国能信控互联技术（河北）有限公司 饶木金

变桨距系统作为风力发电机组中控制并调整叶片桨距角装置，作为变桨距系统中执行装置的变桨电机直接关系到风力发电机组对风能的吸收利用率及整机的安全性。变桨电机在正常并网情况下具备快速响应变桨控制器指令，调节桨距角功能；
在调节桨距角到指定位置后需要对桨距角进行保持；
对特殊紧急工况下系统断电后需要紧急制动锁死。对此作为变桨电机重要组成部件的制动器需要配合电动机实现以上功能。目前，主流电动变桨系统有三相交流异步及永磁同步两套方案，两方案在桨距角保持上存在根本区别。近年来，随着市场需求，制动器也陆续引用国内产品，但从技术验证上未能提供变桨工况下有效试验方案，对此结合变桨运用实际工况，提出响应时间、制动摩擦盘疲劳磨损、制动力矩稳定性及热稳定性等相关测试技术要求，为变桨电机在制动器应用上提供有效参考。

变桨电机上主要使用弹簧加压式电磁安全制动器，又称电磁抱闸或电磁刹车，是一种在干式条件下工作的摩擦式直流电磁制动器，可以在失电情况下使电机轴紧急制动或正常工作停机后使电机轴保持制动状态。具有结构紧凑、响应迅速、制动平稳、性能稳定可靠、安装维修方便、寿命长久、噪音低、易于控制等优点。

1.1 基本结构

弹簧加压式电磁安全制动器的基本结构如图1所示，主要由电磁铁系统和转子系统组成。其中，电磁铁系统包括电磁铁、衔铁、制动弹簧等，转子系统包括轴套和制动摩擦盘。将制动器用螺钉安装在电机座或对偶摩擦盘或法兰上。调节定距螺管使衔铁和磁铁之间的气隙保持在额定值[1]。

图1 弹簧加压式电磁安全制动器结构

1.2 工作原理

弹簧加压式电磁安全制动器的制动力来自弹簧，电磁力用于解除制动。制动器失电时，电磁铁的线圈失去电磁力，压缩弹簧依靠自身的弹力将衔铁和制动摩擦盘压向对偶摩擦盘，正随电机轴旋转的摩擦盘与衔铁和对偶摩擦盘产生摩擦力而使制动器制动、电机轴停止转动。制动器接通直流电后，电磁铁的线圈产生一个电磁场，衔铁在电磁力的作用下，抵消弹簧力被吸引到电磁铁上，使衔铁与制动摩擦盘分离，制动器制动被释放，电机轴可以带着摩擦盘正常旋转。一般在风电变桨电机整体结构中，制动器在装配位置上分为前置与后置式两种类型，使用电机金属法兰或制动器自带摩擦法兰作为刹车面，通过摩擦法兰与电机本体及制动器本体进行有效的同心度配合，保证制动器有效吸合/释放进行工作。

目前，风力发电行业中主流电动变桨系统有三相交流异步及永磁同步两种方案。三相交流异步变桨系统采用低压大电流集成系统，驱动器采用转差频率控制，在桨距角进入死区后需要对变桨电机制动器抱闸锁死，防止异步电机励磁大电流对电机造成不必要的温升及能耗问题。同时风电变桨系统在运行过程中将随风况变化进行调整叶片桨叶需求，会进行不固定的电机启动、停止切换，对此制动器也将出现频繁启停[2]。

永磁同步变桨系统主要采用id=0的矢量控制方式，电机输出力矩与电流基本呈现正相关关系，在变桨系统不需要进行变桨过程中所需要输出的转矩相对较小，对应电机电流也较小，并且能够提供较好的零速转矩，电机在长期运行在这种工况下不会对温升及能耗等产生太大影响。故在风电机组并网情况下永磁变桨电机方案的制动器均处于长期供电释放状态。

