CN106523298A - 一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法，它包括发电机、太阳行星轮减速器、台架、蓄电池、电动机、控制柜等主要部件。控制柜中装有变频器、三相数显表、风电机组控制器、逆变器及按钮、开关、导线等附属零部件。该试验台通过变频器调节电动机的输入电源频率，从而改变电动机的输出转速，通过太阳行星轮减速器、同步带轮输出动力到发电机，模拟不平稳的风力输入，减少了鼓风机模拟所占的空间和噪声。通过拆卸更换太阳行星轮减速器内部部件，可以模拟各个部件的不同故障，研究小型风电机组在齿轮箱故障下的关键特征，提高风电机组健康维护效率和风电场风能利用率。

Description

一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法
技术领域
本发明属于模拟风力发电机组齿轮箱故障的试验台技术领域，具体涉及一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法。
背景技术
近年来，随着国家对清洁可再生能源的重视，风力发电机组(风电机组)在中国得到了较为快速的发展，装机量逐年提升，关于风电机组的健康状态监测与维护逐渐成为行业研究热点。因风电机组工作环境恶劣，工况复杂，故障维修成本较高，常规现场检测与维护较为困难，很多研究者拟通过实验室模拟试验的方式研究其故障与维护特点，以降低维修成本和提高风电机组利用率。目前国内外具有针对某些特定型号风电机组的试验平台，如平行轴传动故障模拟平台，风电机组叶轮故障模拟平台，风电机组叶片载荷与故障模拟平台、鼓风机驱动风电机组模拟试验台等。但实际风电机组结构尤其是以齿轮箱为代表的主轴传动链系统结构复杂，成本在整机中占有较大比重，因为齿轮箱多为监测重点。现在的某些大型风电机组齿轮箱需要把低速的叶轮转速提升到较高的发电机额定输入转速，需要较大的传动比。一般的平行轴减速箱无法达到如此高的传动比，因而齿轮箱多采用太阳行星轮系结合高速平行轴传动的方式。现有故障模拟试验平台针对太阳行星轮增速齿轮箱的相对较少，针对其故障机理及故障特点研究不太全面。某些鼓风机模拟风速的试验台结构不紧凑，对实验环境要求较高，且很多相关研究技术未能大规模推广。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法，可以模拟太阳行星轮齿轮箱本身的各类典型故障，且试验台结构紧凑，成本低廉，可以大规模推广。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，包括依次连接的控制柜、电动机、太阳行星轮减速器和发电机，所述电动机、太阳行星轮减速器和发电机固定在台架上；
所述太阳行星轮减速器通过同步带轮装置与发电机相连；
所述控制柜内部设有三相变频器，所述三相变频器与所述电动机连接。
进一步的，所述同步带轮装置由前同步轮、同步带和后同步轮依次连接组成，所述齿轮箱连接所述前同步轮，所述后同步轮连接所述发电机。
进一步的，所述控制柜通过三相变频器调节输出给电动机的电源频率，以调节电动机的输出转速，电动机的输出转速公式如式(1)所示：
式中，n0为电动机的输出转速，f为电源频率，p为电动机的磁极对数。
进一步的，所述电动机通过联轴器与太阳行星轮减速器相连，太阳行星轮减速器的输入转速等于所述电动机的输出转速。
进一步的，太阳行星轮减速器的输出转速n1为：
式中，i1为太阳行星轮减速器的减速比，n0为电动机的输出转速，f为电源频率，p为电动机的磁极对数。
进一步的，发电机的输入转速n为：
式中，i2为前同步轮到后同步轮的转速比，i1为太阳行星轮减速器的减速比，n0为电动机的输出转速，f为电源频率，p为电动机的磁极对数。
进一步的，所述电动机、太阳行星轮减速器和发电机通过各自底座的螺栓固定在台架上，控制柜通过支架固定在台架上。
进一步的，所述控制柜中设有三相数显表、风电机组控制器和逆变器；所述发电机发出的三相交流电通过所述三相数显表显示发电机输出的三相电压和电流；三相数显表通过导线连接所述风电机组控制器，经风电机组控制器整流后输出正负电压，连接到蓄电池的正负极上，以储存发电机发出的电能；所述蓄电池通过所述逆变器将直流电转变成220V的交流电，释放电能供正常使用。
