风机液力机械传动系统参数优化研究

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风电是环编净的新型可再生能源。与存在于自然界的矿物燃料能源不同，风能不会带来环境污染问题，具有更为广阔的应用前景。中国风电产业经过十多年的高速发展，如今已经成为世界风力发电的主要驱动力量。自然界中风速是复杂多变的，如何将变化的风能捕获，将其变为适应电网要求的电能-直是风能领域的研究重点。为了解决这-问题，风力发电机组中主要采取了增速齿轮箱-双馈发电机”和直驱同步电机-变频器”两种技术方案。第-种方案总效率不高，发电频率不稳定；第二种方案则因为采用了全功率的变频器，功率损耗和谐波问题都比较严重。

近几年，有学者提出了-种使用液力变矩器和组合行星轮系作为调速装置的新型传动方案。液力变矩器具作者简介 ：if，韵 斐 1964年生，女，副教授 ，硕 士生导师。主要研究方向为机械设计、机电液控制技术。

顾 超 1988年生，硕士研 究生。主要研 究方向为机械设计及理论 。

张鸿喜 1989年生，硕士研 究生。主要研 究方向为机械设计及理论 。

22 机电-体化 f 2013.1有自动适应性、过载保护、使用寿命长等优点，作为液力元件，其输出特性可以很好地匹配风轮输入转速转矩特性，因此，液力机械传动系统可以在允许工作风速范围内自适应调节，保证输出转速的稳定。本文针对某型号变矩器进行了具体的计算分析，为深入分析研究风机液力传动系统提供了-定的理论依据。

1 液力机械传动系统工作原理分析风电机组液力机械传动装置如图 1所示。整个系统由双列行星轮系和导叶可调式液力变矩器组成。其中，H和 H 为双列行星轮系的行星轮转臂，H 固定，a(e)、b(f)、c(d)分别为第-(二)列行星轮系的太阳轮、外齿圈和行星轮；B和 T为液力变矩器的泵轮和涡轮，D为可调导轮。

输入b -- ，--。、三Ha /输出图 l 液力机械传动系统 示惫 图风能经过叶轮捕获，从第-列行星轮系的转臂 H输入传动系统，经过行星轮系及液力变矩器调速后，从太阳轮 a的中心轴输出。其中，液力变矩器是系统能够适应风速变化发挥调速作用以保证恒速输出的关键部件。当风速变大时，输入转速和转矩变大，经过行星轮系的调节，作用于涡轮上的转矩也变大，使得涡轮转速降低，变矩器转速比减小，这样就保证了输出轴转速的恒定；同样，当风速变小时，输入转矩呈下降趋势，带动涡轮转矩减小，变矩器转速比增大：因此，虽然输入转速增加，输出转速却不会发生变化。同时，可调导叶增加了液力变矩器的调节范围，使得系统可以在更大的转速区域内发挥调节作用。

2 行星轮系转速及受力分析从输入端开始，第-列行星轮系齿轮 a、齿圈 b和转臂 H之间转速关系 为Research.Development髓圜嘲 P Lh-(1P1) H0。 (1)Z。

式中，P 为第-列行星轮系特征参数，P ： ； 、：分别为齿轮 a和齿圈b的齿数。

第二列行星轮系为定轴轮系，转臂 H 固定，转速为0，齿轮 e和齿圈 d存在以下转速关系∞ P2 d0。 (2)其中，P 为定轴轮系的特征参数，P为齿圈 d和齿轮 e的齿数。

b和 d为同-部件上的不同齿圈，它们的转速相同。综合式(1)、式(2)得到双列行星轮系的转速关系- ∞ -(1Pt) ：0。 (3)p2对于第-列行星轮系，齿轮 a、齿圈 b和转臂 H之间转矩存在下列关系：- (4)- (5)对于第二列定轴轮系，考虑到齿圈b、d相对固定，则hMd0。- (6)则齿轮e与转臂 H转矩之间的关系可以表达为 Mn。 (7)3 行星轮系与液力变矩器协同工作分析液力变矩器的转速比 i是指涡轮转速和泵轮转速之比。

i- 。 (8) CDfOB对于液力变矩器，作用于泵轮和涡轮的转矩均为液力变矩器转速比i的函数，记为 、M ，其中MT-M 。 (9)2013.1 I机电-体化 2；3别分-风机液力机械传动系统参数优化研究液力变矩器的变矩系数K - ，综合式(7)、 M式(9)可以得到液力变矩器实际变矩系数： P2(1P1) MB成的影响，则传动系统总传动效率可以写为77YJ1-P (1- Y)。 (13)其中，叼 为液力变矩器工作效率，叩 Ki。

