机械毕业设计（论文）-风力发电机组刹车及偏航系统设计【全套图纸】 .doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1引言风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74109mw，其中可利用的风能为2107mw，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。 由于风能是一种不消耗矿物燃料的可再能源。风电的使用，相当于节省相同数量电能所需的矿物燃料。其对环境的明显正面影响为：(1)减少向大气排放粉尘，co2、nox、sox。我们以煤电为例，根据我国当前最普遍使用的30万千瓦蒸汽轮发电机组现状。每发1万kwh的电，消耗约4吨标准煤；向大气排放粉尘约0.5吨；co2约10吨；nox约0.05吨；sox约0.08t。到2015年若风电的发电量占全国所需电量的5，即约4000亿kwh，风电的装机容量约为1.5亿千瓦(风电的容量系数小，相当于煤电的装机容量0.7亿千瓦)，则每年可节省约1.6亿吨标准煤，可减少向大气排放粉尘约2000万吨；co2约4亿吨；nox约200万吨；sox约320万吨。(2)减少因开发一次能源如煤、石油、天然气，所造成的环崐问题。一次能源的开采除了在砂漠地区外，通常要毁坏森林，良田和原有的各种植被。而海上油田的开采往往给海洋生态带来不可恢复的破坏。 (3)与同样是可再生能源的水电相比较，风电没有水电所存在的问题。 (4)风力发电场比燃煤电厂可节省大量淡水资源，减少水环境污染。特别是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。 (5)旅游区风力机群也是一道风景线，可在一定程度上反映经济、文化、环境相融洽的程度，为我国旅游业添加新活力。 (6)通过风电场开发建设的实物教育，可增强公众开发自然资源、保护环境的意识。 (7)促进风力发电及相应的产业链条发展，如：风电设备制造、运输安装等。1.2风力发电行业发展现状1.2.1世界风力发电行业发展现状在过去的5年间，风电发展不断超越其预期的发展速度，而且一直保持着世界增长最快能源的地位。2005年以来，全球风电累计装机容量年平均增长率为27.3%，新增装机容量年平均增长率为36.1。根据丹麦btm咨询公司报告，2009年全球有超过3810.3万kw的新增装机容量并入电网，营业总额达到500亿欧元。截至2009年底，全世界风电累积装机总容量约为1.6亿kw，同比上年增长31%.目前，风电的年发电量约3400亿kwh，风力发电量已经占到世界总发电量的2% 以上。在累计装机容量上，欧洲仍然是风力发电市场的领导者，截至2009年底，其累积装机总容量为7655.3万kw，占全世界风电总装机的 47.9%，提前超额完成了到2010年风电装机容量达到4000万kw的目标。但是，在2009年新增装机容量方面，欧洲只占28.2%，北美洲达到 39.3%，亚洲达到30%0，欧洲已经失去其领先的地位了，中国和美国成了推动全球风电产业的火车头。目前，德国、西班牙和意大利三国的风电机组的装机容量约占到欧洲总量的65。近年来，在欧洲大力发展风电产业的国家还有法国、英国、葡萄牙、丹麦、荷兰、奥地利、瑞典、爱尔兰。欧洲之外，发展风电的主要国家有美国、中国、印度、加拿大和日本。迄今为止，世界上已有82个国家在积极开发和应用风能资源。风电在未来20年内将是世界上发展最快的能源。根据丹麦risy国家研究实验室对安装在丹麦的风电机组所进行的评估，从1981-2002年间，风电成本由15.8欧分kwh下降到4.04欧分kwh，预计2010年度电成本下降至3欧分kwh, 2020年降低至2.34欧分kwh。海上风力资源条件优于陆地，陆地适于安装风电机组的场址有限，以及在陆地安装风电机组对景观造成影响，产生的噪音可能影响周围的居民。将风电场从陆地向近海发展在欧洲已经成为一种新的趋势。有人把风电的发展规划为3步曲，陆上风电技术（当前技术）一近海风电技术（正研发技术）一海上风电技术（未来发展方向）。目前近海风电场的开发主要在欧洲的丹麦、英国、荷兰、瑞典、德国等国家。到2009年底，已有834台共211万kw的风电机组在海上风电场投入运行，约占全球累计风电装机容量的1.3%. 2009年新增海上风电场9个，新增海上装机容量68.9万kw，新增海上风电机组224台，最小单机功率为2mw，最大装机功率5mw。其中：英国新建 3个海上风电场（30.6万kw)、丹麦一个(20.7万kw)德国一个(6万kw)。这些海上风电场60都在浅海区。近海风电场市场广阔，成为欧洲发展风电产业的新动力。预计在2010年以后，英国、丹麦、瑞典和德国将把风力发电发展重点移师海上。欧洲风能协会预测欧洲近海风电装机容2010年达到1000万kw,2020年可达到7000万kw。丹麦btm咨询公司预测：到2015 年，全球海上风电场累计装机容量将达到1849万kw到2425万kw之间。 