另外，风电变桨系统在运行环境上具有多变复杂的振动、冲击、旋转、高低温及快速温变、电磁干扰等综合环境应力，对产品的环境适应能力提出很高的技术要求。

2.1 制动器启停时效

变桨距系统接收桨距角指令到变桨距轴承开始动作时间规定要求不大于200ms，对此制动器分离时间t2需要完全保证在200ms以内，如图2所示。

图2 制动器扭矩-时间曲线

变桨距系统大部分时间抱闸处于零速抱闸，即变桨电机转速为零后延时一段时间后进行抱闸。该需求下对制动器连接时间t1无特殊要求。当变桨距系统处于失控状态，无法正常调节到指定位置时将以一定速度向安全限位开关旋转，进行硬件回路断电，保证桨叶处于安全状态。紧急顺桨速度以不大于10°/s计算，限位撞铁有效距离以5°计算，要求t1最大不应超过0.5s，否则将出现越过安全限位，导致变桨距系统无法硬件断电，桨叶乱转失控。

2.2 制动摩擦盘疲劳磨损

变桨距系统正常工作条件下存在以下几种工况疲劳磨损：

一是变桨电机正常运行工况下，制动器处于分离状态，制动摩擦盘通过花键联接跟随电机轴旋转，由于轮毂处于360°旋转，受重力及振动作用，制动摩擦盘处于长期悬浮小力矩摩擦磨损[3]。

二是变桨电机启动过程中由于电机输出力矩时间快于分离时间t2，在电机输出力矩大于制动器制动力矩时，制动摩擦盘处于低速下短时带载磨损。在三相交流异步方案中由于启停的频繁性导致该工况较为常见，永磁同步方案中基本可以忽略。

三是变桨紧急停机需求，需要通过撞限位断硬件停机时，制动器依靠制动盘摩擦阻力将整个变桨系统惯量进行制动，制动摩擦盘处于高速大扭矩下短时磨损。在整个风电变桨设计寿命20年中，需要近似按1000次进行急停能力评估。

四是极限工况下，当变桨电机制动回路故障时，此时如果变桨电机输出力矩能力大于制动器制动力矩，变桨电机将直接强制带动制动器吸合状态下的制动盘旋转，此时制动器处于非正常的工作模式，有可能直接在此应用工况下出现过度磨损。

2.3 电机制动力矩稳定性

由于变桨运行安全性要求，对制动器提出了制动力矩稳定性要求。如环境温度、湿度变化对制动力矩影响；
对于零速制动及紧急制动下制动器静态力矩、动态力矩存在差异；
新出厂产品及经历制动盘疲劳磨损后制动力矩偏差等。以上方面制动力矩稳定性都关系到变桨电机能否安全运行，需要在应用过程中进行考量。

2.4 制动器与电机热稳定性

变桨电机运行状态下温度较高，一般在60～120℃，制动器直接安装在电机上，一方面承受电机温度对制动器运行温度的影响。同时变桨制动器采用恒定24V供电，无降压保持设计，对此，制动器本身发热反过来对电机温升也存在影响，制动器应用中需要考虑制动器热稳定性是否在电机运行温升内的可接受范围。

3.1 启停时间试验

结合变桨电机控制进行制动器启停时间测试，首先需要将制动器回路进行单独控制，调整电机力矩输出小于制动器力矩。提前2s让电机保持力矩输出，制动器处于抱闸状态，当制动器供电后开始计时，观察变桨电机速度、位置开始变化时间。现选用某品牌制动器进行试验结果如图3所示，当在时间56.46s时制动器得电，于56.68s时变桨电机方采集到速度变化信号。制动器分离时间t2近似为0.22s，与变桨距系统响应时间要求200ms存在微小差距。

图3 制动器分离时间试验

变桨电机旋转过程中直接将制动器回路断电，使用抱闸制动力矩将电机速度减速至零，当制动器产生制动力矩时变桨电机开始输出转矩，电机电流快速上升，试验结果如图4所示。制动器连接时间t1=66.70-66.46=0.24s＜0.5s，满足变桨距系统使用工况[4]。

图4 制动器连接时间试验

3.2 制动盘疲劳磨损试验

使用三相交流异步变桨距系统进行模拟变桨运行的（1）、（2）两种工况，变桨电机启动，并保持高速1500rpm下运行15s后停止，循环测试。在电机频繁启动及空载情况下产生以上两种疲劳磨损。记录试验前制动力矩及制动盘厚度。选用某厂家某型号产品经过15万次、40万次时拆卸制动器，测量制动盘厚度（90°等分测量4点）及制动力矩见表1。