(10) 以传动系统在工作区间上的总效率构建优化目标导叶可调式液力变矩器可以根据工况要求调节导叶开度，以获得最佳的转速和转矩输出。对于任意转速比，由于导叶开度的不同，液力变矩器的变矩系数也是不同的 ，将其中的最大值记为K。随着变矩器变速比i的不同，K也是变化的。

反映了传动系统正常工作时对于液力变矩器的要求，而未考虑液力变矩器本身的特性；K则是由液力变矩器自身性质决定的变矩系数的最大值，代表了液力变矩器可以正常运行的最大工作区域；因此，为了保证传动系统运行正常，对于工作区间内任意转速比 i，都应满足 K≤K。如果 K较大，作用于涡轮上的转矩超出该转速比可输出的最大转矩，液力变矩器转速比将会降低以适应该工况。根据式(3)，变矩器转速比和传动系统输入输出转速之间存在以下关系：： 丛。 (11O3 ) B ------ H ，p2-P x可以看出，转速比变化后，系统输出转速也会随之变化，使得系统无法满足预期的调速要求；反之，如果较小，通过调节机构调节导叶开度，可以降低液力变矩器的变矩系数，维持变矩器转速比不变，从而达到稳定输出转速的 目的。

4 行星轮系参数优化分析为了充分发挥液力变矩器的调节特性，必须设置合理的行星轮系参数。-种可行的优化方法是在保证K≤K 的基础上，使得系统总效率叼 最大。

液力变矩器输入功率与系统总功率 P .之比为P-。 等。 c 12 。÷ 行星轮系的传动效率较高，对于本系统所使用的行星轮系结构，效率可达97% ～99%。如果忽略行星轮系效率损失，只计算液力变矩器损失给整体效率造24 机电-体化 I 2013.1函数min八P)：f Jd∞ 。 (14)J ∞H1上式中的 和 ：分别为由叶轮许用工作转速确定的输入转速的最小值和最大值。确定约束条件首先需要考虑行星轮系特征系数的取值范围。通常情况下，行星轮系的特征参数1.33≤Pl≤5； (15)定轴轮系的特征参数2≤P2≤ 8。 (16)行星轮系特征参数的确定同时需要满足液力变矩器转速比的要求。输出转速不变的情况下，输入转速越高，涡轮转速越低，即高输入转速对应低的变矩器转速比；因此，得到输入转速和变矩器转速比应具有如下关系鲁[1( ) ] (17)反之，低输入转速对应高的变矩器转速比(1 ) - (18)5 优化分析实例本文选取 Voith公司的 EL-z型液力变矩器作为计算对象，该变矩器最大变矩系数接近 10，但转速比范围较小，最高工作效率 J，7约为0.82，导叶开度 100%时其原始特性如图 2所示。选取工作风轮转速 16～18 r/min，风机输出转速 1 500 r/rain，额定功率 2 MW。

系统经 Matlab优化后，得到行星轮系特征参数P ：2.18，定轴轮系特征参数P 6.34。相关参数见表 1图 2 EL-z型液力变矩器原始特性表 1 优化后传动系统技术参数1.00.80.6懈0.40.2O.0经过对行星轮系的优化计算可以看到，优化后的行星轮系与液力变矩器的配合十分良好，在要求的范围内都可以达到相当高的效率，而液力变矩器并没有完全工作在最高效率区域 (7"/ ≥75%)。由于液力机械传动的功率分流作用，在输入转速较高时，液力变矩器效率明显降低，而系统总效率所受影响很小；因此，在液力机械传Research.Development l豳豳嘲 动系统参数匹配设计时，应综合考虑液力变矩器效率与系统总效率之间的关系，使得系统发挥最佳性能。

6 结束语(1)将液力机械传动应用于风力发电系统是-种十分理想的方案∩调导叶液力变矩器的输出可以根据风速的变化 自适应的调节，既满足输出转速恒定的要求，整体效率也较高。

(2)传动系统的分析受到风轮转速-转矩特性、液力变矩器外特性等多方面因素的影响，获得这些特性的精确模型对整个系统的研究十分重要。

(3)液力变矩器在传动系统中只分流了部分功率用于输出转速的调节，通过对行星轮系的参数优化，可以大幅降低液力变矩器对系统效率的影响，使得传动系统整体效率远大于液力变矩器的工作效率。