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67 风力 发电 偏航 减速器 试验台 设计 任务书 毕业论文 三维 图纸 全套 机械 资料

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湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 风力发电偏航减速器试验台设计 学号： 2006183927 姓名： 余浩 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 杨世平 系主任： 周友行 一、主要内容及基本要求 1. 设计计算部分： 分析偏航减速器试验台的工作原理，分析偏航减速器的齿轮和惰轮啮合的关系式。并通过对惰轮轴的校核进行结构设计估计其惰轮轴的最小直径，最后对各零件进行定位，最后设计出偏航减速器试验台。 2. 运行控制部分设计 ：根据设计要求， 采用了电机加载方式，并实现能量回馈控制。 运行控制系统通过对变频电机的控制实现减速器运行工况的模拟：控制加载电机的方向转矩实现减速器负荷的模拟，采用电机转矩直接矢量控制，以提高转矩的稳定性和精确性；采用直流母线的方式实现能量的回馈；以检测控制台的旋钮实现转速、转向和负 荷的远程控制。测试对象为偏航减速器运行控制系统。运行控制系统由主电路和控制电路两部分组成，主电路实现功率级的电机控制，控制电路实现信号级的控制，包括 ：驱动电机的速度调节、加载电机的转矩调节、驱动、加载电机的正反转控制、启停的实现、空损和加载试验工位的选择、急停功能的实现、超出正常工况的报警、直流母线的通断控制、电机散热风扇的延时关闭、电机的点动控制，采用 行程序设计。 3. 设计要求 测试对象： 2电机组偏航减速器，主要测试数据 ： 输入、输出 转速、转矩和功率、转动效率、油池温度、压力，壳体温度、壳体振动、被试件输出小齿轮转速，测试数据精度要求：温度 1 C,转速 1%,转矩 1%，结构紧凑，外形美观，功能可扩展。，偏航减速器输入功率 3入转速 940动比 1330 1%、输出转速 9出齿轮扭矩 作寿命为满载荷 1 年。 二、重点研究的问题 本课题的研究目的就是 根据风力发电偏航减速器试验台的基本功能及所需检测的技术参数，结合当前计算机技术、自动检测与控制技术的特点，以检测实用性、操作方便性、使用可靠性为原则来完成整个风力发电偏航减速器试验台的设计。同时，运用 动电机和加载电机进行控制。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 学习 术知识 查找课题有关文献资料，学习 术知识 偏航减速器试验台总体机构设计 各个零件的设计 运用 实体图和装配图 运用 零件图 20 7 运行控制部分和测试部分的选型与设计 设计的整理与设计说明书的编写 四、应收集的资料及主要参考文献 1濮良贵 ,纪名刚 . 机械设计 M. 北京 :高等教育出版社 ,2002. 2 徐灏 第三卷 M. 北京：机械工业出版社 ,1993. 3 严陆光 ,倪受元 J 1995,20. 4李世芸 维设计教程 M. 北京 :机械工业 出版社， 5侯国屏 编程与虚拟仪器设计 M. 清华大学出版社 ， 6戴敬 础教程 M2002. 7孙垣 ,陈做模 M 8解蕾 ,张延迟 ,解大 J4(11) 9懂泳 ,王洪杰 制技术在矿用试验台上的研究 J16(6):2. 10蒲晓波 . 西门子 盾构控制系统检测试验台的应用 J9(1):1. 湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 风力发电偏航减速器试验台设计 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 2006183927 姓 名： 余浩 指导教师： 杨世平（副教授） 完成日期： 2010 年 5 月 27 日 湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 200183927 姓名 余浩 专业 机械设计制造及其自动化 毕业 论文（设计）题目： 风力发电偏航减速器试验台设计 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当 ； 生产、科研、 社会 等实际 相 结合 。 能力 合归纳资料的能力； 综合运用知识的能力； 究方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸 是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 评阅人： 2010年 5月 日 湘潭大学 兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2006183927 姓名 余浩 专业： 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 45 页 图 表 4 张 论文（设计）题目 ： 风力发电偏航减速器试验台设计 内容提要： 风能，作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。