CN108225696A - 馈能式轴系扭振测试系统 - Google Patents

Abstract

馈能式轴系扭振测试系统，包括变频器、受控于变频器工作的变频调速电机、与变频调速电机联动的双馈电机、将双馈电机并入电网的转子侧变流器和网侧变流器、扭振信号采集组件以及连接扭振信号采集组件的扭振监控测试系统，其中，变频调速电机与双馈电机之间连接有若干待测联动机构，所述扭振信号采集组件用于检测待测联动机构的扭振信息，所述扭振监控测试系统用于接收并显示扭振信息，具有能够在各种环境下实现对各种联动机构各种激振因素的扭振测试的效果。

Description

馈能式轴系扭振测试系统

技术领域

本发明涉及轴系扭转振动领域，特别涉及馈能式轴系扭振测试系统。

背景技术

旋转机械轴系的扭转振动（以下简称扭振）是一个普遍存在且危害严重的问题，是一种特殊的振动形式，本质上是由于轴系并非绝对刚体，存在一定程度上的弹性，因而在以平均速度的旋转过程中，各个弹性部件间会因为各种原因而产生不同大小、不同相位的瞬时速度的起伏，形成沿旋转方向的来回扭动。形象的可以这样认为，旋转机械弹性部件之间由于惯性的作用产生了变化趋势相反的反方向的反作用力，从而像扭麻花一样，对弹性部件形成了类似的作用力。显然这种扭振将引起材料内部的切向交变扭应力。若扭幅过大，剪切应力超过弹性限度，材料就会产生疲劳积累。当疲劳积累到寿命时材料就会开始出现裂纹，裂纹逐渐发展，终将导致材料断裂的恶性事故。这对一些重要的设备，如大型汽轮发电机、大型船舶、机车、大型轧钢设备等等所产生的后果和损失都是不堪设想、无法估计的。

轴系扭振的主要特点：

（1）普遍性：凡是较大型、结构较复杂的旋转机械的轴系都或多或少，或强或弱或持续或短暂地发生扭振。它可能由于机械也可能由于电气方面的原因引起；可能来源于动力，也可能来源于负载方面的任何不稳定过程；可能是由于交变的激励力矩引起的强迫振荡，也可能是由于阶跃或者脉冲激励引起的自由振荡。它不像一般弯曲振动，只要从机械方面着手，找到了其不平衡、不对称等毛病，振动就消除了。

（2）潜伏性：轴系的扭振大多是各种干扰引起的短暂过程（当然也有持续作用的干扰引起的持续性强迫振荡，如汽轮发电机的次同步振荡，由于三相负荷不平衡形成的负序电流引起的二倍电网频率的扭振等），没有专门的扭振监测仪一般是无法发现的。造成“暗伤”也难以觉察出来。此外，扭振往往会引起其他形式的振动，这就更会掩盖它的存在，而引起误判。

（3）事故的突发性：只要扭振造成的疲劳积累一次一次的增强，形成裂纹、切口，并逐渐扩散，总有一天将造成轴系的断裂和崩溃。而于此之前可能毫无症候，或不易被人察觉出来。

（4）事故的严重性：事故爆发后，其后果往往都是毁灭性的恶性事故，损失极为惨重。

由此可见，由于扭振危害的潜伏性，还会和其他故障混淆在一起，尽管它相当普遍的存在，但仍被许多人忽视、不察觉、不理解、不承认。即使已经造成了破坏，也很难弄清在长期的运行过程中究竟是否产生了扭振，以及如何积累起来的，这也是扭振的各项研究成果难于被理解和推广的重要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种馈能式轴系扭振测试系统，具有能够在各种环境下实现对各种联动机构在各类激振因素下的扭振信号测试的效果。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

馈能式轴系扭振测试系统，包括变频器、受控于变频器工作的变频调速电机、与变频调速电机联动的双馈电机、将双馈电机并入电网的转子侧变流器和网侧变流器、扭振信号采集组件以及连接扭振信号采集组件的扭振监控测试系统，其中，变频调速电机与双馈电机之间连接有若干待测联动机构，所述扭振信号采集组件用于检测待测联动机构的扭振信息，所述扭振监控测试系统用于接收并显示扭振信息。

通过采用上述技术方案，通过变频器加变频调速电机的方式来实现无极调速，从而控制待测联动机构在各种转速下的扭振情况，双馈电机的设置将系统与电网连接，能够使得系统的研究进一步拓展到扭振与电网之间的相关影响，扭振采集组件用于对待检测联动机构的扭振信息进行实时采集并将采集到的扭振信息传送给扭振监控测试系统。

