SSB蓄电池风力发电机组轴系扭矩测试与分析

2026-05-16 08:51:31

摘要：风力发电是风能使用的主要办法，也是可再生能源发电中最老练、使用最广泛的办法之一。虽然风能使用前景宽广，风能发展迅速，但风能很不安稳。风向、风速等都在不断改变，电网负荷也在不停的动摇。因而，风电机组的高、低速轴转矩将不断改变。本文在天然风况下对风力发电机轴系扭矩信号进行收集，使用虚拟仪器技能，完结了风力发电机组轴系扭矩和转速的丈量。

关键词：风力发电机组；轴系扭矩；测试与剖析

跟着我国风电的蓬勃发展和风电装机容量的逐渐添加，使风电机组的轴系扭振安稳性问题日益突出。别的，因为风电机组轴扭矩是风力发电机组正常运转的重要因素，轴扭矩平衡是风力机组顺利发电的基本条件。如果轴系扭矩不平衡，会形成风力机组的轴系扭振，严重时会形成轴的断裂等，然后损害风机和风电场的正常运转。

一、扭矩丈量办法

使机器元件滚动的力偶或力矩叫做滚动力矩，简称转矩。任何元件在转矩的效果下，必定产生某种程度的改变变形。因而，习惯上也常把滚动力矩叫做改变力矩，简称扭矩。从严格的力学视点来讲，转矩概念与扭矩不完全相同，前者是指外力矩，而后者是指内力矩。但当轴上只遭到一个扭矩的效果时，转矩和扭矩在数值上持平。一起，扭矩表现了旋转轴体系的能量传递办法，代表机械体系传动的工作状况，轴系在传递能量时必然会产生扭矩，经过剖析扭矩，可了解机械传动体系的改变应变功用。转矩丈量办法按基本原理划分为三类：传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)及能量转化法。

1、传递法。传递法是依据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的改变而丈量扭矩的办法。所依据的物理参数是弹性元件的变形、应力或应变，最常用的丈量扭矩的弹性元件是扭轴。传递法便于使用而且精度高，因而实践工程中常用传递法进行扭矩丈量。

2、平衡力法。对任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩效果时，在其机体上必定一起效果着方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)，丈量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上效果扭矩巨细的办法，便是平衡法，亦称为反力法。

3、能量转化法。它是依据其它能量参数(如电能参数)丈量机械能参数及扭矩的办法。按照能量转化的观点：动力机械，如电动机、内燃机等，分别把电能、化学能转化为机械能的组织；而制动机械，如发电机、水利制动器等，则分别把机械能转化为电能、热能的组织。

二、测试体系规划

750kW失速型风力发电机组是目前国内外主流风力发电机型之一，机组旋转轴包含低速轴和高速轴，两部分经过齿轮箱巧合。高速轴扭矩和转速信号用DAT-AFLEX自由扭矩丈量轴进行丈量，该丈量轴直接与高速轴衔接在一起。低速轴直径较大，无法用DATAFLEX丈量轴，用扭矩和转速遥测体系TT9000进行遥测。计算机数据收集硬件体系包含PC机和PCI-6024E数据收集卡。PCI-6024E数据收集卡支持DMA办法和双缓冲模式，确保了实时的信号不间断收集与贮存。

软件体系包含数据收集模块、数据显现模块、数据处理模块和数据管理模块等。数据收集模块完结了低速轴扭矩、高速轴扭矩和发电机转速三路信号的一起收集；数据处理模块包含时域剖析和频域剖析两个功用模块，时域剖析完结时域信号滤波和转化功用，频域剖析完结信号相关性剖析、功率谱剖析和幅值谱剖析功用；数据显现模块用来完结波形显现和数字显现功用，数据管理模块完结数据保存和查询功用。

三、风力机轴系扭矩时域剖析

由计算机数据收集硬件体系送来的数字信号需经过公式还原出真实值。发电机转速的转化公式为：(X1-0.014648)×5000；高速轴扭矩的转化公式为：(X1-3.75)×16000；低速轴扭矩的转化公式为：(X1-0.024414)×76069.62339，其间，0.014648、3.75和0.024414分别为静态值。

