CN100485344C - 用于风力发电机组齿轮箱测试台的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机组齿轮箱测试台的方法。包括传动系统，控制系统，及测试系统，本发明的核心在于传动系统，其方法是：使用两个电动机，其中一个是异步电动机，另一个是将风力发电机组的发电机当作电动机使用，使用变频器对电动机进行调速控制，同时空载启动系统，使被试齿轮箱具有负载输出并进行功率反馈，电动机经双入单出齿轮箱补充动力给试验系统，实现不同功率的负载控制，反复调节双馈电动机及双馈发电机的功率，可以实现从空载到轻载到重载的负载调节，以测试被试齿轮箱的性能。由于节省了大功率电动机及大功率变频器系统等原因，整个测试台的建造成本大幅度降低。

Description

用于风力发电机组齿轮箱测试台的方法

技术领域

本发明涉及一种用于风力发电机齿轮箱测试台的方法，适用于风力发电机组增速用的齿轮箱的测试试验。

背景技术

目前国内外使用的同类风机齿轮箱测试台，如图1所示，大多使用变频装置+大功率电机+齿轮箱方案。其基本工作原理是使用大功率变频器加大功率异步电动机进行调速控制，同时用电动机M1启动系统并进行转速、扭矩、功率的控制，通过降速齿轮箱C1模拟叶片的转动。用异步发电机G发电，进行负载调节和功率反馈，以降低整个试验系统的能源损耗，测试被测试齿轮箱C2的性能。其优点是系统的主电路简单可靠，可进行网络控制和电气控制，试验程序简单，效率高，试验系统稳定性高，操作方便。其缺点是与电动机M1相配的大功率变频器成本太高，投入大。按其制造的试验台成本在千万元以上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺点，设计出一种能同样达到测试目的并大幅度降低成本的用于风力发电机组齿轮箱测试台的方法.

本发明的目的是通过下述技术解决方案实现：测试台包括传动系统、控制系统，及测试系统，本发明的核心在于传动系统，其方法是使用两个电动机，其中一个是异步电动机，另一个是将风力发电机组的发电机当作电动机使用，使用变频器对异步电动机M1空载启动系统及进行转速控制，故可选用较小功率的电动机M1，将系统转速提高到1000转/分以上；在异步电动机M1控制的某一固定转速下，当双馈发电机G发电后，不切断异步电动机M1的控制，逐渐调高双馈发电机G的负载功率，使被试齿轮箱具有负载输出并进行功率反馈，后一个电动机M2经双入单出齿轮箱补充动力给试验系统，实现不同功率的负载控制，这样在异步电动机M1控制的某一固定转速下，反复调节双馈电动机M2及双馈发电机G的功率，可以实现从空载到轻载到重载的负载调节，以测试被试齿轮箱的性能。

另一优选的技术解决方案是：仍采用两个电动机，其中一个为异步电动机，另一个是将风力发电机组的发电机当作电动机使用，使用变频器对异步电动机M1进行调速控制，其中的异步电动机M1是经过双轴伸改造，同时加粗了轴及轴伸直径，以满足试验力矩传输的要求，这样便省去了方案一中的双入单出齿轮箱，其余方法同方案一。

本发明的优点是：采用风机双馈发电机，只增加小功率异步发电机动力系统，节省了大功率电动机及大功率变频器系统，又由于双馈电动机及双馈发电机及其配套的电机控制系统均使用的是风力发电机的正式产品，在完成齿轮箱测试的同时，亦对其进行了试验，保证了产品的质量及可靠性。鉴于将风力发电机组的双馈发电机作为试验台中的电动机和发电机，在试验后可直接销售给客户，故大大降低了整个试验台的建造成本。

附图说明

图1是现有的风力发电机组齿轮箱试验台示意图。

图2是本发明的风力发电机组齿轮箱测试台(方案1)示意图.

