CN205388523U - 风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置。所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，包括智能控制运算单元、设于风力发电机组的脉冲数齿盘上的接近开关、用于测量风向与机舱夹角θ的风向标、用于测量风速v的风速计、用于测量直流母线电压Udc的电压传感器、用于测量直流负载电流I的电流传感器和主轴制动系统，所述的主轴制动系统包括用于检测刹车位置并测量刹车间隙的刹车到位反馈装置和用于驱动主轴制动器执行刹车动作的驱动装置。本实用新型应用范围广，适用于所有含主轴制动器的风力发电机组。

Description

风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种主轴制动力矩的测量装置。用于风力发电机组主轴制动器制动力矩的测量，属于风力发电技术领域。

背景技术

近年来，资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。自80年代以来，风能利用的主要趋势是风力发电。随着现代技术的发展，风力发电迅猛发展，其占整个能源利用的比重越来越大。随着风电技术日趋成熟，越来越多的风力发电相关人员认识到了机组安全稳定运行的重要性，而风力发电机组主轴制动系统就是影响机组安全稳定运行关键的一环。因此，合理、准确测量主轴制动力矩显得尤为重要。

当前中小型风力发电机组主轴制动系统主要由制动器、磨擦盘、驱动和电控系统组成。制动器主要有液压制动、电动制动、气动制动三大类型。不管选用哪种类型的制动器，制动器上都含有磨擦块，当磨擦块磨损至一定程度后，如果继续使用，不仅损伤磨擦盘，更影响制动效果，威胁风力发电机组的安全。

主轴制动器的制动性是风力发电系统的主要性能之一，制动性能的检测对所有风力发电机组都极其重要的。主轴制动器的制动性关系到机组与人的安全，它是风力发电机组安全、稳定运行的重要保障。资料表明，因制动不良而导致的风力发电机组飞车、损坏占事故总数的比重很大。风力发电机组本身是一个复杂的系统，在机组运行过程中，风轮、主轴总成之间都在转动，机组本身也存在不同程度的震动，随着时间的推移，各系统的运行状态都会发生变化，机组状况将不断恶化，造成风力发电机组各种性能的下降，从而使其发生故障的可能性逐渐增加，造成风力发电机组安全隐患的大量聚合。随着风力发电装机数量的增加和风电技术的日趋成熟，风力发电系统对主轴制动性能的要求也愈来愈高。

摩擦块厚度的检测虽是一种最直观、最真实的一种检测方法，但这种检测方法只能检测制动块自身，不能检测主轴制动系统其他组件，也就是说，这种检测方法不够全面，不能够很好的了解当前制动器的制动性能。而人工检查受机舱空间、恶劣的现场环境局限性，存在一定的瑕疵，也受检查人员的工作技能和工作态度影响。因这些局限性，需要一种新的测量方法，对风力发电机组主轴制动器的性能进行检测。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种主轴制动器的测量装置，以解决制动器定量分析难得问题：根据当前风速、风轮转速、直流母线电压、负载电流，计算主轴制动器制动力矩的大小。这种测量方法简单快捷，不需要额外增加机组硬件成本，与传统的检测方法一同使用，可以更精准、更全面的了解机组主轴制动器的状态，提高系统的安全性与稳定性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，包括智能控制运算单元D1、设于风力发电机组的脉冲数齿盘上的接近开关D2、用于测量风向与机舱夹角θ的风向标D3、用于测量风速v的风速计D4、用于测量直流母线电压Udc的电压传感器D5、用于测量直流负载电流I的电流传感器D6和主轴制动系统，所述的主轴制动系统包括用于检测刹车位置并测量刹车间隙的刹车到位反馈装置D7和用于驱动主轴制动器执行刹车动作的驱动装置D8。

优选地，所述的智能控制运算单元D1为可编程控制器，可编程控制器的模拟量输入端接风向标D3、风速计D4、电压传感器D5和电流传感器D6的输出端，可编程控制器的带高数计数器的数字量输入端接置于脉冲数齿盘上用于测风轮转速的接近开关D2；可编程控制器的普通数字量输入端接主轴制动系统的刹车到位反馈装置D7；可编程控制器的数字量输出端接主轴制动系统的驱动装置D8。

