淺析兩種1.5MW風力發電機組機械剎車系統

孫建

摘 要：目前風電場較為常用的GE1.5S和華銳SL1500兩種風電機組的制動系統均為順槳制動聯合高速軸液壓驅動機械制動，這兩種機型所采用的高速軸液壓驅動機械制動裝置作為機組的二級制動在功能上基本相同，但在操作原理上截然相反。文章分析了以上兩種機組典型液壓剎車系統的結構特征，并對不同工況下的作業過程進行了比較，幫助風電場生產人員在工作中更好地辨識這兩種剎車系統，掌握兆瓦級變槳距風機液壓剎車系統的工作原理，進而對風電機組的選型和日常運行維護起到一定的指導作用。

關鍵詞：氣動；液壓；主動剎車；被動剎車；彈簧剎車片；剎車盤；電磁閥

引言

現代兆瓦級變槳距風力發電機的制動廣泛采用氣動制動聯合高速軸機械制動的制動系統，氣動制動裝置分為葉尖制動裝置和葉片順槳制動裝置，機械制動裝置采用鉗盤式制動裝置，具有力矩調整、間隙補償、隨位和退距均等功能，其驅動機構分為電磁驅動機構和液壓驅動機構。風機在正常停機、緊急停機時制動系統會按照預定程序分別投入一二級制動裝置，實現對風機的安全制動。目前，風電場較為常用的兩種風力發電機組機型分別是GE1.5S和華銳SL1500，兩種機型的制動系統均為順槳制動聯合傳動系統中的高速軸液壓驅動機械制動。這兩種機型各自采用的高速軸液壓驅動機械制動（以下簡稱液壓剎車）系統作為機組的二級制動在功能上基本相同，但在動作原理上截然相反，它們分別由德國BSAK和BSFI公司生產。GE1.5S采用的是主動剎車，而華銳SL1500采用的是被動剎車。文章分別結合其原理圖對這兩種機型的停機過程進行比較分析。

1 液壓剎車的分類定義

從剎車的動作原理上分可以將剎車系統分為主動剎車和被動剎車。主動剎車是指在正常運行時作用在動作缸上的油壓為零，彈簧剎車片與剎車盤釋放打開，當需要剎車時，作用在動作缸上的油壓將達到額定值，彈簧被擠壓，剎車片與剎車盤抱死；被動剎車與其相反，即當正常運行時額定的油壓將彈簧剎車片與剎車盤分離打開，當需要剎車時，油壓泄為零，彈簧剎車片返回與剎車盤抱死。

2 兩種風機各種運行狀態時，剎車系統的工作情況

2.1 GE1.5S型風機BSAK系統（見圖1）

（1）正常運行：電磁閥20、21、22、23均得電，那么閥20、21、22均關閉 ，泄壓閥23打開，壓力表P1指示為零。可調限流閥21.1一般情況下都處于關閉狀態，只有當需要手動瀉壓時才打開。油泵啟動受40處壓力開關的控制，當壓力低于60bar時，油泵啟動，始終讓儲壓灌的壓力保持在60bar，以便下次能夠可靠剎車。

（2）正常停機和一般故障停機：制動裝置采取分時分級投入方式。按照預定程序先投入一級制動，待葉片順槳后，按照預定程序投入二級制動裝置，電磁閥21、23、22同時失電，閥21、22同時打開，泄壓閥23關閉，高壓油通過限流閥19、閥21、液壓缸擠壓剎車片，但由于限流閥19的作用，管內油流有一定延時，從而減慢了彈簧剎車片的移動速度，使得剎車片與剎車盤摩擦但不會抱死，轉子速度迅速降低降低。幾秒后，當轉速度低于某一設定值時，電磁閥21、23、22開始得電打開，剎車釋放，風機處于順槳空轉狀態。