当前国外风电市场上的主力机型是1.3mw, 2009年全世界新装机组的单机平均功率为1.6兆瓦。2009年全世界兆瓦级的风电机组当年装机容量占到了总装机容量的91.4%，单机容量逐步增大已成为国际风电市场发展的必然趋势。随着海上风电的迅速发展，单机容量为3 ti 6mw的风电机组已经开始进行商业化运行。美国7mw风电机组已经研制成功，正在研制10mw机组；英国10mw机组也正在进行设计，挪威正在研制 14mw的机组，欧盟正在考虑研制20mw的风电机组，全球各主要风电机组制造厂家都在为未来更大规模的海上风电场建设做前期开发。1.2.2中国风力发电行业发展现状自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今，经过近23年的努力，风电场装机规模不断扩大。在中国风能协会发布的2010年中国风电装机容量统计报告中显示，2010年中国新增安装风电机组12904台，装机容量18927 .99兆瓦，年同比增长37 .1%，已超过美国排名全球第一。累计安装风电机组34485台，装机容量44733.29兆瓦，年同比增长73.3%。同期，累计风电装机容量达2580.5万千瓦，全球排名升至第二位。 1月27日由中国工业节能与清洁生产协会公布的2010中国节能减排产业发展报告显示，2010年，中国风力发电新开工重大施工项目378个，项目总投资额高达近3000亿元。而与快速发展的光伏产品市场形成鲜明对比的是，中国光伏发电产品的市场应用还很少，国内仍处于“有产业、无市场”的局面。报告显示，中国风能资源可开发量约为7-12亿千瓦；从中国风能资源看风电完全可能成为火电、水电之后的第三大电源。1.3风力发电机技术的发展 1.3.1概述 在目前技术条件下风电与火电、水电相比从造价、电能质量、设备制造和控制技术等领域存在劣势,我国风电领域的理论和应用研究与发达国家存在很大差距。国内对风电机组系统设计技术的研究十分薄弱,风电机组的大型化、变桨距控制、变速恒频等先进风电技术还远未解决,致使我国大型风力机几乎全部为进口产品。因此,深入研究风力发电机组系统设计技术对于持久开发风能和实现风电机组国产化具有重要理论意义和工程应用价值。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学等多学科的综合性高技术系统工程。目前,风力发电机组的研究难点是风电机组大功率、高可靠性、高效率、低成本。为攻克这些难点,国内外的研究热点是系统优化设计和先进控制策略。由于所受工况瞬态多变且工作环境恶劣,所以风力发电机组是一个复杂、多变量、非线性的不确定系统。1.3.2 风力发电刹车系统的发展风力发电机一般位于较偏远、环境较恶劣区域，这就要求我们在控制上达到无人值守及远程监控。刹车系统是风力发电机上一个很重要的系统，所以刹车系统需要具有很高的安全性和可靠性。因为风力发电存在风速不稳、风机故障及电网异常等一系列问题，在这一过程中就需要刹车系统发挥其重要作用。根据不同的工作要求，刹车装置分别处于开与关的状态。当前的风机系统多采用盘式液压驱动式机械刹车，且采用两级刹车系统，刹车盘安装在高速轴上。1.4研究内容现今对风力发电的研究基本上都是对电气部分的研究，对机械部分的相关研究很少。风力发电机是典型的机电一体化设备，机械部分又是风力发电机工作的主体。所以对风力发电技术的研究不能只是局限于电气部分，应该对机械部分也进行相应的研究。这样才能使风力发电技术均衡的发展。由于风速的不定性而引起风力发电机经常性的刹车，因此本文对风力发电机的刹车系统进行了一定的研究。针对风力发电机在运行过程中，由于风速不稳、风机故障及电网异常等问题需要刹车系统。刹车时齿轮箱经常受到较大的冲击而引起破坏，缩短了风力发电机的使用周期。针对这一问题，提出把汽车中运用较成熟的防抱死制动系统（abs）应用到风力发电机刹车系统的设想。主要研究内容： (1)根据空气动力学，对风力发电机刹车部分的建模进行了初步探讨。 (2)对风力发电机刹车时的受力进行了分析。 (3)简要介绍了汽车的abs系统，提出了将其应用于风力发电机刹车系统的设想，并对abs应用于刹车系统进行了研究。 (4)根据刹车时的特点，对应用abs之后的刹车系统的控制进行了研究。并根据其要求给出了传感器、电磁阀等部件的选择。对风力发电机刹车装置的液压系统就行了设计分析，对主要液压元件就行了设计、选型。设计了刹车系统的控制系统图，并对控制过程进行了复分析。第二章 风力发电系统简介2.1基本理论2.1.1葛劳渥(g1auert)理论对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要的涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。当风轮旋转时，通过每个叶片尖部的气流的迹线为一螺旋线，凶此，每个叶片的尾变涡形成一螺旋形。在轮毂附近也存在同样的情况，每个叶片都对轮毂涡流产生一定的作用。此外，为了确定速度场，可将个叶片的作用用以边界涡代替。