一種磁性齒輪試驗平臺的製作方法

2023-11-04 05:39:32

專利名稱：一種磁性齒輪試驗平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於風力發電機領域的磁性齒輪試驗平臺。
背景技術：
磁力驅動技術是以現代磁學的基本理論，應用永磁材料所產生的磁力作用，來實現力無接觸傳遞或者力矩(功率)無接觸傳遞的一種新技術。1983年高性能釹鐵硼永磁材料的問世，為磁力驅動泵的快速發展提供了關鍵部件的材料。1999年美國MagnaDrive公司 對永磁傳動的研究實現了革命性地突破，實現了對風機水泵旋轉負載的調速，並將傳遞的功率大大提高，其緊湊型永磁磁力耦合器最大功率可達5000hp。我國正在大力發展風力發電,風力發電機組齒輪箱是風力發電裝備中的重要部件。由於風力的不穩定性，風力發電機組齒輪箱在運行時經常受到極大的衝擊力，使龐大的齒輪箱，成為易損部件，而風力發電機組齒輪箱的維修或更換是一項大工程。鑑於磁性齒輪採用的是非接觸耦合，能避免衝擊損傷，若能將磁性齒輪技術應用於風力發電裝備取代風力發電機組齒輪箱，則可大大減少維修或大修成本。因此，磁性齒輪試驗平臺成堆發展風力發電產生了重要影響，磁性齒輪試驗平臺具備國家頒發的指導性文件《風力發電機組齒輪箱評估指南》對風力發電機組齒輪箱的試驗所提出的功能。對於磁性齒輪試驗平臺的主要檢測項目包括空載試驗、性能試驗、空載功率損耗測定和齒面接觸疲勞壽命試驗等。I.空載試驗在額定轉速下，正、反兩方向運轉不少於lh。要求(I)連接件、緊固件不鬆動；(2)密封處接合處不漏油、不滲油；(3)運轉平穩、無衝擊；(4)潤滑充分，檢查軸承和油池溫度。每5min記錄一次油壓、油溫。2.性能試驗空載試驗合格後，在額定轉速下進行逐級加載試驗。即按25%、50%、75%的額定負載各運轉30min。按100%額定負載運轉120min, 110%超負載運轉30min,進行負載測試，其要求(I)在正常運轉情況下，每隔IOmin測定並記錄一次轉速、負載(轉矩)、油溫、油壓及各軸承擋外殼溫度；(2)在額定轉速和100%額定負載下，測定齒輪箱的噪聲、振動，可根據製造廠試驗條件，在最大負荷下進行；(3)齒面接觸斑點，輪齒齒面狀況檢查。3.空載功率損耗測定在額定轉速，油溫保持在45°C 65°C下，空載工況下測定齒輪箱功率損耗。4.齒面接觸疲勞壽命試驗測定在額定負荷下高速齒輪的應力循環數調質齒輪、淬火齒輪的循環次數為5 X 107，用工業應用試驗代替疲勞壽命試驗也是允許的。根據上述試驗內容可知，磁性齒輪試驗平臺的主要功能是能給被試驗裝置施加一定的轉速和一定的轉矩。考慮到試驗耗能很大，時間很長，希望試驗平臺是節電的。同時考慮到試驗耗能很大，時間很長，希望試驗平臺採用節能型供電裝置。對於磁性齒輪平臺的電氣系統技術方面可配置能量內反饋系統，以達到節能目的，並可按規定加載20 %、50 %、70 %、100 %、110 %額定負載來對磁性齒輪進行測試。對於磁性齒輪平臺的機械系統技術方面齒輪性能參照國標7級齒輪要求檢查振動、噪音；試驗臺軸系同心度達到0. Imm或選用撓性聯軸器。目前採用的試驗平臺主要有如下四種如圖I所示的是機組式負載試驗平臺，這是目前使用最多的試驗平臺，其試驗臺21包括第一交流電機211和第二交流電機212，所述試驗平臺除了所述第一交流電機211 和所述第二交流電機212外，還有多臺電機。在使用過程中，所述第一交流電機211和所述第二交流電機212的轉向相同，由於所述第一交流電機211的轉速低於所述第二交流電機212的轉速，所以所述第一交流電機211就成為發電機。當所述第一交流電機211和所述第二交流電機212同時運轉時，所述第一交流電機211和所述第二交流電機212之間產生衝擊電流，從而使所述第一交流電機211增速而所述第二交流電機212減速。從而完成磁性齒輪的測試。該試驗平臺加載試驗的能量直接反饋給電網，但機組龐大，自身耗能較大，佔地面積及噪音很大。如圖2所示的是雙直流電機內反饋系統的試驗平臺，其接在直流電源32上。