（3）緊急停機和安全鏈停機：一二級制動裝置同時按照預定程序投入到制動狀態，葉片加速順槳，電磁閥20、21、22、23同時失電，閥20、21、22同時打開，泄壓閥23關閉，油管內的高壓油迅速擠壓彈簧剎車片，將剎車盤抱死。在剎車過程前期由于管內油壓有50多bar高于剎車的額定壓力50bar，電磁閥22打開，高壓油經限壓閥22.1流回油箱，待管內油壓低于50bar后，限壓閥22.1截止，同時電磁閥22得電關閉。在整個剎車過程中，由于儲壓罐壓力低于20bar，油泵會啟動打壓，達到60bar時停止打壓。

（4）剎車釋放：電磁閥20、21、23同時得電，閥20、21關閉，泄壓閥23打開，推動剎車片的油壓從泄壓閥23，經限流閥23.1緩慢流回油箱，油路壓力緩慢下降，剎車片慢慢松開。當在剎車狀態下需手動釋放剎車時，只需將手動限壓閥打開，高壓油就會緩慢的從21.1流回油箱，剎車片就會隨著管道內油壓的降低慢慢松開，過程中儲壓罐壓力低于20bar油泵會啟動打壓，達到60bar時停止打壓。

2.2 華銳SL1500機型BSFI系統（見圖2）

（1）正常運行時：電磁閥20失電導通，手動電磁兩用閥21.1得電截止，高壓油從閥20流過到剎車動作缸，將彈簧剎車片與剎車盤分離，當需要手動泄壓時可手動將21.1打開，彈簧剎車片返回，與剎車盤抱死。油泵是否啟動打壓受壓力開關40的控制。

（2）正常停機和一般故障停機：風機按照預定程序只投入一級制動，二級剎車不啟動，風機葉片順槳停機，轉子轉速度迅速降低，風機處于空轉狀態。

（3）緊急停機和安全鏈停機：一二級制動裝置同時按照預定程序投入到制動狀態，葉片加速順槳，電磁閥20得電截止，油壓被儲存到儲壓罐10內，為下一次釋放剎車做好準備；閥21.1失電導通，油管內的高壓油又經過閥21流回油箱，彈簧剎車片返回將剎車盤抱死。

（4）剎車釋放：當風機需要釋放剎車時，電磁閥20失電導通，手動電磁兩用閥21.1得電截止，高壓油從閥20流過到剎車動作缸，將彈簧剎車片與剎車盤分離。

3 兩種系統的比較

（1）主動剎車系統有獨立的四個電磁閥和兩個限流閥配合使用，既能實現軟剎，又能實現硬剎，可以在正常停機和一般故障停機時，一級剎車順槳槳完成后，二級剎車液壓系統啟動軟剎，既保證了風機可靠停機，又減小了因急剎振動給風機帶來的損壞和危險。機組可以在需要緊急剎車時能夠實現立即停機，運行可靠性較好，但是該類系統的設計和控制過程較為復雜。

（2）被動剎車系統只有兩個電磁閥和一個限流閥，通過電磁閥的截止導通實現剎車的制動釋放，由于該系統不能實現軟剎，一旦剎車啟動就立即抱死。為減少停機時對機組的損害，這種風機在設計時針對正常停機和一般故障停機，只采用一級順槳制動，二級液壓剎車不予啟動，只有在緊急停機和安全鏈停機的情況下才啟動將主軸抱死。這種系統的最大優點是油路和電路的設計控制較為簡單。

4 結束語

（1）主動剎車和被動剎車各有優缺，為保證風力發電機組運行穩定，停機安全可靠，建議在北方及沿海Ⅱ類及以上風電場采用主動剎車，在內陸Ⅲ類及以下低風速風電場兩種剎車系統均可采用。

（2）無論使用哪種剎車系統，風電場運維人員都必須掌握其基本工作原理，尤其是要掌握極端天氣條件下的操作要領。特別是當臺風或颶風來臨風場時，葉片雖然已完全順槳，但仍會受到不同方向的巨大推力，為防止葉片受力過大折斷或因剎車抱死摩擦打火引起機艙火災，應及時采用手動和SCADA軟件操控的方法將停運風機的剎車釋放，使機組處于空轉狀態。

參考文獻

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