2.1.2贝茨理论贝茨理论是在假定风轮是“理想”的基础上建立的，这种，理想”的风轮全部接收风能，叶片无限多，对空气流没有阻力。空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的。 设风轮前方的风速为，v为实际通过风轮的风速， 为叶片扫掠后的风速，通过风轮叶片前的风速面积为，叶片扫掠后的风速面积为。风吹到叶片上所作的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则必须如 图2.1贝茨理论计算简图于是，风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 式中为空气密度风轮接受的功率为 风经过叶片的动能变化 因此，风作用在风轮叶片上的力f和风轮输出功率n分别为 风速是给定的，n的大小取决于，n是的函数，对n微分求最大值，得 令其等于0，解方程得 令 为，有=0.593说明风吹在叶片上，叶片上所获得的最大功率为风吹过扫掠面积的风能的593。贝茨理论说明，理想风能对风轮叶片做功的最高效率为59 3，其损失的功率为留在尾流中的旋转动能。 如果定义轴向诱导因子，则 风能利用系数 当=0.593时，诱导因子 ，实际功率其中输出功率2.2风力发电机各组成部分简介2.2.1发电机系统现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步发电机有滑环电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障。所以，有些风力发电系统采用无刷双反馈电机，该电机定子有两套极数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。但是在目前，这种电机在设计和制造上仍然存在一些难题。2 .2.2齿轮箱系统桨叶的转速达不到发电机所需的同步转速，这就需要增速箱。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机。增速箱的特点是：1)高速线采用行星架浮动，低速级采用太阳轮浮动，这样使结构简化而紧凑，同时均载效果好。2)输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小，但极数愈多，发电机的效率也就越低。国外一般采用24极的发电机。同时在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。2 .2 .3桨叶系统现代风机的桨叶系统主要有两种：1) 定桨距系统就是根据计算所得的实际安装角将其固定到轮毂上，不能变动叶片安装角。其尖部安装有叶尖扰流器，在需要制动时打开。由于叶尖部分处于距离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。2) 变桨距系统就是叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。 目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制技术，例如，vestas的v66-1.65mw、v80-2mw，enercon的e-66-1.8mw、e-58-1mw， ge的1.5mw、2.5mw、3.6mw机组，repower的md77-1.6 mw、mm82 -2mw，nordex的s77/1.5mw等都采用变桨距系统。变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率。变桨距控制的优点是能够确保高风速段的额定功率，额定功率点以上输出平稳、在额定点具有较高的风能利用系数、提高风力机组起动性能与制动性能、提高风机的整体柔性度、减小整机和桨叶的受力状况。因此国际风力发电市场的主流产品是变速变桨距机组。 图2.2 变桨距和定桨距风力机的功率曲线2.2.4控制系统风力资源丰富的地区一般是海岛或边远地区甚至是海上，环境比较恶劣，分散式分布的风力发电机组通常要求能够无人值守运行和远程监控。同时，自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组切入和切出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对风过程中的故障检测和保护必须自动控制。这就对风力发电机组的控制系统提出了较高的要求。与一般工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网风况和机组运行参数，而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。变桨距风力发电机组启动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的启动性能和功率输出特性都有显著的改善。