CN102435430B - 一种风力发电机组试验平台加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组试验平台加载系统，包括电动机，电动机与减速箱相连，所述减速箱的输出轴通过万向联轴器与风力发电机组的输入轴相连，所述万向联轴器的轴部位上设置有载荷模拟部件，在载荷模拟部件的上下周边以及左右至少一侧加装电磁产生装置，所述电磁产生装置和电动机分别与控制系统相连。本发明利用试验台本身的控制系统，根据机组转速和风速的对应关系和机组的推力系数，求解出风轮对机组产生的推力值并同时计算出电磁系统产生相应推力及重力的电流值，利用电磁系统对载荷模拟部件进行加载，模拟风机在实际风况下的推力及重力、弯矩参数等。

Description

一种风力发电机组试验平台加载系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组试验技术，尤其是一种风力发电机组试验平台加载系统。

背景技术

目前世界环境情况正在日益恶化，其中利用煤炭、天然气、石油等燃料发电是产生温室效应的一个重要因素。为缓解化石能源危机、保护地球环境，风能作为一种新型能源已经被世界各国大力发展。但由于风本身交变性、不稳定性的特点，因此对风力发电机组的可靠性及机组的稳定性提出了更高的要求。为能够试验、测试风力发电机组的主要参数及性能，风力发电机组试验台作为风力发电机组的试验装备，被各主要厂商广泛使用。

随着风力发电机组功率等级的不断增大，机组的性能要求及测试要求也越来越高。但目前市场上广泛采用的试验台均采用拖动电机驱动减速箱再直接连接风力发电机组输入端模式，虽然能够对风力发电机组的电器性能及相关参数进行测试，但由于试验台只能提供风力发电机组所需的转矩，而不能模拟实际风况对风力产生的推力以及风轮重量对主轴系统产生的弯矩，因此无法真实的测试风力发电机组传动链的合理性及可靠性。随着机组功率的日益增大，机组可靠性要求越来越高的今天，常规的、仅能提供转矩的风力发电机组试验台已不能满足技术高速发展的风力发电机组的测试需要。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种风力发电机组试验平台加载系统，该装置能够在机组测试过程中向机组提供轴向推力及风轮重力，模拟风机在实际风况下的推力及重力、弯矩参数等。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种风力发电机组试验平台加载系统，包括电动机，电动机与减速箱相连，所述减速箱的输出轴通过万向联轴器与风力发电机组的输入轴相连，所述万向联轴器的轴部位上设置有载荷模拟部件，在载荷模拟部件的上下周边以及左右至少一侧加装电磁产生装置，所述电磁产生装置和电动机分别与控制系统相连。

所述载荷模拟部件是设置于减速箱输出轴与风力发电机主轴中间的联轴器上的一个具有导磁性能的法兰盘，材料为锻铁件或高强度铸钢件，与磁场装置相互作用，产生吸力，提供轴向和径向的模拟力，即模拟载荷。

所述电磁产生装置包括设置于载荷模拟部件上下周边的径向磁场装置和设置于左右至少一侧的轴向磁场装置；所述径向磁场装置和轴向磁场装置均为电磁铁；径向磁场装置提供风轮重力模拟，产生弯矩，轴向磁场装置提供推力模拟；电磁场由高强电磁铁提供，电磁铁由电磁线圈、电磁铁芯和控制电源组成。

以轴向磁场装置为例，磁场装置也可称为电磁铁装置，一种通电以后对铁磁物质(如载荷模拟部件)产生吸力，把电磁能转化为机械能的装置。根据实际工况及试验台工作设备条件，选用直流电磁铁。

根据风力发电机组的载荷计算提取轴向载荷，结合机组整体试验大纲，即可确定所需轴向力F，基本计算方法如下：

已知电源电压U和电磁吸力(即轴向力F)，求取线圈激磁电流I和匝数W。

计算电磁吸力根据麦克斯韦公式：

$F=\frac{B^2\·S}{2{\mathrm{\μ}}_0}$

式中F——电磁吸力(焦耳/厘米)

B——磁感应强度(韦伯/厘米²)

S——磁极表面的总面积(厘米²)

μ₀——空气导磁系数(其值为1.25×10^-8亨/厘米)

首先确定磁极表面的总面积S，可计算出磁感应强度B，根据高斯公式Φ＝BS求出磁通Φ。

(1)求取气隙磁导G_δ

$G_{\mathrm{\δ}}={\mathrm{\μ}}_0\frac{S_{\mathrm{\σm}}}{\mathrm{\δ}}$

式中δ——气隙长度(厘米)

S_σm——考虑修正系数后的磁通面积(厘米²)，修正系数可查相关资料。

(2)求出铁心磁阻R_M

$R_M=\frac{H\·L_{\mathrm{Fe}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\δ}}}\×{10}^8$

式中H——磁场强度(安匝/厘米)

L_Pe——磁通路径平均长度(厘米)

磁场强度H可由

根据所应用的材料，查该材料磁化曲线查出H。

(3)将求出的G_δ、R_M代入下式：

可求出安匝数IW。通过制造不同的匝数W，可确定并控制励磁电流I就可实现控制电磁吸力F的大小。

所述控制系统通过控制线缆分别与电磁产生装置和电动机相连。

所述控制系统包括PLC主控单元，以及与其相连的可控整流模块和接触器；PLC主控单元控制可控整流模块实现电磁铁调磁，轴向和径向电磁装置由PLC控制接触器实现，由这些主电路构成调磁保磁控制屏。

所述万向联轴器为低速万向联轴器。

本发明在减速箱和发电机组中间万向轴部位增加载荷模拟部件，在载荷模拟部件的上下周边以及机组侧加装电磁产生装置，利用试验台本身的控制系统，根据机组转速和风速的对应关系和机组的推力系数，求解出风轮对机组产生的推力值并同时计算出电磁系统产生相应推力及重力的电流值，利用电磁系统对载荷模拟部件进行加载，模拟风机在实际风况下的推力及重力、弯矩参数等。