上述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台的工作方法，包括：风力模拟：通过所述三相变频器调节电动机的输入电源频率，所述电动机通过所述太阳行星轮减速器和同步带轮装置输出动力到所述发电机模拟不平稳的风力输入；
故障模拟：通过拆卸更换太阳行星轮减速器内部部件，模拟各个部件的不同故障状况，研究小型风电机组在齿轮箱故障下的关键特征。
进一步的，所述故障状况包括齿圈故障、内齿故障、太阳轮故障、行星轮故障、主轴故障、轴承故障。
有益效果：本发明提供的一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法，其有益效果在于，解决了鼓风机模拟风速类试验台的结构不紧凑、对实验环境要求较高问题，同时采用和实际风电机组齿轮箱相同结构的太阳行星轮齿轮箱进行模拟，更贴近实际的故障特点。另一方面，试验台结构紧凑，占用空间较小，齿轮箱拆卸方便，故障模拟测试便利，易于大规模推广，具有较好的理论实践价值和市场前景。
附图说明
图1是本发明实施例的风电机组齿轮箱故障模拟试验台整体示意图；
图2是本发明实施例的太阳行星轮减速器结构示意图；
图3是本发明实施例的试验台台面装配俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明为一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台及其工作方法，它包括发电机、太阳行星轮减速器、台架、蓄电池、电动机、控制柜等主要部件。控制柜中装有变频器、三相数显表、风电机组控制器、逆变器及按钮、开关、导线等附属零部件。该试验台通过变频器调节电动机的输入电源频率，从而改变电动机的输出转速，通过太阳行星轮减速器、同步带轮输出动力到发电机，模拟不平稳的风力输入，减少了鼓风机模拟所占的空间和噪声。通过拆卸更换太阳行星轮减速器内部部件，可以模拟各个部件的不同故障，研究小型风电机组在齿轮箱故障下的关键特征，提高风电机组健康维护效率和风电场风能利用率。
一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，包括依次连接的控制柜12、电动机8、太阳行星轮减速器5、前同步轮4、同步带3、后同步轮2、发电机1。所述控制柜12内部有三相变频器10、三相数显表11、风电机组控制器、逆变器及部分控制按钮、开关、连接导线。电动机8、太阳行星轮减速器5和发电机1通过螺栓固定在台架6上，控制柜通过支架9固定在台架6上。
控制柜12通过三相变频器10调节输出给电动机8的电源频率，以调节电动机8的输出转速，电动机的输出转速公式如式(1)所示。
式中，n0为电动机8的输出转速，f为电源频率，p为电动机8的磁极对数。
电动机8通过联轴器和太阳行星轮减速器5相连，因而太阳行星轮减速器5的输入转速就是电动机8的输出转速。
假设太阳行星轮减速器5的减速比为i1，则太阳行星轮减速器5的输出转速n1为，
太阳行星轮减速器5就是齿轮箱，通过前同步轮4、同步带3和后同步轮2和发电机1相连。
假设前同步轮4到后同步轮2的转速比为i2，则发电机1的输入转速n为，
因此，通过调整控制柜12中变频器10的输出频率，就可以调节发电机1的输入转速，以模拟不平稳风速的输入。
发电机1发出的三相交流电通过控制柜12中的三相数显表11，显示发电机1输出的三相电压和电流。
三相数显表11通过导线连接到控制柜12中的风电机组控制器，经风电机组控制器整流后输出正负电压，连接到蓄电池7的正负极上，以储存发电机发出的电能。
蓄电池7可以通过控制柜12中的逆变器将直流电转变成220V的交流电，释放电能供正常使用。
太阳行星轮减速器5安装方便，通过联轴器和同步带3连接到电动机8和发电机1，拆装方便。
在模拟风电机组齿轮箱故障时，可以通过拆开太阳行星轮减速器5，更换某些有故障的部件，如齿圈故障、内齿故障、太阳轮故障、行星轮故障、主轴故障、轴承故障等。
按下控制柜的起动开关和按钮后，系统通电，通过调节变频器的电源频率输出，控制电动机按照对应的转速运行，电动机的动力通过联轴器传递给太阳行星轮减速器，经太阳行星轮减速器减速后，通过同步带和前后同步轮传递到风电机组发电机，实现不平稳风速的模拟输入。这种风速模拟方式，与鼓风机实际风速模拟相比，结构紧凑，噪音较少，对周围环境影响较小，且模拟风速曲线可以通过变频器制定，与实际风速输入吻合度高。
