兆瓦级风电机组机械制动扭矩的计算方法和制动器选型计算

电气技术与自动化熊维军，等兆瓦级风电机组机械制动扭矩的计算方法和制动器选型计算兆瓦级风电机组机械制动扭矩的计算方法和制动器选型计算熊维军，晏红文中国南车株洲电力机车研究所，湖南株洲412001摘要根据转动惯量和制动时间来反求制动扭矩，并为风电机组制动器选型提供依据。关键词制动器；制动设计扭矩；转动惯量；制动时间中图分类号TH123；TK83文献标志码B文章编号16715276201105013702CALCULATIONOFMECHANICALBRAKETORQUEFORMWLEVELWINDGENERATINGUNITXIONGWEIJUN，YANHONWENFCSRZHUZHOUELECTRICAILOCOMOTIVEINSTITUTE，ZHUZHOU412001，CHINAABSTRACTTHEMECHANICALBRAKEISSELECTEDINACCORDANCEWITHTHEBRAKEDESIGNTORQUEANDTHEBASISISPROVIDEDFORTHEWINDGENERATINGUNITBRAKEKEYWORDSMECHANICALBRAKE；BRAKEDESIGNTORQUE；MOMENTOFINERTIA；BRAKINGTIME0前言在风力发电机组的安全保护装置中，制动器是保证风电机组长期安全无人运行的终端执行结构。风电机组的制动有空气动力制动和机械制动两种方式，并且根据GL认证的要求，风电机组同时需要两套独立的制动系统，在实际的应用中空气制动和机械制动两种方式都会被提供。随着变桨技术的软件和硬件的逐渐成熟，机械制动器一般作为低速下的保持制动器使用J，但设计时按照风电机组额定功率下的额定扭矩校核制动扭矩。1机械制动扭矩和风电机组空气动力扭矩的关系在兆瓦级风轮机的机械制动设计中，一个关键的参数是选择制动扭矩，制动扭矩的选择跟风电机组的额定扭矩存在一定的关系，从国内外的参考资料来看，并没有细化这两者之间的量化关系或者经验值，现根据演算和对不同风电机组的制动参数的核算给出此经验值。有文献提到高速轴的制动扭矩选择是根据定桨风轮机在风速20RRVS下切出风速、电网断电并且风轮机转速超速10下的工况下来计算的J。2制动设计扭矩现在国内引进的风电机组的技术大部分是变桨距的技术，出于保密的原因，在不同的风速下风轮机的转速和空气动力扭矩的关系没有详细的给出。基于以上的原因，可从转动惯量和制动时间的反算来获得这一制动设计扭矩的值，并且参考相关的数据进行对比，确认从这种途径获得的的制动设计扭矩是合适的。21风电机组最大转速风电机组主轴的最大转速，即紧急制动时的转速NLSSMAX齿轮箱的增速传动比I。EA换算到高速轴HSSMAXNLSSMAXIGEAR角速度CCJHSSMAXNHSSMAXX2X1T6022转动惯量风轮的转动惯量，；折算到高速轴的转动惯量是JRMHSSJAOTORIGEAR2发电机的转动惯量JG；齿轮箱折算到高速轴的转动惯量JG；制动盘和联轴的转动惯量I，。；则整个传动链折算到高速轴的转动惯量的表示为JT。叫JR。T。HSS，T，DISC，GEAR23制动时间根据控制的需要，设定制动时间为TT；又根据关系式AT那么最大的角加速度TO最小的角加速度TOHSSMAXT扭矩M则在这两种情况下的扭矩分别为MIX一般来说，要求最小的无安全系数因子的扭矩大于等作者简介熊维军1982一，男，重庆万州人，工程师，主要从事风电机组传动链设计。MACHINEBUILDING日AUTOMATION，OCT2011，405137138L37电气技术与自动化熊维军，等兆瓦级风电机组机械制动扭矩的计算方法和制动器选型计算于额定扭矩；比较额定扭矩和MI；1R其中的大值，即MIMAXM，M24扭矩设计根据GLWIND2003风轮机的认证指导说明的制动系统的安全要求，需要以下的安全系数因子来确定设计扭矩J。摩擦系数的材料因子12；可能出现的弹簧力损失因子11；空气载荷因子135；制动盘没有大温升的情况下的附加保证因子5；则高速轴的制动设计扭矩为最大设计扭矩X12X11X135X105；最小设计扭矩X1211X135X105。3制动盘直径的选择根据制动半径、制动接触压力和制动盘耐热能力等因数来综合确认制动时间。制动盘的直径大小是要考虑制动盘的最大离心力和摩擦片允许的摩擦速度有关的。根据多福TWIFLEX制动器厂家的试验数据，建议球墨铸铁做成的制动盘的安全轮缘线速度是90MS以内，烧结金属可接受的摩擦线速度达100MS。那么制动盘的直径D2X90W，再根据摩擦片的允许的线速度进行核算，最终确定的制动盘的直径可以适当偏大一些。4制动摩擦片面积的确定忽略变桨过程中风能的输人能量，动能通过摩擦做功完成能量转换。F，DTJBYDTAIPRAJTDTPRAT，转动惯量，NM。；厂摩擦力；A制动摩擦片总面积；M；摩擦系数，一般标称04；V摩擦线速度，MS；尸为摩擦片与被制动轮之间的接触比压；有效制动半径，M；角加速度，RADS；T制动总时间，S。可得AUPROTTI通过上面的计算式子得到的A是在平均摩擦线速度下得到的，但是在开始制动时的摩擦线速度是平均摩擦线速度的2倍，那么此时的热能产生功率是其平均值下的2倍；而从散热方面来说，增大接触面积，也就是增大散热面积；所以最终得到的总的摩擦片面积为2A。来核算摩擦压比和摩擦线速度；现在大部分风电制动器选用的烧结金属的摩擦片一般是米巴公司MIBA的MD550，其最大动态压力5NMM；最大摩擦速度100MS，最大单位面积制热功率SPECIFICPOWER6WFILM；这样做是为了减少摩擦片的磨损。5制动盘的热计算考虑在最坏的情况下，摩擦产生的热能全被制动盘和制动器所扫略的体积吸收，并且因为整个制动的时间比较短暂，不考虑和空气的热交换，所以风电机组在有机械制动器投入紧急制动后，都要考虑制动盘的散热时间后，才投入到下次自动运行。QATXMXCT2则制动盘温升二HMD；M和制动器扫略的部分的制动盘质量，KG；C制动盘的热容系数，JKGK；制动盘温升，K；开始制动时的温度，；制动盘允许的最高温度，。6制动器选择根据MB的数值选择制动器的夹紧力；MB2FORF制动器夹紧力；有效制动半径，比制动盘直径小，一般要根据制动器的结构尺寸来确定。7数据对比和总结根据以上的计算公式推导出来的数据和国内的现在主流的15MW的风电机组的制动数据做比较，数值误差范围在3以内。并且最大制动设计扭矩是额定扭矩的223倍左右，小于齿轮箱的安全系数。故认为此计算方法对2MW以下的风轮机的制动计算和制动器的选型是合适的。参考文献1GERMANISCHERLLOYDGUIDELINEFORTHECERTIFICATIONOFWINDTURBINESEDITION2003；20032黄成力，左倜，等引进型125MW风力发电机组结构与性能特点J上海电力，20073TONEYBURTON，WINDE