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摘 要：變漿系統(tǒng)是風力發(fā)電機的重要組成部分，本文圍繞風力發(fā)電機變漿系統(tǒng)的構成、作用、控制邏輯、保護種類和常見故障分析等進行論述。
關鍵詞：變槳系統(tǒng) ；構成； 作用；保護種類；故障分析
1 綜述
變槳系統(tǒng)的所有部件都安裝在輪轂上。風機正常運行時所有部件都隨輪轂以一定的速度旋轉。
變槳系統(tǒng)通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率，并能夠通過空氣動力制動的方式使風機安全停機。
風機的葉片（根部）通過變槳軸承與輪轂相連，每個葉片都要有自己的相對獨立的電控同步的變槳驅動系統(tǒng)。變槳驅動系統(tǒng)通過一個小齒輪與變槳軸承內齒嚙合聯動。
風機正常運行期間，當風速超過機組額定風速時（風速在12m/s到25m/s之間時），為了控制功率輸出變槳角度限定在0度到30度之間（變槳角度根據風速的變化進行自動調整），通過控制葉片的角度使風輪的轉速保持恒定。任何情況引起的停機都會使葉片順槳到90度位置（執(zhí)行緊急順槳命令時葉片會順槳到91度限位位置）。
變槳系統(tǒng)有時需要由備用電池供電進行變槳操作（比如變槳系統(tǒng)的主電源供電失效后），因此變槳系統(tǒng)必須配備備用電池以確保機組發(fā)生嚴重故障或重大事故的情況下可以安全停機（葉片順槳到91度限位位置）。此外還需要一個冗余限位開關（用于95度限位），在主限位開關（用于91度限位）失效時確保變槳電機的安全制動。
由于機組故障或其他原因而導致備用電源長期沒有使用時，風機主控就需要檢查備用電池的狀態(tài)和備用電池供電變槳操作功能的正常性。
每個變槳驅動系統(tǒng)都配有一個絕對值編碼器安裝在電機的非驅動端（電機尾部），還配有一個冗余的絕對值編碼器安裝在葉片根部變槳軸承內齒旁，它通過一個小齒輪與變槳軸承內齒嚙合聯動記錄變槳角度。
風機主控接收所有編碼器的信號，而變槳系統(tǒng)只應用電機尾部編碼器的信號，只有當電機尾部編碼器失效時風機主控才會控制變槳系統(tǒng)應用冗余編碼器的信號。
2 變漿系統(tǒng)的作用
根據風速的大小自動進行調整葉片與風向之間的夾角實現風輪對風力發(fā)電機有一個恒定轉速；利用空氣動力學原理可以使槳葉順漿90°與風向平行，使風機停機。
3 主要部件組成
圖 1：各部件間連接框圖
4變槳系統(tǒng)各部件的連接框圖
變槳中央控制箱執(zhí)行輪轂內的軸控箱和位于機艙內的機艙控制柜之間的連接工作。
變槳中央控制箱與機艙控制柜的連接通過滑環(huán)實現。通過滑環(huán)機艙控制柜向變槳中央控制柜提供電能和控制信號。另外風機控制系統(tǒng)和變槳控制器之間用于數據交換的 Profibus-DP 的連接也通過這個滑環(huán)實現。
變槳控制器位于變槳中央控制箱內，用于控制葉片的位置。另外，三個電池箱內的電池組的充電過程由安裝在變槳中央控制箱內的中央充電單元控制。
4.1 中控箱
圖 2：中控箱
4.2 軸控箱
在變槳系統(tǒng)內有三個軸控箱，每個葉片分配一個軸控箱。箱內的變流器控制變槳電機速度和方向。
圖 3：軸控箱
4.3 電池箱
和軸控箱一樣，每個葉片分配一個電池箱。在供電故障或 EFC 信號（緊急順槳控制信號）復位的情況下，電池供電控制每個葉片轉動到順槳位置。