在发电机转速达到同步转速1510r/min，发电机并网发电；在并网发电进程中，发电机转速能始终保持在同步转速邻近；风力机开始停机，叶尖阻尼板弹出；在发电机转速降低到500r/min，圆盘闸动作刹车；风力机停止运转。在风力机的正常起动和停机进程中，经过叶尖阻尼板和圆盘闸的配合，完结对发电机转速的渐进操控，将风力机起停进程中的转速改变率降到最小。

此外，在风力机起动到并网这段时间内，低速轴扭矩呈小幅动摇，这是因为组成风轮的三个叶片不完全相同而导致的。在并网瞬间呈现了较大的反向扭矩，是因为突然施加了制动电磁力矩，叶轮力矩来不及增大，然后致使扭矩骤变为负值。在并网发电进程中，风力机输入机械功率与发电机电磁功率处于平衡状况，旋转轴扭矩改变反映了风力发电机输出功率改变，扭矩增大表明发电机输出功率增大，反之削减。刹车进程中呈现两次大起伏的扭矩骤变，第一次对应于叶尖阻尼板弹出，第二次对应于圆盘闸动作，其间圆盘闸动作引起的扭矩骤变量最大约为20万N•m，并伴随有大幅扭矩振动。高速轴扭矩改变曲线与低速轴基本共同，而数量级低许多，刹车进程最大扭矩骤变量约800N•m。风力发电机的机械体系是按照安稳运转状况进行规划的，过大的扭矩改变将会使机组轴系元件产生疲惫，然后影响风力发电机组的寿数。在风力机正常运转进程中，低速轴在刹车时呈现大起伏扭矩振动现象，将影响低速轴使用寿数，应采纳适当的措施改进其运转状况。

别的，在正常停机时，叶尖阻尼板首先弹出，当低速轴扭矩降至较低水平时，再起动圆盘闸制动，整个停机进程有两次制动，低速轴扭矩改变起伏相对较小，扭矩峰值为18万N•m；紧急停机时，发电机脱网、叶尖阻尼板弹出和圆盘闸制动简直一起动作，受此影响，低速轴扭矩产生大起伏骤变，扭矩峰值达到30万N•m，是正常停机时的1.67倍。因而，紧急停机比正常停机的扭矩改变量大许多，对机组的损害也更大。

四、风力机轴系扭矩相关性剖析

相关性剖析是使用相关系数或相关函数来描绘两个信号间的相互关系或其类似程度，自相关函数可用来描绘同一信号的现在值与曩昔值的关系。风力发电机正常并网发电进程中的高速轴和低速轴扭矩自相关函数图，时滞t=1s时自相关函数值为最大，当t>1s时自相关函数跟着时滞t的增大而线性减小，并在时滞t=2s时减为0，这表明风力发电机正常发电进程中任意时刻的扭矩信号仅与最近的扭矩信号(1s以内)线性相关，并且不存在周期性分量。正常停机进程中的低速轴扭矩自相关函数图，扭矩信号存在显着的周期性分量，周期约为0.5s，这是低速轴惯性载荷效果的成果。高速轴转速和扭矩的互相关函数图，时滞t=1s时自相关函数值为最大，表明任意时刻的高速轴扭矩与该时刻的转速之间近似存在线性关系，时滞t>1s时互相关函数线性递减，表明高速轴扭矩仅与最近的转速信号(1s以内)相关。

五、结语

风力发电机组将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。风力机的风轮是把天然风转化成机械能的重要部件。风轮输出机械能的巨细直接表现风能使用效率的高低，而输出机械能的多少直接表现了风轮输出轴扭矩。扭矩决定着各种机械的工作能力、能源消耗、寿数、效率和安全功用等。因而，扭矩是各种机械的最重要特征参数之一，也是各种机械试验进程中必须测试的一项参数。