此时的液压系统不再是简单的执行机构，它自身已组成闭环控制系统，采用了电液比例阀或电液伺服阀，使控制系统的水平提高到一个新的阶段。第三章 风力发电机中的刹车系统3.1引言前面提到过风力发电机组工作环境比较恶劣。不同的风力发电机组对风速有一定的范围要求。当风速不在这个范围时，风力发电机就处于刹车停机状态。如果风力发电机在运行过程中，风速高于设计范围，机组应立即发出刹车指令，防止风轮失速引起风力发电机组的破坏。此外，当风速低于实际范围时。在检修机组时，也应该使机组处在刹车状态，以防人员伤害及机组损坏。同时根据不同的工作要求，刹车装置分别处在开与关的状态。3.2刹车装置简介风力发电机中有两种刹车装置：空气动力刹车与机械刹车。叶尖扰流器形式的空气动力刹车，是目前定桨距风力发电机组设计中普遍采用的一种刹车形式。当风力发电机组处于运行状态时，叶尖扰流器作为桨叶的一部分起吸收风能的作用，保持这种状态的动力是风力发电机组中的液压系统。液压系统提供的液压油通过旋转接头进入安装在桨叶根部的液压缸，压缩叶尖扰流器机构中的弹簧，使叶尖扰流器与桨叶主体联为一体；当风力发电机需要停机时，液压系统释放液压油，叶尖扰流器在离心力作用下，按设计的轨迹转过90度，成为阻尼板，在空气阻力下起制动作用。变桨距风力发电机的空气动力刹车是通过桨叶迎角的变化来实现的。制动系统的驱动机构是液压系统，主要用来执行风力机的开关机指令。通常它由两个压力保持回路组成，一路通过蓄能器供给叶尖扰流器(变桨距风力发电机是供给变桨距机构)，另一路通过蓄能器供给机械刹车机构。这两个回路的工作任务是使风力发电机组运行时制动机构始终保持压力。当需要停机或制动时，两回路中的常开电磁阀先后失电，叶尖扰流器一路压力油被卸回油箱(对变桨距风力发电机是指桨叶的迎角发生变化)，实现空气动力刹车动作。稍后，机械刹车这一路压力油卸回油箱，驱动刹车闸，使风轮停止转动。在两个回路中各装有两个压力传感器，以指示系统压力，控制液压泵站补油和确定刹车机构的状态。现在就图31介绍一下风机的刹车系统，图左侧是空气动力刹车压力保持回路，压力油经液压泵2、滤浊器4进入系统。溢流阀6用来限制系统最高压力。开机时电磁阀12一1接通，压力油经单向阀72进入蓄能器82，并通过单向阀7一3和旋转接头进入空气动力刹车液压缸。压力开关9一2由蓄能器的压力控制，蓄能器压力达到设定值时，开关动作，电磁阀121关闭。运行时，回路压力主要由蓄能器保持，通过液压缸上的钢索拉住叶尖扰流器，使之与桨叶主体紧密结合。图右面是两个独立的高速轴制动器回路，通过电磁阀13一l与132分别控制风力发电装置刹车系统及偏航系统智能控制研究制动器中液压油的进出，从而控制制动器动作。工作压力由蓄能器81保持。压力开关9根据蓄能器的压力控制液压泵电机的停起。压力开关93与94用来指示制动器的工作状态。1.油箱2.液压泵3.电动机4.滤油器5.油位指示器6.溢流阀7.单向阀8.蓄能器9.压力开关10.节流阀11.压力表12.电磁阀13.电磁阀14.突开阀图31刹车装置液压系统电磁阀l 22为停机阀，用来释放气动刹车液压缸的液压油，使叶尖扰流器在离心力的作用下滑出：突开阀14，用于超速保护。所谓超速保护是指当风轮超速时，液压缸中的压力迅速升高，达到设定值时，突开阀被打开，液压油被卸回油箱，叶尖扰流器在离心力的作用下，迅速脱离桨叶主体，旋转90度成为阻尼板，使机组在控制系统或监测系统或电磁阀失效的情况下得以安全停机。突开阀不受控制系统的指令控制，是独立的安全保护措施。随着风力发电机组容量的增大，主轴上的转矩成倍增大，如果把机械刹车作为主刹车系统，那么刹车盘的直径就很大，使整个机组的结构变大，同时当液压系统的压力增大时，整个液压系统的密封性能要求就高，漏油的可能性也就增大了。因此，机械刹车主要作为辅助刹车系统，其结构大多为盘式刹车系统。高速轴与低速轴都可以安装机械刹车装置，都有其优缺点。设置在高速轴上有以下优点：刹车力矩小，刹车力矩的变化与齿轮箱有关系：齿轮箱可带集成的风轮支撑。但也存在一定的缺点：制动载荷大，对齿轮箱的冲击大，安全性较差。设置在低速轴上的优点是：制动力矩大，刹车可靠，刹车时产生的制动载荷不会作用在齿轮箱上。其缺点是：所需刹车力矩大，要求闸体的支撑材料好。现代风力发电机组的机械刹车系统一般安装在高速轴上。制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，一般是按失效保护的原则设计，即失电时或液压系统失效时处于制动状态。风力发电机组运行时均有液压系统的压力保持其处于非制动状态。风力发电机的运行状态有以下几种：1运行状态(1)机械刹车松开(2)允许机组并网发电(3)机组自动调向(4)液压系统保持工作压力(5)叶尖阻尼板收回或交桨距系统选择最佳工作状态2暂停状态(1)机械刹车松开(2)液压泵保持工作压力(3)自动调向保持工作状态(4)叶尖阻尼板收回或变桨距系统调整桨叶节距角朝向风速90度方向(5)风力发电机组空转3停机状态(1)机械刹车关闭(2)液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变桨距系统失去压力而实现机械旁路。