CN103162957A - 一种磁性齿轮试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机领域的磁性齿轮试验平台，其外接电网，所述试验平台包括试验台，所述试验台包括交流拖动电机、交流负载电机和用于安装磁性齿轮的接口；所述交流拖动电机、交流负载电机位于所述试验台的两侧；所述试验平台还包括：变频调速器、逆变器、整流器件和直流电容；所述交流拖动电机连接所述变频调速器，所述变频调速器内置直流母排；所述交流负载电机连接逆变器，所述变频调速器、所述试验台和所述逆变器构成该试验平台的继电回路；所述整流器件设置于所述继电回路和所述电网之间，所述整流器件是从所述变频调速器的输入端接入所述继电回路的；所述变频调速器的输入端连接了所述直流电容，所述直流电容是接地的。

Description

一种磁性齿轮试验平台

技术领域

本发明涉及一种用于风力发电机领域的磁性齿轮试验平台。

背景技术

磁力驱动技术是以现代磁学的基本理论，应用永磁材料所产生的磁力作用，来实现力无接触传递或者力矩(功率)无接触传递的一种新技术。1983年高性能钕铁硼永磁材料的问世，为磁力驱动泵的快速发展提供了关键部件的材料。1999年美国MagnaDrive公司对永磁传动的研究实现了革命性地突破，实现了对风机水泵旋转负载的调速，并将传递的功率大大提高，其紧凑型永磁磁力耦合器最大功率可达5000hp。

我国正在大力发展风力发电，风力发电机组齿轮箱是风力发电装备中的重要部件。由于风力的不稳定性，风力发电机组齿轮箱在运行时经常受到极大的冲击力，使庞大的齿轮箱，成为易损部件，而风力发电机组齿轮箱的维修或更换是一项大工程。鉴于磁性齿轮采用的是非接触耦合，能避免冲击损伤，若能将磁性齿轮技术应用于风力发电装备取代风力发电机组齿轮箱，则可大大减少维修或大修成本。

因此，磁性齿轮试验平台成堆发展风力发电产生了重要影响，磁性齿轮试验平台具备国家颁发的指导性文件《风力发电机组齿轮箱评估指南》对风力发电机组齿轮箱的试验所提出的功能。

对于磁性齿轮试验平台的主要检测项目包括：空载试验、性能试验、空载功率损耗测定和齿面接触疲劳寿命试验等。

1.空载试验在额定转速下，正、反两方向运转不少于1h。要求：

(1)连接件、紧固件不松动；

(2)密封处接合处不漏油、不渗油；

(3)运转平稳、无冲击；

(4)润滑充分，检查轴承和油池温度。每5min记录一次油压、油温。

2.性能试验空载试验合格后，在额定转速下进行逐级加载试验。即按25％、50％、75％的额定负载各运转30min。按100％额定负载运转120min，110％超负载运转30min，进行负载测试，其要求：

(1)在正常运转情况下，每隔10min测定并记录一次转速、负载(转矩)、油温、油压及各轴承挡外壳温度；

(2)在额定转速和100％额定负载下，测定齿轮箱的噪声、振动，可根据制造厂试验条件，在最大负荷下进行；

(3)齿面接触斑点，轮齿齿面状况检查。

3.空载功率损耗测定：

在额定转速，油温保持在45℃～65℃下，空载工况下测定齿轮箱功率损耗。

4.齿面接触疲劳寿命试验：

测定在额定负荷下高速齿轮的应力循环数：调质齿轮、淬火齿轮的循环次数为5×10⁷，用工业应用试验代替疲劳寿命试验也是允许的。

根据上述试验内容可知，磁性齿轮试验平台的主要功能是能给被试验装置施加一定的转速和一定的转矩。考虑到试验耗能很大，时间很长，希望试验平台是节电的。同时考虑到试验耗能很大，时间很长，希望试验平台采用节能型供电装置。

