1、 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 1 of 20 EN15 风机风机变桨系统变桨系统 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 2 of 20 目录目录 目录.2 1.概述.3 2.变桨系统结构与功能.3 3.变桨电机.4 3.1 结构.4 3.2 直流电机功能.5 3.3 串励直流电机.5 3.4 串励直流电机的特性：.6 3.5 变桨电机参数：.7 4.变桨驱动.8 4.1 齿轮箱.8 4.2 变桨轴承.8 5.控制系统概述.8 5.1 变桨系统运行模式.8 5.2 变桨控制柜.9 5.3 电路图.10 5.4 变桨驱动
2、器.12 5.5 PLC.13 6.滑环与通讯.14 6.1 变桨滑环.14 6.2 通讯.15 7 电池控制.16 7.1 电池充电系统.16 7.2 电压监测.18 8 传感器.19 8.1 编码器.19 8.2 限位开关.19 9 温度控制.19 10 手动变桨.20 11 故障信息.20 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 3 of 20 1.概述概述 本文档介绍 EN15 风机变桨系统的功能、结构和工作原理，以及可能出现的故障和原因。2.变桨系统结构与功能变桨系统结构与功能 变桨系统包含以下部件：三个变桨电机（附带有刹车、旋转编码器和强制冷却风扇）
3、每个叶片一个电池组单元，以及电池充电系统，用于紧急情况下的变桨控制 直流电机的驱动器 变桨系统的 PLC 控制以及和风机主控系统的通讯 变桨电机的齿轮箱和变桨轴承 所有的变桨控制元件都在 3 个变桨控制柜中。EN15 风机变桨系统的工作原理：风机变桨系统有两个工作任务。一方面，它通过特殊的程序控制变桨来保持风轮匀速运转，即使在更高的风速和风机因此产生更大功率的情况下。另一方面，它还作为风机的一级刹车系统，当风机出现故障或其他原因需要停机时，可通过增大桨距角实现风机空气动力制动。因此，叶片由风吹动旋转，不会有过多的机械能量传递到转子轴上。每个叶片通过滚珠轴承旋转外缘与轮毂连接，轴承外圈安装在轮毂
4、上。远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 4 of 20 可转动的轴承内环与变桨齿轮箱小齿圈啮合。变桨电机通过法兰与齿轮箱连接，驱动小齿轮带动大齿圈旋转变桨。变桨电机为串励直流电机，附带编码器和刹车及风扇。所有的变桨驱动单元都安装在轮毂内。轴控柜中变桨驱动器直接控制变桨电机运行。另外，电池柜中还有一组电池用于在严重故障或断电时直接驱动变桨。轴控柜中的变桨 PLC 控制器可接收从主控系统发来的变桨信号，输出变桨驱动器控制三个叶片同步变桨。变桨系统的电源和信号线通过齿轮箱中空轴由滑环传入轮毂。3.变桨电机变桨电机 3.1 结构结构 串励直流电机，包括以下单元：刹车
5、 独立驱动风扇 旋转编码器 图 1 变桨电机 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 5 of 20 3.2 直流电机功能直流电机功能 直流电机的运行特性按励磁方式分类，励磁方式由电机本身供给的可分为并励、串励和复励直流电机三种，有另外的电源如晶闸管变流器供电的称为他励直流电机；由永磁体励磁的称为永磁直流电机。EN15 风机变桨电机使用串励直流电机。3.3 串励直流电机串励直流电机 大部分直流电机的励磁体都是电磁铁，相比永磁体来说会产生更大能量。电机转速与负载相关。当电机负载增大时，电枢电流会随之增大。由于电枢电流与励磁电流相等，因此励磁电流也会增大，这时转速会
6、随之降低。反之，当负载减小时，转速会显著增大。在空载情况下，转速会急剧增加，造成电机飞车。因此，串励电机绝不允许空载运行。可通过改变电枢电流或励磁电流的方向来改变电机的转向。励磁线圈（D1，D2）串联在电枢回路（A1，B2）中。如图所示。图 2：串励直流电机 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 6 of 20 3.4 串励直流电机的特性：串励直流电机的特性：图 3 串励直流电机的负载特性 图 4 特性：n=0 时转矩-电枢电流曲线 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 7 of 20 图 5 特性：转速 2400rpm 时电
7、枢电压-电枢电流曲线 图 6 特性：转矩（功率）-转速曲线 3.5 变桨电机参数：变桨电机参数：额定功率：2.76kW/216V 额定速度：2400rpm 额定转矩：16Nm 冷却方式：独立冷却风扇(230V/180W)绝缘等级：F 防护等级：IP54 刹车：直流抱闸（216V），转矩：90Nm 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 8 of 20 4.变桨驱动变桨驱动 4.1 齿轮箱齿轮箱 南高齿生产的长输出轴的多级行星齿轮减速箱。-齿轮箱变比：131.625-额定输入功率：4.1kW-峰值输入力矩：65Nm-正常速度范围：0-2500rpm-正常输出力矩：
8、3200 Nm-最大输出力矩：15000 Nm -重量：约 190 Kg-运行温度-3050 4.2 变桨轴承变桨轴承 每台风机需要配备 3 个变桨轴承。轴承外环通过螺栓和轮毂连接。轴承内环通过螺栓和叶片法兰连接。内环的内齿与变桨驱动系统上的小齿轮啮合。5.控制系统概述控制系统概述 5.1 变桨系统运行模式变桨系统运行模式 变桨系统有 5 种不同的运行模式：上电 Power on 由于 Pitch Master 控制器内含大量电容，在上电过程中等效局部负载短路，会造成外界回路巨大的上电充电电流，系统上电状态通过串入电阻降低上电充电电流，且 PLC 上电后初始化过程需要一段时间，该状 远景能源