(3)液压系统保持工作压力(4)调向系统停止工作4紧急停机状态(1)机械刹车与气动刹车同时投入(2)紧急电路(安全链)开启(3)计算机所有输出信号无效(4)计算机仍在运行和测量所有输入信号风机制动过程有三种情况：1正常停机发电机没有联网，制动程序是：(1)通过电磁阀释放叶尖扰流器。(2)风轮转速低子设定值时，第一步刹车投入。(3)如果叶尖扰流器释放后转速继续升高，则第二步刹车投入。(4)下一次使用刹车系统时，第二个投入的刹车先投入。(5)停机后叶尖扰流器收回。发电机已联网，制动程序是：(1)通过电磁阀释放叶尖(2)当发电机转速(无论大还是小)降低到同步转速时，发电机主接触器动作，发电机与电网脱网。(3)风轮转速低于设定值时，第一步刹车投入(4)如果叶尖扰流器释放后转速继续上升，则第一部刹车投入(5)下一次使用刹车系统时，第二部投入刹车先投入(6)停机后叶尖扰流器收回从发电机工作状态刹车时，叶尖扰流器释放2s后发电机转速超速5，或15s后风轮转速仍未降到20rmin为不正常情况，此时应当执行安全停机。2安全停机(1)叶尖扰流器释放的同时第一步刹车投入。(2)当发电机的转速降到同步转速时，发电机主接触器跳开，第二步刹车被投入。(3)叶尖扰流器不收回。3紧急停车(1)所有继电器、接触器失电。(2)叶尖扰流器及两步刹车同时投入，发电机与电网脱网。3.3刹车系统模型的建立无论风轮采用何种气动刹车方式，预测甩负载后机组的刹车特性是最重要的。可使我们精确的计算风轮负荷的大小，以及刹车系统动作的速率对转子速度的影响。显然，刹车系统动作速率越大，则转子超速量越大。但若动作速率过大，风轮桨叶将承受更大的载荷。通过分析可建立刹车机构的最佳速率。3.3.1数学模型根据大部分风力发电机组的实际情况，假设如下：(1)发电机解列前，风力发电机已对准风向且正向电网输电。(2) 时间上的os，定义为电机从电网解列的瞬间，因此在这以前用来产生电能的净转子力矩此后使转子加速。(3)经过一段时间的延迟后，刹车机构以一定的速度动作。对不同的机组而言，动作的方式及速率是不同的。(4)刹车机构一旦动作，刹车扭矩就发生作用。风轮和传动装置是一个惯性为j的大飞轮。这个飞轮受到三种力矩的作用：(1)作用在风轮桨叶上的气动力矩(2)传动装置上的摩擦力矩(3)来自刹车机构的刹车力矩据此本文建立其运动方程为： 其中: 1.气动力矩计算气动力矩时，要用到风速。风速可以是定常的，也可以是时变的。 式中：为多项式系数。通常是由风洞实验得到转矩曲线的某些具肯代表性的点，用matlab最小二乘曲线拟合程序对其进行拟合，得到式(34)。2.摩擦力矩传递装置的摩擦力矩为 式中：,是常数3.刹车力矩刹车机构最终作用在主动轴上。假定刹车力矩是刹车机构作用时间的函数。开始时此力矩为最大，然后随作用时间而线性的减少，当时间为90s时，变为常数，且为最大值的一半。这样假设是考虑到刹车作用后的温度效应。用来计算该力矩的是一个分段函数： 3.3 .2模型分析从上述结果可以得出以下结论；(1)时间延迟越长，转子所达到的最大转速越大，刹车时间相应也就越长。(2)若通过刹车机构能使机组停住，则刹车机构投入前的瞬时转子转速最大。(3)当时间延迟大于一定值时，若没有增加其它保护措施，则仅刹车机构不能使机组停下来，转速将一直增加下去直至飞车损坏。(4)风速越大，刹车时间相应也就越长；若到额定值以后，风速的大小与刹车时间的关系主要取决于机组的气动设计。 误差的存在是由于以下因素：(1)无论风速取的是风轮正前方的值，还是风轮边缘正前方均匀分布若干点的加权值，都不能代表实际的风速场。(2)电机解列与刹车机构动作之间的延迟时间间隔不能准确测知。(3)桨叶的气动数据，如升力系数与阻力系数，也是误差的来源之一。第四章 abs在风机机械刹车系统中的应用4.1 abs简介abs技术在汽车工业中的应用已相当成熟，它缩短了刹车时间和刹车距离，减少了事故的发生。这种成熟的理论对于风力发电装置中的刹车系统有一定的借鉴意义。汽车防抱死制动系统abs(antilock braking system)可以在汽车制动过程中自动控制和调节制动力的大小。当车轮要抱死时降低制动力，而当车轮不会抱死时，又增加制动力，如此反复动作，防止车轮抱死，进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态，以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。4.1.1 abs的结构与工作原理abs的基本工作原理是充分利用轮胎和地面的附着系数，主要采用控制制动力的方法，给各车轮施加最合适的制动力。abs主要由轮速传感器、电子控制装置(ecu)和压力调节器组成，除此之外，还有制动警告灯和防抱死警告灯等。1、轮速传感器其作用是测出车轮的转速，并把速度信号送到电子计算机。轮速传感器由传感头和齿圈等组成。