图3是本发明的风力发电机组齿轮箱测试台(方案2)示意图。

图4是本发明的传动系统框图。

图中代号含义：

图1中：M1—异步交流电动机 C1—减速齿轮箱，用于将转速降低，模拟叶片的转速 C2—被试验齿轮箱，C1与C2不为同一型号齿轮箱

G—风机双馈发电机

图2中：M1—异步交流电动机

M2—双馈电动机(风机双馈发电机当做电动机使用)

C—双入单出齿轮箱(单轴伸齿轮之间连接需要)

C1—减速齿轮箱，用于将转速降低，模拟叶片的转速

C2--被试验齿轮箱

G--风机双馈发电机

调速控制器—采用变频器，智能化控制方便操作，可靠性高；具有网络控制接口，可以实现网络控制。

图3中：M1—异步交流电动机

M2—双馈电动机(风机双馈发电机当做电动机使用)

C1—减速齿轮箱，用于将转速降低，模拟叶片的转速

C2--被试验齿轮箱

G--风机双馈发电机

调速控制器—采用变频器，智能化控制方便操作，可靠性高；具有网络控制接口，可以实现网络控制。

具体实施方式

实施例一：参照图2，包括传动系统，控制系统，及测试系统，本发明的核心在于传动系统，其方法是使用两个电动机，其中一个是异步电动机M1，另一个是将风力发电机组的发电机当作电动机M2使用，使用变频器对电动机M1进行调速控制，同时用电动机M1空载启动系统，故可选用较小的功率的M1，将系统转速提高到1000转/分以上。在M1控制某一固定转速下，当发电机G发电后，不切断M1的控制，逐渐调高G的负载功率，使被试齿轮箱C2具有负载输出并进行功率反馈，电动机M2经双入单出齿轮箱C补充动力给试验系统，实现不同功率的负载控制。这样在M1控制的某一固定转速下，反复调节双馈电动机M2及双馈发电机G的功率，可以实现从空载到轻载到重载的负载调节，以测试被试齿轮箱C2的性能。其中M1不能切断，由于功率损耗的原因切断后系统将无法正常工作。

实施例二：参照图3，仍采用两个电动机，其中一个为异步电动机M1，另一个是将风力发电机组的发电机当作电动机M2使用，使用变频器对异步电动机M1进行调速控制，其中的异步电动机是经过双轴伸改造，同时加粗了轴及轴伸直径，以满足试验力矩传输的要求，这样便省去了方案一中的双入单出齿轮箱，其余方法同实施例一。

实施例一和二的优异比较：其共同的优点是M2采用风机双馈发电机，由于M2为用户免费提供部件，则它们仅单单增加小功率M1动力系统，节省了大功率变频器及大功率电动机系统，亦大大降低了投资；可以进行网络控制和电器控制，试验程序简单，效率高。其共同的缺点是三台电机(含一台发电机)联合调节，具有一定难度，调节不好，极易造成整个试验系统颠覆。这对没有大功率调试经验的建造公司可能是一个极大的挑战。具体方案的缺点是：实施例一方案需要添加双入单出齿轮箱，并增加了系统的损耗；实施例二方案需对电动机M1传动轴需要加粗并做双轴伸。但方案一和方案二没有本质的区别：唯一不同之处在于由于方案二中使用的电动机M1是经过双轴伸改造，同时加粗了轴及轴伸直径，以满足试验系统力矩传输的要求，从而省去了方案一中的双入单出齿轮箱，这样不仅降低了成本，同时降低了系统的损耗及系统维护成本，故方案二比方案一更佳。

传动系统说明，参照图4，试验台系统启动时，使用市政电网经变压器提供的电力，由变频器控制异步电动机启动，即用异步电动机空载启动系统。在异步电动机控制的某一固定转速下，当双馈发电机发电后，不切断异步电动机的控制，逐步调高双馈发电机的负载功率，使被试齿轮箱有负载输出，双馈电动机补充动力给试验系统，进行功率反馈，实现不同功率的负载控制。这样在异步电动机控制的某一固定转速下，反复调节双馈电动机及双馈发电机的功率，可以实现从空载到轻载到重载的负载调节，以测试被试齿轮箱的性能.