对于磁性齿轮平台的电气系统技术方面：可配置能量内反馈系统，以达到节能目的，并可按规定加载20％、50％、70％、100％、110％额定负载来对磁性齿轮进行测试。

对于磁性齿轮平台的机械系统技术方面：齿轮性能参照国标7级齿轮要求检查振动、噪音；试验台轴系同心度达到0.1mm或选用挠性联轴器。

目前采用的试验平台主要有如下四种：

如图1所示的是机组式负载试验平台，这是目前使用最多的试验平台，其试验台21包括第一交流电机211和第二交流电机212，所述试验平台除了所述第一交流电机211和所述第二交流电机212外，还有多台电机。在使用过程中，所述第一交流电机211和所述第二交流电机212的转向相同，由于所述第一交流电机211的转速低于所述第二交流电机212的转速，所以所述第一交流电机211就成为发电机。当所述第一交流电机211和所述第二交流电机212同时运转时，所述第一交流电机211和所述第二交流电机212之间产生冲击电流，从而使所述第一交流电机211增速而所述第二交流电机212减速。从而完成磁性齿轮的测试。该试验平台加载试验的能量直接反馈给电网，但机组庞大，自身耗能较大，占地面积及噪音很大。

如图2所示的是双直流电机内反馈系统的试验平台，其接在直流电源32上。其试验台31包括直流拖动电机311和直流负载电机312，所述直流拖动电机311和所述直流负载电机312的转速均是采用电力电子设备进行控制的。所述直流拖动电机311和所述直流负载电机312是直流电机，由于直流电机的自身缺点，使此方案的节能效果和造价都不够良好。

如图3所示的是直流可逆反馈系统的试验平台，此系统的试验台41包括交流拖动电机411和直流负载电机412，所述交流拖动电机411连接交流变频调速器42，所述直流负载电机412连接直流可逆电源43，所述交流变频调速器42和所述直流可逆电源43连接直流母排，从而构成继电回路。由于该试验台41发电逆变过程中采用了所述直流负载电机412，由于所述直流负载电机412采用的是直流电机，一是直流机本身造价高、维护难，二是直流逆变若不加变压器难以深度逆变，易于逆变颠覆。因此也不是上佳方案。

如图4所示的是交流可逆反馈系统的试验平台，此系统的试验台51包括交流拖动电机511和交流负载电机512，所述交流拖动电机511连接交流变频调速器52，所述交流负载电机512连接交流可逆电源53，所述交流变频调速器52和所述交流可逆电源53连接直流母排，从而构成继电回路。该系统完全采用了交流电机和电力电子装置，具有结构紧凑、性能可靠的优点，不足的是交流可逆电源需要四象限运行的变频调速装置，目前此装置价格尚较昂贵，而且反馈给电网的电能质量不高，对电网有污染。

因此一种能够同时克服上述四种磁性齿轮试验平台缺陷的试验平台成了风电企业所迫切希望解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种磁性齿轮试验平台，其功率因数高，谐波电流小，效率高、易维护，电功率内反馈易于实现

实现上述目的的一种技术方案是：一种磁性齿轮试验平台，所述试验平台外接电网，所述试验平台包括试验台，所述试验台包括交流拖动电机、交流负载电机和用于安装磁性齿轮的接口；所述交流拖动电机、交流负载电机位于所述试验台的两侧；

所述试验平台还包括：变频调速器、逆变器、整流器件和直流电容；

所述交流拖动电机连接所述变频调速器，所述变频调速器内置直流母排；所述交流负载电机连接所述逆变器，所述变频调速器、所述试验台和所述逆变器构成该试验平台的继电回路；

所述整流器件设置于所述继电回路和所述电网之间，所述整流器件是从所述变频调速器的输入端接入所述继电回路的；所述变频调速器的输入端连接了所述直流电容，所述直流电容是接地的。

进一步的，所述试验台还包括：减速齿轮箱、第一转速转矩仪和第二转速转矩仪，所述交流拖动电机、所述减速齿轮箱和所述第一转速转矩仪是依次连接的；所述交流负载电机连接所述第二转速转矩仪；所述第一转速转矩仪和所述第二转速转矩仪之间是所述用于安装磁性齿轮的接口。

再进一步的，所述交流拖动电机与所述减速齿轮箱之间的连接，所述减速齿轮箱与所述第一转速转矩仪之间的连接以及所述交流负载电机与所述第二转速转矩仪之间的连接均是通过法兰盘进行的轴连接。

进一步的，所述整流器件为整流二极管或者IGBT管。

进一步的，所述整流器件和所述电网之间设置进线开关。

采用了本发明的一种磁性齿轮试验平台的技术方案，即在试验台的两端分别设置交流拖动电机和交流负载电机，交流拖动电机和交流负载电机分别连接变频调速器和逆变器，从而以此构成所述试验平台继电回路的技术方案，所述变频调速器内置直流母排的技术方案，其技术效果是：此性齿轮试验平台的功率因数高，谐波电流小，效率高、易维护，电功率内反馈易于实现。