2、电子控制装置（ecu）电子控制装置具有运算功能，接收轮速传感器的交流信号，计算出车轮速度、滑移率和车轮的加、减速度。把这些信号加以分析，对制动压力发出控制指令。电子控制装置能控制压力调节器，对其它部件还具有监控功能。当这些部件发生异常时，由指示灯或蜂鸣器给驾驶员报警，使整个系统停止工作，恢复到常规制动方式。3、压力调节嚣压力调节器的形式很多，有真空式、液压式、机械式、空气式、空气液压加力式等。液压式压力调节器安装在主缸(总泵)和轮缸(分泵)之间，主要任务是转换ecu的指令，并独立于驾驶员执行ecu的命令。它接到ecu的指令后，通过电磁阀的工作直接或间接地实现车轮制动器中压力的调节。直接控制制动压力的形式称为循环式，间接控制制动压力的形式称为可变容积式。循环式压力调节器的工作过程如下：这种形式是在汽车原有制动管路中串联进电磁阀直接控制制动压力的增减。(1)常规制动过程常规制动时电磁阀不通电，主缸和轮缸是相通的，主缸随时控制制动压力的风力发电装置刹车系统及偏航系统智能控制研究增减，这时液压泵不需要工作。(2)减压过程当电磁阀通入较大电流时主缸和轮缸的通路被截断，轮缸和液压油箱相通，轮缸的制动液流入液压油箱，制动压力降低。与此同时驱动电动机启动，带动液压泵工作，把流回液压油箱的制动液加压后输送到主缸，为下一个制动周期作好准备，这种液压泵叫再循环泵。它的作用是把减压过程中轮缸流出的制动液送回高压端，这样可以防止abs工作时制动踏板行程发生变化。因此，在abs工作过程中液压泵必需常开。(3)保压过程给电磁阀通入较小的电流时，所有的通路都被截断，所以能保持制动压力。(4)增压过程电磁阀断电后，主缸和轮缸再次相遇，主缸端的高压制动液(包括液压泵输出的制动液)再次进入轮缸，增加了制动压力，增压和减压速度可以通过电磁阀的进出油口来控制。4.1.2 abs的型式按照传感器数量和控制通道数可将abs系统分为如下几种型式：1、四传感器四通道式根据两个传感器信号分别控制汽车两前轮，后轮可采用两种方式进行控制。一是分别控制方式，另一个是将后轮的两个传感器的信号加以综合处理后同时进行控制的同步控制方式。2、三传感器三通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，用一个传感器(装于差速器上)、同一条液压管路控制后轮3、四传感器三通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，把后轮的两个传感器信号加以综合处理后，用同一条液压管路控制两后轮。4、四传感器二通道式采用两个传感器分别控制汽车两前轮，根据后轮的两个传感器信号计算出基准速度，利用对角前轮的制动液压力控制后轮。5、二传感器二通道式摩托车采用这种方式，因为摩托车前后轮具有独立的液压系统。这种方式没有电子控制器，属于机械式abs。本文中在高低速轴上各装了一个转速传感器，所以选用二传感器二通道式。4.2 abs在刹车系统中的应用前面介绍过风力发电机刹车系统主要有空气动力刹车与机械刹车组成，机械刹车主要安装在高速轴或低速轴上，一般在高速轴上。安装在高速轴上的机械刹车比空气动力刹车更为重要。风机在停机状态时，闸体在弹簧力作用下闸垫与圆闸盘接触，由于摩擦力作用在闸垫与圆闸盘上，使风机不能启动；在无故障且风速达到启动风速时，液压泵工作，当液压压力大于弹簧力时，上下闸体分别与圆闸盘分离，风机自由旋转。高速轴设置刹车闸的最大弊端是：齿轮箱经常过载，由于风轮制动时叶片不连贯停顿。动态载荷使齿轮箱内齿与齿来回碰撞，从而使齿牙长期受弯曲应力，造成齿轮箱的损坏。在冬季，风速一般较高，经常超出风机所能承受的风速范围。这样需要风机经常进行紧急刹车，从而产生巨大的惯性冲量，对齿轮箱、叶片及刹车系统有“致命”的危害。为大大减小齿轮箱所受的冲击，避免齿轮箱受冲击载荷损坏，可将刹车闸安装在低速轴上。但这样就需要较大的刹车力矩，较大的刹车力矩又需要刹车闸的尺寸大。较大的刹车闸尺寸会在安装上有困难，较大的刹车力矩又对液压系统的密封性能提出了更高的要求。还有一可行的办法是在液压系统中添加阻尼管，使刹车达到“柔性接触”。添加阻尼管后，液压缸反应时间延长，刹车片受到刹车弹簧的推力也随着液压的减小而逐渐增大，这时刹车片的运动是一种变速运动。本文是在高速轴与低速轴上各加一套刹车闸，在低速轴上添加液压闸可避免刹车过硬，使风机的制动过程趋于匀减速运动，减小齿轮箱受到的冲击，减少闸垫得更换，降低维护费用。当然，这种方式不是简单的在低速轴上添加一套刹车闸，而是在借鉴汽车工业上所用的abs的原理基础上添加一套刹车闸，并借鉴abs的控制原理进行控制。4.3刹车闸不同安装位置刹车时受力分析风机的刹车过程从能量转换的角度看，是将旋转部分(风轮、齿轮、轴等)的动能转换成其它能量(如刹车片与刹车盘磨擦所产生的热)的过程。变形能的大小实际上体现了应变的水平，根据广义胡克定律，应变与应力成正比。刹车过程中，如果传动系统产生的变形能集中在某一环节，则会引起局部应力过大，这对传动系统的寿命是非常不利的。因此分析刹车过程中传动系统受力的变化，对于刹车系统及传动系统的优化设计是十分必要的。