发电机发出的三相交流电通过三相数显表显示电压或电流信息，进而通过导线连接到控制柜中的风电机组控制器，风电机组控制器主要负责将不平稳的三相交流输入转变成为稳定的直流电输出，连接到蓄电池上，给蓄电池充电以储存电能。
在需要使用电能时，蓄电池通过连接的逆变器放电，逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电转换为220V的生活用电，供用户使用。
在模拟齿轮箱相关故障时，只需要拆开齿轮箱，更换相应的故障零部件即可，如如齿圈故障、内齿故障、太阳轮故障、行星轮故障、主轴故障、轴承故障等。
太阳行星轮减速器和发电机之间通过同步带轮平行连接，其优势在于节约空间，且同步传递转速，不会打滑，传递效率较高。
实施例
本实施例适用于一般小型风电机组齿轮箱故障模拟试验平台，其他风电机组可以根据具体结构等参数对试验台进行动态调整。
参照附图1-附图3，本实施例的一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，它包括发电机1、后同步轮2、同步带3、前同步轮4、太阳行星轮减速器5、台架6、蓄电池7、电动机8、支架9、三相变频器10、三相数显表11、控制柜12。以及部分控制按钮、开关、连接导线。
本实施例中，整个台架尺寸是长80cm，宽50cm，高50cm。控制柜最高高度120cm。整个试验台占用空间较小，实际0.48m3，不超过0.5m3。且台架柜里除了蓄电池7仍有较大空间，可以存储一些必备的实验器材、维修维护设备等，提高设备利用率。
控制柜12中包括开关、按钮、连接导线、三相变频器10、三相数显表11、风电机组控制器等。控制柜通过支架9固定在台架6上。
在本实施例中，控制柜中的总开关选用四相空气开关，起动按钮选用绿色帽的自复位按钮，停止按钮选用红色帽的自复位按钮，急停按钮选用红色帽的旋转复位按钮。
闭合空气开关通电，按下起动按钮后，系统通电，就可以起动变频器开始试验。
本实施例中，三相变频器10的功率为1.0kW，可以实施例中的实验需求。通过调节三相变频器10上的旋钮可以调节其输出给电动机8的电源频率。电源频率调节范围为0Hz-50Hz。
本实施例中，电动机采用三相异步电动机，额定功率是0.75kW，额定转速是1375r/min，磁极对数是2对，因而可以得到电动机输出转速公式如式(4)所示。
本实施例中，电动机和太阳行星轮减速器通过柔性联轴器连接。这种连接方式具有较好的减震效果，噪声低，在两轴安装不完全对中的情况下也可平稳地传递载荷。
在本实施例中，齿轮箱采用太阳行星轮减速器，传动比i1＝3，因而可以得到减速器输出转速如式(5)所示。
太阳行星轮减速器通过同步带3、前后同步轮2,4连接到发电机1。本实施例中，选用同步带参数为5m-685-20，前后同步轮2、4均为5M40T AF型，带宽21mm，同步轮2内径20mm，同步轮4内径16mm。同步带传动比i2＝1，则发电机1的输入转速如式(6)所示。
本实施例中，三相变频器10调节的电源频率和发电机1的输入转速关系就可以通过式(6)得出。
本实施例中，电动机8、太阳行星轮减速器5和发电机1通过螺栓固定在台架6的台面上。其中，电动机8通过四个M8螺栓固定底座，太阳行星轮减速器5通过四个M8螺栓固定底座，发电机1通过四个M10螺栓固定底座，发电机底座正中心有一个M13的孔，用以穿过电线输出发出的三相交流电。
本实施例中，发电机1发出的三相交流电通过三相电线输出，该电线通过底座正中心的M13孔进入台架6内部，再通过电动机8旁边的M10孔钻出，从控制柜12下部进入柜内，连接到三相数显表11上。通过三相数显表11显示发电机1发出的三相交流电电压或电流。通过三相数显表11的设置可以选择单独显示三相电压，或单独显示三相电流，或循环显示三相电压和三相电流。
三相数显表11输出的三相电线连接到控制柜12内的风电机组控制器，通过控制器转换成直流电，正负两根直流电线穿过电动机8旁边的M10孔，连接到台架6内部的蓄电池7上，给蓄电池7充电，储存电能。
使用电能时，蓄电池7通过连接的逆变器把直流电转换为220V的生活用电。
在本实施例中，蓄电池7选用的是24V200AH的铅酸蓄电池。