同时 ，风力发电技 术也逐 渐成为科研人员研究的热点。目前风力发电技术发展趋势之一是单机容量 不断 增 大， 利用效率提高，大功率 (兆瓦级 )、并网型机组己成为发展方向 。提高偏航减速器 的使用 性能和使用寿命，是降低技术成本，提高风场发电能力，高效利用风能的重要 手段。 因此，风力发电偏航减速器试验台已经成为当今主流产品。搭建风力发电偏航 减速器 试验平台，在试验台上确定了偏航减速器的各种性能参数， 达到更好利用对风 装置 。 本设计以各类行星齿轮减速器检测技术的特点和各种检测工具性能、试验环境要 求，针对实现偏航减速器各种性能参数检测的设计。首先应设计出偏航减速器试验台 机械部分，画出惰轮的装配图 ， 箱体、惰轮、 惰轮轴的零件图，然后设计运行控部分 ，最后进行检测部分的选型。 因此， 偏航减速器试验台可 检测出偏航减速器的制各种 性能指标，来判断偏航减速器 在对风过程中是否 能够正常运行。 设计的过程中， 利用 了风力发电各种传感器的性能指标和传动齿轮的设计，并以此计算出惰轮轴的最小轴 径和校核惰轮轴，在设计轴的过程中，根据设计手册中的如何正确定位知识来进行轴 的定位，并且正确选取滚动轴承。 在进行运行控制 部分设计时，运用 机的运行 ，并运用 最后，根据试验的条件来选择测试元件。 指导教师评语 指导教师 ： 年 月 答辩简要情况及评语 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 3 第一章 绪论 1. 1 课题的研究背景 1. 1. 1 当代能源危机问题 能源是人类文明发展的“血液”，同时也是一个国家发展的重要前提。自从 200 年以前工业革命开始到现在，全球的能源消耗就急速增长，能源已经成为制约经济发展的最大障碍。其中当代所面临的能源情况为： 1) 能源资源 从资源上来说，资源总量小，约为世界的 10%；人均水平低，为世界人均水平的40%；能源结构单一，主要来自化石燃料 煤、石油和然气；图 1出了我国和世界一次商品能源消费结构。 图 1我国和世界一次商品能源消费结构 截止到 2006 年底，探明总资源 量为 8230 亿吨标准煤，探明剩余可采总储量 1390亿吨标准煤；剩余可采储量的保证程度为煤炭 80 年、石油 15 年、天然气 30 年汾别为世界平均水平的 1/2、 1/3 和 1/2；资源中以煤为主，缺乏石油、天然气资源。如图 1 2) 人均能耗 人均能源消耗是衡量一个国家经济繁荣程度的晴雨表。我国目前的人均年消耗为1292 公斤标准煤，为美国的 10%，日本的 22% ， 家的 19%，世界平均水平的 61%；要达到世界平均水平需要 30 亿吨，达到 家平均水平需要 85 亿吨。 1. 1. 2 环境问题 近年来 ，环境污染相当严重，多人们带来了很大的影响。其中化石燃料的消耗给人类所造成的环境污染和安全问题已经成为社会的主要矛盾。化石燃料的燃烧除了煤炭产生的扬尘之外，还会释放 。这些气体 (酸雨和酸沉降 )的排放，会导致全球气候变暖 (温室效应 )及煤烟型大气污染。主要依靠煤炭的发展中国家， 4 如中国、印度等的空气污染已相当严重，按目前污染排放推算，再过 100 年，人类将无法在地球生存。 1. 1. 3 新能源的开发与应用 面对能源的短缺和环境污染所产生的一系列问题，我们必须大力开发利用可再生 能源资源。其中风能是世界上最具大规模应用潜力的可再生能源。我国蕴含着巨大的风能资源，特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和河西走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在 3m/s 以上的时间近 4000 小时左右，一些地区年平均风速可达67m/s 以上，具有很高的开发利用价值。如图 1示为中国的风力资源分布情况，东南沿海属于中强压地带，石油、煤炭资源匿乏，而且高速的经济增长对电力的需求又很大，所以风能开发具有广阔的前景。北方从新疆通过甘肃到内蒙古，是中国风力资源最丰富的地区，而且这一地区的风速稳定，很少 有紊流和咫风现象，人口稀少，地域平坦，适合发展大型风力发电厂，这一地区的风能储存量可以达到 500 万千瓦，年发电可以达到 千瓦，是目前中国电力消费量的 60%左右。 图 1 中国的风力资源分布 利用风能，不仅可以扩大能量来源、节约矿物资源，而且还有助于解决边远地区孤立用电者的需要，具有现实的社会和经济利益。风力发电作为一种新型的可再生的能源 5 形式，是近期内技术成熟、环境友好，具有大规模发展潜力的可再生能源技术，在远期风能将成为世界上重要的补充能源。风力发电是世界范围内增长最快的一种能源形式 ，在世界各地正得到越来越广泛的应用。 1. 2 风力发电技术国内外研究发展现状 1. 2. 1 国外的发展现状 在一些发达国家 ，风力发电试验平台的建设已经到了一定的成熟阶段。欧、 美己有多个风电公共平台， 例如欧洲风能研究院 ( 德国风能研究所 ()等。 在德国，风能是居水力发电之后最重要的再生能源来源，风力发电在德国电力生产中所占的比例已达到 目前，德国共拥有 9400 座风力发电机，总容量近 6100 兆瓦，占欧洲大陆风能发电总容量的 50%，全球风能发电总量的三分之一。