液压变桨距系统和电动变桨距系统的介绍

变桨距就是使叶片绕其安装轴旋转，改变叶片的桨距角，从而改变风力机的气动特性。

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，启动与制动性能好，风能利用系数高，在额定功率点以上输出功率平稳。所以，大型风力发电机组多采用变桨距形式。

下面介绍3种类型变桨距系统，即液压变桨距系统、电动变桨距系统和电—液结合的变桨距系统，前两种将作重点介绍。

（一）液压变桨距系统

1.液压变桨距系统的组成

液压变桨距系统以液压伺服阀作为功率放大环节，以液体压力驱动执行机构，其组成如图332所示。从图可见，液压变桨距系统是一个自动控制系统。由桨距控制器、数模转换器、模数转换器、液压控制单元、执行机构、位移传感器等组成。

图332　液压变桨距系统的组成

桨距控制器是一个非线性比例控制器，一般由软件实现。液压控制单元将在后文集中介绍，这里首先介绍执行机构的构成和作用原理。

在液压变距型机组中根据驱动形式的差异可分为叶片独立变距和统一变距两种类型。

2.叶片独立变桨距执行机构

叶片独立变桨距执行机构的三个液压缸布置在轮毂内，以曲柄滑块的运动方式分别给三个叶片提供变距驱动力（见图333）。因为变距过程彼此独立，一组变距出现故障后，机组仍然可以通过调整其余两组变距机构完成空气动力制动。因此这种设计可靠性较高，但是由于三组液压缸位于轮毂内部与液压泵之间，有相对转动，为此需要加装旋转接头。

独立变桨距有的是叶片桨距角同步变化的，也有的是叶片桨距角异步变化的。异步变化的独立变桨距系统有可能减小风力机叶片负载的波动和转矩的波动，进而减小传动机构的疲劳度以及塔架的振动。

图333　独立液压变桨距系统外形图

图334　2MW独立液压变桨距剖面图

图334为2MW机组独立液压变桨距剖面图。

3.统一变桨距执行机构

图335　统一液压变桨系统执行机构

统一变桨距执行机构通过一个液压缸驱动三个叶片同步变桨距，液压缸放置在机舱里，活塞杆穿过主轴与轮毂内部的同步盘连接，如图335所示，变距机构的工作过程如下：控制系统根据当前风速，通过预先编制的算法给出电信号，该信号经液压系统进行功率放大，液压油驱动液压缸活塞运动，从而推动推杆、同步盘运动，同步盘通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动叶片进行变距。

4.变距轴承

轮毂和叶片需用变距轴承连接。对于液压动力型驱动曲柄滑块式变距的机组来说，一般采用4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内圈与风轮的叶片、偏心盘用螺栓连接，外圈与轮毂用螺栓连接。

（二）电动变桨距系统

1.总体结构(www.xing528.com)

电动变桨距系统以伺服电机驱动齿轮系实现变距调节功能，可以使三个叶片独立实现变桨距。图336为电动变桨距系统的总体构成框图。主控制器与轮毂内的轴控制盒通过现场总线通信，达到控制三个独立变桨距装置的目的。主控制器根据风速、发电机功率和发电机转速等，把指令信号发送至电动变桨距控制系统；电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈至主控制器。

图336　电动变桨距系统的总体构成框图

电动变桨距系统的三套蓄电池（每支叶片一套）、轴控制盒、伺服电动机和减速机均置于轮毂内，一个总电气开关盒置于轮毂和机舱连接处。

整个系统的通信总线和电缆靠集电环与机舱内的主控制器连接。集电环设在变速箱输入轴的出口端，其内部结构和外形如图337、图338所示。

图337　变距集电环内部结构

图338　变距集电环外形

2.单元组成

单个叶片变桨距装置一般包括控制器、伺服驱动器、伺服电动机、减速机、变距轴承、传感器、角度限位开关、蓄电池、变压器等。

伺服驱动器用于驱动伺服电动机，实现桨距角的精确控制。传感器可以是电动机编码器和叶片编码器，电动机编码器测量电动机的转速，叶片编码器测量当前的桨距角，与电动机编码器实现冗余控制。蓄电池是出于系统安全考虑的备用电源。

伺服电动机是功率放大环节，它与减速机和传动小齿轮连在一起，见图339（a）。减速机固定在轮毂上，变距轴承的内圈安装在叶片上，轴承的外圈固定在轮毂上。当变桨距系统通电后，电动机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，而且小齿轮与变距轴承的内圈（带内齿）啮合，从而带动变距轴承的内圈与叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的，见图339（b）。减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。

图339　电动变桨距传动系统

（a）减速机与小齿轮；（b）变距轴承内圈

变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直流伺服电动机（见图340）和三相永磁同步电动机。三种伺服电动机的比较见表31。

对于电动机驱动齿轮式变距的机组来说，选用有内齿的4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内外圈分别与风轮的叶片和轮毂用螺栓连接。变距轴承的内圈上带有轮齿（参见图339），还设有变距传感器。包括位置传感器和2个限位开关（0°和90°）。

表31　三种伺服电动机的比较

图340　无刷直流伺服电动机外形

（三）电—液变桨距系统

电—液变桨距系统的特点是在电液伺服系统中使用交流伺服电机而不是电液伺服阀（或比例阀）。因此具有电动机控制灵活和液压出力大的双重优点。

此系统用交流伺服电动机驱动可双向转动的定量泵，定量泵直接驱动液压缸。通过改变电动机的旋转方向、速度和运行时间来控制液压缸的运动。

以上第二种电机齿轮变桨应用较多。出于安全考虑，变桨机构中配置了备用电源——蓄电池，以防电网突然掉电或电信号突然中断的紧急情况，保证风电机组能够安全平稳地实现变桨。