低温条件下变桨距液压系统启动特性测量方法研究.pdf

理论 ， 研发 ， 设计 ， 翻造 字木交i j； i 低 温条 件 下 变 桨 距 液 压系 统 启 动 特 性 测 量方 法 研 究 唐学涛 ， 苏永清 ， 岳继光 ， 蔡秋木 1 ． 同济大学 电子与信息工程学院， 上海 2 0 1 8 0 4 ； 2 ． 上海汇益控制系统股份有限公司， 上海 2 0 1 7 1 1 St u dy o f S t a r t i n g Ch a r a c t e r i s t i c s o n Hy dr a u l i c Sy s t e m o f t h e Va r i a bl e p i t c h W i n d Tur b i ne i n Co l d Co n d i t i o n T ANG Xu e - t a o 。 ， S U Y o n g - q i n g ， YU E J i - g u a n g ， C AI Qi u - mu 1 ．C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d I n fi r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i H u i y i C o n t r o l S y s t e m C o ． L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 7 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y s e s t h e i n flu e n c e o f c o l d c , o n d i t i o n t o t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r o n t h e v a r i a b l e p i t c h wi n d t u r b i n e ，a t t h e s a me t i me ，i t p r o v i d e s s o me me t h o d s t h a t h e l p me a s u r i n g t h e s t a r t i n g c i r c u i t a n d f r i c t i o n ，t h e me a s u r i n g me t h o d h a s s i mp l e s t r u c t u r e ， h i g h me a s u r e me n t p r e c i s i o n a n d h i g h d e g r e e o f a u t o ma t i o n ． Ke y wo r d s c o l d c o n d i t i o n ； v a r i a b l e p i t c h ； s t a r t i n g c i r c u i t a n d s t a r t i n g f r i c t i o n 1 引 言 我国风能资源富集 区主要分布在 内蒙 、 东北 、 西北 、 华北及东南沿海地区。 其 中内蒙 、 东北及两北地区属于高 寒地 区， 海拔高度可达 2 0 0 0 m， 常年最低气温可达一 4 0 ％， 冬季时间漫长， 低温延续时间达 4 ～ 6 个月 ] 。目前全国装 机总容量的 7 6 ％分布在这一区域 ，低温问题是这些风 电 场所面临的一个共同问题。 变桨距液压 缸是风 力发 电变桨 控制 系统 的重要部 件 。 变桨距机构是在额定风速附近 ， 依据风速的变化随时 调节桨距， 保证获取最大 的能量 ， 同时减少 自然风力对风 力机的冲击 。目前 国内外对低温环境 的技术标准在风 电 行业 中尚属空 广 了 ， 只是采取一些专项技术改进措施 ， 在 恶劣的低温环境下 ， 确保风机启停f 特别是停机后的冷态 启动 运行 的安全可靠性 ， 是风机研发成败 的关 键。因此 在低温条件下系统化地研究 、设计风机变桨距液压缸尤 为必要 ， 本文分析 了低温环境对变桨距液压 系统的影响 ， 针对液压系统的电机启动 电流和液压缸空载启动摩擦 力 两个重要参数 ，设计了低温条件下液压 系统启动特性 的 测量方案。 2 低温环境对变桨距液压控制系统的影响 一 般来说 ， 风 机生存环境温度 为一 4 5 ℃～ 5 0 ℃， 风机 工作环境温度为一 3 0 ℃～ 4 0 C 。 低温环境对变桨距液压控 制系统有下述影响 使液压油液粘度变大 ， 粘度过高 ， 油 泵的 自吸能力下降 ， 液压系统压力损失增大 ， 功率损失增 大。 一般认为 ， 当粘度 ≥1 0 0 0 mm2 ／ s 时 ， 液压系统不能正常 工作 ， 粘度 ≥2 0 0 0 m m 2 ／ s 时， 液压系统不能正常启动。 低温 能使油液中水分凝 ， 凝固水附着在液压 阀的零件 、 滤油 器等 的表面 七， 可能导致液压阀卡死 、 滤油器堵塞 ； 低温 会使油品 自身收缩 ， 特别是封闭容腔里的液压油收缩 ， 使 压力下降甚至产生负压 ， 使液压系统不能正常工作 ； 低温 会导致液压系统里的橡胶密封材料收缩 、 硬化等 ， 降低密 封性能甚至导致密封失效 ；低温还会使液压缸运动部件 如活塞杆 以及内置位置传感器性能发生变化，从而影响 变桨距的控制性能。 3 低温条件下风机变桨距液压 系统启动特性测量 低温 条 件下 液 压 系统 的启 动 特性 有 两 个 关键 参 数 ， 电机启 动电流值 和液 压缸空载启动摩擦 力值 ， 针对 上海 汇 益控 制 系统 有 限公 司生 产 的 H Y Y G 1 0 0型 变 浆距液压 系统 ，本文分别介 绍这两个参 数 的低温 特性 测量方法 。 