在未来 10 年里， 德国风力发电在电力生产中所占的比例将达到 联邦风能协会的估计更为乐观，认为风力发电在电力生产中所占的比例甚至可以提高到 30% 。不过，这一切都取决开发风能发电的新领域 近海风力发电的努力是否成功。 美国是世界上最早重视风力发电的国家之一， 1994 年时装机容量 (163 万 占当年全球风电装机容量的 53%。虽然电力工业改组引起的混乱使美国 1991的风电业没有太多增长，但随着电力工业改组的完成，到 2000 年时，每年至少可交付 30 万风电机组产品，形成 40 亿美元的风机产业，风电平均价格 将低于 42050 年时，全美风力发电将占全国电力用量的 10% 印度从 20 世纪 90 年代以后大力引进国外技术，并采取有力的政策措施促进风力发电的发展。 1995 年是其风电装机容量增长最快的一年，增量达 19%年又上升到 过丹麦，成为世界第三个风力发电最多的国家。荷兰、英国等国的风电事业，也在迅速发展。 1. 2. 2 国内 的发展现状 风力发电是一种比较清洁的发电体系， 我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约 10亿 中，陆地上风能储量约 地上离地 10m 高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约 计 10亿 风是没有公害的能源之一 ， 而且它取之不尽，用之不竭 。但是，风力发电要求的技术含量较高，成本高，对风装置用不长久。其中风力发电对风装置试验台的研制还处在初期阶段。 风力发电作为未来可取代传统能源的“ 绿色能源 ” 之一，其发展的速度在诸如太阳能、生物质能和潮汐能等可再生能源中是最具有市场化规模及前景的。在一些国家，风能发电已能提供全国电能需求的 10% 20% ，有的甚至达到 50%以上。虽然中国的风电事业 起步比较晚，但在国家政策大力支持下，过去 10 年内的风力发电装机容量年均增长速度达到了 55%以上，前景看好。在 2005 年全国风电建设前期会议上，国家发 6 展与改革委员会能源局提出：到 2010 年全国风电装机容量达到 400 万 电上网电价将进一步降低；到 2020 年 ，装机容量将 2000 万 能利用将遍及全国城乡。由于风电事业的蓬勃发展，建设风力发电试验台就显得极为重要。 力发电偏航减速器试验台研制的目的及意义 风能，作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。同时，风力发电技术也 逐渐成为科研人员研究的热点。目前风力发电技术发展趋势之一是单机容量不断增大，利用效率提高，大功率 (兆瓦级 )、并网型机组己成为发展方向。提高偏航减速器的使用性能和使用寿命，是降低技术成本，提高风场发电能力，高效利用风能的重要手段。因此，风力发电偏航减速器试验台已经成为当今主流产品。 搭建风力发电偏航减速器试验平台，在试验台上确定了偏航减速器的各种性能参数， 达到更好利用对风装置 。 力发电偏航减速器试验台的研究情况 试验室进行风力发电偏航减速器的试验台研究，用电动机控制偏航减速器的驱动运行 和加载运行，人们提出了不同的风力发电偏航减速器试验台的方案。目前主要采用异步电机来驱动风力发电偏航减速器试验台的运行。 风力发电偏航减速器试验台的运行时按照改变电动机的频率来改变电动机的转速，从而实现的偏航减速器试验台的驱动和加载运行，根据发电机转速和风速输出相应的机械功率，输出转矩要能够随风速的变化而变化。因此偏航减速器试验台需要对电机转矩进行适当的控制。目前提出的大部分试验台设计方法是基于异步电机的频率控制方法，该方法根据风力机风轮的转矩特性控制异步电机的转矩，具有良好的转矩动态调节性能，但是异 步电机的固有缺点限制了该方法的进一步应用。因此，近年来国外基本上都采用改变异步电动机的频率来设计风力发电偏航减速器试验台，并初步完成了相关具体设计，图 1风力发电偏航减速器组。 7 图 1 风力发电偏航减速器组 论文研究的内容 风能的利用前景非常广阔，怎样更好地利用发电设备是一个很有意义的研究课题。本文的选题就是在这样的背景下，由湘潭市江麓机电科技有限公司和湘潭大学一起来设计完成的，结合当前计算机技术、自动检测与控制技术的特点，以检测实用性、操作方便性、使用可靠性为原则，完成整个试 验台的设计。考虑试验环境清洁要求及测试能力的可扩展性，本方案采用电机加载方式。 本文的主要研究内容和章节结构简要说明如下： 第一章阐述了本文的研究背景，国内外风力发电技术的研究现状、风力发电试验台的研究状况及本文的研究意义与研究内容。 第二章提出了偏航减速器试验台设计的要求和功能。 第三章做了偏航减速器试验台详细的设计。首先讲述了偏航减速器工作的原理，并考虑到怎样合理来设计偏航减速器试验台。 第四章讲述了变频器的工作原理，做了运行控制部分的设计；具体讲述了如何运用控制整个试验台的运行，并 给出了详细的电路及解释。 第五章论述了偏航减速器试验台测试部分的设计。 第 六 章总结全文，给出结论，并提出了下一步研究的内容。 8 第二章 偏航减速器试验台工作的要求 偏航减速器试验台的基本设计依据 1） 测试对象： 2电机组偏航减速器。 2）主要测试数据 ; 输入、输出转速、转矩和功率、转动效率、油池温度、压力，壳体温度、壳体振动、被试件输出小齿轮转速。 