过控制输出功率对风机速度进行调整，到达降速目的。当风速超过额定风速时，通过调整叶片的桨距角降低风机转速，使风机额定功率输出，从而防止发电机和逆变系统过载，保证风机正常稳定的运行。当风速小于额定风速时，通过变桨系统改变桨距角，吸收更多的风能提高Cp风能吸收系数，保证最高效的发电，提高风机的发电量。变桨系统的控制是风机运行、保证发电量的主要因素之一。关键词：风机；变桨；故障 一、风能概述一风能的特点及其开展109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大。从能源平安角度上看，我国开展改革委员会此前发布的数据说明，我国已成为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化铝、铜、水泥消耗最大的国家，是世界上能源消耗第二大国。我国2021年进口原油2.39亿吨，同比增长17%，我国石油对外依存度上升3个百分点，超过55%，成为仅次于美国的第二大石油进口国和消费国。从国际竞争力看，由于设备、管理、政策等滞后，我国的能源根底不具有国际竞争力 。从长远来看，我国目前的常规能源正在不断减少，必须开发和保证新的可再生能源供给，特别是开发和应用本钱较低的清洁可再生资源风能。kkkW，共计约10亿kkkW。在技术路径的选择上，直驱式风机与双馈式风机各有利弊。随着对风力发电机组可靠性要求的不断提高，直驱式风机设计正在不断增加。技术不断完善，运行的可靠性不断提高是风力发电行业的保障。另外，国家非常重视风电产业，国家陆续出台了一系列促进风电产业开展的法律、法规和产业政策，开展目标更加明确，思路更加清晰，前景非常广阔。风能可能是我国未来数年内最有开展潜力的可再生清洁能源之一。 二我国风力发电的现状及趋势把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风机叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风机技术，大约是3m/s的微风速度，便可以开始发电。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，风能清洁、环境效益好、装机规模灵活。但是，运行效率低、造价昂贵、技术有待改良，管理不够完善。风力发电机组行业分析报告显示，2021年我国的风电累计装机容量到达2000万kW，2021年将到达1亿kW。目前国内风电整机制造业仅金风科技、华锐、东汽、上海电气4家企业的年产能就在800万kW以上，这意味着其他60多家风电企业的竞争将会更加剧烈，而且这还不包括国际风电巨头。剧烈的市场竞争，以及陆地上的装机容量等因素预示着风力发电面临着严峻的考验。风力发电机组能够在市场占有一席之地不仅仅是国家政策，公司文化使命，还有更重要的是产品质量，保证机组稳定的运行，尽可能多的发电，产品本钱及其价格等各方面的因素。风力发电机的作用就是吸收最多的风能，而变桨系统是利用改变叶片的桨距角进而或得最大限度的风能。 二、风力发电机组结构及参数一根本结构风机主要由叶片、变桨机构、轮毂、发电机转子、发电机定子、偏航驱动、测风系统、辅助提升机、顶舱控制柜、底座、塔筒、塔架等局部组成 。各局部的组成分布如图 1 1所示。从图中可以清楚的看到该风机采用了水平轴三叶片的设计方案，正面迎风变桨距调节功能，能够更好的吸收风能。其中，机组的电控系统包括偏航系统、变桨系统、变流系统、通讯系统四大系统。通过继电器等元件的吸合或断开来实现偏航对风、改变桨距角确保最优的吸收风能，实现了自动控制和远程监控。1、叶片 2、变桨机构 3、轮毂 4、发电机转子 5、发电机定子6、偏航驱动 7、测风系统 8、辅助提升机 9、顶舱控制柜 10、底座 11、塔架 三、变桨系统一变桨系统的简介变桨控制系统是通过改变叶片迎角，实现功率变化来进行调节的。通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以到达控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。在90度迎角时是叶片的工作位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而到达限制功率。一般变桨角度范围为086度。