附图说明

图1为机组式负载试验台的单线图。

图2为双直流电机内反馈系统的试验平台的单线图。

图3为直流可逆反馈系统的试验平台的单线图。

图4为交流可逆反馈系统的试验平台的单线图。

图5为本发明的一种磁性齿轮试验平台的单线图。

图6为本发明的一种磁性齿轮试验平台中的试验台连接图。

具体实施方式

请参阅图5和图6，为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图5，本发明的一种磁性齿轮试验平台，包括试验台1、变频调速器2、逆变器3、整流器件4和直流电容5。

请参阅图6，试验台包括交流拖动电机11、减速齿轮箱12、第一转速转矩仪13、第二转速转矩仪14和交流拖动电机15，所述交流拖动电机11、所述减速齿轮箱12和所述第一转速转矩仪13通过法兰盘依次轴连接，所述第二转速转矩仪14和所述交流拖动电机15通过法兰盘轴连接，所述第一转速转矩仪13和所述第二转速转矩仪14之间是用于安装磁性齿轮10的接口。这是目前常规的所述试验台1连接的方式。

所述交流拖动电机11连接所述变频调速器2，所述交流负载电机15连接所述逆变器3，所述试验台1、所述变频调速器2和所述逆变器3构成所述试验平台的继电回路。

所述变频调速器2分为整流部分和逆变部分，所述变频调速器2内置直流母排。所述直流母排，又称直流母线，其设置于所述变频调速器2的整流部分和逆变部分之间。图5中所述整流部分用“＝”符号表示，而所述变频部分用“～”符号表示。

所述整流器件4设置于所述继电回路和电网之间，所述整流器件4是从所述变频调速器2的输入端接入所述继电回路的；所述变频调速器2的输入端连接直流电容5，所述直流电容5是接地的；所述直流电容5是用以储存所述交流负载电机15所发出的电能的。

所述整流器件4既可以是整流二极管，也可以是IGBT管。

所述整流器件4和所述电网之间还设置进线开关6。

此外，电机试验测量配有电压表、电流表、转矩仪，需要时可外配功率表、频率表、温度计、油槽、测振仪等。在试验过程中可用转矩仪进行各种数据的采样、存贮，并打印出特性曲线。

本发明的工作原理是：所述交流拖动电机11是由所述变频调速器2来控制。所述逆变器3是通过转差控制来实现对所述交流负载电机15的控制，使所述交流负载电机15同步转速略低于所述交流拖动电机11，从而产生负载转矩，使所述交流负载电机15发电。所述交流负载电机15的转速与转矩分别可调的。

本发明的工作过程为：所述试验台1的交流拖动电机11从电网吸收电能，并把它转换成机械能，提供给减速齿轮箱12，带动所述磁性齿轮10转动，产生机械能，然后由交流负载电机15将所述磁性齿轮10产生的机械能转换成电能，通过逆变器3和所述变频调速器2中的直流母排，反馈给所述交流拖动电机11，形成电封闭加载。该试验平台能量使用效率很高。由于所述交流负载电机15反馈给所述交流拖动电机11的电能是直接通过所述直流母排反馈给所述交流拖动电机11，而不是反馈到电网，对电网几乎没有电气污染，并且能量使用效率更高。

对于本发明工作过程更为精确的描述是：所述磁力齿轮10安装在所述交流拖动电机11与所述交流负载电机15之间的用于安装磁性齿轮10的接口上，所述交流拖动电机11由所述变频调速器2供电，通过减速齿轮箱12使所述磁力齿轮10处于所需的转速，带动所述交流负载电机15发电，发出的能量经所述逆变器3反馈送到直流电容5中，加以储存，再通过所述变频调速器2中的直流母排，反馈给所述交流拖动电机11，实现能量的内反馈，达到节能的目的。

由于进行磁性齿轮试验时，所述磁性齿轮10的转矩很大，因此要采用减速齿轮箱12进行减速，所述减速齿轮箱12可以是行星齿轮箱；由于所述试验台1总长可达七米，总重可达几吨，连接所述交流拖动电机11和交流负载电机15之间轴连接的轴系很长，机械加工精度要求高，同心度必须小于0.1mm；且由于试验耗能较大，本发明的磁性齿轮试验平台，采用交流变频直流能量内反馈系统，具有以下优点：

功率因数高，直流传动运行时，由于存在一定的导通角，通常功率因数只有0.6-0.7；采用本发明的磁性齿轮试验平台，如果采用不控整流，功率因数可达到1。若采用IGBT整流方式，还可根据需要设定功率因数，发出或接受一定量的无功功率。