3） 测试数据精度要求：温度 1 C,转速 1%,转矩 1%。 4） 结构紧凑，外形美观，功能可扩展。 5) 偏航减速 器输入功率 3入转速 940动比 1330 1%、出齿轮扭矩 作寿命为满载荷 1年。 偏航减速器试验台的基本功能 根据设计要求，通过分析偏航减速器的工作状况，我们拟定在该试验台上，完成偏航减速器空损、加载、超载以及疲劳寿命和峰值载荷五类性能检测。拟设计的试验台能够实现实现以下几点基本功能： 1） 设置偏航减速器测试模块，它的模块分为两个单元，进行“空损 +峰值载荷”试验和“加载 +超载 +疲劳寿命”试验。 2） 采用电机加载方式，并实现能 量回馈控制。 3） 做空损检测时，通过控制台面板开关操作，可完成转速。转矩检测以及空损效率计算。做性能测试时，通过控制台面板开关、旋钮等操作，对偏航减速器的正反方向加载系统进行远程控制，以完成对两类减速器的变负荷加载、超载、疲劳寿命等项目的检测。 4） 利用数据采集卡完成数据的采集，并通过工控机完成数据的处理（如损失功率估算、传动效率估算等计算），保存、实时显示和打印等功能；同时可以监测整个测试过程，并进行故障报警指示及相应保护； 5） 采用工控机对试验台显示系统进行控制，可实时直观地显示测试转速、测试转矩 、测试温度等性能参数； 6） 本方案符合关键元器件都选择符合国家计量标准的工业级产品，以保证检测结果符合国家各工厂标准。 本章小结 本章首先讲述了本文的总体控制要求，然后提出了偏航减速器试验台控制要实现的基本功能，为下面研究做了很好的铺垫。 9 第三章 偏航减速器试验台方案及其具体设计 试验台整体方案 试验台采用模块化结构，包括偏航减速器测试模块、电机控制模块、测试模块等，测试控制台实现整个系统地远程集中控制和数据检测，电机控制柜为变频器和逻辑控制元器件提供安装平台。偏航减速器工 作状态为垂直安装，在本系统中，偏航减速器仍采用垂直安装方式，并通过法兰与机架相连接。工作台置于平整的地面上（不需要地脚螺钉）。考虑到该减速器为大传动比、大扭矩输出，陪试件采用与被试件相同的偏航减速器，两个减速器采用惰轮过渡组成传动系统。为保证电机、转速转矩传感器、联轴器之间的连续可靠性。鉴于中间惰轮的拆装难度大、而空损试验台使用频率高，空损试验另外设置一个工位，但驱动电机和及测控系统依旧与加载试验共用一个，以达到资源共享、提高可靠性、降低成本的目的。 航减速器试验台工作的原理 偏航减速器试验 台包括：减速器运行控制、减速器输入输出转矩、转速测量、减速器输入输出功率及传动效率、减速器油温、压力、壳体温度、振动等参数检测，异常情况下的报警、保护处理和人为干预；计算机参与全程监测并进行数据记录、分析、显示和打印输出。 根据信号流不同，试验台可分为运行控制系统和测试系统两个相对独立的子系统。运行控制系统通过对变频电机的控制实现减速器工况的模拟：控制驱动电机的转速实现减速器输入转速的模拟；控制加载电机的反向转矩实现减速器负荷的模拟。测试系统通过传感器、仪表。采集卡和工控机等实现试验参数的检测。 航减速器试验台机械部分的具体设计 3. 3. 1 偏航减速器试验台机械部分总体设计 偏航减速器实验台架包括负载实验台架和空载实验台架，并排布置在梯形槽平板上。梯形槽平板的尺寸为 2200 1200，见图 3梯形槽平板上安装有支撑板、在下支撑板上安装箱体，在箱体上安装有箱体支撑板，在箱体支撑板上安装偏航减速器，在偏航减速器上安装传感器安装架。在安装架上分别安装转矩转速传感器、驱动（负载）电机，驱动电机与负载电机型号参数完全相同，竖直安装，以保证试验条件与工况条件一致。 在进行空载实验时，偏航减速器安装 在空载台架上，其上安装有传感器安装架。在进行负载实验时，两偏航减速器安装在负载实验台架上，其上分别安装传感器安装架，箱体中的惰轮分别与两偏航减速器的输出齿轮啮合，以传递负载。 10 2 2 0 01200225图 3航减速器试验台梯形槽 3. 3. 2 偏航减速器负载试验台的设计 1）齿轮部分 偏航减速器输出齿轮 齿轮的材料采用为 20航减速器输出齿轮的模数 0，齿数 Z=12，分度圆直径 d=240。 惰轮的设计 由于惰轮和偏航减速器输出齿轮啮合，因此，惰轮和偏航减速器输出齿轮的模数相等，即1220。本设计采用的是偏航减速器输出齿轮和惰轮是在一条直线上啮合传动，所以惰轮的分度圆直径要比偏航减速器输出齿轮要大，同时为了防止根切，取惰轮的齿数 30z ，则惰轮的分度圆直径 600d 。惰轮的标准压力角 020 ，齿顶圆直径 1 2d z h m ，齿根圆直径 2 22 ad z h h m ，齿距6 2 . 8 ，齿厚为 P/2=宽 ，齿轮宽 145B 。惰轮的图形为图 3 11 A - 惰轮 2）电机的选型 由 输 入 输 出，则 p 输入 = p 输出 =3此，选用额定功率为 4异步电机，偏航减速器的输入转速为 940r/电机的额定转速 n 电 940r/中9550T= p n =据偏航减速器转速和扭矩可知：可选用额定功率为 4步转速为 1500r/定转速为 1435号为 112 3）联轴器的选型 由 9550T= p n =9550 4/1000=机转矩 表可知：都选用型号为 联轴器，选用钢质材料，其中成品直径 8， 5。 