模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台

1.本发明涉及一种动力试验装置，具体涉及一种模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台。


背景技术：

2.随着环境污染和能源危机的加剧，风力发电作为一种清洁、高效的可再生能源，近年来越来越为人们所重视。同时，风电传动系统是一个由叶轮经多级齿轮传动驱动发电机工作的大功率复杂机电耦合系统，叶轮-齿轮箱-轴系-发电机之间相互影响，内外部激励复杂、非线性因素丰富，故障频发。建立风力发电机组试验台，对风力发电机组的齿轮箱和发电机等重要部件进行测试，研究传动系统之间的机电耦合效应，对优化改进产品结构，保障产品质量和提升性能等有着十分重要的作用。
3.请参见附图1，风力发电机组实际运行时，一共会受到一组轴向力f
x
、两组径向力fy和fz、绕x轴的扭矩m
x
、绕y轴的弯矩my,以及绕z轴的弯矩mz六个自由度的载荷。在现有技术中，大部分的风机测试试验台，在针对风电传动系统及其部件，特别是风电齿轮箱进行的各种试验中，仅限于进行一个简单的拖动测试，无法模拟出风机实际运行状况中的出现的多自由度载荷，无法在试验中充分反映出风机的实际运行性能和可能遇到的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台，用以解决传统试验台无法模拟多自由度载荷工况的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
6.一种模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台，其关键在于：包括基座，所述基座上设有依次动力连接的电动机、陪试齿轮箱、第一转矩转速传感器、载荷加载装置、被试齿轮箱、第二转矩转速传感器和发电机；
7.其中，所述载荷加载装置包括固定安装在基座上的支架以及位于支架内部的传力部件，所述传力部件为环状结构，其内部通过轴承转动套装有加载轴，外部与支架之间设有两组第一气缸和两组第二气缸，两组所述第一气缸和两组所述第二气缸位于加载轴互相垂直的两条直径线上，均用于向加载轴提供径向载荷，所述传力部件的端面与支架之间设有两组第三气缸，两组所述第三气缸对称布置在加载轴的任一直径线上，用于向加载轴提供轴向载荷。
8.作为优选：所述支架包括正方形围框，以及设置在正方形围框一端敞口的支撑板，所述第三气缸固定在支撑板上，所述第一气缸和第二气缸固定在正方形围框的内侧侧壁上。
9.作为优选：所述第一气缸、第二气缸和第三气缸的活塞杆端部均与传力部件铰接连接。
10.作为优选：所述传力部件与轴承的外圈固定连接，轴承的内圈与加载轴之间过盈
安装有联轴套。
11.作为优选：所述联轴套端部设有法兰盘，法兰盘与所述第一转矩转速传感器连接。
12.作为优选：还包括控制器，所述控制器与电动机之间连接有第一变频器，与发电机之间连接有第二变频器，所述第一气缸、第二气缸和第三气缸的电液比例阀连接在控制器上。
13.作为优选：还包括数据采集器，所述第一转矩转速传感器、第二转矩转速传感器、第二变频器和控制器均与数据采集器连接。
14.作为优选：所述被试齿轮箱箱体、各级齿轮轴承处以及发电机箱体与轴承处均设有振动传感器。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.在实验过程中，载荷加载装置能够对加载轴提供轴向力和两组径向力，再结合发电机加载轴向扭矩的协同作用，可实现对风力发电机传动系统变速变载运行工况的多自由度模拟，尤其是能够实时模拟出跟随着风速变化的弯矩、轴向力和扭矩。在此基础上进行的风电机组传动系统及部件的相关试验更能体现出风电机组在实际运行中的相关性能，提高了风电传动齿轮箱和其他部件的使用可靠性和安全性。
附图说明
17.图1为风力发电机组实际运行工况载荷示意图；
18.图2为本发明提供的模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台的结构示意图；
19.图3为载荷加载装置的结构示意图；
20.图4为载荷加载装置的另一结构示意图；
21.图5为载荷加载装置的剖视图；
22.图6为模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台的控制逻辑图。
具体实施方式
23.以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
24.如图2所示，一种模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台，其结构包括基座1，基座1上布置有依次动力连接的电动机13、陪试齿轮箱11、第一转矩转速传感器10、载荷加载装置7、被试齿轮箱6、第二转矩转速传感器5和发电机3。试验系统启动后，电动机13通过第一端电机联轴器12连接陪试齿轮箱11高速端进行传动，陪试齿轮箱11通过第一转矩转速传感器10、中间联轴器9和载荷加载装置7连接到被试风电齿轮箱6，被试风电齿轮箱6和发电机3通过第二转矩转速传感器5和第二端联轴器4相连接，并带动发电机3进行发电。最后,将发电机3所发出的电传回电网循环利用,形成电功率封闭试验系统。