采用变桨矩调节，风机的启动性好、刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降、额定点以前的功率输出饱满、额定点以的输出功率平滑、风轮叶根承受的动、静载荷小。变桨系统作为根本制动系统，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。二变桨系统的作用1、功率调节作用变桨距控制是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法，变桨目的是通过控制桨距角，调节叶轮吸收风能的功率。在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能的捕捉较多的风能，桨距角设定值设定在能够吸收最大功率的最优值，所以这时机组运行没有必要改变桨距角，一般桨距角设定在0附近，以便让叶轮尽可能多的吸收风能，此时，空气动力载荷通常比在额定风速小。额定风速以上阶段时，变速控制器和变桨控制器共同作用，通过变速控制器即控制发电机的扭矩使其恒定，从而恒定功率；通过变桨调节发电机转速，使其始终跟踪发电机转速的设定值。改变桨距角充分的吸收风能使功率最大化，保证风机的利用率到达最高。2、气动刹车作用风力发电机组变桨系统是风机唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺桨至停机位置来完成气动刹车。主控系统的所有停机指令，包括普通停机，快速停机和紧急停机，最后都是通过数据总线发送到变桨系统来执行。机组平安链的最后输出到达变桨系统，在此过程中，任意一个平安链节点断开后，平安链系统送给变桨系统的高电平都会丧失，变桨系统会根据内部程序立即执行紧急停机。在执行停机或紧急停机的时候都是变桨柜接受主控传达信息，叶片迅速顺桨，利用空气阻力使得风机进入停机过程.三变桨系统的组成变桨控制系统包括三个主要部件，驱动装置电机，齿轮箱和变桨轴承。从额定功率起，通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风机的功率控制。如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以平安地使风机停机。四、变桨系统分析一变桨系统的工作原理当风向发生变化时，通过变桨驱动电机带动变桨轴承转动从而改变叶片对风向地迎角，使叶片保持最正确的迎风状态，由此控制叶片的升力，以到达控制作用在叶片上的扭矩和功率的目的。 二变桨系统控制变桨系统共包括变桨控制柜、变桨驱动、皮带、皮带轮、叶片五局部。变桨驱动中包含变桨电机、变桨减速器。变桨控制柜为变桨电机提供电源，变桨电机带动皮带、皮带轮工作，驱使叶片上的变桨盘旋转，使叶片调整角度。变桨柜通过滑环与机舱柜连接进行数据交换，经过滑环的线路分别为400V电源线、平安链回路线、DP 总线。(三)变桨系统控制模式1、自动变桨模式：正常工作状态，主控程序控制；2、手动变桨模式：调试、维护状态；只有当两只叶片的位置在86附近，第三只叶片才能向0变桨，单只叶片的变桨范围被限制在5到87之间，叶片向0变桨到接近开关动作为止；3、强制手动变桨模式：调试、维护状态；三只叶片都能向0变桨，不受0接近开关和90限位开关的限制，只要在变桨齿形带的范围之内都可以进行变桨。 四变桨系统各部件连接框图五变桨系统的主要任务 1. 通过调整叶片角把风机的电力速度控制在规定风速之上的一个恒定速度。2. 当平安链被翻开时，使用转子作为空气动力制动装置把叶子转回到羽状位置平安运行。3. 调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力。4. 通过衰减风转交互作用引起的震动使风机上的机械载荷极小化。 五、变桨系统故障研究一变桨常见故障原因及处理方法1. 变桨角度的差异1叶片1变桨角度有差异2叶片2变桨角度有差异 (3) 叶片3变桨角度有差异 原因：变桨电机上的旋转编码器A编码器得到的叶片角度将与叶片角度计数器B编码器得到的叶片角度作比照，两者不能相差太大，相差太大将报错。处理方法：1.由于B编码器是机械凸轮结构，与叶片的变桨齿轮啮合，精度不高且会不断磨损，在有大晃动时有可能产生较大偏差，因此先复位，排除故障的偶然因素；2.如果反复报这个故障，进轮毂检查A、B编码器，检查的步骤是先看编码器接线与插头，假设插头松动，拧紧后可以手动变桨观察编码器数值的变化是否一致，假设有数值不变或无规律变化，检查线是否有断线的情况。