4）惰轮轴的设计 由综合性能可知，轴的材料选用 20于惰轮在运转过程中受到两个相同的切应力，则惰轮轴不受转矩的作用，因此采用许用力法来计算轴的最小轴径（直径）。 221340 . 1 1 式中1 轴的对称循环用弯曲应力（ D 计算截面处轴的直径 M 计算截面处轴所受弯矩 T 计算截面处轴所受扭矩 12 进行轴在结构设计后进行强度校核，根据 M、 T 及 d 的大小确定危险截面作为计算截面，必要时选几个截面进行校核。 20抗拉强度为 1080曲应力1=480 而偏航减速器的传动比为12n n ，则 n 出 =出齿轮的扭矩为 轴的受力简图 轴受水平、圆周和垂直方向的力，其受力简图为图 3力简化图为图 3 F tF F 轴的受力简 化 图 由于轴承垂直安装，在试验台运行过程中轴承对轴垂直方向的力几乎为零，则相当只受水平方向的力，水平图为图 3 13 2 水平受力图 轴的强度校核及轴的最小轴径计算 由t 2TF d及 ta 式中： 齿轮传递的扭矩 齿轮的分度圆直径 a 啮合角 则 0航减速器的重量 G=200 由此可知，122N H N H F和力偶平衡2 2 1 1 0c N H N L F L 由图 3轮轴受到两个相同方向相同的力，则 水平力12扭矩 T=0 惰轮轴受到弯矩的作用，弯矩为 : 取 1 1 1 0 1 6 3 . 5N H N X F X X 取截面：则 22 3 2 7 1 6 3 . 5 3 2 7 X X 由弯矩图可知 : 在惰轮中间部分所受的力最大，则惰轮轴中间部分所受力最大，此处为危险截面。当 X= M=13080 则弯矩图为图 3 14 + 0 8 0 k N . m 矩图 由 221340 . 1 1 可知， d 65，则只要轴的直径大于等于 65，轴就达到所需要的强度。因此，取轴的最顶端的直径 10，与滚动轴承相 配合 的轴 直径60，轴的 结构 图形为图 3 图 3的结构图 5）滚动轴承的选择 深沟球轴承 本试验台中轴配合的滚动 轴承采用深沟球轴承，选用 d=160, D=290, B=48, 15 15/承代号为 6232。 轴承寿命计算 1求比值 0Fa 根据机械设计手册表 12沟球轴承的最大 e 值为 此时Fa rF e，所以 X=1,Y=0,。 2初步计算当量动载荷 P 根据式 r a F Y F f按照机械设计书表 13 P=96000N， C=21500N。 根据式 61060，其中 n= 可知 ：9705. 2（ h） 。 推力球轴承 由于推力球轴承和 10的轴配合，则选用 d=110,D=160,T=38。 6）箱体的设计 根据上面做确定的各尺寸可定出箱体的各尺寸，箱体的图像为图 3 7）惰轮支架的设计 为 了将各零件拆装方便，润滑较充分，惰轮支架放在箱体里面，惰轮支架的图形为图 3 8）键的选择 由于键槽要是惰轮和轴定位，则根据机械设计手册可知，键采用 L=125， R=45,h=28。 9）支撑板的设计 箱体支撑板根据惰轮支架和箱体的定位可知，设计支撑板的长度 L=1450， h=60，B=800。 10）端盖和端盖轴套的设计 端盖的各尺寸是根据让深沟球的内圈定位所确定的，端盖的总长 L=373,h=80，其具体各尺寸为图 3盖轴套的各尺寸是根据使深沟球轴承周向定位确定的，其内圈的直径 d=280。 16 0 4 2 08191 4 5 09505805 0 0+ 0 903 4 0剖 面 A - 箱体 3029037612图 3 端盖 17 5 0 050017247图 3惰轮支架 11）螺栓、垫片和螺钉的选型 为了让各零件能够装配起来和定位，螺栓选择为 60、 55 、 65、 100；螺钉选择为 50、 65、 95；垫片选择为 2、 3。 12）偏航减速试验台总体图 偏航减速器负载试验台总体工程图为图为 3炸图为图 3体图为图 3 18 1 3 6 08601 3 7 01202880950图 3偏航减速器试验台总体图 图 3航减速器负载试验台总体爆炸图 19 图 3航减速器负载试验台实体图 图 3航减速器负载试验台实体图 3. 3. 3 偏航减速器空载试验台的设计 空载试验台中只有箱体和负载试验台不箱体，其它各零件尺寸和选型与偏 航减速器负载试验台的设计相同。其中偏航减速器空载试验台的箱体尺寸为图 3航减速器 20 空载试验台的爆炸图为图 3体图为 3 8007 0 056040图 3 箱体 21 图 3航减速器空载试验台的爆炸图 图 3航减速器空载试验台的实体图 本章小结 本章讲述了偏航加减速器试验台设计方案和具体设计，同时明确了怎么样合理的设 22 计试验台，达到最好的检测效果。 23 第四章 偏航减速器试验台运行控制系统设计 运行控制系统通过对变频电机的控制实现减速器运行工况的模拟：控制加载电机的反向转矩实现减速器负荷的模拟，采用电机转矩直接矢量控制，以提高转矩的稳定性和精确性；采用共直流母线的方式实现能量的回馈；以测试控制台的旋钮实现转速、转向和负荷的远程控制。按照测试对象不同，运行控制系统为偏航减速器运行控制系统。 4. 1 变频调速基本概念 三相异步电动机的转速公式为 10 601 1fn n s s 试中：0p 为极对数， s 为转差率， 供电频率。 从上试中得知，改变供电电压的频率可以实现对交流电动机的速度控制，这就是变频调速。