变桨系统

变桨系统

一、系统构成

变桨控制系统采用三套直流电机伺服控制系统分别对每个桨叶的桨角进行控制，桨距角的变化速度一般不超过每秒 ，桨叶控制范围0°-90°每个桨叶分别采用一个带转角反馈的伺服电机进行单独调节，电机转角反馈采用光电编码器，安装在电动机轴上，采集电机转动角度，由伺服驱动系统实现转速速度闭环控制和变桨控制器实现的转角位置闭环控制。伺服电机连接减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制。在轮毂内齿圈的安装第二个转角传感器，直接检测内齿圈转动的角度，即桨距角变化，该传感器作为冗余控制的参考值。当电机输出轴、联轴器或转角传感器出现故障时，会出现两个转角传感器所测数据不一致的现象，控制器即可据此判断此类故障。在轮毂内齿圈边上还装有两个接近开关，起限位作用。

变桨距控制系统的供电来自主控制室向上提供的三相400V(带零线)的交流电源，该电源通过滑环引入轮毂中的变桨系统，机舱内部智能充电器将交流电整流成直流电经蓄电池后向逆变单元和备用电源供电。如果交流供电系统出现故障，需要一套备用电源系统向伺服控制器供电，在一段设定的允许时间内将桨叶调节为顺桨位置。备用电源主要由基于铅酸蓄电池的储能机构和充放电管理模块构成，充放电管理模块向储能机构供电，并实现充放电过程的控制管理

均采用直流永磁伺服电机实现桨叶驱动。直流电机伺服控制器硬就件分为控制电路和功率逆变电路两大部分。传统伺服控制采用从内到外依次为电流、速度、位置三闭环的控制结构。采用蓄电池实现储能。使用专用充电装置对蓄电池的充放电进行管理，在不同的温度情况下实现对温度补偿功能。在充电初期实现大电流快速充电，充电时间短。随着的电流的下降进入恒压充电状态，当充电器检测到充电电流足够小的时候，进入涓流充电，其到对电池的保护作用。

二、变桨系统的保护种类

位置反馈故障保护：为了验证冗余编码器的可利用性及测量精度，将每个叶片配置的两个ENCODER采集到的桨距角信号进行实时比较，冗余编码器完好的条件是两者之间角度偏差小于2°；所有叶片在91°与95°位置各安装一个限位开关，在0°方向均不安装限位开关，叶片当前桨距角是否小于0°，由两个ENCODER传感器测量结果经过换算确定。

除系统掉电外，当下列任何一种故障情况发生时，所有轴柜的硬件系统应保证三个叶片以10°/s的速度朝90°方向顺桨：

任意轴柜内的从站与PLC主站之间的通讯总线出现故障， 由叶轮过速、偏航限位开关串联组成的风机安全链以及与安全链串联的两个叶轮锁定信号断开（24V DC信号）；

无论任何一个ENCODER 出现故障，还是同一叶片的两个ENCODER测量结果偏差超过规定的门限值；

任何叶片桨距角在变桨过程中两两偏差超过2°；

构成安全链、释放回路中的硬件系统出现故障； 任意系统急停指令。

变桨调节模式时，预防桨距角超过限位开关的措施：

91°限位开关；到达限位开关时，变桨电机刹车抱闸；

轴柜逆变器的释放信号及变桨速度命令无效，同样会使变桨电机静止。

变桨电机刹车抱闸的条件：

轴柜变桨调节方式处于自动模式下，桨距角超过91°限位开关位置；

轴柜上控制开关断开；

电网掉电且备电电源输出电压低于其最低允许工作电压；

控制电路器件损坏；

三、系统的硬件构成

由于主控系统是通过通讯发送位置指令控制桨叶的运动控制，实现对三桨叶的同步运动和风电机组自身特点决定了独立变桨控制系统采用直流伺驱动方案。其构成由直流伺服系统、伺服电机、后备电源、轮毂，变桨控制器构成。其优点是：启动性能好；刹车机构简单，叶片顺桨后风能转速可以迅速下降；额定点以前输出功率饱满；额定点以后输出功率平滑，风能叶根承受的动、静载荷小。

电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行单独调节，如图4所示。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毅内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电机由UPS供电，将桨叶调节为顺桨位置。

电机变桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行单独调节，如图所示。伺服电机通过主动齿轮与桨叶轮毅内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化与电机形成闭环PID负反馈控制。在系统出现故障，控制电源断电时，桨叶控制电机由蓄电池供电，将桨叶调节为顺桨位置。

四、变桨系统故障分析

1. 变桨控制系统常见故障原因及处理方法

Pitch angle diff 1113变桨角度有差异

Pitch angle 1 1131叶片1变桨角度有差异

Pitch angle 2 1132叶片2变桨角度有差异

Pitch angle 3 1133叶片3变桨角度有差异

原因：变桨电机上的旋转编码器（A编码器）得到的叶片角度将与叶片角度计数器（B编码器）得到的叶片角度作对比，两者不能相差太大，相差太大将报错。 处理方法：由于B编码器是机械凸轮结构，与叶片的变桨齿轮啮合，精度不高且会不断磨损，在有大晃动时有可能产生较大偏差，因此先复位，排除故障的偶然因素；如果反复报这个故障，进轮毂检查A、B编码器，检查的步骤是先看编码器接线与插头，若插头松动，拧紧后可以手动变桨观察编码器数值的变化是否一致，若有数值不变或无规律变化，检查线是否有断线的情况。编码器接线机械强度相对低，在轮毂旋转时，在离心力的作用下，有可能与插针松脱，或者线芯在半断半合的状态，这时虽然可复位，但转速一高，松动达到一定程度信号就失去了，因此可用手摇晃线和插头，若发现在晃动中显示数值在跳跃，可拔下插头用万用表打通断，有不通的和时通时断的，要处理，可重做插针或接线，如不好处理直接更换新线。排除这两点说明编码器本体可能损坏，更换即可。由于B编码器的凸轮结构脆弱，多次发生凸轮打碎，因此对凸轮也应做检查。