首先，假设低速轴、高速轴、是刚性的，转子和发电机只有一个旋转自由度，高速轴和低速轴按定传动比变化。由于风轮转子的转动惯量远远大于低速轴、齿轮箱的传动轴与高速轴的转动惯量，因此在计算时可以忽略不计（发电机的转动惯量大约是齿轮箱的30倍）。下面就在风力发电机不同的刹车闸安装位置在刹车时的受力进行分析。(1)安装在低速轴(2)安装在高速轴(3)分别安装在低速与高速轴式中： 气动力矩 （） n：齿轮箱传动比为5：低速轴刹车力矩 高速轴刹车力矩：桨叶转动惯量3.5 ：齿轮箱转动惯量2.1 发电机转动惯量2.18 角加速度通过对刹车过程的受力分析，可以得出以下结论(1)刹车闸安装在低速轴上时，需要较大刹车力矩。这就需要刹车闸的尺寸较大。但是刹车闸安装在低速轴时，齿轮箱所受扭矩就较小。(2)刹车闸安装在高速轴上时，需要较小刹车力矩。这样刹车闸的尺寸较小。但是刹车闹安装在高速轴时，齿轮箱所受扭矩就较大。(3)低速轴与高速轴都安装刹车闸时，刹车力矩由两个刹车闸分摊，就可以减小低速轴刹车闸的尺寸，同时也降低了齿轮箱所受的扭矩。4.4 刹车闸的选择及计算由于风力发电机用制动器安装在十几米、几十米高的塔架上的随风而动的机舱内，维修很困难，应具有质量轻、制动力矩大、经久耐用、制动可靠等特点。常用的制动器类型有块式制动器、带式制动器、盘式制动器、标准块式制动器，现代风机一般选用盘式制动器。这是因为盘式制动器具有以下的优点： (1)制动力矩大，可调范围大，制动平稳可靠，动作灵敏，维修方便(2)频繁使用时无冲击，性能稳定，散热性好，安全。(3)除尘和除水的性能好，制动盘上灰尘与水等污物易被制动盘甩掉。(4)制动盘沿厚度方向变形量比制动轮的径向变形小得多，易实现间隙小和磨损后的自动补偿。(5)转动惯量小，质量轻，保养方便。但是它也有以下缺点：制动村块的摩擦面积小，比压大，需要材质较好的制动衬块，且径向尺寸较大，价格稍贵。1.刹车盘主要参数的确定刹车盘直径d轮辋直径为1524.5=367.5mm 取367mm制动盘直径为70%79%轮辋直径 即：256.9289.93 取270mm制动盘厚度h选择通风式刹车盘h=25摩擦衬块外半径r2、内半径r1根据刹车盘直径可确定摩擦衬块外径r2=130考虑到r2/ r11.5，可选取r1=92mm，则r2/ r1=1.411.52.摩擦块磨损均匀性验证假设衬块的摩擦表面全部于制动盘接触，而且各处单位压力均匀，则制动器的制动力矩为 f 为摩擦因素,f0为单侧制动块对制动盘的压紧力，r作用半径在实际的计算过程中，r值我们取平均值rm就可以了，设衬块的与制动盘之间的单位压力为p,则在任意微元面积rdrd 上的摩擦力对制动盘的中心的力矩为fpr2drd,而单侧制动块加于制动盘的制动力矩应为： 单侧衬块加于制动盘的总摩擦力为： 所以有效半径： 平均半径为： 因为re -rm =0.5mm, rm 和re 之间相差不大，所以可以得出摩擦衬块和制动盘之间的单位压力分布均匀，摩擦块的磨损较为均匀。3.刹车盘的制动力矩 假定衬块的摩擦表面全部与制动盘接触，且各处单位压力分布均匀，则刹车盘的制动力矩为 m=2ffor式中，f为摩擦因数；fo为单侧制动块对制动盘的压紧力；r为作用半径。 对于常见的具有扇形摩擦表面的衬块，若其径向宽度不很大，取r等于平均半径rm，或有效半径re，在实际上已经足够精确。 图4.1 钳盘式制动器的作用半径计算参考图 如图4.1，平均半径为 rm=(r1+r2)/2式中，r1和r2为摩擦衬块扇形表面的内半径和外半径。故有效半径为 re=m/2ffo=2(r23-r13)/3(r22-r12)可见，有效半径re即是扇形表面的面积中心至制动盘中心的距离。上式也可写成re=4/31-r1r2/(r1+r2)2(r1+r2)/2=4/31-m/(1+m)2rm式中，m= r1/r2因为m1，m/(1+m)2rm，且m越小则两者差值越大。应当指出，若m过小，即扇形的径向宽度过大，衬块摩擦面上各不同半径处的滑磨速度相差太远，磨损将不均匀，因而单位压力分布均匀这一假设条件不能成立，则上述计算方法也就不适用。m值一般不应小于065。制动盘工作面的加工精度应达到下述要求：平面度允差为0012mm，表面粗糙度为ra0.71.3m，两摩擦表面的平行度不应大于005mm，制动盘的端面圆跳动不应大于003mm。通常制动盘采用摩擦性能良好的珠光体灰铸铁制造。为保证有足够的强度和耐磨性能，其牌号不应低于ht250。4.5 abs应用后的控制abs基本原理是利用车轮加减角速度门限及参考滑移率构成，防抱死逻辑使滑移率在车轮峰值附近波动，从而获得较大的车轮纵向和横向力，使车轮在较短时间及距离内停下来，同时也使制动稳定性较好。具体的实现是当车轮将要抱死时降低制动力，而当车轮不会抱死时，又增加制动力，如此反复动作，防止车轮抱死，进而消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态，以获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。