自稳速机构概念设计论文

1新型自稳速机构

相对于传统反馈调节稳速方案,新型自稳速方案主要特征在于:免去了较复杂的信号采集/控制装置,需实时调节的变频电源和变速电动机替换为无需实时控制的恒频电源和恒速电动机,并添加了差速器和齿轮对,方案如图4所示。系统时变输入转速nJ通过平行轴齿轮对同时传递到差动轮系的轮架和差速器的左轮,差速器的右轮由恒速电动机以常值转速nM驱动旋转,差速器的壳体与差动轮系的齿圈以齿轮啮合的形式连接,差动轮系的太阳轮为系统输出端。齿轮对传动比为iCLD,壳体与齿圈传动比为iKQ。为使差动轮系太阳轮转速稳定,差动轮系齿圈转速nQ应满足式，由式(4)可知,nK由时变值iKQ(1+1/u)nJ和一个理想常值-iKQn*T/u叠加。式(2)可知,差速器具有转速叠加的功能,故差速器左轮的时变转速iCLDnJ和右轮的常值转速nM叠加后传递至壳体,从而使壳体转速nK满足式(4)。结合式(2)和式(4),差速器左轮转速nL与右轮转速nR分别为式(5)所示为左轮转速nL与时变输入转速nJ的关系,应将传动比iCLD与传动比iKQ按下式进行选值:6)设定。时变输入转速nJ经过传动比为iCLD的齿轮对变速后,驱动差速器左轮旋转,电动机驱动差速器右轮以常值转速nM旋转,叠加后的壳体转速等效于传统反馈控制调节的变速电动机的转速。

2仿真分析

将传统反馈调节稳速机构用于风力发电传动系统,在时变风速的驱动下,风轮以时变转速旋转,风轮转速经增速箱提速后驱动差动轮系的轮架旋转,差动轮系的齿圈由变速电动机驱动,差动轮系的太阳轮与同步发电机转子连接。传统反馈调节稳速机构的调速过程为:采集轮架时变转速信号后,按式(3)计算得到齿圈所需要的转速,相应调节变频电源的供电频率,使变速电动机驱动齿圈以特定的转速运行,通过齿圈调节太阳轮转速至稳定,从而使同步发电机恒频输出。将新型自稳速机构用于风力发电传动系统,在时变风速的驱动下,风轮经增速箱传递时变转速到图4所示自稳速机构的平行轴齿轮对,太阳轮连接同步发电机。新型自稳速机构的调速过程为:按式(7)设置平行轴齿轮对传动比iCLD、壳体与齿圈传动比iKQ,并按式(6)设置恒速电动机的常值转速。根据式(2)、式(4),利用差速器的转速叠加功能,使自稳速机构中差速器壳体的转速等效于反馈调节机构中变速电动机的转速,从而使差动轮系的太阳轮转速稳定,与太阳轮相连的同步发电机转子的转速亦稳定。为对比传统反馈调节稳速机构和新型自稳速机构的调速效果,对采用上述两种稳速机构的风力发电传动系统进行了仿真(模型采用相同的输入便于对比分析),其建模方案为:在时变风速的驱动下,风轮经增速箱提速后,输入时变转速到不同的稳速机构,稳速机构驱动各自的发电机运行,如图5所示。

2.1FAST仿真输入转速

FAST软件由美国国家可再生能源实验室开发,可以对风电机组工作状态进行仿真[7]。采用此软件模拟了风电机组在不同风速下的风轮转速。取平均风速为9m/s、12m/s、15m/s和18m/s,并设置20%的湍流强度。仿真的风速如图6所示,风轮转速如图7所示。

2.2SIMULINK仿真输出转速

设置机构参数:差动轮系结构参数u=3,同步发电机额定转速为1500r/min。自稳速机构的参数如下:单级齿轮传动比iCLD=6,iKQ=4,电动机常值转速nM=1000r/min,方向与输入转速相反。为反馈调节稳速机构设计PID控制器和变频器[8]。利用Simulink软件按图5所示方案搭建仿真模型[9],用FAST软件仿真风轮转速作为模型输入,仿真时间为30s。在图6所示不同平均风速下,反馈调节稳速机构和自稳速机构输入同步发电机的转速如图8~图11所示,并将25~30s的曲线放大,以便于分析。相对于传统反馈调节稳速机构,自稳速机构在启动时能较快地上升到目标转速1500r/min,根据图8~图11中的局部放大图可知,自稳速机构输出转速偏差在暲1r/min范围内,而反馈调节稳速机构的输出转速比目标转速大,在1502r/min以上波动,相对于目标转速的偏差为2~10r/min。

3结语

对传统反馈调节稳速机构和新型自稳速机构进行了比较分析。自稳速机构无需信号采集/处理系统,依靠刚性传动的齿轮对将输入转速的时变特征传递到差速器,利用差速器和恒转速电动机对差动轮系进行调节,使输出转速稳定。比较发电机转速图可知,自稳速机构输出转速偏差低、精度高、波动小,具有良好的稳速效果。但在实际工程应用中,结构形式还可进一步完善。

作者：苏睿 芮晓明 武鑫 单位：华北电力大学