圖 4：電池箱
4.4 變槳電機
變槳電機是直流電機，正常情況下電機受軸控箱變流器控制轉動，緊急順槳時電池供電電機動作。
圖 5：變槳電機
4.5 冗余編碼器
圖 6：冗余編碼器
4.6 限位開關
每個葉片對應兩個限位開關：91度限位開關和96度限位開關。96度限位開關作為冗余開關使用。
圖 7：限位開關
4.7 各部件間連接電纜
變槳中央控制箱、軸控箱、電池箱、變槳電機、冗余編碼器和限位開關之間通過電纜進行連接。為了防止連接電纜時產生混亂，電纜有各自的編號。
5 變槳系統(tǒng)的保護種類
位置反饋故障保護：為了驗證冗余編碼器的可利用性及測量精度，將每個葉片配置的兩個編碼器采集到的槳距角信號進行實時比較，冗余編碼器完好的條件是兩者之間角度偏差小于2°；所有葉片在91°與95°位置各安裝一個限位開關，在0°方向均不安裝限位開關，葉片當前槳距角是否小于0°，由兩個傳感器測量結果經過換算確定。 除系統(tǒng)掉電外，當下列任何一種故障情況發(fā)生時，所有軸柜的硬件系統(tǒng)應保證三個葉片以10°/s的速度向90°方向順槳，與風向平行，風機停止轉動： 任意軸柜內的從站與PLC主站之間的通訊總線出現故障， 由輪轂急停、塔基急停、機艙急停、震動檢測、主軸超速、偏航限位開關串聯組成的風機安全鏈以及與安全鏈串聯的兩個葉輪鎖定信號斷開（24V DC信號）；無論任何一個編碼器出現故障，還是同一葉片的兩個編碼器測量結果偏差超過規(guī)定的門限值；任何葉片槳距角在變槳過程中兩兩偏差超過2°；構成安全鏈、釋放回路中的硬件系統(tǒng)出現故障；任意系統(tǒng)急停指令。變槳調節(jié)模式時，預防槳距角超過限位開關的措施： 91°限位開關；到達限位開關時，變槳電機剎車抱閘； 軸柜逆變器的釋放信號及變槳速度命令無效，同樣會使變槳電機靜止。 變槳電機剎車抱閘的條件：軸柜變槳調節(jié)方式處于自動模式下，槳距角超過91°限位開關位置；軸柜上控制開關斷開；電網掉電且后備電電源輸出電壓低于其最低允許工作電壓；控制電路器件損壞。
圖8：變漿機構機械連接
電機變槳距控制機構可對每個槳葉采用一個伺服電機進行單獨調節(jié)，如圖8所示。伺服電機通過主動齒輪與槳葉輪毅內齒圈相嚙合，直接對槳葉的節(jié)距角進行控制。位移傳感器采集槳葉節(jié)距角的變化與電機形成閉環(huán)PID負反饋控制。在系統(tǒng)出現故障，控制電源斷電時，槳葉控制電機由蓄電池供電，將槳葉調節(jié)為順槳位置，實現葉輪停轉。
6 變槳系統(tǒng)故障分析
6.1變槳控制系統(tǒng)常見故障原因及處理方法
6.1.1變槳角度有差異
葉片1變槳角度有差異
葉片2變槳角度有差異
葉片3變槳角度有差異
原因：變槳電機上的旋轉編碼器（A編碼器）得到的葉片角度將與葉片角度計數器（B編碼器）得到的葉片角度作對比，兩者不能相差太大，相差太大將報錯。
處理方法：1.由于B編碼器是機械凸輪結構，與葉片的變槳齒輪嚙合，精度不高且會不斷磨損，在有大晃動時有可能產生較大偏差，因此先復位，排除故障的偶然因素；2.如果反復報這個故障，進輪轂檢查A、B編碼器，檢查的步驟是先看編碼器接線與插頭，若插頭松動，擰緊后可以手動變槳觀察編碼器數值的變化是否一致，若有數值不變或無規(guī)律變化，檢查線是否有斷線的情況。編碼器接線機械強度相對低，在輪轂旋轉時，在離心力的作用下，有可能與插針松脫，或者線芯在半斷半合的狀態(tài)，這時雖然可復位，但轉速一高，松動達到一定程度信號就失去了，因此可用手搖動線和插頭，若發(fā)現在晃動中顯示數值在跳變，可拔下插頭用萬用表測通斷，有不通的和時通時斷的，要處理，可重做插針或接線，如不好處理直接更換新線。排除這兩點說明編碼器本體可能損壞，更換即可。由于B編碼器的凸輪結構脆弱，多次發(fā)生凸輪打碎，因此對凸輪也應做檢查。