现在变频器在电气自动化控制系统中的使用越来越广泛，这得益于变频调速性能的提高和变频器价格的大幅度的降低。 实现变频调速的关键因素有两点：一是大功率开关器件。虽然早就知道变频调速是交流调速中最好的方法，但受限于大功率电力电子器件的实用化问题，变频调速直到 20世纪 80 年代才取得了长足的发展。二是微处理器的发展加上变频控制方式的深入研究使 得变频控制技术实现了高性能、高可靠性。 变频调速的特点：可以使用标准电动机，可以连续调速，可以通过电子回路改变相序、改变转速方向。其优点是启动电流小，可调节加减速度，电动机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全等。变频调速的应用领非常广泛，它应用于风机、搅拌机、挤压机、精纺机和压缩机，原因是节能效果。 频调速的类型 变频调速的实现必须使用变频器，变频器的类型有多种，其分类方法也有很多。 1. 根据交流环节分类 1) 交 交变频器 先把恒压恒率的交流电“整流”成直流电，再 把直流电“逆变”成电压和频率均可调的三相交流电。由于把直流电流逆变成交流电的环节比较容易控制，所以该方法在频率的调节范围和改善变频后电动机的特性方面都具有明显的优势。大多数变频器都属于交 交型。 2) 交 把恒压恒频的交流电直接变换成电压和频率均可调的交流电，通常由三相反并联晶闸管可逆桥式变流器组成。它具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点，但同时存在着输出频率低、使用功率器件多。功率因素低等缺点。该类变频器只在低转速、大容量的系统，如轧钢机、水泥回转窑等场合使用。 24 2. 根据直 流电路的滤波方式分类 1) 电压型变频器 在逆变器前使用大电容来缓冲无功功率，直流电压波形比较平直，相当于一个理想情况下内阻抗为零的恒压源。对负载电动机来说，变频器是一个交流电源，在不超过容量的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。 2) 电流变频器 在逆变器前使用大电感来缓冲无功功率，直流电流波形比较平直；对应负载电动机来说，变频器室一个交流电源。其突出特点是容易实现回馈制动，调速系统动态响应快，适应于频繁急加减速的大容量电动机的传动系统。 3. 根据控制方式分类 1) V/异步电 动机的转速由电源频率和极对数决定，所以改频率，就可以对电动机进行调速。但是频率改变时电动机内部阻抗也改变，仅改变频率，将会产生有弱励磁引起的转矩不足或由过励磁引起的磁饱和现象，使电动机功率因素和效率显著下降。 V/F 控制是这样一种控制方式，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较广泛的范围内调速运作时，电动机的功率因素和效率不下降。这就是控制电压和频率之比，所以称做 V/F 控制。作为变频器调速控制方式， V/F 控制方式属于转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，比较经济。但开环方式下 不能达到较高的控制性能。 V/F 控制方式多用于通用变频器，如风机的节能运行、生产流水线的传送控制和空调等家用电器中。 V/ 它是最简单的一种控制方式，不用选择电动机，通用性优良。 与其他控制方式相比，在低速区内电压调整困难，故调速范围窄，通常在 1：10左右的调速范围内使用。 急加速、或负载过大时，抑制过电流能力有限。 不能精密控制电动机实际速度，不适合用于同步运转场合。 1) 矢量控制 直流电动机构成的传动系统，其调速和控制性能非常优良。矢量控制按照 直流电动机电驱电流控制思想，在交流异步电动机上实现控制方法，并且达到与直流电动机相同的控制性能。 矢量控制是这样的一种控制方式，即将供给异步电动机的定子电流在理论上分成两部分：产生磁场的电流分量和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量。该磁场电流、转矩电流与直流电动机的磁场电流、电驱电流相当。对异步电动机来讲，其定子电流在电动机内部，利用电磁感应作用，可在电气上分解为磁场电流和垂直的转矩电流。 25 矢量控制就是根据交流电动机的动态数学模型，采用坐标变换的方法，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并 加以控制。两者合成后，决定定子电流大小，然后供给异步电动机，从而达到控制电动机转矩的目的。 矢量控制变频器的特点是： 需要使用电动机参数，一般用做专用用做专用变频器。 调速范围在 1： 100以上。 速度相应性极高，适合于急加速、减速运转和连续 4 象限运转，能使用于任何场合。 4 . 根据交流环节分类 1) 脉冲幅值调制（ 方式通过改变直流电压的幅值来实现调压，逆变器负责调节输出频率。采用直流斩 波器调压时，供电电源的功率因素在不考虑谐波影响时，可以达到 1. 2) 脉冲宽度调制（ 方式在改变输出频率的同时也改变了电压脉冲的占空比。 式只需控制逆变电路即可实现。通过改变脉冲宽度来改变电压幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率。 5 . 根据输入电源的相数分类 1) 单相变频器 变频器输入端为单向交流电，输出端为三相交流电。