本实施例中，通过控制柜12内的三相变频器10可以调节电动机8的转速，动力进而通过太阳行星轮减速器5、前同步轮4、同步带3、后同步轮2传递到发电机1，实现不平稳风速输入的模拟。发电机1发出的电通过三相数显表11可以正常显示，进而通过风电机组控制器给蓄电池7充电。随着发电机1输入转速的升高，三相数显表11显示输出电压、电流增大，输出功率符合发电机1的功率曲线。同时，通过拆卸太阳行星轮减速器5并更换不同类别故障的零部件，可以实现其内部零部件故障的模拟，给风力发电机组故障诊断提供了有效的实践平台。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：包括依次连接的控制柜(12)、电动机(8)、太阳行星轮减速器(5)和发电机(1)，所述电动机(8)、太阳行星轮减速器(5)和发电机(1)固定在台架(6)上；
所述太阳行星轮减速器(5)通过同步带轮装置与发电机(1)相连；
所述控制柜(12)内部设有三相变频器(10)，所述三相变频器(10)与所述电动机(8)连接。
2.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：所述同步带轮装置由前同步轮(4)、同步带(3)和后同步轮(2)依次连接组成，所述齿轮箱(3)连接所述前同步轮(4)，所述后同步轮(2)连接所述发电机(1)。
3.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：所述控制柜(12)通过三相变频器(10)调节输出给电动机(8)的电源频率，以调节电动机(8)的输出转速，电动机的输出转速公式如式(1)所示：
n 0 = 60 f p - - - ( 1 )
式中，n0为电动机(8)的输出转速，f为电源频率，p为电动机(8)的磁极对数。
4.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：所述电动机(8)通过联轴器与太阳行星轮减速器(5)相连，太阳行星轮减速器(5)的输入转速等于所述电动机(8)的输出转速。
5.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：太阳行星轮减速器(5)的输出转速n1为：
n 1 = n 0 i 1 = 60 f i 1 p - - - ( 2 )
式中，i1为太阳行星轮减速器(5)的减速比，n0为电动机(8)的输出转速，f为电源频率，p为电动机(8)的磁极对数。
6.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：发电机(1)的输入转速n为：
n = n 1 i 2 = n 0 i 1 i 2 = 60 f i 1 i 2 p - - - ( 3 )
式中，i2为前同步轮(4)到后同步轮(2)的转速比，i1为太阳行星轮减速器(5)的减速比，n0为电动机(8)的输出转速，f为电源频率，p为电动机(8)的磁极对数。
7.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：所述电动机(8)、太阳行星轮减速器(5)和发电机(1)通过各自底座的螺栓固定在台架(6)上，控制柜通过支架(9)固定在台架(6)上。
8.根据权利要求1所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台，其特征在于：所述控制柜(12)中设有三相数显表(11)、风电机组控制器和逆变器；所述发电机(1)发出的三相交流电通过所述三相数显表(11)显示发电机(1)输出的三相电压和电流；三相数显表(11)通过导线连接所述风电机组控制器，经风电机组控制器整流后输出正负电压，连接到蓄电池(7)的正负极上，以储存发电机(1)发出的电能；所述蓄电池(7)通过所述逆变器将直流电转变成220V的交流电，释放电能供正常使用。
9.根据权利要求1至8任一所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台的工作方法，其特征在于：包括：风力模拟：通过所述三相变频器(10)调节电动机(8)的输入电源频率，所述电动机(8)通过所述太阳行星轮减速器(5)和同步带轮装置输出动力到所述发电机(1)模拟不平稳的风力输入；
故障模拟：通过拆卸更换太阳行星轮减速器(5)内部部件，模拟各个部件的不同故障状况，研究小型风电机组在齿轮箱故障下的关键特征。
10.根据权利要求9所述的小型风力发电机组齿轮箱故障模拟试验台的工作方法，其特征在于：所述故障状况包括齿圈故障、内齿故障、太阳轮故障、行星轮故障、主轴故障、轴承故障。
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