大功率风电齿轮箱试验台的关键问题研究

【摘要】：随着科学技术的发展,凤能作为无污染和可再生的新能源受到越来越多的重视。风力发电行业在过去的几年中飞速发展。我国风电机组总装机容量已达到了世界第一,但风电齿轮箱作为风电机组中的重要传动部件,其国产化率还不高,特别是3兆瓦以上的风电齿轮箱在国内还没有成熟产品。台架试验是齿轮箱研究开发和质量检测的必要手段。对于大功率风电齿轮箱试验台的研究将有助于国内兆瓦级风电齿轮箱的研究开发和产品质量的提高。 为此,本文研究开发了大功率风电齿轮箱试验台,用于6兆瓦以下的风电齿轮箱台架试验。论述了风电机组和风电齿轮箱的基本结构及电功率封闭式的齿轮箱试验台在风电齿轮箱试验台中的应用。在此基础上,利用西门子变频器、电动机、可编程控制器和WINCC监控软件搭建了风电齿轮箱试验台的驱动和加载系统,可实现对风电齿轮箱的驱动和加载,完成风电齿轮箱的各种试验,模拟风电齿轮箱在风力发电时的工作状态。利用NI数据采集卡和Labview软件搭建了风电齿轮箱运行状态监控系统,可对试验中的风电齿轮箱进行状态监控、故障诊断和停机保护。利用LMS Imagine.Lab AMESim软件建立了风电齿轮箱试验台传动链的扭转振动模型,分析了其扭转振动特性；得到了其无阻尼扭转振动和有阻尼扭转振动的固有频率和模态振型,以提高试验台系统的加载精度,避免轴系扭转共振。 论文的主要章节和内容如下： 第一章、提出课题研究的背景；综述国内外风力发电的发展现状和发展趋势,风电齿轮箱的研究制造现状和发展趋势,风电齿轮箱试验台的发展现状和趋势；提出本文主要研究内容。 第二章、论述风力发电机组和兆瓦级风电齿轮箱的基本结构；比较几种常用的齿轮箱试验台结构在风电齿轮箱试验台中的应用,从而确定兆瓦级风电齿轮箱试验台的基本结构；论述试验台的机械系统,电气系统和监控系统的组成和主要功能。 第三章、在弹性动力学和多体动力学基础上,利用LMS Imagine.Lab AMESim软件建立了基于电功率封闭式结构和两级行星轮系加一级平行轮系的风电齿轮箱的试验台传动链扭转振动模型,包括无阻尼扭转振动模型、有阻尼扭转振动模型和模拟实际工况的复杂模型；建立了异步电机矢量控制模型。 第四章、利用LMS Imagine.Lab AMESim软件线性分析工具——特征值分析和模态振型分析,对试验台传动链无阻尼扭转振动模型和有阻尼扭转振动模型进行分析,得到各自的固有频率和各阶模态振型。比较连接轴不同刚度情况下无阻尼扭转振动模型固有频率变化情况;按阶跃信号、斜坡函数给定转速和载荷时,连接轴扭矩和转速的变化情况；风电齿轮箱各级齿轮副啮合刚度的不同。 第五章、基于电功率封闭式结构风电齿轮箱试验台,详细介绍本文试验台的主要硬件和软件设计,包括电动机、变频器、可编程控制器、WINCC监控系统、NI数据采集系统、Labview软件系统。 第六章、总结全文,并对今后进一步的研究工作予以展望。 【关键词】：风电齿轮箱试验台 电功率封闭 PLC WINCC 变频器 LMS Imagine.Lab AMESim 扭转振动 固有频率 模态振型 Labview
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 风力发电发展现状与趋势13-15
• 1.2 风电齿轮箱的运行特点与失效形式15-16
• 1.3 风电齿轮箱试验台发展现状16-17
• 1.4 传动系统扭转振动研究现状17-19
• 1.5 本文研究的主要内容19-21
• 第二章 风电齿轮箱试验台总体方案设计21-33
• 2.1 风力发电机组结构分析21-22
• 2.2 风电齿轮箱结构分析22-25
• 2.2.1 风电齿轮箱分类22
• 2.2.2 风电齿轮箱的结构和功能原理22-23
• 2.2.3 风电齿轮箱传动比计算23-25
• 2.3 齿轮箱试验台结构比较分析25-27
• 2.3.1 机械开放式25
• 2.3.2 机械封闭式25-26
• 2.3.3 电功率封闭式26-27
• 2.4 大功率风电齿轮箱试验台总体方案设计27-29
• 2.4.1 大功率风电齿轮箱试验台的基本结构27
• 2.4.2 驱动和加载系统的基本结构27-28
