功率可回收的電液比例偏航阻尼裝置的研究

劉峰

摘 要：該文論述了用于大型風(fēng)電機(jī)組的功率可回收的電液比例偏航阻尼裝置，它是一種新型偏航阻尼裝置，介紹了其工作原理及其構(gòu)成；當(dāng)風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏航回轉(zhuǎn)時(shí)，它驅(qū)動(dòng)一由電液比例溢流閥加載的“液壓泵-液壓馬達(dá)組合”，由它為機(jī)艙在偏航時(shí)施以阻尼力矩，其阻尼力矩可以通過給電液比例閥發(fā)出的指令來改變，以使機(jī)艙的廻轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)達(dá)到最佳的效果，而且驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率可以大部分回收，減少了發(fā)熱。該偏航阻尼裝置為大型風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)系統(tǒng)增添了一種新的阻尼方式，經(jīng)試驗(yàn)證明取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：偏航制動(dòng) 液壓加載 電液比例溢流閥 雙出軸偏航電機(jī)

中圖分類號(hào)：TU923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（b）-0-02

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械設(shè)備。目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大功率、高效率、高可靠性方向發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制動(dòng)系統(tǒng)的性能影響著風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況；該文首先針對(duì)目前一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航制動(dòng)系統(tǒng)易發(fā)生的問題進(jìn)行了分析并提出了可行的解決措施，具有實(shí)用的參考價(jià)值[1]。

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不可缺少的組成部分。它是一個(gè)較復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中偏航制動(dòng)的性能尤為重要，偏航制動(dòng)的功能是使偏航停止及偏航運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生一定的阻尼力矩，使機(jī)艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)國(guó)外的大型和特大型風(fēng)電機(jī)組的偏航制動(dòng)機(jī)構(gòu)均是由多組鉗盤式液壓制動(dòng)器和一個(gè)大直徑的制動(dòng)盤構(gòu)成，即將多個(gè)液壓制動(dòng)器固定在迴轉(zhuǎn)的機(jī)艙座上，而制動(dòng)盤則被固定在風(fēng)機(jī)的塔架上，當(dāng)機(jī)艙做偏航迴轉(zhuǎn)（俗稱對(duì)風(fēng)）時(shí)依靠制動(dòng)器的摩擦片與制動(dòng)盤之間的摩擦產(chǎn)生的的摩擦阻力矩（稱阻尼力矩）使機(jī)艙平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳統(tǒng)的靠摩擦對(duì)機(jī)艙產(chǎn)生阻尼力矩的方式，在實(shí)際運(yùn)行中存在著下列需要解決的問題：（1）鉗盤式液壓制動(dòng)器的摩擦副磨損較嚴(yán)重，需經(jīng)常更換摩擦片；（2）摩擦全部轉(zhuǎn)換為熱能無法再回收利用；（3）在偏航運(yùn)動(dòng)過程中由于摩擦產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲乃至振動(dòng)；（4）阻尼力矩一旦設(shè)定后（即輸給液壓制動(dòng)器的壓力不變）在偏航過程中不可調(diào)節(jié)。

針對(duì)這種情況，該文提出了不采用機(jī)械摩擦的方式對(duì)機(jī)艙回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生阻尼力矩，而采用液壓加載的方式對(duì)機(jī)艙產(chǎn)生反向力矩，來解決上述4個(gè)問題。

1 液壓加載的原理及功率回收

由于驅(qū)動(dòng)機(jī)艙回轉(zhuǎn)的電機(jī)（稱偏航電機(jī)）是多個(gè)，這些電機(jī)被固定在可回轉(zhuǎn)的機(jī)艙座上，每個(gè)電機(jī)都通過自己的減速機(jī)的輸出軸端的齒輪與固定在風(fēng)機(jī)塔架上的大直徑齒圈的齒相嚙合，因此當(dāng)這些電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)則機(jī)艙就繞著大直徑齒圈的中心旋轉(zhuǎn)。這里偏航電機(jī)采用了雙出軸的電機(jī)，軸的一端接減速機(jī)的輸入端而另一端接一個(gè)液壓泵，該液壓泵利用電機(jī)的軸作為動(dòng)力來源，將液壓泵加載后就會(huì)對(duì)機(jī)艙產(chǎn)生阻尼力矩。