其試驗臺31包括直流拖動電機311和直流負載電機312，所述直流拖動電機311和所述直流負載電機312的轉速均是採用電力電子設備進行控制的。所述直流拖動電機311和所述直流負載電機312是直流電機，由於直流電機的自身缺點，使此方案的節能效果和造價都不夠良好。如圖3所示的是直流可逆反饋系統的試驗平臺，此系統的試驗臺41包括交流拖動電機411和直流負載電機412，所述交流拖動電機411連接交流變頻調速器42，所述直流負載電機412連接直流可逆電源43，所述交流變頻調速器42和所述直流可逆電源43連接直流母排，從而構成繼電迴路。由於該試驗臺41發電逆變過程中採用了所述直流負載電機412，由於所述直流負載電機412採用的是直流電機，一是直流機本身造價高、維護難，二是直流逆變若不加變壓器難以深度逆變，易於逆變顛覆。因此也不是上佳方案。如圖4所示的是交流可逆反饋系統的試驗平臺,此系統的試驗臺51包括交流拖動電機511和交流負載電機512，所述交流拖動電機511連接交流變頻調速器52，所述交流負載電機512連接交流可逆電源53，所述交流變頻調速器52和所述交流可逆電源53連接直流母排，從而構成繼電迴路。該系統完全採用了交流電機和電力電子裝置，具有結構緊湊、性能可靠的優點，不足的是交流可逆電源需要四象限運行的變頻調速裝置，目前此裝置價格尚較昂貴，而且反饋給電網的電能質量不高，對電網有汙染。因此一種能夠同時克服上述四種磁性齒輪試驗平臺缺陷的試驗平臺成了風電企業所迫切希望解決的技術問題
實用新型內容
[0028]本實用新型的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種磁性齒輪試驗平臺，其功率因數高，諧波電流小，效率高、易維護，電功率內反饋易於實現實現上述目的的一種技術方案是一種磁性齒輪試驗平臺，所述試驗平臺外接電網，所述試驗平臺包括試驗臺，所述試驗臺包括交流拖動電機、交流負載電機和用於安裝磁性齒輪的接口 ；所述交流拖動電機、交流負載電機位於所述試驗臺的兩側；所述試驗平臺還包括變頻調速器、逆變器、整流器件和直流電容；所述交流拖動電機連接所述變頻調速器，所述變頻調速器內置直流母排；所述交流負載電機連接所述逆變器，所述變頻調速器、所述試驗臺和所述逆變器構成該試驗平臺的繼電迴路；
所述整流器件設置於所述繼電迴路和所述電網之間，所述整流器件是從所述變頻調速器的輸入端接入所述繼電迴路的；所述變頻調速器的輸入端連接了所述直流電容，所述直流電容是接地的。進一步的，所述試驗臺還包括減速齒輪箱、第一轉速轉矩儀和第二轉速轉矩儀，所述交流拖動電機、所述減速齒輪箱和所述第一轉速轉矩儀是依次連接的；所述交流負載電機連接所述第二轉速轉矩儀；所述第一轉速轉矩儀和所述第二轉速轉矩儀之間是所述用於安裝磁性齒輪的接口。再進一步的，所述交流拖動電機與所述減速齒輪箱之間的連接，所述減速齒輪箱與所述第一轉速轉矩儀之間的連接以及所述交流負載電機與所述第二轉速轉矩儀之間的連接均是通過法蘭盤進行的軸連接。進一步的，所述整流器件為整流二極體或者IGBT管。進一步的，所述整流器件和所述電網之間設置進線開關。採用了本實用新型的一種磁性齒輪試驗平臺的技術方案，即在試驗臺的兩端分別設置交流拖動電機和交流負載電機，交流拖動電機和交流負載電機分別連接變頻調速器和逆變器，從而以此構成所述試驗平臺繼電迴路的技術方案，所述變頻調速器內置直流母排的技術方案，其技術效果是此性齒輪試驗平臺的功率因數高，諧波電流小，效率高、易維護，電功率內反饋易於實現。

圖I為機組式負載試驗臺的單線圖。圖2為雙直流電機內反饋系統的試驗平臺的單線圖。圖3為直流可逆反饋系統的試驗平臺的單線圖。圖4為交流可逆反饋系統的試驗平臺的單線圖。圖5為本實用新型的一種磁性齒輪試驗平臺的單線圖。圖6為本實用新型的一種磁性齒輪試驗平臺中的試驗臺連接圖。
具體實施方式