6.1.2葉片沒有到達限位開關動作設定值
原因：葉片設定在91°觸發(fā)限位開關，若觸發(fā)時角度與91°有一定偏差會報此故障。
處理方法：檢查葉片實際位置。限位開關長時間運行后會松動，導致撞限位時的角度偏大，此時需要一人進入葉片，一人在中控器上微調葉片角度，觀察到達限位的角度，然后參考這個角度將限位開關位置重新調整至剛好能觸發(fā)時，在中控器上將角度清回91°。限位開關是由螺栓擰緊固定在輪轂上，調整時需要2把小活扳手或者8mm叉扳。
6.1.3某個槳葉91°或95°觸發(fā)
有時候是誤觸發(fā)，復位即可，如果復位不了，進入輪轂檢查，有垃圾卡主限位開關，造成限位開關提前觸發(fā)，或者91度限位開關接線或者本身損壞失效，導致95°限位開關觸發(fā)。
葉片1限位開關動作
葉片2限位開關動作
葉片3限位開關動作
原因：葉片到達91°觸發(fā)限位開關，但復位時葉片無法動作或脫離限位開關。
處理方法：首先手動變槳將槳葉脫離后嘗試復位，若葉片沒有動作，有可能的原因有：①機艙柜的手動變槳信號無法傳給中控器；可在機艙柜中將141端子和140端子下方進線短接后手動變槳②檢查軸控柜內開關是否有可能因過流跳開，若有合上開關后將槳葉調至90°即可復位③軸控箱內控制槳葉變將的6K1接觸器損壞，檢查如損壞更換，同時檢查其他電器元件是否有損壞。
6.1.4 變槳電機溫度高
變槳電機1溫度高
變槳電機2溫度高
變槳電機3溫度高
變槳電機1電流超過最大值
變槳電機2電流超過最大值
變槳電機3電流超過最大值
原因：溫度過高多數由于線圈發(fā)熱引起，有可能是電機內部短路或外載負荷太大所致，而過流也引起溫度升高。
處理方法：先檢查可能引起故障的外部原因：變槳齒輪箱卡瑟、變槳齒輪夾有異物；再檢查因電氣回路導致的原因，常見的是變槳電機的電器剎車沒有打開，可檢查電氣剎車回路有無斷線、接觸器有無卡瑟等。排除了外部故障再檢查電機內部是否絕緣老化或被破壞導致短路。
6.1.5變漿控制通訊故障
原因：輪轂控制器與主控器之間的通訊中斷，在輪轂中控柜中控器無故障的前提下，主要故障范圍是信號線，從機艙柜到滑環(huán)，由滑環(huán)進入輪轂這一回路出現干擾、斷線、航空插頭損壞、滑環(huán)接觸不良、通訊模塊損壞等。
處理方法：用萬用表測量中控器進線端電壓為230v左右，出線端電壓為24v左右，說明中控器無故障，繼續(xù)檢查，將機艙柜側輪轂通訊線拔出，紅白線、綠白線，將紅白線接地，輪轂側萬用表一支表筆接地，如有電阻說明導通，無斷路，有斷路啟用備用線，若故障依然存在，繼續(xù)檢查滑環(huán)，我場風機絕大多數變槳通訊故障都由滑環(huán)引起。齒輪箱漏油嚴重時造成滑環(huán)內進油，油附著在滑環(huán)與插針之間形成油膜，起絕緣作用，導致變槳通訊信號時斷時續(xù)，冬季油變粘著，變槳通訊故障更為常見。一般清洗滑環(huán)后故障可消除，但此方法治標不治本，從根源上解決的方法是解決齒輪箱漏油問題?；h(huán)造成的變槳通訊還有可能有插針損壞、固定不穩(wěn)等原因引起，若滑環(huán)沒有問題，得將輪轂端接線脫開與滑環(huán)端進線進行校線，校線的目的是檢查線路有無接錯、短接、破皮、接地等現象?；h(huán)座要隨主軸一起旋轉，里面的線容易與滑環(huán)座摩擦導致破皮接地，也能引起變槳故障。