7 ． ， 低温条件下液压 系统电机启动 电流的测量 电机的启动电流是指电机在额定电压 ，额定功率下 的启动电流 ，一般电动机启动时的电流是平常额定 电流 的 6 ～ 7倍 ，如果是带负荷启动，这个启动电流还要大 J 。 低 温条件下 ， 油 液粘度增大 ， 油泵 自吸能力下降 ， 系统压 机械工程师 2 0 1 0年第1 0 期 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 字木交； 赢 理论 ， 硼发 ， 设计 ， 翻造 力和功率损失增大 ， 若要使液压系统正常启动 ， 必然导致 电机启动电流相应增大 ， 很大的启动电流将造成供电电 压的很大波动 ， 轻则影响到电机的正常运转 ， 重则可损坏 供电设施 ， 需要设计常采用 自耦变压器 、 补偿开关等方式 以限制启动电流。 其 中虚线框内为实验用低温试验箱 ， L为电流互感 器 ， 用于将电机启动电流取样 。M1 为交流电流／ 电压转换 器 ， 将 电流互感器二次侧交流电流转换 为交流电压。M2 为 T RMS ／ DC转换器 真有效值转换 ， 用于将交流电压 转换为直流有效值 ，最后经 A ／ D转换 将模拟量转换为 数字量输入到单片机存储 并输出至 L C D屏显示实时采 样值 。 进行实验时 ， 液压 系统 位于低温试验箱 内 ， 电源及 测量电路部分通过导线引出， 置于正常室温环境下 ， 实验 应设置低温条件并不断降低温度来测量 ， 如 0 c c _ 3 0 C 每 隔～ 3 C 进行一次测量实验 ， 最后采集并拟合数据 ， 得到 液压 系统 电机启动 电流的低温特性 ， 注意实验准备过程 中 ， 当试验箱达到设定的低温时 ， 应静置等待 0 ． 5 h ， 待箱 内液压系统及油液彻底冷却平衡时， 再开启电机驱动油泵 进行实验 。 3 ． 2 低温条件下液压缸 空载启动摩擦 力的测量 液压缸的空载启动摩擦力是指液压系统在空载状况 下 ，控制 比例方 向阀由启动到活塞杆发生位移变化瞬时 的摩擦力大小。同样 ， 低温条件下油液粘度增大 ， 液压缸 及活塞标的密封圈收缩 、 硬化 ， 润滑性 能降低 ， 导致启动 摩擦力增大。空载启动摩擦力大小直接影响整个液压系 统性能 ，启动摩擦力过大对控制系统的直接后果是增加 死 区、 滞环等非线性因素 ， 使控制系统的动 、 静态性 能变 差。因此对液压系统的电机启动电流与启动摩擦力进行 精确测试非常必要。 图 2为低温条件下测量液压缸空载启动摩擦力原理 图。测量原理为 调节溢流阀压力 ， 开启电机使液压系统 开始工作 ， 控制 P L C增加对 比例换向阀的输出电压， 使得 液压缸无杆腔侧压力增大 ，当位移传感器的输入信号发 生变化时 ， 即为液压缸克服初始摩擦力做功， 因出油腔通 过 比例换向阀直接接回油箱 ， 忽略液压缸出口压力 ， 这样 系统液压缸空载启动摩擦力 F P S ， 即为液压缸无杆腔启 动压力与活塞面积的乘积。 2 机械工程师 2 0 1 0 年第1 0 期 图 3为低温条件下液压缸空载启动摩擦力测试程序 流程图 ， 其中当 S S 。 时说明活塞杆发生位移变化 ， 此时 不再增大驱动比例换 向阀的控制电压 ，而是使活塞杆保 持匀速移动至最大位移处 ， 即位移不再发生变化时。 最后 得到的液压缸空载启动摩擦力 即 F P S ， 测有杆腔启动摩 擦力与以上相 同， 只需将有杆腔与比例换 向阀进 口相连 ， 无杆腔直接接回油箱。 本实验 也应设置低温条件 并不断降低温度来进行 不同低 温下的测量。需要注意的是 ， 本实验当中位移 传 感器及压力传感器都应安装在液压系统 上， 即处于低 温 试验箱 内，因此应选择低温性 能良好的 比例换 向阀 、 位 移传 感器 及压 力传 感器 。实验 中 ，选 择博 世力 士乐 4 WR A型直动式 比例换 向阀， 位移传感器选择美 因 MT S 公司 L系列 内置磁致伸缩位移传感 器 ，为无接触式测 量。 工作温度可以达到一 4 5 ℃， 精度为 0 ． O 1 mm。 P L C为三 菱 F X 2 N系列 ， A ／ D转换 与 D ／ A转换 器皆 为 F X 2 N系列 的附加数模转换模块 。 4 结语 针对低 温环境对风机变桨距电液控制系统 的影响 ， 提出了对液压系统电机启动电流及液压缸空载启动摩擦 力的测试方法 ， 为检验低温型液压系统的设计 、 制造和安 装提供参考。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 莫尔兵 ，王为 民． 高 寒地区低温 型 1 ．5 MW 风力 发电机组 研发 [ J ] ． 电力设备， 2 0 0 8 ， 9 1 1 1 3 - 1 5 ． [ 2 ] B R I G H T D ， e t a 1 ． D e s i g n i n g f o r a r c t i c s u r v i v a l[ J 1 l Wi n d p o w e r Mo n t h l y ， 1 9 9 6 ， 1 2 6 4 2 - 4 5 ． [ 3 ] 雷绍 弃． 电机启动 电流的测试 与分 析 l J ] ． 中小 型I 乜机 ， 2 0 01 ， 2 8 1 5 2 5 4 ． [ 4 ] 陈新元 ， 蔡钦 ， 湛从 昌等． 液压伺服液压缸静动态性能测 试系统 开发 [ J J ．液压与气动 ， 2 0 0 8 1 2 7 7 7 9 ． 编辑 明 涛 作者简介 唐学涛 1 9 8 5 一 ， 男， 硕士研究生， 研究方向为液压缸 系统 的低温特性。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m