• 2.4.3 机械传动系统的基本结构28-29
• 2.4.4 风电齿轮箱运行状态监控系统的基本结构29
• 2.5 交流变频调速系统29-32
• 2.5.1 变频调速优点30
• 2.5.2 变频器分类30
• 2.5.3 矢量控制方式30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 风电齿轮箱试验台建模33-51
• 3.1 建模理论基础33-38
• 3.1.1 机械弹性动力学简介33-34
• 3.1.2 多体系统动力学简介34
• 3.1.3 单自由度扭转振动模型34-35
• 3.1.4 齿轮副扭转振动模型35-38
• 3.2 LMS Imagine.Lab AMESim软件介绍38
• 3.3 风电齿轮箱建模38-45
• 3.3.1 传动轴建模39-41
• 3.3.2 行星轮系建模41-42
• 3.3.3 平行轮系建模42-43
• 3.3.4 风电齿轮箱模型43-45
• 3.4 试验台传动链模型45-46
• 3.5 异步电动机及其矢量控制模型46-49
• 3.5.1 MT坐标系上异步电动机数学模型46-47
• 3.5.2 异步电动机矢量控制模型47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第四章 风电齿轮箱试验台模型仿真分析51-73
• 4.1 无阻尼自由扭转振动仿真分析51-60
• 4.1.1 无阻尼自由扭转振动模型参数设置51-52
• 4.1.2 无阻尼自由扭转振动仿真步骤52-57
• 4.1.3 无阻尼自由扭转振动特征值分析57
• 4.1.4 无阻尼自由扭转振动模态振型分析57-60
• 4.2 有阻尼自由扭转振动仿真分析60-63
• 4.2.1 有阻尼自由扭转振动模型参数设置60
• 4.2.2 有阻尼自由扭转振动仿真步骤60
• 4.2.3 有阻尼自由扭转振动特征值分析60
• 4.2.4 有阻尼自由扭转振动模态振型分析60-63
• 4.3 无阻尼自由扭转振动固有频率比较分析63-68
• 4.3.1 不同初始转速下无阻尼自由扭转振动固有频率比较分析63-65
• 4.3.2 不同刚度下无阻尼自由扭转振动固有频率比较分析65-68
• 4.4 试验台传动链模型时域仿真分析68-70
• 4.4.1 恒定扭矩加速情况68-69
• 4.4.2 恒定输入转速情况69-70
• 4.5 各级齿轮副Hertz啮合刚度比较70-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 风电齿轮箱试验台硬件和软件设计73-87
• 5.1 电机的选型和结构布置73-75
• 5.1.1 电动机结构形式73-74
• 5.1.2 电动机参数74-75
• 5.2 西门子低压交流变频调速系统75-77
• 5.2.1 西门子变频器简介75
• 5.2.2 变频器参数75-76
• 5.2.3 SIMOlink的应用76-77
• 5.3 PLC和WINCC监控系统77-80
• 5.3.1 PLC30077-78
• 5.3.2 PROFIBUS-DP总线78
• 5.3.3 WINCC监控系统78-80
• 5.4 扭矩传感器和联轴器选型80-81
• 5.4.1 扭矩传感器80-81
• 5.4.2 高速轴联轴器和中间联轴器81
• 5.5 风电齿轮箱运行状态监控系统81-86
• 5.5.1 信号采集81-84
• 5.5.2 Labview软件系统84-86
• 5.6 本章小结86-87
• 第六章 总结与展望87-89
• 6.1 总结87-88
• 6.2 展望88-89
• 参考文献89-93
• 附录Ⅰ93-96
• 附录Ⅱ96-99
• 作者简历99

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基于虚拟仪器的大型高速齿轮箱故障诊断系统研究    陈晗霄

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