6.1.6變槳錯誤
原因：變槳控制器內部發(fā)出的故障，變槳控制器OK信號中斷，可能是變槳控制器故障，或者信號輸出有問題。
處理方法：此故障一般與其他變槳故障一起發(fā)生，當中控器故障無法控制變槳時，PITCH CONTROLLER OK信號為0，可進入輪轂檢查中控器是否損壞，一般中控器故障，會導致無法手動變槳，若可以手動變槳，則檢查信號輸出的線路是否有虛接、斷線等，前面提到的滑環(huán)問題也能引起此故障。
6.1.7變槳失效
原因：當風輪轉動時，機艙柜控制器要根據轉速調整變槳位置使風輪按定值轉動，若此傳輸錯誤或延遲300ms內不能給變槳控制器傳達動作指令，則為了避免超速會報錯停機。
處理方法：機艙柜控制器的信號無法傳給變槳控制器主要由信號故障引起，影響這個信號的主要是信號線和滑環(huán)，檢查信號端子有無電壓，有電壓則控制器將變槳信號發(fā)出，繼續(xù)查機艙柜到滑環(huán)部分，若無故障繼續(xù)檢查滑環(huán)，再檢查滑環(huán)到輪轂，分段檢查逐步排查故障。
變漿電機1轉速高
變漿電機2轉速高
變漿電機3轉速高
原因：檢測到的變槳轉速超過31°每秒，這樣的轉速一般不會出現，大多數由于旋轉編碼器故障引起。或者由輪轂傳出的RPM OK信號線問題引起。
處理方法：可參照檢查變槳編碼器不同步的故障處理方法編碼器問題，編碼器無故障則轉向檢查信號傳輸問題。
6.2變槳機械部分常見故障原因及處理方法
變槳機械部分的故障主要集中在減速齒輪箱上，保養(yǎng)不到位加之質量問題，使減速齒輪箱有可能損壞，在有卡瑟轉動不暢的情況下會導致變槳電機過流并且溫度升高，因此有電機過流和溫度高的情況頻發(fā)時，要檢查減速齒輪箱。
輪轂內有給葉片軸承和變槳齒輪面潤滑的自動潤滑站，當缺少潤滑油脂或油管堵塞時，葉片軸承和齒面得不到潤滑，長時間運行必然造成永久地損傷，變槳齒輪與B編碼器的鋁制凸輪沒有潤滑，長時間摩擦，鋁制凸輪容易磨損，重則將凸輪打壞，造成編碼器不同步致使風機故障停機，因此需要重視潤滑這個環(huán)節(jié)，長時間的小毛病的積累，必然導致機械部件不可挽回的損壞。
6.3蓄電池部分常見故障及處理方法
變漿電池充電器故障
原因：輪轂充電器3A1不充電，有可能3A1已經損壞，有可能由于電網電壓高導致無法充電。
處理方法：觀察停機代碼，一般輪轂充電器不工作引起3面蓄電池電壓降低，將會一起報
葉片1蓄電池電壓故障
葉片2蓄電池電壓故障
葉片3蓄電池電壓故障
檢查3A1，測量有無230V交流輸入，有230交流電壓說明輸入電源沒問題，再測量有無230V左右直流輸出和24V直流輸出，有輸入無輸出則可更換3A1，若由于電網電壓短時間過高引起，則電壓恢復后即可復位。
葉片1蓄電池電壓故障（單獨報錯）
葉片2蓄電池電壓故障（單獨報錯）
葉片3蓄電池電壓故障（單獨報錯）
原因：若只是單面蓄電池電壓故障，則不是由輪轂充電器不充電導致，可能由于蓄電池損壞、充電回路故障等引起。