表1 制动盘疲劳（1、2）磨损数据

可以看出该款制动器在经过（1）、（2）工况的疲劳磨损试验后，制动力矩有明显衰减，摩擦盘厚度基本无变化。需要根据变桨距系统使用期间启停次数进行制动力矩能力评估。

在变桨运行疲劳磨损的（3）工况，使变桨电机在高速2000rpm下运转，中途同时断开制动器及变桨电机供电，使用制动器制动力矩对电机进行紧急制动。试验中选用转动惯量大的异步电机，在试验前及500、1000次疲劳试验后进行制动器摩擦盘厚度及制动力矩测量。选用某厂家某型号产品试验数据见表2。

表2 制动盘疲劳（3）磨损数据

制动器经历工况（3）批量磨损下制动力矩及制动盘厚度基本无变化。

极限工况（4）使用变桨距系统输出力矩大于制动力矩设计进行测试，进行一次0～90°的紧急顺桨过程。结果发现经过一次顺桨过程的磨损制动器额定力矩跌幅大于40%，制动盘研磨出粗糙的非金属颗粒，制动器处于失效状态。

3.3 力矩稳定性试验

面对变桨距复杂应用工况，需要对制动器试验进行综合考虑。在一般变桨运行工况（环境温度-30℃～+50℃；
环境湿度≤95%，无凝露；
海拔≤2000m）下制动器制可不进行试验，基本能保持力矩稳定性。在超出正常运行环境要求时需要进行验证试验。超低温由于制动器内部金属弹簧与非金属摩擦盘收缩率不同，可能导致电磁力克服弹簧力不同，导致制动力矩出现偏差。湿度主要影响到制动摩擦盘摩擦系数，对密封性不良安装的制动器，制动力矩存在20%左右差异。同时，制动器摩擦盘的清洁程度直接关系到产品的力矩稳定性，在变桨电机组装过程中由于金属防锈油、操作员工汗液等异物污染，很容易将异物在金属盘上造成不可逆的污染，在生产过程控制上需要进行严格把控，保证变桨电机的最终产品力矩稳定。

3.4 热稳定性试验

变桨距系统采用恒定24V供电，单独进行制动器热平衡试验，在室温29.4℃下制动器表面最高温度为78.8℃，平衡后热成像如图5所示。

图5 制动器热平衡试验

制动器发热对变桨电机温升具有多大影响，试验中采用安装制动器的电机在只进行制动器供电下的热平衡试验，结果显示环境温度28.5℃时，装有供电24V下制动器电机表面最高温度为39.9℃，约有11K的温升影响，如图6所示。

图6 安装制动器电机热平衡试验

通过对变桨距系统几种运行工况分析，在实验室模拟了相关试验，对制动器在应用过程中的启停时间、疲劳磨损、力矩稳定性及热稳定性方面给出相关考虑方向。在启停时间方面需要严格控制制动器的释放/吸合时间，既要保证尽可能快的释放避开电机力矩的输出速度，又要尽可能快的吸合产生制动扭矩，避免紧急情况下硬件断电的需求。对于疲劳磨损，综合考虑了风电变桨应用场景，对长时悬浮摩擦、启动过程摩擦、紧急停机克服惯量摩擦及变桨系统电路异常情况的摩擦情况进行预测性模拟，指出需要关键注意变桨系统在克服惯量停机过程中的磨损；
对于异常供电回路异常导致的输出转矩大于制动力矩将会直接造成产品损坏。力矩稳定性是制动器产品本身关键指标参数，在应用场景中也一样承担的关键作用，对批次性产品上建议进行监控。最后热稳定性上可以看到在长时间供电过程中，产品自身能耗将反作用影响电机，电机温升又影响制动器运行环境温度，在评估应用场景中，需要考虑制动器实际可能的运行温度状态，评估其稳定性。

由于实验室与现场运行环境存在的偏差，比如振动和多条件的综合性影响等，不能完全等效现场实际运行工况。如有条件可对变桨距系统现场运行不同时间下的制动摩擦盘厚度及制动力矩数据进行采集，与实验室试验进行比对验证，指导今后在变桨电动机上的制动器应用测试技术。

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