在系统中由计算机控制系统进行相应信号测试，总控制台完成电气系统的协调控制及切换。传动系统中的受电开关柜、配电变压器、配出柜、拖动变频器、拖动异步电机M1、拖动双馈电动机M2和负载双馈发电机G、双馈电动机M2和和双馈发电机G控制柜、机械连接件、操作控制台分述如下：

受电开关柜，负责试验系统与公用电网的连接。开关柜内装有高压开关、熔断器等功率电器及其保护装置。利用其控制系统电源的通断，当电路发生过载、短路、缺相、欠压及接地等故障时，能自动进行保护，能有效地控制和保护电器设备的正常运行和安全。适用于频率交流50Hz，最大工作电压至10kV，最大工作容量至1000kVA的配电系统中，作为动力配电，电动机控制及照明等配电设备的电能转换分配之用。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

配电变压器，进线设置一个变压器的目的是一方面把试验系统和公共电网系统隔离开来，另一方面其输出有一组线圈，与后面的整流器R一起工作来提供平稳的直流电。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

配电柜，其开关柜内装有断路开关、熔电器等功率电器及保护装置。配出柜适用于交流50Hz，作为动力配电，电动机控制及照明等配电设备的电能转换分配之用。配电柜由动力配电中心(PC)柜和电动机控制中心(MCC)二部分组成。额定频率(Hz)：50，具体参数由用户确定。配电柜的柜体采用自撑式结构，使用8MF型钢局部焊接和螺栓组装而成。配电柜充分考虑柜体运行中散热问题，在柜体上下两端均设有不同数量的散热槽孔，使密封的柜体形成一个自然通风道，达到散热的目的。柜体顶盖在需要时可拆装，便于现场主母线调整，并方便上进出线与电缆桥架的连接。柜门采用山型橡胶塑条，既防止与柜体直接碰撞，也提高门的防护等级。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

拖动变频器，其核心部件为进口，其主要用于将工频交流电转换为频率、电压可调节的交流电，驱动拖动电动机按系统规定的转速或转矩运行。该变频器的工作原理是：从变压器次边取得三相电能，经整流器R，把三相交流电变换成直流电；直流电能经过大容量直流电抗器和大容量支撑电容器组成的滤波电路，将直流电变为非常稳定的大容量直流电；直流电进入逆变回路，逆变成电压和频率都可调的三相交流电，驱动三相异步电动机转动，把电能转换成机械能，拖动被试负载。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

拖动电机M1是普通的变频异步电动机。要求电动机有双轴伸加粗轴(双端传动，直径一样)，可承受试验要求的扭力矩，自带速度传感器；120或200脉冲/转。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

拖动电机M2和负载电机G为同型号双馈电动机。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

M2双馈电机和G双馈发电机控制柜，具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

机械连接件有高速转速传感器支架，低速转矩转速传感器支架，齿轮箱与传感器连接法兰盘，电机与齿轮箱连接法兰盘等等。

操作控制台，主要放置控制微机及部分电气控制元件和仪表。其设计要便于值班人员操作。具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

还包括控制系统，测试系统以及不同试验工况下系统工作过程的控制，现分述如下：

控制系统，供参考的控制系统分为电气控制和网络控制两套系统，两套系统可以独立工作并互为备用。系统设定优先采用网络控制。

控制系统运行环境条件：环境温度：-5℃—+35℃

相对湿度：<80％

供应电源：交流220V±10％；50Hz。

电气控制部分，是通过按钮、旋钮、仪表及指示灯进行控制调节和显示，实现电机的启动、运行和停机以达到要求的试验工况。

该控制部分分为几个分电控部分：

1#分电控部分：主要实现M1拖动变频器的控制。

2#分电控部分：主要实现M2加载双馈发电机的控制。

3#分电控部分：主要实现G负载双馈发电机的控制。

具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

网络控制系统，通过控制微机实现对所有主令电器控制、运行参数的设定、选定试验程序的执行来实现系统各单元的启动、运行和停机。

具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

测试系统，被试设备可在测试系统监控下手动电气控制，亦可在计算机上对试验条件及运转程序进行编制、编辑、修改并自动网络控制。测试系统可根据编制好的程序自动运行，实现对输入转速、扭矩、功率，输出转速、扭矩、功率，以及温度、压力的测量，计算出机械效率；自动采集数据，实现按设定时间记录原始数据及实时显示数据和曲线、实时曲线回放(时间可设定)的功能。