處理方法：按下輪轂主控柜的充電實驗按鈕，3面輪流試充電，此時測量吸合的電流接觸器的出線端有無230V直流電源，再順著充電回路依次檢查各電氣元件的好壞，檢查時留意有無接觸不良等情況，確定充電回路無異常，則檢查是否由于蓄電池故障導致不能充電。打開蓄電池柜，蓄電池由3組，每組6個蓄電池串聯組成，單個蓄電池額定電壓12V，先分別測量每組兩端的電壓，若有不正常的電壓，則挨個測量每個蓄電池，直到確定故障的蓄電池位置，將損壞蓄電池更換，再充電數個小時（具體充電時間根據更換的數量和溫度等外部因素決定），一般充電12小時即可。若不連續(xù)充電直接運行，則新蓄電池沒有徹底激活，壽命大打折扣，很快也會再次損壞，還有可能導致其他蓄電池損壞。
7、變槳系統(tǒng)飛車的原因分析及預防
介于風力機的變槳系統(tǒng)的構成及工作原理，能導致葉片飛車的原因有以下3種：
1） 蓄電池的原因：由變槳系統(tǒng)構成可以得出，在風機因突發(fā)故障停機時，是完全依靠輪轂中的蓄電池來進行收槳的。因此輪轂中的蓄電池儲能不足或電池失電，導致出故障時，不能及時回槳，而會引發(fā)飛車。蓄電池故障主要有2個方面的影響：由于蓄電池前端的輪轂充電器損壞，導致蓄電池無法充電，直至虧損；由于蓄電自身的質量問題，如果1組中有1-2塊蓄電池放虧，電池整體電壓測量時屬于正常范圍中，但是電池單體電壓測量后已非正常區(qū)間，這種蓄電池在出現故障后已不能提供正常電拖動力，來有效的促使槳葉回收，而最終引發(fā)飛車事故。
2） 信號滑環(huán)的原因：該種風機絕大多數變槳通訊故障都由滑環(huán)接觸不良引起。齒輪箱漏油嚴重時造成滑環(huán)內進油，油附著在滑環(huán)與插針之間形成油膜，起絕緣作用，導致變槳通訊信號時斷時續(xù)，致使主控柜控制單元無法接受和反饋處理超速信號，導致變槳系統(tǒng)無法停止，直至飛車；由于滑環(huán)的內部構造的原因，會出現滑環(huán)磁道與探針接觸不良等現象，也會引發(fā)信號的中斷和延時，其中不排除探針會受力變形。
3） 超速模塊的原因：超速模塊主要作用就是監(jiān)控主軸及齒輪箱低速軸和葉片的超速。該模塊為同時監(jiān)測軸系的三個轉速測點，以三取二邏輯方式，對軸系超速狀態(tài)進行判斷。三取二超速保護動作有獨立的信號輸出，可直接驅動設備動作。具有兩通道配合可完成軸旋轉方向和旋轉速度的測量。使用有一定齒距要求的齒盤產生兩個有相位偏移的信號，A通道監(jiān)測信號間的相位偏移得到旋轉方向，B通道監(jiān)測信號周期時間得到旋轉速度。當該模塊軟件失效后或信號感知出現問題，會導致在超速時，風機主控不能判斷故障及時停機，而引發(fā)導致飛車。
為了預防變槳系統(tǒng)飛車事故的發(fā)生，我們應該以預防為主，其預防方法如下：定期的檢查蓄電池單體電池電壓，定期的做蓄電池充放電實驗，并將蓄電池檢測時間控制在合理區(qū)間，運行過程中密切注意電網供電質量，盡量減少大電壓對輪轂充電器及UPS的沖擊，盡可能的避免不必要的元器件的損壞；徹底根除齒輪箱漏油的弊病，定期開展滑環(huán)的清洗工作，保證滑環(huán)的正常工作；有針對性的測試超速模塊KL1904的功能，避免該模塊軟故障的形成。
參考文獻：
[1]葉杭冶．風力發(fā)電機組的控制技術.北京：機械工業(yè)出版社，2002
[2]李強，姚興佳，陳雷.兆瓦級風電機組變槳距機構分析.沈陽工業(yè)大學學報,2004(2):146-148.
[3]SSB變漿系統(tǒng)說明書及故障分析手冊
來源:
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