应用时，首先将风力发电机组固定，由控制系统控制电动机驱动减速箱对风力发电机组输入转矩，驱动风力发电机组根据设定程序进行运转，在测试过程中，由控制系统控制径向磁场装置产生径向磁场，磁场作用到载荷模拟部件上，对载荷模拟部件产生向下的牵引力，来模拟实际风轮产生的重力，并由此力形成机组主轴系统所受的弯矩，由于减速箱和风力发电机组中间采用的是万向联轴器，本弯矩不会对减速箱产生影响。由控制系统控制轴向磁场装置产生轴向磁场，磁场作用到载荷模拟部件上，对载荷模拟部件产生轴向的牵引力，来模拟实际风轮在正常运转中产生的轴向推力，并由控制系统根据控制系统风速模拟输入信号情况，运算所需要的磁场强度，并控制系统输入到轴向磁场装置的电流强度以便于产生与之匹配的轴向力。

本发明解决了风力发电机组试验台无法在机组测试过程中向机组提供轴向推力及风轮重力的问题。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是控制系统原理图；

图3是电磁铁示意图；

其中1：电动机，2：减速箱，3：载荷模拟部件，4：轴向磁场装置，5：低速万向联轴器，6：风力发电机组，7：径向磁场装置，8：控制系统，9：控制线缆，10.电磁线圈，11.电磁铁芯，12.控制电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-3所示，一种风力发电机组试验平台加载系统，包括电动机1，电动机1与减速箱2相连，所述减速箱2的输出轴通过低速万向联轴器5与风力发电机组6的输入轴相连，万向联轴器5的轴部位上设置有载荷模拟部件3，在载荷模拟部件3的上下周边以及左右至少一侧加装电磁产生装置，所述电磁产生装置和电动机1分别通过控制线缆9与控制系统8相连。

所述载荷模拟部件3是在齿轮箱输出轴与风力发电机主轴中间的联轴器上，加入一个具有导磁性能的法兰盘，材料可为锻铁件或高强度铸钢件，与磁场装置相互作用，产生吸力，提供轴向和径向的模拟力，即模拟载荷。

所述电磁产生装置包括设置于载荷模拟部件3上下周边的径向磁场装置7和设置于左右至少一侧的轴向磁场装置4，所述径向磁场装置7和轴向磁场装置4均为电磁铁；径向磁场装置7提供风轮重力模拟，产生弯矩，轴向磁场装置4提供推力模拟；电磁场由高强电磁铁提供，电磁铁由电磁线圈10、电磁铁芯11和控制电源12组成。如图3所示。

所述控制系统8包括PLC主控单元、变压器、以及与其相连的可控整流模块和接触器；PLC主控单元控制可控整流模块实现电磁铁调磁，轴向和径向电磁装置由PLC控制接触器实现，由这些主电路构成调磁保磁控制屏。如图2所示。

本发明在减速箱2和风力发电机组6中间万向轴部位增加载荷模拟部件3，在载荷模拟部件3的上下周边以及机组侧加装电磁产生装置，利用试验台本身的控制系统8，根据机组转速和风速的对应关系和机组的推力系数，求解出风轮对机组产生的推力值并同时计算出电磁系统产生相应推力及重力的电流值，利用电磁系统对载荷模拟部件3进行加载，模拟风机在实际风况下的推力及重力、弯矩参数等。

应用时，首先将风力发电机组6固定，由控制系统8控制电动机1驱动减速箱2对风力发电机组6输入转矩，驱动风力发电机组6根据设定程序进行运转，在测试过程中，由控制系统8控制径向磁场装置7产生径向磁场，磁场作用到载荷模拟部件3上，对载荷模拟部件3产生向下的牵引力，来模拟实际风轮产生的重力，并由此力形成机组主轴系统所受的弯矩，由于减速箱2和风力发电机组6中间采用的是万向万向联轴器5，本弯矩不会对减速箱2产生影响。由控制系统8控制轴向磁场装置4产生轴向磁场，磁场作用到载荷模拟部件3上，对载荷模拟部件3产生轴向的牵引力，来模拟实际风轮在正常运转中产生的轴向推力，并由控制系统8根据控制系统风速模拟输入信号情况，运算所需要的磁场强度，并经控制系统8输入到轴向磁场装置4的电流强度以便于产生与之匹配的轴向力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种风力发电机组试验平台加载系统，包括电动机，电动机与减速箱相连，其特征是，所述减速箱的输出轴通过万向联轴器与风力发电机组的输入轴相连，所述万向联轴器的轴部位上设置有载荷模拟部件，在载荷模拟部件的上下周边以及左右至少一侧加装电磁产生装置，所述电磁产生装置和电动机分别与控制系统相连；

所述载荷模拟部件是设置于减速箱输出轴与风力发电机主轴中间的联轴器部位上的一个具有导磁性能的法兰盘，材料为锻件或高强度铸钢件，与电磁产生装置相互作用，产生吸力，提供轴向和径向的模拟力，即模拟载荷。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述电磁产生装置包括设置于载荷模拟部件上下周边的径向磁场装置和设置于左右至少一侧的轴向磁场装置；所述径向磁场装置和轴向磁场装置均为电磁铁；径向磁场装置提供风轮重力模拟，产生弯矩，轴向磁场装置提供推力模拟。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述控制系统通过控制线缆分别与电磁产生装置和电动机相连。

4.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述控制系统包括PLC主控单元，以及与其相连的可控整流模块和接触器。

5.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述万向联轴器为低速万向联轴器。

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