具体型号及电气技术参数以用户依据实际情况规定的参数为准。

不同试验工况下系统工作过程的控制，本试验台搭建完成后，可以进行大功率齿轮箱的空载试验、负载试验和批量生产试验。系统改进后也可以对其它大功率传动系统进行试验。

现在对齿轮箱的空载试验、负载试验和齿轮箱的批量生产试验分别进行描述：

齿轮箱的空载试验，在空载试验工况下，系统完全依靠异步电动机M1拖动电机将系统转速稳定在一个试验需要的转速下；负载双馈发电机G和拖动双馈电动机M2不注入功率，本试验可以测试齿轮箱下列参数：齿轮箱的油温；齿轮箱的空载噪音；齿轮箱的清洁度；齿轮箱振动情况。在电控方式下，将控制台转换开关转至电控方式；将拖动变频器转换开关切换到电控方式下，拖动变频器运行独立的转速闭环程序；调节拖动变频器旋钮增加或减小转速，使齿轮箱工作在需要转速下，可以进行空载试验。在网控方式下，将控制台转换开关转至网控方式；将拖动变频器转换开关切换到网控方式，在触摸显示屏上按动相应的界面按钮，可以使传动系统在电脑程序控制下自动完成风机齿轮箱的空载试验。

齿轮箱的负载试验，在负载试验工况下，系统依靠异步电动机M1拖动电机将系统转速稳定在一个试验需要的转速下；负载双馈发电机G和拖动双馈电动机M2依次按程序注入功率，来完成试验程序的要求。本试验可以测试齿轮箱下列参数：齿轮箱的油温；齿轮箱的负载噪音；齿轮箱的效率；齿轮箱的清洁度；齿轮箱振动情况；齿轮箱正常工作寿命；润滑温度及监控。在电控方式下，将控制台转换开关转至电控方式；将拖动变频器转换开关切换到电控方式下，拖动变频器运行独立的转速闭环程序，异步电动机M1提供系统损耗转矩；将发电机G控制器设置为功率控制方式下，发电机G提供系统所需要的全部负载转矩；将电动机M2设置为功率控制方式下，电动机M2提供系统所需要的部分动力转矩；调节拖动变频器旋钮增加或减小转速，使齿轮箱工作在需要转速下，可以进行负载试验。调节发电机G控制器旋钮增加或减小负载转矩，可以使齿轮箱工作在轻载、额定负载或过载状态下。在网控方式下，将控制台转换开关转至网控方式；在触摸显示屏上按动相应的界面按钮，可以使传动系统在电脑程序控制下自动完成减速机的各种负载传动试验，比如自动加减载、拖动电机和负载电机按程序启动或停车等等。

齿轮箱的批量生产试验，是选择系统空载试验和系统负载试验的关键内容，省时、节能、高效的检验出齿轮箱性能；判定齿轮箱是否合格。齿轮箱的批量生产工作过程仿空载试验和负载试验内容.具体试验项目和测试项目由用户依据实际情况确定。

以上所述设备均为通用设备，试验步骤亦为通用步骤。

Claims (2)

1.一种用于风力发电机组齿轮箱测试台的方法，测试台包括传动系统、控制系统，及测试系统，其方法是：使用两个电动机，其中一个是异步电动机(M1)，另一个是将风力发电机组的发电机当作双馈电动机(M2)使用，使用变频器对异步电动机(M1)进行调速控制，同时空载启动系统，故可选用较小的功率的异步电动机(M1)，将系统转速提高到1000转/分以上，在异步电动机(M1)控制某一固定转速下，当风机双馈发电机(G)发电后，不切断异步电动机(M1)的控制，逐渐调高风机双馈发电机(G)的负载功率，使被试齿轮箱(C2)具有负载输出并进行功率反馈，双馈电动机(M2)经双入单出齿轮箱(C)补充动力给试验系统，实现不同功率的负载控制，这样在异步电动机(M1)控制的某一固定转速下，反复调节双馈电动机(M2)及双馈发电机(G)的功率，可以实现从空载到轻载到重载的负载调节，以测试被试齿轮箱(C2)的性能，其中异步电动机(M1)不能切断，由于功率损耗的原因切断后系统将无法正常工作。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组齿轮箱测试台的方法，其方法是：省去双入单出齿轮箱(C)，对异步电动机(M1)的双轴伸进行改造：加粗了轴及轴伸直径，以满足试验力矩传输的要求。

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