优选地，所述的脉冲数齿盘为机构齿轮盘。

优选地，所述的接近开关D2为电磁感应接近开关。

优选地，所述的风向标D3为风向传感器。

优选地，所述的风速计D4为风速传感器。

优选地，所述电压传感器D5为直流霍尔电压传感器。

优选地，所述电流传感器D6为直流霍尔电流传感器。

本实用新型的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置基于转动惯量与扭矩的关系，有以下三大功能：1、风力发电机组启动过程中的主轴制动器自检；2、风力发电机组并网运行过程中的主轴制动器的在线检测；3、数据统计及预警，根据测得的主轴制动器历史数据，实时分析主轴制动器寿命。该测量方法根据系统原有的信号输入与处理系统所知的当前平均风速、当前平均风向、当前风轮转速、当前直流母线电压和当前负载电流，动作主轴制动器，以固有的函数公式测量主轴制动器测量力矩，分析主轴制动器的状态。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)应用范围广，适用于所有含主轴制动器的风力发电机组；

2)测量方法简单可靠易实施，适用于风力发电机组不同的运行状态：启动过程、风轮空转、并网运行；

3)所有测量过程均利用风力发电机组原有组件，无需额外更加元器件，不需增加硬件成本；

4)功能齐全，有启动自检、在线诊断、统计预测三大功能；

5)与传统的主轴制动系统的检测方法完美兼容，一同使用大大的提高了系统的安全性与稳定性。

附图说明

图1为风力发电主轴制动力矩的测量装置结构示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例

一种风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，如图1所示，所述的风力发电主轴制动力矩的测量装置包括智能控制运算单元D1、设于风力发电机组的脉冲数齿盘上的接近开关D2、用于测量风向与机舱夹角θ的风向标D3、用于测量当前风速v的风速计D4、用于测量直流母线电压Udc的电压传感器D5、用于测量直流负载电流I的电流传感器D6和主轴制动系统。脉冲数齿盘上设有用于测风轮转速RPM的接近开关D2，风轮旋转时，带动脉冲数齿盘，置于脉冲数齿盘上的接近开关D2会产生脉冲。所述的主轴制动系统包括用于检测刹车位置并测量刹车间隙的刹车到位反馈装置D7和用于驱动主轴制动器执行刹车动作的驱动装置D8。

所述的智能控制运算单元D1为可编程控制器，包括CPU模块以及与CPU模块连接的模拟量采集模块、开关量输入输出模块和通信模块。可编程控制器的模拟量输入端接风向标D3、风速计D4、电压传感器D5和电流传感器D6的输出端，可编程控制器的带高数计数器的数字量输入端接置于脉冲数齿盘上用于测风轮转速的接近开关D2；可编程控制器的普通数字量输入端接主轴制动系统的刹车到位反馈装置D7；可编程控制器的数字量输出端接主轴制动系统的驱动装置D8。所述的脉冲数齿盘为机构齿轮盘，所述的接近开关D2为电磁感应接近开关，机构齿轮盘为接近开关D2提供感应点。所述的风向标D3为风向传感器。所述的风速计D4为风速传感器。所述电压传感器D5为直流霍尔电压传感器。所述电流传感器D6为直流霍尔电流传感器。上述各元器件均为风力发电机组必须组成部件，无需额外增加。

