偏航系统中的扭缆保护及制动装置

（一）偏航系统的功能

图321　一级行星二级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱结构

由于风向经常改变，如果风轮扫掠面和风向不垂直，不但输出功率减少，而且承受的载荷更加恶劣。偏航系统的功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。也有的风力发电机组利用偏航进行功率调节。

机舱在反复调整方向的过程中，有可能发生沿着同一方向累计转了许多圈，造成机舱与塔底之间的电缆扭绞，因此偏航系统应具备解缆功能。偏航轴承分为滑动型和滚动型，无论何种形式都应设置偏航运动的阻尼，以使机舱平稳转动。

（二）偏航系统的组成和工作原理

偏航系统是一个自动控制系统，其组成和工作原理如图322所示。由图可见，偏航系统由控制器、功率放大器、执行机构、偏航计数器等部分组成。

图322　偏航系统组成及原理图

偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转圈数达到规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆。计数器一般是一个带控制开关的蜗轮蜗杆装置。

风力发电机组无论处于运行状态还是待机状态均能主动对风。在风轮前部或机舱一侧，装有风向仪，当风力发电机组的航向（风轮主轴的方向）与风向仪指向偏离时，计算机开始计时。当时间达到一定值时，即认为风向已改变，计算机发出向左或向右调向的指令，直到偏差消除。

当机舱在待机状态已调向720°（根据设定），或在运行状态已调向1080°时，由机舱引入塔架的发电机电缆将处于缠绕状态，这时控制器会报告故障，风力发电机组将关机，并自动进行解缆处理（偏航系统按缠绕的反方向调向720°或1080°），解缆结束后，故障信号消除，控制器自动复位。

偏航系统还设有扭缆保护装置，它是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的扭绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急关机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组必须进行紧急关机。扭缆保护装置一般由控制开关和触点机构组成，控制开关安装在机组的塔架内壁的支架上，触点机构一般安装在机组悬垂部分的电缆上。当机组悬垂部分的电缆扭绞到一定程度后，触点机构被提升或被松开而触发控制开关。

（三）执行机构

偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。

偏航轴承与齿圈是一体的，根据齿圈位置不同，可以分为外齿形式和内齿形式两种，分别如图323（a）、（b）所示。

图323（c）所示为外齿形式偏航系统执行机构的安装图。风力发电机组的机舱与偏航轴承内圈用螺栓紧固相连，而偏航轴承的外齿圈与风力发电机组塔架固接。调向是通过两组或多组偏航驱动机构完成的。在机舱底板上装有盘式制动装置，以塔架顶部法兰为制动盘。

图323　偏航系统的执行机构

（a）外齿形式；（b）内齿形式；（c）安装图

图324　偏航轴承和齿圈的结构

（a）外齿形式；（b）内齿形式图

1.偏航轴承

偏航轴承的内、外圈分别与机组的塔体和机舱用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。偏航轴承和齿圈的结构如图324所示。

2.偏航驱动

偏航驱动用在对风、解缆时，驱动机舱相对于塔筒旋转，一般为驱动电机或液压驱动单元，安置在机舱中，通过减速机驱动输出轴上的小齿轮，小齿轮与固定在塔筒上的大齿圈啮合，驱动机舱偏航，啮合轮齿可以在塔筒外，也可在塔筒内。为了节省空间，方便塔筒与机舱间人行通道，一般采取塔筒外的安置方式。图325为驱动电动机组成的偏航驱动装置。

图325　偏航驱动装置

图326　偏航制动装置(www.xing528.com)

3.偏航制动

偏航制动的功能是使偏航停止，同时可以设置偏航运动的阻尼力矩，以使机舱平稳转动。偏航制动装置由制动盘和偏航制动器组成。制动盘固定在塔架上，偏航制动器固定在机舱座上（见图326）。

偏航制动器一般采用液压力驱动的钳盘式制动器，其外形如图327所示。由于在偏航运动和偏航制动过程中，总有液压力存在，属于主动制动。所以，在偏航制动器中一般不设置弹簧，这是偏航制动器和主传动制动器的区别所在。

图327　偏航制动器

制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。

（四）偏航系统的控制

1.偏航控制的硬件

偏航系统的控制是由控制器来实现的。图328所示为偏航控制器工作原理及其输入信号与输出信号。风轮偏角信号经放大和模数转换后，进入到CPU进行处理，把得到的处理结果经过数模转换后输出。再经过功率放大驱动执行机构。如果要进行人工操作，可以通过人机交互平台。CPU还可以与主控制器进行信号交换。

2.偏航控制的软件

偏航控制系统由于采用计算机控制，因此必须依赖控制软件。控制软件保证各种功能的实现，偏航控制主要包括风向标控制的自动偏航、90°侧风、自动解缆、顶部机舱控制偏航、面板控制偏航和远程控制偏航等功能。其控制工作流程如图329所示。

图328　偏航控制器工作原理

图329　偏航系统工作流程

风向瞬时波动频繁，但幅度不大，通常设置一定的允许偏差，如±15°，如果在此容差范围内，就可以认为是对风状态，风轮将保持既定方向。偏航控制主要实现如下功能：

（1）自动偏航功能。当偏航系统收到中心控制器发出的需要自动偏航的信号后，连续3min时间内检测风向情况，若风向确定，同时机舱不处于对风位置，松开偏航制动，启动偏航电动机运转，开始偏航对风程序，同时偏航计数器开始工作，根据机舱所要偏转的角度，使风轮轴线方向与风向基本一致。

（2）手动偏航功能。手动偏航控制包括顶部机舱控制、面板控制和远程控制偏航3种方式。

（3）自动解缆功能。自动解缆功能是偏航控制器通过检测偏航角度、偏航时间及偏航传感器，使发生扭转的电缆自动解开的控制过程。当偏航控制器检测到扭缆达到2.5～3.5圈（可设置）时，若风力发电机组在暂停或启动状态，则进行解缆；若正在运行，则中心控制器将不允许解缆，偏航系统继续进行正常偏航对风跟踪。当偏航控制器检测到扭缆达到保护极限3～4圈时，偏航控制器请求中心控制器正常停机，此时中心控制器允许偏航系统强制进行解缆操作。在解缆完成后，偏航系统便发出解缆完成信号。

（4）90°侧风功能。风力发电机组的90°侧风功能是在风轮过速或遭遇切出风速以上的大风时，控制系统为了保证风力发电机组的安全，控制系统对机舱进行90°侧风偏航处理。

图330　解绕传感器

由于90°侧风是在外界环境对风力发电机组有较大影响的情况下，为了保证机组的安全所实施的措施；所以在90°侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令。在侧风结束后，应当抱紧偏航制动盘，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。其控制过程和自动偏航类似。

3.偏航传感器

（1）解绕传感器。解绕传感器用来限制风力发电机组电缆扭转的次数。它的齿轮与偏航轮啮合，当机舱和塔架相对转动时，可以将转动角度记录下来。解绕传感器是安全链的一部分，其安装如图330所示。

（2）偏航方向传感器。偏航方向传感器是两个并排安放的接近开关，安装方式如图331所示。

图331　安装方式

（a）水平视图；（b）垂直视图