根据现行风力发电机刹车系统存在的问题，同时结合风机的刹车制动过程，本文设想在高速与低速轴上各装一一套刹车系统。通过两套刹车系统在不同情况下的开与闭状态来减小对齿轮箱的冲击，延长齿轮箱的寿命。汽车上应用abs是为了在最短的距离内停车及减小车辆的滑移率。我们借鉴它是为了在最短的时间内使风机停机及减小对齿轮箱的冲击(延长齿轮箱的寿命)。改进前风力发电机刹车系统是被动开环系统。控制器在发出刹车指令后，刹车系统将顺序执行刹车动作。其功能示意图如图4.2 图42改进前刹车功能图现在我们对其进行改进，在低速轴上加装一套刹车闸。同时在低速轴与高速轴上各加装一套转速传感器，来采集低速轴与高速轴上的转速。图43改进后功能实现图改进后，我们就将原来开环控制的刹车动作变为闭环控制。反馈信号为刹车时的气动力矩与刹车力矩之差与转动惯量产生的扭矩之差。改进后的功能图如图43所示。4.5.1改进后工作原理齿轮箱的损坏是由于经常过载与风轮制动时叶片不连贯停顿产生的动态载荷使齿轮箱内齿与齿来回碰撞，齿牙长期受交变的弯曲应力，造成齿轮箱的损坏。实际上就是由于刹车的过程不是匀减速运动，从而产生动态载荷加载在齿轮箱上，同时齿轮箱受到的载荷较大，时间长就会引起齿轮箱的疲劳损坏。那么只要我们想办法控制刹车时的角加速度，把它的差值控制在一个允许的范围内，那么就不会产生或只有很小的动载载荷加载在齿轮箱上。齿轮箱也就不易产生损坏。正是基于此设想，于是就借鉴汽车工业中的abs原理，在高速轴与低速轴上各添加一套刹车闸，并加装转速传感器。首先，根据风速值机风轮转速值求出转矩系数；再根据转矩系数得出气动力矩；最后，比较气动力矩与刹车力矩值的差值大小。再通过控制刹车闸的液压系统的电磁阀开与关来改变刹车力矩的大小，使之与气动力矩相等。4.5.2硬件选择由上面的分析可知，控制所需传感器为转速传感器与风速传感器。风速传感器仍旧用风机自身的。控制器件有电磁阀与刹车闸。4.5.2.1转速传感器选择测量物体旋转速度的方法有很多，可选择的传感器也有很多。常见的有：1.电感式传感器 由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成丌关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。2.磁式传感器磁式传感器是接近传感器，它(甚至透过非黑色金属)响应于一个永久的磁场。作用距离大于电感传感器。响应曲线与永久磁场的方向有关。当一个目标(永久磁铁或外部磁场)接近时，线圈铁芯的导磁性(线圈的电感量l是由它决定的)变小，线圈的电感量也减小，q值增加。激励振荡器振荡，并使振荡电流增加。当一个磁性目标靠近时，磁式传感器的电流消耗随之增加。3.光电式传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(led)和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。在决定用哪种技术的传感器之前，要了解霍尔效应速度传感器及vr速度传感器是如何工作的。这两种技术的工作原理都是通过测速物体(靶)在磁场中旋转，干扰了磁场，它们得到的结果是相似的。1vr（变磁阻）传感器vr传感器的基本工作原理：它由一个穿过电磁铁的线圈组成，一个齿轮轮齿(或其它靶的凸出部分)通过磁铁表面，从而引起磁通量的数量的变化。当靶的凸出部分运动接近到传感器，此时磁通量最大。当靶的凸出部分离去，磁通量跌落。靶的运动结果引起磁通量随时间变化，这在线圈中感应出成比例的电压，以后的电路将输入信号变成数字波形，它能更容易的计数及实施时间控制。虽然vr传感器是基于很成熟的技术，但它仍然有一些较大的缺点。第一是价格，线圈及磁铁相对说是便宜的，可是需要附加的信号处理电路，价格较贵了。另外，vr传感器的信号的大小是正比于靶的速度的，这使得设计电路来适应很低速度的信号变得很困难。在高温应用领域中，vr传感器优于霍尔效应传感器，因为工作温度受到器件中所用的材料的特性的限制，用适当结构的vr传感器能使它工作温度超过300。一个应用例子是在喷气发动机中检测涡轮的转速。2霍尔传感器在霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。不象可变磁阻传感器(vr)。霍尔效应传感器感测的是磁通量的大小，而vr检测的是磁通量的变化率。霍尔效应技术的特点是允许在任意慢速下能检测运动物体的速度。霍尔效应速度传感器另一个重要特点是信号处理电路通常也集成在同一封装中，它提供了。些现实的好处。最重要的是无需外加信号处理电路，极大多数的霍尔速度传感器直接提供数字信号输出，与数字逻辑、plc兼容。另外的优点是从传感器来的信号不须去很远的信号处理电路一往往仅仅几个密耳。这样短的距离减低了从干扰源检拾干扰，使霍尔效应速度传感器极好地免除emi引起的故障及失效。但霍尔效应速度传感器不能完全经受住vr所能经受的环境极值。因为霍尔速度传感器集成了信号处理