9、EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 9 of 20 态下对外不输出检测状态。就绪状态 Standby mode 三个桨叶固定在同一任意位置，驱动电机刹车系统刹住，一般在小风停机、低刹车等级故障时叶片standby 在 89。正常运行 Normal mode 变桨系统接受主控调桨命令实现桨距角调节，变桨系统检测一切正常、通讯判定主控设定信息正常、normal 位被强置、三个电池开关合上。正常运行状态下，变桨系统处于 normal 和 standby 下切换。手动变桨 Manual mode 变桨系统单个叶片可以实现设定速度下的任意位置调节，变桨系统检测一切正常、通讯判定
10、主控设定信息正常、手动变桨位被强置、三个电池开关断开、三个桨叶 91 或 95 限位开关被撞开。急停 Emergency mode 分为主动调节顺桨和电池驱动顺桨，变桨系统检测到系统故障或者主控强置 emergency mode 位或者硬件信号 EFC 回路异常。状态字 61-93 详细描述了变桨系统检测得到的故障信息，并通过 Profibus 传给主控。紧急度较高故障，例如调桨系统 CAN 或 profibus 通讯故障，199 号刹车，变桨通讯已无法正常运行，不在可控范围内，系统设计电池顺桨至 91，报警；部分故障为主控读取变桨系统信息后做出故障判断，例如 SC01_05_072，任意两桨
11、叶的角度相差过大，在 BP 为 0 或 50，并且风机操作模式不是自检 2 和 3 状态情况下，三个桨叶的角度最大差的绝对值，大于 1 度维持 5s。或在刹车过程大于 50 情况下，三个叶片在 95 度或 91 度情况下，三个桨叶的角度最大差的绝对值，大于 5*1 度维持 5s。触发故障。5.2 变桨变桨控制柜控制柜 图 7 变桨控制柜 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 10 of 20 5.3 电路图电路图 图 8 400VAC 及 24VDC 电源 图 9 直流电机驱动 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 11 of
12、 20 图 10：变桨驱动器的 I/O 远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 12 of 20 图 11 通讯回路 5.4 变桨驱动器变桨驱动器 每个桨叶都有一个 Pitch Master，它是专为变桨控制设计的伺服控制器，由 LUST 公司制造，额定功率22Kw，输入电压为 400VAC，最大电流 90A，额定输出频率为 0500Hz。它通过 CANbus 与变桨 PLC 通信，并接收 PLC 的控制指令输出控制直流电机驱动变桨。可通过 CANbus 或 RS485 在线设定参数。Pitch master 的输入信号有：变桨控制柜和电池柜的温度，电池故障状态
13、、电机编码器和冗余编码器，91 和 96 限位开关，电机运行信号等。Pitch master 的输出信号有：电机驱动，电机刹车释放，风扇，驱动就绪信号。远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 13 of 20 图 12 Pitch Master 变桨驱动器 图 13 变桨驱动器电路 5.5 PLC 位于 3BVU 变桨控制柜内，使用 Beckhoff 控制器。用于控制 Pitch master，变桨系统的保护，以及与机舱控制柜 PLC 的通讯等。PLC 通过 Profibus 总线与机舱 PLC 通讯，把相关信号传送给主 PLC，接收主 PLC 的变桨指令。并通
14、过CANBUS 总线与 Pitch master 通讯，控制 Pitch master 驱动变桨。远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 14 of 20 图 14 变桨 PLC 6.滑环与滑环与通讯通讯 6.1 变桨滑环变桨滑环 变桨滑环安装在齿轮箱低速轴后端。变桨控制柜和机舱控制柜之间的的数据信息以及轮毂的 400V 电源供应通过滑环来完成。制造厂家：Stemann。图 15：变桨滑环 通过滑环内部一个或几个金属针滑动触点来完成每个电流信号的传递，所有金属针通过弹簧压紧在公共转动轴上，它们相互绝缘。转动轴通过法兰固定在风轮轴上。连接相关元件的电缆束通过齿轮箱
15、和主轴的中空轴进入轮毂。滑环传递的信号有：远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 15 of 20 1.400VAC 2.24VDC 3.EFC 4.EFC BACK 5.91 度限位触发 6.bypass95 度限位 7.pitch manual mode 8.profibus 通讯线 6.2 通讯通讯 变桨系统的通讯方式如下表所示：From To 通讯方式通讯方式 传输线路传输线路 Nacelle Cabinet Pitch PLC Profibus Profibus 通讯线 Pitch master Pitch PLC CANbus CANbus 通讯线
16、Control Panel Pitch PLC Ethernet 以太网线 机舱控制柜与变桨控制柜的通讯通过滑环来传递。远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风机培训文档 Page 16 of 20 图 16 变桨通讯 7 电池电池控制控制 每个桨叶都有 3 组电池，位于电池柜中，每组 6x12V，共计 216V。用于在紧急情况时（如安全链断开，电网断电），通过电池回路驱动直流电机迅速将桨叶调至 91。每个变桨控制柜侧壁上各有一个电池维护开关，可用于切断电池电源。7.1 电池充电系统电池充电系统 电池充电器，型号：AC500，输出功率：500W，输入电压为 230VAC，输出 216VDC(1.6A)。充电器的工作符合 DIN41772 的 CVCC 特性。当系统检测电池电压不足时，充电器以 1.6A 的充电电流对其充电，接近充满时转为恒压充电。为保证电池充电的最优性能，电池的充电电压设计为随电池温度变化做线性调整，电池温度越高，充电电压越低。电池温度低于一定值时，按最高极限电压充电，电池温度高于一定值时，按最低极限电压充电。远景能源 EN15 风机变桨系统 EN15 系列风