25.再如图3、4和5所示，在本实施例中，载荷加载装置7包括固定安装在基座1上的支架7a以及位于支架7a内部的传力部件7d，所述传力部件7d为环状结构，其内部通过轴承7c转动套装有加载轴7b，外部与支架7a之间设有两组第一气缸7e和两组第二气缸7f，两组所述第一气缸7e和两组所述第二气缸7f位于加载轴7b互相垂直的两条直径线上，均用于向加载轴7b提供径向载荷，所述传力部件7d的端面与支架7a之间设有两组第三气缸7g，两组所
述第三气缸7g对称布置在加载轴7b的任一直径线上，用于加载轴7b提供轴向载荷。
26.基于上述载荷加载装置7的模拟风电变速变载及非扭转受载的机电耦合模拟实验台，在其实验过程中，两组第一气缸7e能够对加载轴7b提供z方向的径向力fz和绕y轴的弯矩my，两组第二气缸7f能够对加载轴7b提供y方向的径向力fy和绕z轴的弯矩mz，两组第三气缸7g能够对加载轴7b提供x方向的轴向力，绕x轴的扭矩m
x
则由发电机加载轴向扭矩提供，即加载轴7b的自转提供。
27.上述各个气缸均采用电液比例阀由工业计算机统一控制，均能够实现双作用加载，即可以实现输出推力和拉力的的转换。当需要模拟大载荷的时候使用全部六个气缸，而当需要的载荷不大时则可以视情况减少相应的气缸，以此满足对不同加载条件下试验的测量精度。进一步的，在使用前需要对各个气缸进行标定得到相应的控制精度，并根据需要计算出各个气缸的力，通过电液比例阀来控制各个气缸的力来实现对风力风电机组实际运行工况下的载荷模拟。具体的，根据理论力学空间交汇力系的作用规律，将实际测得的风机主轴的复杂力作用，分解成主扭矩载荷和非扭矩载荷。主轴扭矩载荷由工控计算机控制电动机按照相应的转速转矩运行来提供；非扭矩载荷再分解为轴向载荷的力，水平弯矩的力矩和竖直弯矩的力矩。通过本装置模拟的非扭转载荷和电动机加载的扭转力矩相结合，即可实现风电传动系统主轴承受的多自由度交变风载荷模拟。
28.再如图3和4所示，为方便安装，支架7a包括正方形围框7a1和以及设置在正方形围框7a1一端敞口处的支撑板7a2，第三气缸7g固定在支撑板7a2上，两组第一气缸7e和两组第二气缸7f分别固定在正方形围框7a1的四个内侧侧壁上。进一步的，第一气缸7e、第二气缸7f和第三气缸7g的活塞杆端部均与传力部件7d铰接连接，如此安装，能够在提供弯矩时避免气缸活塞杆径向偏移，保证其运动的可靠性。为保证传力可靠性，传力部件7d与轴承7c的外圈固定连接，轴承7c的内圈与加载轴7b之间过盈安装有联轴套7h。联轴套7h端部设有法兰盘7h1，法兰盘7h1与第一转矩转速传感器10连接，如此安装，以便于实时测量加载轴7b的转矩和转速。
29.在本实施中，基座为铸铁质的基座，其表面设置有t型槽，被试齿轮箱、转矩转速传感器、发动机组均通过t型螺栓固定于t型槽。发电机3通过台架2安装在基座1的t型槽上，台架2的高度和水平位置可调节，以满足对不同型式被试齿轮箱的试验。
30.如图6所示，实验系统还包括控制器，在本实施例中，控制器为工控计算机，控制器与电动机13之间连接有第一变频器，与发电机3之间连接有第二变频器，第一气缸7e、第二气缸7f和第三气缸7g的电液比例阀均连接在控制器上。如此设计，可以同时实现对电动机模拟风机实际运行转速的控制、发电机模拟风机主轴实际运行转矩的控制以及对模拟风机主轴实际运行中受到的多自由度载荷的控制。且控制信号是通过测量实际运行工况下的风机获得的数据来计算转换而得，保证了实验数据更加接近实际工况下风力发电机的工作数据。从而达到了试验台模拟风电传动系统实际运行工况的高精度和高一致性的目的。
31.另外，计算转换所述控制信号的数据来源还可以包括在试验台中测量采集得到的反馈数据，即所述试验方案中可以包括有反馈控制环节。具体来说，包括数据采集器，第一转矩转速传感器10、第二转矩转速传感器5、第二变频器和控制器均与数据采集器连接。通过数据采集器采集第一转矩转速传感器测量的电动机的实际输出转速，采集第二转矩转速传感器测量的发电机输出转矩，采集第二变频器测量的发电机的电流电压值。将所述采集
数据传回控制器，由控制器对采集的数据进行比较，进一步调节相应的控制信号，从而达到是试验台模拟运行工况更接近实际运行工况的目的。
32.本实施例还提供了一种风力发电机机电耦合试验方案。请参图6，包括如下步骤：
33.1数据采集：从风力发电机工作现场采集所述风机的实际转速作为指定运行转速，采集风机主轴的实际转矩作为指定运行转矩，采集风机主轴的实际载荷作为指定载荷。
34.2模拟运行：通过上述采集得到的指定运行转速、运行转矩和载荷，转换计算成相应的控制信号。具体来说，由工控计算机作为运算中心和控制中心，可以处理采集到的数据并转换成相应的电信号，同时通过第一变频器发送控制信号，使电动机按指定转速运转；向载荷加载装置发送控制信号，使载荷加载装置按指定载荷输出载荷力；通过第二变频器发送控制信号；使发电机按指定转矩运转。
35.3信号测量分析：在被试齿轮箱6箱体、各级齿轮轴承处以及发电机3箱体与轴承处均安装振动传感器，并采集其相应的振动信号；同时，使用电功率分析仪采集发电机的电信号，包括电压、电流和功率信号。通过对振动信号和电信号的分析处理，能够探究齿轮-发电机系统之间的机电耦合效应。
36.最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。