进一步的，所述馈能式轴系扭振测试系统还包括槽钢底座，所述变频调速电机与双馈电机固定设置在所述槽钢底座上。

通过采用上述技术方案，槽钢底座的设置起到支撑变频调速电机与双馈电机的作用。

进一步的，所述槽钢底座的下方设置有橡胶减震垫。

通过采用上述技术方案，通过橡胶减振垫可以进一步减小系统的振动，并且可以灵活调整系统与地基平面的结合处理，通过对橡胶减振垫高度调整，也可以模拟地基不平的情况下，对扭振的影响。

进一步的，所述待测联动机构包括联动机构、变速传动机构以及传动轴。

通过采用上述技术方案，可对联动机构、变速传动机构以及传动轴的扭振进行检测。

进一步的，所述联动机构包括联轴器。

进一步的，所述变速传动机构包括齿轮箱。

进一步的，所述扭振信号采集组件包括脉冲测速类编码器和模拟式扭振类传感器。

进一步的，所述脉冲测速类编码器包括齿轮传感器、光电编码器、激光传感器以及霍尔传感器中的至少一个。

通过采用上述技术方案，通过齿轮传感器、光电编码器、激光传感器以及霍尔传感器可实现对各种参数进行测量。

进一步的，模拟式扭振类传感器包括扭矩传感器、扭应力应变片传感器以及旋转变压器中的至少一个。

进一步的，扭振信号采集组件与扭振监控测试系统通过RS232总线、USB总线以及以太网总线至少一种连接。

通过采用上述技术方案，实现多元化数据的传输。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、馈能式激振

通过双馈电机、转子侧变流器、网侧变流器，可以灵活调整测试系统负载，通过转子侧变流器与网侧变流器的控制，可以模拟各种扭振激励。尤其适合双馈风电系统中扭振激励的研究，也适合研究机电谐振对电网影响的研究。

2、变频调速激振

通过变频器与变频调速电机，实现系统各种转速情景模拟，通过对变频器控制能实现传动、调速、激振的控制，激振方式简单、成本低、噪声低、不磨损、易控制、消耗小

3、对称式结构

本系统中变频调速电机与双馈电机，都可以采用双端轴升绕线式异步感应电机，这样实际结构就是完全对称的，驱动端与负载端可以互换，变频器可采用四像限变频器，结构与当前系统中转子侧变流器与定子侧变流器也是对称的，这种对称式结构加强了系统可扩展性。

4、可组拆式结构

本系统较全面的考虑了当前主要传动、连轴、支撑方式，各个支点可以进行替换定制，从而完成各个支点的扭振测试。例如可以通过齿轮箱变速传动机构，可以进行齿轮箱扭振谐振点测试，若将齿轮箱传动机构替换为皮带轮或者替换为液泵传动装置，即可完成替换装置的扭振测试与研究，通过联轴机构可以进行联轴器扭振测试，通过轴承机构可以进行轴承机构扭振测试。

5、集中监控

通过集中监控可实现通过变频器、变频调速电机端的可调阻尼、双馈电机的转子变流器与网侧变流器以及可扩展部分的阻尼调整的组合控制，能够实现系统扭振、扭角、机械阻尼的精确控制。

附图说明

图1是馈能式轴系扭振测试系统组成图。

图中，1、底座；2、橡胶减振垫；3、变频调速电机；4、双馈电机；5、变频器；6、扭振信号采集器；7、转子侧变流器；8、网侧变流器；9、扭振监控测试系统；10、切换开关；11、可调电阻；12、电流源；13、联轴器；14、轴承；15、齿轮箱；16、传感器；17、传动轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，馈能式轴系扭振测试系统包括底座1、变频器5、设置在底座1上并受控于变频器5工作的变频调速电机3、设置在底座1上与变频调速电机3联动的双馈电机4、设置在变频调速电机3与双馈电机4之间的若干待测联动机构、用于检测若干待测联动机构的扭振信号采集组件、将双馈电机4并入电网的转子侧变流器7和网侧变流器8以及扭振监控测试系统9，其中，

底座1的下方设置有橡胶减振垫2，通过橡胶减振垫2可以进一步减小系统的振动，并且可以灵活调整系统与地基平面的结合处理，通过对橡胶减振垫2高度调整，也可以模拟地基不平的情况下，对扭振的影响。