适应于家用电器和小容量的场合。 2) 三相变频器 变频器输入端和输出端均为三相交流电。绝大多数变频器都是三进 /三出型。 频器的组成 变频器的电路一般由主电路、控制电路和保护电路等部分组成。主电路用来完成电能的转换（整流和逆变）；控制电路用以实现信息的采集、变换、传送和系统控制；保护电路除用于防止因变频器主电路的过压、过电流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。 频器的主要功能 随着计算机控制技术和功率器件的发展，变频器的功能也越来越强大。现在变频器的主要功能有：频率给定功能，升速、降速和制动控制，控制功能和保护功能 。 4. 4. 1 频率给定功能 有三种方式可以完成变频器的频率设定： 1) 面板设定方式 通过面板上的按键完成频率给定。 26 2) 外接给定方式 通过控制外部的模拟量或数字量端口，将外部的频率设定送给变频器。外接数字量信号接口可用来设定电动机的选择方向，以及完成分段频率的控制。 3) 通信接口方式 可以通过通信接口，如 进行远程的频率给定。 4. 4. 2 升速、降速和制动功能 1) 升速和降速功能 可以通过预置升 /降速方式等参数来控制电动机的升 /降速，利用 变频器的升速控制可以很好地实现电动机的软启动。升 /降速有线性方式、 型方式。 2) 制动方式 一般有两种方式控制电动机的停车。 一种是变频器由工作频率按照用户设定的下降曲线到 0 使电动机停车，这种方式也称做斜坡制动。 有些场合因为有较大的惯性存在，为防止“爬行”现象出现，要求进行直流制动，即传统的能耗制动，这是另一种制动控制。 4. 4. 3 控制功能 变频器可以由外部的控制信号或者可编程程序控制等控制系统进行控制，也可以完全由自身按预先设置好的程序完成控制。大部分场合变频器需要和可编程序控制器一 起组成控制系统，只有在比较简单的调速控制场合才单独使用。 4. 4. 4 保护功能 变频器实现的保护功能主要有：过电流保护、过电压保护、欠电压保护、变频器过载保护、防止失速保护、主器件自保护和外部报警输入保护等。 试验台采用的变频器及 接口 4. 5. 1 本实验台采用的变频器 本偏航减速器试验台采用的是 频器，通过 I/O 接口来控制单元。 变频器 上的可选模块为： 27 其中变频器的图形为图 4变频器的传动单元控制接口和主电路为图 4缆功率图为 图 4 图 4 变频器的外图形 28 图 4变频器的传动单元控制接口和主电路 29 图 4 功率电缆接线图 4. 5. 2 本实验台采用的变频器的 接口 下图 4宏的外部控制连接 ,在 。 30 图 4 上标有标准 I/行控制系统地实现方式 运行控制系统只要依靠变频器对电机频率的控制而实现，从电路上来看，该电路有主电路和控制电路组成，主电路实现功率级的电机控制，控制电路实现信号级的控制。主电路为图 4制电路为 444用的是 7序梯形图为 4体控制如下： 4. 6. 1 驱动电机的速度调节 首先，设置变频器 1 的参数，将端子 3 设置为速度信号模拟输入，利用 变频器输出的 10V 电源及测试控制台面板上的电位器旋钮 成简单可靠地电路，可以方便地给该端子一个 010V 的电压信号，实现驱动电机速度的无极调节。因此，可以通过改变 阻值，可以改变电机的转速。 4. 6. 2 加载电机的转矩调节 设置变频器 2 的参数，将端子 3 设置为转矩信号模拟输入，利用变频器输出的 102，组成简单可靠地电路，可以方便地给该端子一个 010V 的电压信号，实现加载电机转矩的无极条调节。因此，可以通过改变 以改变电机的转矩。 31 4. 6. 3 驱动、加载电机的正反转控制 设置变频器的参数，将变频器上设有正反转信号输入端子，利用变频器自带的 24 位旋钮开关 制这两个端子的通断，实现两个电机正反转的控制，当 钮接通 1 时，电动机正转；当 钮接通 2 时，电动机反转；当旋钮开关处于中位时，变频器不输出任何控制电流，即使按下了运行控制按钮。 4. 6. 4 启动、停止的实现 在没有接收到正反转信号之前，变频器不会对电机输出控制电流，当按下空气开关时，继电器 电，点亮了上电指示灯 用测试控制台面板上的常开按钮 闭按钮 中间继电器 及故障信号 常闭触点，组成启动、停止控制电路。见图 4 的上部分。当按下启动按钮 ，继电器 电，并实现自锁，两电机的正反转信号输入端子才能通电，电机启动，同时点亮运行指示灯按下停止按钮 ，继电器 电，变频器正反转信号输入端子立即断电，变频器中断电流输出，电机逐渐停转，停转时有制动电阻 R 的保护。 4. 6. 5 空损 /加载试验工位的选择 在运行加载试验时，启动 /停止按钮控制两个电机；运行空 损试验时，启动 /停止按钮通过中间继电器 控制驱动电机。该功能是利用测试控制台面板上的 2 位旋钮继电器 成的电路实现的。当 通电的时候，变频器 2 的正反转信号输入端子不能通电，加载电机不能启动。 4. 6. 6 急停功能的实现 变频器自带斩波制动单元，试验过程出现紧急状况时，可以按下测试控制台的急停按钮 动电机和加载电机可以在瞬间实现制动停转。 4. 6. 7 超出正常工况的报警 在试验过程中，由于不当、或者减速器本身存在故障，电机输出特性有可能进一步赵成机械故障，变频器具 有自检测功能，当电机实际转速、转矩超过设计值时，变频器即可输出报警信号。