前端调速式风力机组柔性传动链匹配与传动特性研究

【摘要】为了吸收高度随机变化的风能,并转变为稳定电流输出,使风力机适应与电网的连接,本文介绍了一种前端调速式风力机组柔性传动链。该传动链将以液力变矩器为核心的液力机械调速箱安装于发电机之前,对主轴转速进行调节,使之输出转速趋于稳定。由于液力变矩器的使用,刚性连接转变为了柔性连接。该传动系统可有效地减轻由风速变化引起的能量波动。为保证风力机传动链系统整体获得高效率的运转,对传动链各部件进行了合理的匹配优化。对该传动链的风轮、增速齿轮箱、液力机械传动装置、液力变矩器及同步发电机等主要部件的传动工作原理进行了分析。选择了传动链上三个行星排的转速比为研究对象,并以这三个转速比为关键参数作为变量建立了液力变矩器转速比的数学模型,分析了关键参数对液力机械传动效率的影响。以转矩平衡和能量平衡为基础,结合液力机械装置的传动特性,得出传动链系统整体传动效率关于关键参数的表达式。限定液力变矩器的转速比范围以保证液力变矩器高效率工作,建立了约束条件,使液力变矩器的设计工况转速比对应于风轮低风速下的常见转速。选用DeWind8.2风力机及NY5型液力变矩器为匹配对象,根据传动链系统整体效率及液力变矩器转速比范围约束条件分别建立适应函数及约束函数,使用Matlab遗传算法工具箱进行优化计算。优化后的三个关键参数使传动链系统整体传动效率在风轮额定转速下达到最高。优化方法及结果为精确匹配增速齿轮箱、行星排和液力变矩器提供了一种优化方案,为液力变矩器及液力机械传动装置的选取提供了参考,保证了前端调速式风力机组传动链高效传动,为大功率风电机组传动链匹配优化设计提供了必要的基础。对前端调速式风力机传动链关键部件的工作原理进行分析,建立数学模型。使用Matlab/Simulink软件分别建立风速模型、风轮空气动力学模型、传动链动力学模型、液力变矩器动态模型以及主轴转速计算模型。整合各子系统,引入神经网络控制,建立传动链整体仿真模型,进行模拟仿真。基于最大风能捕获,综合考虑传动链结构参数,通过神经网络控制导叶开度,调节液力变矩器的工作油循环流量,从而改变液力变矩器的输出转矩和转速,以适应风轮转速的变化,使主轴转速稳定在设计值。风力机传动链为升速链,具有传动误差放大的特点。液力机械调速装置使传动链结构更加复杂。为了研究前端调速式风力机传动链的传动误差,对其工作原理及误差具体来源进行分析,对单个齿轮、一对齿轮副、传动轴的传动误差进行理论推导,并以此为基础,分别进行齿轮箱和液力机械传动误差的理论研究。取合理的传动链结构参数,保证液力变矩器工作在高效区,同时结合行星轮的传动特性,推导出传动链整体传动误差的计算式。根据传动系统中各类误差不同的概率分布规律建立相应的抽样公式。最终基于蒙特卡洛法在Matlab中编程并进行模拟计算,在满足给定的精度和置信度下,得到传动链角传动误差范围及平均角传动误差值。研究结果为风力机传动链传动质量控制奠定了基础。
【作者】刘鑫；
【导师】李仁年；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】前端调速式风力机；柔性传动链；优化设计；MATLAB/Simulink仿真；蒙特卡洛法；传动误差分析；

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