請參閱圖5和圖6，為了能更好地對本實用新型的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，並結合附圖進行詳細地說明請參閱圖5，本實用新型的一種磁性齒輪試驗平臺，包括試驗臺I、變頻調速器2、逆變器3、整流器件4和直流電容5。請參閱圖6，試驗臺包括交流拖動電機11、減速齒輪箱12、第一轉速轉矩儀13、第二轉速轉矩儀14和交流拖動電機15，所述交流拖動電機11、所述減速齒輪箱12和所述第一轉速轉矩儀13通過法蘭盤依次軸連接，所述第二轉速轉矩儀14和所述交流拖動電機15通過法蘭盤軸連接，所述第一轉速轉矩儀13和所述第二轉速轉矩儀14之間是用於安裝磁性齒輪10的接口。這是目前常規的所述試驗臺I連接的方式。所述交流拖動電機11連接所述變頻調速器2，所述交流負載電機15連接所述逆變器3，所述試驗臺I、所述變頻調速器2和所述逆變器3構成所述試驗平臺的繼電迴路。所述變頻調速器2分為整流部分和逆變部分，所述變頻調速器2內置直流母排。所述直流母排，又稱直流母線，其設置於所述變頻調速器2的整流部分和逆變部分之間。圖5中所述整流部分用「=」符號表示，而所述變頻部分用「 」符號表示。所述整流器件4設置於所述繼電迴路和電網之間，所述整流器件4是從所述變頻調速器2的輸入端接入所述繼電迴路的；所述變頻調速器2的輸入端連接直流電容5，所述直流電容5是接地的；所述直流電容5是用以儲存所述交流負載電機15所發出的電能的。所述整流器件4既可以是整流二極體，也可以是IGBT管。所述整流器件4和所述電網之間還設置進線開關6。此外，電機試驗測量配有電壓表、電流表、轉矩儀，需要時可外配功率表、頻率表、溫度計、油槽、測振儀等。在試驗過程中可用轉矩儀進行各種數據的採樣、存貯，並列印出特性曲線。本實用新型的工作原理是所述交流拖動電機11是由所述變頻調速器2來控制。所述逆變器3是通過轉差控制來實現對所述交流負載電機15的控制，使所述交流負載電機15同步轉速略低於所述交流拖動電機11，從而產生負載轉矩，使所述交流負載電機15發電。所述交流負載電機15的轉速與轉矩分別可調的。本實用新型的工作過程為所述試驗臺I的交流拖動電機11從電網吸收電能，並把它轉換成機械能，提供給減速齒輪箱12，帶動所述磁性齒輪10轉動，產生機械能，然後由交流負載電機15將所述磁性齒輪10產生的機械能轉換成電能，通過逆變器3和所述變頻調速器2中的直流母排，反饋給所述交流拖動電機11，形成電封閉加載。該試驗平臺能量使用效率很高。由於所述交流負載電機15反饋給所述交流拖動電機11的電能是直接通過所述直流母排反饋給所述交流拖動電機11，而不是反饋到電網，對電網幾乎沒有電氣汙染，並且能量使用效率更高。對於本實用新型工作過程更為精確的描述是所述磁力齒輪10安裝在所述交流拖動電機11與所述交流負載電機15之間的用於安裝磁性齒輪10的接口上，所述交流拖動電機11由所述變頻調速器2供電，通過減速齒輪箱12使所述磁力齒輪10處於所需的轉速，帶動所述交流負載電機15發電，發出的能量經所述逆變器3反饋送到直流電容5中，加以儲存，再通過所述變頻調速器2中的直流母排，反饋給所述交流拖動電機11，實現能量的內反饋，達到節能的目的。由於進行磁性齒輪試驗時，所述磁性齒輪10的轉矩很大，因此要採用減速齒輪箱12進行減速，所述減速齒輪箱12可以是行星齒輪箱；由於所述試驗臺I總長可達七米，總重可達幾噸，連接所述交流拖動電機11和交流負載電機15之間軸連接的軸系很長，機械加工精度要求高，同心度必須小於o. Imm;且由於試驗耗能較大，本實用新型的磁性齒輪試驗平臺，採用交流變頻直流能量內反饋系統，具有以下優點功率因數高，直流傳動運行時，由於存在一定的導通角，通常功率因數只有