Pitch meas. Sys.1＜＞2 1166变桨系统2个编码器不同步

这个故障为警告，但该警告持续24小时也会导致停机，报“1166

for 24h 1188持续24小时报1166状态”，停机后的处理方法和上面处理1113方法一样。

Pitch ＜＞endstop 1159叶片没有到达限位开关动作设定值

原因：叶片设定在92°触发限位开关，若触发时角度与92°有一定偏差会报此故障。

处理方法：检查叶片实际位置。限位开关长时间运行后会松动，导致撞限位时的角度偏大，此时需要一人进入叶片，一人在L+B上微调叶片角度，观察到达限位的角度，然后参考这个角度将限位开关位置重新调整至刚好能触发时，在L+B上将角度清回92°。限位开关是由螺栓拧紧固定在轮毂上，调整时需要2把小活扳手或者8mm叉扳。

Pitch endstop 1 1906叶片1限位开关动作

Pitch endstop 2 1908叶片2限位开关动作

Pitch endstop 3 1909叶片3限位开关动作

原因：叶片到达92°触发限位开关，但复位时叶片无法动作或脱离限位开关。

处理方法：首先手动变桨将叶片脱离后尝试复位，若叶片没有动作，有可能的原因有：①MITA柜的手动变桨信号无法传给L+B；可在MITA柜中将141端子和140端子下方进线短接后手动变桨②检查轴控柜内开关是否有可能因过流跳开，若有合上开关后将叶片拉直90°即可复位③pitchmaster故障；观察pitchmaster的面板指示或测量变桨信号是否有输出，同时检查其他电器元件是否有损坏。

Pitch motor temp 1 1147变桨电机1温度高

Pitch motor temp 2 1147变桨电机2温度高

Pitch motor temp 3 1147变桨电机3温度高

Pitch 1 current＞ max 1150变桨电机1电流超过最大值

Pitch 2 current＞ max 1151变桨电机2电流超过最大值

Pitch 3 current＞ max 1152变桨电机3电流超过最大值

原因：温度过高多数由于线圈发热引起，有可能是电机内部短路或外载负荷太大所致，而过流也引起温度升高。

处理方法：先检查可能引起故障的外部原因：变桨齿轮箱卡瑟、变桨齿轮夹有异物；再检查因电气回路导致的原因，常见的是变桨电机的电器刹车没有打开，可检查电气刹车回路有无断线、接触器有无卡瑟等。排除了外部故障再检查电机内部是否绝缘老化或被破坏导致短路。

Pitch ctrl. Communic 1157变浆控制通讯故障

原因：轮毂控制器L+B与主控器WP3100之间的通讯中断，在状态菜单的L+B项里有变桨通讯故障的次数，短时间内多次报错才会导致故障停机，在L+B无故障的前提下，主要故障范围是信号线207、208从MITA柜到滑环，由滑环进入轮毂这一回路出现干扰、断线、滑环接触不良等。

处理方法：用万用表测量207、208信号线有无电压，207电压在1.5V左右，208电压在2.5V左右，有电压说明L+B无故障并且回路无断路，这两根信号线留有一组备用线，分别与207、208在一根线皮里，找到后测量备用线的电压，低电压与207一起接入端子排，高电压与208一起接入，试启机，检查状体菜单里L+B项有没有报错，启机时多观察一段时间，转速高时更容易报错。若故障依然存在，继续检查滑环，我场风机绝大多数变桨通讯故障都由滑环引起。齿轮箱漏油严重时造成滑环内进油，油附着在滑环与插针之间形成油膜，起绝缘作用，导致变桨通讯信号时断时续，冬季油变粘着，变桨通讯故障更为常见。一般清洗滑环后故障可消除，但此方法治标不治本，从根源上解决的方法是解决齿轮箱漏油问题。滑环造成的变桨通讯还有可能有插针损坏、固定不稳等原因引起，若滑环没有问题，得将轮毂端接线脱开与滑环端进线进行校线，校线的目的是检查线路有无接错、短接、破皮、接地等现象。滑环座要随主轴一起旋转，里面的线容易与滑环座摩擦导致破皮接地，也能引起变桨故障。

Pitch error 1161变桨错误

原因：变桨控制器内部发出的故障，变桨控制器OK信号中断，可能是变桨控制器L+B故障，或者信号输出有问题。

处理方法：此故障一般与其他变桨故障一起发生，当L+B故障无法控制变桨时，PITCH CONTROLLER OK信号为0，可进入轮毂检查L+B是否损坏，一般L+B故障，会导致无法手动变桨，若可以手动变桨，则检查信号输出的线路是否有虚接、断线等，前面提到的滑环问题也能引起此故障。

Pitch run away 1905变桨失效

原因：当风轮转动时，MITA控制器要根据转速调整变桨位置使风轮按定值转动，若此传输错误或延迟300ms内不能给变桨控制器传达动作指令，则为了避免超速会报错停机。

处理方法：MITA控制器的信号无法传给变桨控制器主要由信号故障引起，影响这个信号的主要是信号线和滑环，检查287号端子有无电压，有电压则MITA将变桨信号发出，继续查MITA柜到滑环部分，若无故障继续检查滑环，再检查滑环到轮毂，分段检查逐步排查故障。