槽钢底座1，是系统的安装底座1，根据系统的实际设计，需要预留安装孔与安装位置，方便固定变频调速电机3和双馈电机4。

变频调速电机3，可采用双端轴伸绕线式感应电机，这样就可以形成对称结构，方便系统扩展，主要功能是通过与所接的变频器5进行系统的无极变速驱动，变频调速电机3的电机端还可以加质量盘，或者压簧、或者液压等机构，从而调整系统的机械阻尼。

变频器5，用来实现机组的变频调速，若采用四象限变频器5，则实现控制部分的对称结构。

转子侧变流器7和定子侧变流器，用于双馈电机的励磁控制，并且转子侧变流器7和定子侧变流器配合工作，实现能量双向流动。当电机次同步运行时，电网向转子输入能量，转子侧变流器7运行在逆变状态，网侧变流器8运行在整流状态；当电机超同步运行时，转子向电网输出能量，转子侧变流器7作整流运行，网侧变流器8作逆变运行，将能量回馈到电网；当电机同步运行时，电网向转子馈入直流励磁电流，转子侧变流器7作斩波运行。此外，网侧变流器8还需控制母线电压恒定、调节网侧功率因数，使整个风力发电系统的无功调节更加灵活。（当发电机的实际转速低于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于次同步速度运行；当发电机的实际转速等于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于同步速度运行；当发电机的实际转速高于定子磁场的同步旋转速度n时，发电机处于超同步速度运行。）

待测联动机构包括联轴器13、齿轮箱15、轴承14以及传动轴17，其中，联轴器13可替换为联接部件，齿轮箱15可以替换为待测的变速传动机构，传动轴17可以替换为待测传动轴17，系统自己架构时，一般需要细长传动轴17，以便更易调整扭振激振。

信号采集组件包括若干种传感器16和扭振信号采集器6，扭振信号采集器6用于采集系统中的各个带测联动机构的扭振信号可接收的传感器16有齿轮传感器16、光电编码器、激光传感器16、霍尔传感器16等主要脉冲测速类的编码器，也可以接收扭矩传感器16、扭应力应变片传感器16、旋转变压器等模拟信号，将扭振现场信号转为数字信号转发给集中监控系统，跟集中监控系统的联接方式可以支持RS232总线、USB总线、以太网总线。

扭振监控测试系统9与扭振信号采集器6连接，获得扭振、转速、扭矩等信号。与变频器5连接，对变频器5进行控制，可以模拟复杂变速激振情况。与转子侧变流器7、网侧变流器8连接，可以模拟复杂负载变化激振情况，以及扭振与电网之间的相关影响。该扭振监控测试系统9还连接设置在双馈电机4和扭矩监控测试系统之间的切换开关10、可调电阻11、电流源12连接，可以模拟负载变化激振情况，使得系统根据实际情况进行合适裁剪。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：包括变频器(5)、受控于变频器(5)工作的变频调速电机(3)、与变频调速电机(3)联动的双馈电机(4)、将双馈电机(4)并入电网的转子侧变流器(7)和网侧变流器(8)、扭振信号采集组件以及连接扭振信号采集组件的扭振监控测试系统(9)，其中，变频调速电机(3)与双馈电机(4)之间连接有若干待测联动机构，所述扭振信号采集组件用于检测待测联动机构的扭振信息，所述扭振监控测试系统(9)用于接收并显示扭振信息。

2.根据权利要求1所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述馈能式轴系扭振测试系统还包括槽钢底座(1)，所述变频调速电机(3)与双馈电机(4)固定设置在所述槽钢底座(1)上。

3.根据权利要求2所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述槽钢底座(1)的下方设置有橡胶减振垫（2）。

4.根据权利要求1所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述待测联动机构包括联动机构、变速传动机构以及传动轴(17)。

5.根据权利要求4所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述联动机构包括联轴器(13)。

6.根据权利要求4所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述变速传动机构包括齿轮箱(15)。

7.根据权利要求1所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述扭振信号采集组件包括脉冲测速类编码器和模拟式扭振类传感器。

8.根据权利要求7所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：所述脉冲测速类编码器包括齿轮传感器、光电编码器、激光传感器以及霍尔传感器中的至少一个。

9.根据权利要求7所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：模拟式扭振类传感器包括扭矩传感器、扭应力应变片传感器以及旋转变压器中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的馈能式轴系扭振测试系统，其特征在于：扭振信号采集组件与扭振监控测试系统(9)通过RS232总线、USB总线以及以太网总线至少一种连接。