利用 2 个变频器自带的继电器输出端子，控制 2 个中间继电器 现报警的输出。任何 1 个变频器报警时，继电器即可输出控制信号停止两个电机的运行，同时点亮相应的故障报警灯 4. 6. 8 直流母线的通断控制 为了实现变频器能量的循环、有效保护变频器和确保系统地可靠性，直流母线并不是在任何时候都接通，只有在满足以下 3 个条件时才允许直流母线接通： 1）选择了“加载”试验工位， 2）变频器 1 已经上电， 3）变频器 2 已经上电 。该功能由变频器自带的继电器输出端子，控制两个中间继电器 配合中间继电器 触器 4. 6. 9 电机散热风扇的延时关闭 32 为确保电机充分散热冷却，每个电机风扇，在电机运行时立即工作，但电机停转后应该再运行一段时间再自行停转。该功能通过运行自通继电器 电延时继电器触器 成的逻辑电路实现。 4. 6. 10 电动机的点动控制 当进行更换试件时，惰轮与试件输出小齿轮不一定处于良好的啮合状态，引起试件的安装干涉，为了消除此干涉，要求惰轮能 够实现细微转动，以改善惰轮和试件输出小齿轮的啮合状态。该功能通过电机的“点动”控制来实现，具体实现方式为：在运行控制继电器的旁路并联两个常开的开关按钮 按下 ，电机马上被启动，开始旋钮；松开按钮 ，电机变频器终止输出电流，电机停转。 4主电路 33 变频器1上电运行故障点动按钮急停 6K F 7K F 8 1K F 5 4 变频器的电路图 34 器 1 上 电 指 示 灯变 频 器 2 上 电 指 示 灯控制开关的中间继电器变频器运行指示灯驱动故障加载故障加载和空损直流母线的上电控制风扇开关的中间继电器控制风扇的通电延时继电器风 扇 1 的 启 动风 扇 2 的 启 动电路控制图 35 器 1 上 电变 频 器 1 运 行Q 变 频 器 1 故 障变 频 器 2 故 障故障信号1故障信号2变 频 器 2 上 电变 频 器 2 运 行加载启动控 制 变 频 器 2 关 闭 的 中 间 继 电 器变 频 器 2 关 闭 的 通 电 延 时 继 电 器直流母线的通断风 扇 1 启 动风 扇 2 启 机 1 反 向 运 机 2 反 向 运 行急停按钮正转按钮反转按钮正转按钮反转按钮图 4程序梯形图 其中程序梯形图的含义为：当按下启动按钮 ，中间继电器 电，同时也形成自锁，这时风扇 1 启动，变频器 1 上电指示灯点亮，电机开始进入启动状态。当 36 按下反转按钮 ，电机开始反转。当遇到故障信号 故障灯点亮，同时，电，电动机马上停止运转。当按下按钮 ,实行电动机的点动。 当按下 ，同时变频器 2 开始运行时，这时 电，加载变频器开始上电和运行风扇 2 开始启动，加载电动机启动。当按下按钮 ，加载电机开始反转。当变频器 1、变频器 2 同时上电，同时加载电机运行时，电，直流母线接通，实现能量循环。按下停止按钮 ，电动机停止运转，同时， 始计时，当时间到了， 电，两个风 扇停止运转。 4. 7 本章小结 本章进行了风力发电偏航减速器试验台运行控制部分的设计，给出了详细的电路及梯形图。 37 第五章 偏航减速器试验台测试系统设计 试验台的测试系统可以实现以下功能 :减速器输入输出转矩、转速的测量，减速器输入输出功率及传动效率的计算，减速器油温、压力、壳体温度、振动等参数测量；除了壳体振动这种瞬变信号不通过控制器仪表显示外，其它的信号都通过仪表显示；计算机参与全程监测并完成数据记录、分析、显示和打印输出。 试系统总体 设计 测试系统分为硬件系统和软件系统，硬件系统由工控机、传感器、数据采集卡、屏蔽信号电缆等组成，完成信号的精准测量以及无失真传输，在数据采集时，传感器经变送器输出的信号同时送送入二次仪表和工控机；软件系统采用 司的虚拟仪器发，开发成功的软件系统具有友好的人际交互界面，可以方便地实现数据的实时显示、变化趋势的图像显示、存取及打印等功能。为了增加系统地可靠性，工控机监测程序与测试控制台面板上的仪表显示相对独立，测试系统可以通过监测程序上的按钮启动监控程序运行，也可以不运行程序。操作面板图为 5 5操作面板布局图 测试系统具体实现方式 减速器转矩、转速测量 偏航减速器转速、转矩的测量是实验台最重要的任务，其选型原则首先考虑量程的适配性、其次是工作的可靠性和经济性。经综合考虑，转矩传感器选用温岭电器机械厂（上海良标）生产的 中，偏航减速器测试系统选择量程为 50 38 由于 传感器的输出信号为 2 路感应正弦信号，其转矩的换算依靠 2 路信号的相位差，转速信号依靠 1路信号的频率，普通的二次仪表和变送器无法直接显示和转换，必 须借用湖湘测控的 转矩转速测试仪以完成仪表显示，并通过其自带的 油温及壳体温度的测量 油温测量采用 电阻型热电偶作为传感器，可以定做 插入式封装，直接安装在放油口测量油池温度。壳体温度的测量（任意 2 处）采用强磁吸附式热电偶作为传感器，类型也采用 电阻式热电偶。以上几个热电偶都选用北京赛亿凌科技有限公司的产品，油池、壳体温度都通过测试控制台上的仪表显示，同时将该数据传送给工控机。 箱体振动检测 箱体振动测量是检测偏 航减速器运行性能的一个重要参数， 减速器的结构振动 异常可以反映 早期故障 ， 从而有针对性地采取检修措施 ， 确保主减速器的产品质量 ,提高传动性能 ， 同时还可以达到降噪目的 。由于实验台上的被