液壓泵的加載可由節(jié)流閥（或溢流閥）或由液壓馬達(dá)加載，但是由閥加載時(shí)油液通過閥要發(fā)熱有能量損失，不能回收，因此該文提出用“液壓泵-液壓馬達(dá)機(jī)組”（見圖1）由電液比例溢流閥加載的方式為液壓泵加載對(duì)機(jī)艙產(chǎn)生阻尼力矩[2]，由于泵的輸出的油通向液壓馬達(dá)使其旋轉(zhuǎn)，而液壓馬達(dá)的軸與泵軸為同一個(gè)軸，這樣就可將液壓馬達(dá)的動(dòng)能回輸給液壓泵，這就將多臺(tái)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵所用能量的大部分回收了。這里功率回收必須是液壓馬達(dá)的排量要略小于液壓泵的排量，液壓泵的出口必須并聯(lián)一個(gè)電液比例溢流閥，由它給液壓泵載；圖1為“液壓泵-液壓馬達(dá)組合”圖片，圖2為該偏航阻尼裝置的外形圖片。

圖3表示了偏航阻尼裝置的液壓系統(tǒng)的組成和工作原理；當(dāng)液壓泵做正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，液流的流向如圖4箭頭與線條、虛線所示，油液經(jīng)單向閥1-2被泵a口吸入，再由b口供出，再分兩路，一路進(jìn)入液壓馬達(dá)c口驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，油液從d口排出再回到泵的吸油口，形成一個(gè)閉式循環(huán)，另一路經(jīng)單向閥2-1、比例溢流閥3流回油箱，由于馬達(dá)的排量小于泵的排量，泵和馬達(dá)又是同軸，則泵輸出的流量大于進(jìn)入馬達(dá)的流量，而過剩的流量只能通過比例溢流閥3流回油箱，增加比例閥的輸入電流就可增加泵的出口的壓力，即增加了負(fù)載，調(diào)節(jié)輸入給比例閥的電流就可調(diào)節(jié)機(jī)艙回轉(zhuǎn)的阻尼力矩。反之，當(dāng)液壓泵反向旋轉(zhuǎn)時(shí)液流的流向如圖5中箭頭與線條、虛線所示，也由電液比例溢流閥3調(diào)節(jié)阻尼力矩。這里通過比例溢流閥的一小部分的流量要轉(zhuǎn)換為熱量損失掉了而大部分流量用于驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)做功輸給泵，則該部分動(dòng)能被回收了[3]。

當(dāng)輸入給比例溢流閥的電流為零時(shí)，阻尼力矩為最小，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組可處于解纜工況。

對(duì)于功率回收的效果做如下分析：若不設(shè)有液壓馬達(dá)功率回收時(shí)，液壓泵輸出的壓力油則全部溢流了，其損失的功率為：

N=PQ （1）

式（1）中，P為液壓泵輸出的壓力；Q為液壓泵輸出的流量。

若設(shè)有液壓馬達(dá)做功率回收時(shí)，則液壓泵輸出的功率N分為兩部：

N=N1+N2 （2）

式（2）中，N1為溢流損失的功率約10%N；N2為輸入給馬達(dá)的功率為90%N。其中N2部分的15%為機(jī)械損失和容積損失之和（液壓馬達(dá)的總效率為85%），則輸給液壓馬達(dá)的功率損失為0.9·0.15N=13.5%N，由此可得總損失為：

（10%+13.5 %）N=23.5%N

則功率回收占液壓泵輸出的功率的76.5%。

2 結(jié)論

該文提出的用于大型風(fēng)電機(jī)組的功率可回收的電液比例偏航阻尼裝置有如下的特點(diǎn)。

（1）采用液壓加載的方式產(chǎn)生阻尼力矩可以避免機(jī)械摩擦方式產(chǎn)生阻尼力矩出現(xiàn)的問題（如摩損、噪聲和振動(dòng)等）。

（2）驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率大部分（大約76%）可回收再利用，可節(jié)省驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)的功率。

（3）用液壓加載的方式產(chǎn)生的阻尼力矩的大小可以通過電液比例溢流閥來調(diào)節(jié)，即阻尼力矩與輸入給電液比例溢流閥的電信號(hào)成比例，以適應(yīng)風(fēng)況的變化。

該新型偏航阻尼裝置為大型風(fēng)電機(jī)組偏航制動(dòng)系統(tǒng)增添了一種新的阻尼方式，經(jīng)試驗(yàn)證明取得了良好的效果。目前國(guó)內(nèi)外尚屬少見。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚興佳，宋俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 吳根茂.實(shí)用電液比例技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003.

[3] 上海煤礦機(jī)械研究所編.液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].上海：上海人民出版社，1988.