谐波电流小，直流传动运行时，由于存在一定的导通角，通常谐波电流占基波分量的30％左右。而本发明的谐波电流占基波分量小于4％。

效率高、易维护，直流电机效率低于交流电机5％，且交流电机的运行维护明显好于直流电机，运行成本较低。

电功率内反馈易于实现，采用交流变频直流能量内反馈系统，可以有效地利用直流母排来进行电能量循环，与直流可逆传动系统可能出现逆变颠覆相比，直流母排电能量循环控制容易，调试简单。

下面采用规格为：2.2kw 4极380V/5.22A 14N·m的交流电机分别作为交流拖动电机11和交流负载电机15进行测试，得到了如下结果：

在磁性齿轮10的转矩为11N·m时，所述磁性齿轮10的调速范围为：1∶14.75即99r/min～1461r/min。

在磁性齿轮10的转速为599r/min时，所述磁性齿轮10的转矩范围：1∶14.2

在磁性齿轮10的转速为1452r/min转矩为13.9N·m时，

试验平台的所述变频调速器2的输入功率为

所述变频调速器2的输出功率为： $\sqrt{3}\×5.15A\×$ $380V=3.39\mathrm{kw}.$

所述交流拖动电机11的出轴功率：1452r/min×13.9N·m/9550＝2.11kw。

考虑到所述变频调速器2本身的效率约95％，在同样出轴功率时，无能量内反馈时，所述变频调速器2输入功率为：3.39kw/0.95＝3.57kw。

该试验平台的节能效果为：

(3.57kw-1.11kw)/3.57kw＝68.9％。

在磁性齿轮的转速为99r/min转矩为11.2N·m时，

试验平台的所述变频调速器2的输入功率为： $\sqrt{3}\×1.03A\×$ $380V=0.68\mathrm{kw}$

所述变频调速器2的输出功率为：

所述交流拖动电机11的出轴功率为：99r/min×11.2Nm/9550＝0.12kw。

考虑到所述变频调速器2本身的效率约95％，在同样出轴功率时，无能量内反馈时的所述变频调速器2的输入功率为：2.73kw/0.95＝2.87kw，由此得该试验平台的节能效果为：

(2.87kw-0.68kw)/2.87kw＝76.3％。

本发明的一种本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种磁性齿轮试验平台，所述试验平台外接电网，所述试验平台包括试验台(1)，所述试验台(1)包括交流拖动电机(11)、交流负载电机(15)和用于安装磁性齿轮(10)的接口；所述交流拖动电机(11)、交流负载电机(15)位于所述试验台(1)的两侧，其特征在于：

所述试验平台还包括：变频调速器(2)、逆变器(3)、整流器件(4)和直流电容(5)；

所述交流拖动电机(11)连接所述变频调速器(2)，所述变频调速器(2)内置直流母排；所述交流负载电机(15)连接所述逆变器(3)，所述变频调速器(2)、所述试验台(1)和所述逆变器(3)构成该试验平台的继电回路；

所述整流器件(4)设置于所述继电回路和所述电网之间，所述整流器件(4)是从所述变频调速器(2)的输入端接入所述继电回路的；所述变频调速器(2)的输入端连接了所述直流电容(5)，所述直流电容(5)是接地的。

2.根据权利要求1所述的磁性齿轮试验平台，其特征在于：所述试验台(1)还包括：减速齿轮箱(12)、第一转速转矩仪(13)和第二转速转矩仪(14)，所述交流拖动电机(11)、所述减速齿轮箱(12)和所述第一转速转矩仪(13)是依次连接的；所述交流负载电机(15)连接所述第二转速转矩仪(14)；所述第一转速转矩仪(13)和所述第二转速转矩仪(14)之间是所述用于安装磁性齿轮(10)的接口。

3.根据权利要求2所述的磁性齿轮试验平台，其特征在于：所述交流拖动电机(11)与所述减速齿轮箱(12)之间的连接，所述减速齿轮箱(12)与所述第一转速转矩仪(13)之间的连接以及所述交流负载电机(15)与所述第二转速转矩仪(14)之间的连接均是通过法兰盘进行的轴连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的磁性齿轮试验平台，其特征在于：所述整流器件(4)为整流二极管或者IGBT管。

5.根据权利要求1或2或3所述的磁性齿轮试验平台，其特征在于：所述整流器件(4)和所述电网之间设置进线开关(6)。

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