采用风速计D4测量风速v并反馈给智能控制运算单元D1，智能控制运算单元D1进行判断，当风速v满足要求Am/s＜v＜Bm/s(本实施例中A为2.5，B为13)且需要测量风力发电机组主轴制动器的制动力矩时，通过风向标D3测量风向与机舱夹角θ并反馈给智能控制运算单元D1，智能控制运算单元D1判断机组是否对准风，即判断风向与机舱夹角θ是否为-5°～5°(即近似为0)，如若机组未对准风，智能控制运算单元D1控制风力发电机组执行偏航对风动作直至风向与机舱夹角θ为-5°～5°(即近似为0)。启动风力发电机组，通过接近开关D2测量风轮转速RPM并反馈给智能控制运算单元D1，当风轮转速RPM＞C(本实施例中，C取值40rpm)后，智能控制运算单元D1控制主轴制动系统的驱动装置D8驱动主轴制动器执行刹车动作并通过刹车到位反馈装置D7检测刹车位置并测量刹车间隙。从主轴制动器开始动作至刹车到位的时间T内，每隔ΔT＝1000ms时间段，智能控制运算单元D1记录当前风速v、当前风向θ、当前风轮转速RPM、当前直流母线电压Udc和当前直流负载电流I并按照下式计算风力发电机组主轴制动器制动力矩Tbreak：

Tbreak＝Jα+Twind-Tload，

其中， $\mathrm{\α}=\frac{2Pi\·RPM}{\mathrm{\Δ}T};$

$Twind=\frac{1}{2RPM}\mathrm{\ρ}\·Cp\·Pi\·R^2\·v^3\·9550;$

$T_{load}=\frac{Udc\·I}{RPM}\·9550;$

其中，J为风力发电机组转动惯量，由风力发电机组物理特性决定，本实施例中J为20000kg.m²；α为风轮角加速度，计算公式如上所示；Pi为圆周率，本实施例中Pi取值为3.14；R为风轮半径，为风力发电机组特征量，为定值，本实施例中R取值为10.5m；ρ为空气密度，本实施例中ρ取值为1.29kg/m³；Cp为风能利用系数，由风力发电机组翼形设计特性决定；Twind为风轮转矩，计算公式如上所示；V为当前测量实时风速，由风速传感器测量得到；Tload为当前负载转矩。

在机组风轮运行过中，由智能控制运算单元D1主动发命令给制动系统驱动装置D8进行刹车制动，当刹车到位T(T＝1000ms)时间后，控制主轴制动系统的驱动装置D8驱动主轴制动器释放刹车。在刹车制动和释放过程中，机组变化状态，智能控制运算单元D1采样以上计算公式需要参数，进行主轴制动力矩Tbreak计算。

据上所述，每隔ΔT时间，智能控制运算单元D1可以得出一组从主轴制动器开始刹车到刹车完成的一组制动力矩值。根据这组数据，可以得出当前主轴刹车过程中主轴制动器的运行状态，并根据历史的数据记录，分析得出主轴制动器的寿命。

Claims (8)

1.一种风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，包括智能控制运算单元(D1)、设于风力发电机组的脉冲数齿盘上的接近开关(D2)、用于测量风向与机舱夹角θ的风向标(D3)、用于测量风速v的风速计(D4)、用于测量直流母线电压Udc的电压传感器(D5)、用于测量直流负载电流I的电流传感器(D6)和主轴制动系统，所述的主轴制动系统包括用于检测刹车位置并测量刹车间隙的刹车到位反馈装置(D7)和用于驱动主轴制动器执行刹车动作的驱动装置(D8)。

2.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述的智能控制运算单元(D1)为可编程控制器，可编程控制器的模拟量输入端接风向标(D3)、风速计(D4)、电压传感器(D5)和电流传感器(D6)的输出端，可编程控制器的带高数计数器的数字量输入端接置于脉冲数齿盘上用于测风轮转速的接近开关(D2)；可编程控制器的普通数字量输入端接主轴制动系统的刹车到位反馈装置(D7)；可编程控制器的数字量输出端接主轴制动系统的驱动装置(D8)。

3.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述的脉冲数齿盘为机构齿轮盘。

4.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述的接近开关(D2)为电磁感应接近开关。

5.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述的风向标(D3)为风向传感器。

6.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述的风速计(D4)为风速传感器。

7.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述电压传感器(D5)为直流霍尔电压传感器。

8.如权利要求1所述的风力发电机组主轴制动器的制动力矩的测量装置，其特征在于，所述电流传感器(D6)为直流霍尔电流传感器。