编码器接线机械强度相对低，在轮毂旋转时，在离心力的作用下，有可能与插针松脱，或者线芯在半断半合的状态，这时虽然可复位，但转速一高，松动到达一定程度信号就失去了，因此可用手摇动线和插头，假设发现在晃动中显示数值在跳变，可拔下插头用万用表测通断，有不通的和时通时断的，要处理，可重做插针或接线，如不好处理直接更换新线。排除这两点说明编码器本体可能损坏，更换即可。由于B编码器的凸轮结构脆弱，屡次发生凸轮打碎，因此对凸轮也应做检查。2.叶片没有到达限位开关动作设定值 原因：叶片设定在91触发限位开关，假设触发时角度与91有一定偏差会报此故障。处理方法：检查叶片实际位置。限位开关长时间运行后会松动，导致撞限位时的角度偏大，此时需要一人进入叶片，一人在中控器上微调叶片角度，观察到达限位的角度，然后参考这个角度将限位开关位置重新调整至刚好能触发时，在中控器上将角度清回91。限位开关是由螺栓拧紧固定在轮毂上，调整时需要2把小活扳手或者8mm叉扳。3.某个桨叶91或95触发 有时候是误触发，复位即可，如果复位不了，进入轮毂检查，有垃圾卡主限位开关，造成限位开关提前触发，或者91度限位开关接线或者本身损坏失效，导致95限位开关触发。1 叶片1限位开关动作2 叶片2限位开关动作 (3) 叶片3限位开关动作 原因：叶片到达91触发限位开关，但复位时叶片无法动作或脱离限位开关。 处理方法：首先手动变桨将桨叶脱离后尝试复位，假设叶片没有动作，有可能的原因有：机舱柜的手动变桨信号无法传给中控器；可在机舱柜中将141端子和140端子下方进线短接后手动变桨检查轴控柜内开关是否有可能因过流跳开，假设有合上开关后将桨叶调至90即可复位轴控箱内控制桨叶变将的6K1接触器损坏，检查如损坏更换，同时检查其他电器元件是否有损坏。4.变桨电机温度高1变桨电机1温度高2变桨电机2温度高3变桨电机3温度高 (4) 变桨电机1电流超过最大值 (5) 变桨电机2电流超过最大值 (6) 变桨电机3电流超过最大值 原因：温度过高多数由于线圈发热引起，有可能是电机内部短路或外载负荷太大所致，而过流也引起温度升高。 处理方法：先检查可能引起故障的外部原因：变桨齿轮箱卡瑟、变桨齿轮夹有异物；再检查因电气回路导致的原因，常见的是变桨电机的电器刹车没有翻开，可检查电气刹车回路有无断线、接触器有无卡瑟等。排除了外部故障再检查电机内部是否绝缘老化或被破坏导致短路。 5.变桨控制通讯故障 原因：轮毂控制器与主控器之间的通讯中断，在轮毂中控柜中控器无故障的前提下，主要故障范围是信号线，从机舱柜到滑环，由滑环进入轮毂这一回路出现干扰、断线、航空插头损坏、滑环接触不良、通讯模块损坏等。 处理方法：用万用表测量中控器进线端电压为230v左右，出线端电压为24v左右，说明中控器无故障，继续检查，将机舱柜侧轮毂通讯线拔出，红白线、绿白线，将红白线接地，轮毂侧万用表一支表笔接地，如有电阻说明导通，无断路，有断路启用备用线，假设故障依然存在，继续检查滑环，我场风机绝大多数变桨通讯故障都由滑环引起。齿轮箱漏油严重时造成滑环内进油，油附着在滑环与插针之间形成油膜，起绝缘作用，导致变桨通讯信号时断时续，冬季油变粘着，变桨通讯故障更为常见。一般清洗滑环后故障可消除，但此方法治标不治本，从根源上解决的方法是解决齿轮箱漏油问题。滑环造成的变桨通讯还有可能有插针损坏、固定不稳等原因引起，假设滑环没有问题，得将轮毂端接线脱开与滑环端进线进行校线，校线的目的是检查线路有无接错、短接、破皮、接地等现象。滑环座要随主轴一起旋转，里面的线容易与滑环座摩擦导致破皮接地，也能引起变桨故障。 6.变桨错误 原因：变桨控制器内部发出的故障，变桨控制器OK信号中断，可能是变桨控制器故障，或者信号输出有问题。 处理方法：此故障一般与其他变桨故障一起发生，当中控器故障无法控制变桨时，PITCH CONTROLLER OK信号为0，可进入轮毂检查中控器是否损坏，一般中控器故障，会导致无法手动变桨，假设可以手动变桨，那么检查信号输出的线路是否有虚接、断线等，前面提到的滑环问题也能引起此故障。 7.变桨失效 原因：当风轮转动时，机舱柜控制器要根据转速调整变桨位置使风轮按定值转动，假设此传输错误或延迟300ms内不能给变桨控制器传达动作指令，那么为了防止超速会报错停机。 处理方法：机舱柜控制器的信号无法传给变桨控制器主要由信号故障引起，影响这个信号的主要是信号线和滑环，检查信号端子有无电压，有电压那么控制器将变桨信号发出，继续查机舱柜到滑环局部，假设无故障继续检查滑环，再检查滑环到轮毂，分段检查逐步排查故障。 (1) 变桨电机1转速高 (2) 变桨电机2转速高 (3) 变桨电机3转速高 原因：检测到的变桨转速超过31每秒，这样的转速一般不会出现，大多数由于旋转编码器故障引起。或者由轮毂传出的RPM OK信号线问题引起。 处理方法：可参照检查变桨编码器不同步的故障处理方法编码器问题，编码器无故障那么转向检查信号传输问题。 (二)变桨机械局部常见故障原因及处理方法 变桨机械局部的故障主要集中在减速齿轮箱上，保养不到位加之质量问题，使减速齿轮箱有可能损坏，在有卡瑟转动不畅的情况下会导致变桨电机过流并且温度升高，因此有电机过流和温度高的情况频发时，要检查减速齿轮箱。 轮毂内有给叶片轴承和变桨齿轮面润滑的自动润滑站，当缺少润滑油脂或油管堵塞时，叶片轴承和齿面得不到润滑，长时间运行必然造成永久地损伤，变桨齿轮与B编码器的铝制凸轮没有润滑，长时间摩擦，铝制凸轮容易磨损，重那么将凸轮打坏，造成编码器不同步致使风机故障停机，因此需要重视润滑这个环节，长时间的小毛病的积累，必然导致机械部件不可挽回的损坏。 三蓄电池局部常见故障及处理方法 1. 变桨电池充电器故障 原因：轮毂充电器3A1不充电，有可能3A1已经损坏，有可能由于电网电压高导致无法充电。 处理方法：观察停机代码，一般轮毂充电器不工作引起3面蓄电池电压降低，将会一起报 1叶片1蓄电池电压故障 (2) 叶片2蓄电池电压故障 (3) 叶片3蓄电池电压故障 检查3A1，测量有无230V交流输入，有230交流电压说明输入电源没问题，再测量有无230V左右直流输出和24V直流输出，有输入无输出那么可更换3A1，假设由于电网电压短时间过高引起，那么电压恢复后即可复位。 (1) 叶片1蓄电池电压故障单独报错 (2) 叶片2蓄电池电压故障单独报错 (3) 叶片3蓄电池电压故障单独报错 原因：假设只是单面蓄电池电压故障，那么不是由轮毂充电器不充电导致，可能由于蓄电池损坏、充电回路故障等引起。 处理方法：按下轮毂主控柜的充电实验按钮，3面轮流试充电，此时测量吸合的电流接触器的出线端有无230V直流电源，再顺着充电回路依次检查各电气元件的好坏，检查时留意有无接触不良等情况，确定充电回路无异常，那么检查是否由于蓄电池故障导致不能充电。翻开蓄电池柜，蓄电池由3组，每组6个蓄电池串联组成，单个蓄电池额定电压12V，先分别测量每组两端的电压，假设有不正常的电压，那么挨个测量每个蓄电池，直到确定故障的蓄电池位置，将损坏蓄电池更换，再充电数个小时具体充电时间根据更换的数量和温度等外部因素决定，一般充电12小时即可。假设不连续充电直接运行，那么新蓄电池没有彻底激活，寿命大打折扣，很快也会再次损坏，还有可能导致其他蓄电池损坏。小结本文从风能的开展展开论述，主要是变桨系统分析以及变桨故障分析处理进行讨论。风机的控制系统是风机的重要组成局部，它承当着风机监控、自动调节、实现最大风能的捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务。它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统几局部组成。其中变桨控制系统与主控系统配合，通过对叶片的节距角的控制，实现最大风能捕获以及恒功率运行，提高了风力发电机组的运行灵活性。目前看来，变桨控制系统的叶片驱动有液压和电气两种方式，电气驱动方式又有采用交流电机和直流电机两种不同方案。风机的各种故障就是通过许多检测模块的相互检测，使各部件都能稳定运行，是风机平稳的运行的重要保证。参考文献1 致谢 本论文是在老师，精心指导和大力支持下完成的。在辩论之前，进一步对本论文进行指导。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。她们渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在写毕业论文过程中我也学到了许多了关于风力发电机组变桨系统方面的知识，实践技能有了很大的提高。稳固了所学的知识。通过这次写论文，在老师的指导下，我对一些不熟悉的知识又有了进一步的了解，而且还学到了一些新的东西，对一些软件更熟练了。时刻提醒自己，做事情要认真，学习态度端正，哪怕一个标点符号的不同，其意义就会改变。这些成果是与老师的耐心教导，不断帮助离不开的。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示深深地感谢！