0.6-0. 7 ;採用本實用新型的磁性齒輪試驗平臺，如果採用不控整流，功率因數可達到I。若採用IGBT整流方式，還可根據需要設定功率因數，發出或接受一定量的無功功率。諧波電流小，直流傳動運行時，由於存在一定的導通角，通常諧波電流佔基波分量的30%左右。而本實用新型的諧波電流佔基波分量小於4%。效率高、易維護，直流電機效率低於交流電機5%，且交流電機的運行維護明顯好 於直流電機，運行成本較低。電功率內反饋易於實現，採用交流變頻直流能量內反饋系統，可以有效地利用直流母排來進行電能量循環，與直流可逆傳動系統可能出現逆變顛覆相比，直流母排電能量循環控制容易，調試簡單。下面採用規格為2. 2kw 4極380V/5. 22A 14N m的交流電機分別作為交流拖動電機11和交流負載電機15進行測試，得到了如下結果在磁性齒輪10的轉矩為IlN -m時，所述磁性齒輪10的調速範圍為1 14. 75即99r/min 1461r/min。在磁性齒輪10的轉速為599r/min時，所述磁性齒輪10的轉矩範圍1 14. 2在磁性齒輪10的轉速為1452r/min轉矩為13. 9N m時，試驗平臺的所述變頻調速器2的輸入功率為X I. 7A x380V=l. Ilkw ,所述
變頻調速器2的輸出功率為/T X 5. 15A x380V=3. 39kw。所述交流拖動電機11的出軸功率1452r/minX 13. 9N m/9550 = 2. llkw。考慮到所述變頻調速器2本身的效率約95%，在同樣出軸功率時，無能量內反饋時，所述變頻調速器2輸入功率為3. 39kw/0. 95 = 3. 57kw。該試驗平臺的節能效果為(3. 57kw-l. llkw) /3. 57kw = 68. 9%。在磁性齒輪的轉速為99r/min轉矩為11. 2N m時，試驗平臺的所述變頻調速器2的輸入功率為/T X I. 03A x380V=0. 68kw所述變頻調速器2的輸出功率為X 4. 15A X 380V=2. 73kw 所述交流拖動電機11的出軸功率為99r/minX IL 2Nm/9550 = 0. 12kw。考慮到所述變頻調速器2本身的效率約95%，在同樣出軸功率時，無能量內反饋時的所述變頻調速器2的輸入功率為2. 73kw/0. 95 = 2. 87kw,由此得該試驗平臺的節能效果為(2. 87kw-0. 68kw) /2. 87kw = 76. 3 %。本實用新型的一種本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型，而並非用作為對本實用新型的限定，只要在本實用新型的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本實用新型的權利要求書範圍內。
權利要求1.一種磁性齒輪試驗平臺，所述試驗平臺外接電網，所述試驗平臺包括試驗臺(1)，所述試驗臺(I)包括交流拖動電機(11)、交流負載電機(15)和用於安裝磁性齒輪(10)的接口 ；所述交流拖動電機(11)、交流負載電機(15)位於所述試驗臺(I)的兩側，其特徵在於 所述試驗平臺還包括變頻調速器(2)、逆變器(3)、整流器件(4)和直流電容(5)； 所述交流拖動電機(11)連接所述變頻調速器(2)，所述變頻調速器(2)內置直流母排；所述交流負載電機(15)連接所述逆變器(3)，所述變頻調速器(2)、所述試驗臺(I)和所述逆變器(3)構成該試驗平臺的繼電迴路； 所述整流器件(4)設置於所述繼電迴路和所述電網之間，所述整流器件(4)是從所述變頻調速器(2)的輸入端接入所述繼電迴路的；所述變頻調速器(2)的輸入端連接了所述直流電容(5)，所述直流電容(5)是接地的。
2.根據權利要求I所述的磁性齒輪試驗平臺，其特徵在於所述試驗臺(I)還包括減速齒輪箱(12)、第一轉速轉矩儀(13)和第二轉速轉矩儀(14)，所述交流拖動電機(11)、所述減速齒輪箱(12)和所述第一轉速轉矩儀(13)是依次連接的；所述交流負載電機(15)連接所述第二轉速轉矩儀(14);所述第一轉速轉矩儀(13)和所述第二轉速轉矩儀(14)之間是所述用於安裝磁性齒輪(10)的接口。
3.根據權利要求2所述的磁性齒輪試驗平臺，其特徵在於所述交流拖動電機(11)與所述減速齒輪箱(12)之間的連接，所述減速齒輪箱(12)與所述第一轉速轉矩儀(13)之間的連接以及所述交流負載電機(15)與所述第二轉速轉矩儀(14)之間的連接均是通過法蘭盤進行的軸連接。
4.根據權利要求I或2或3所述的磁性齒輪試驗平臺，其特徵在於所述整流器件(4)為整流二極體或者IGBT管。
5.根據權利要求I或2或3所述的磁性齒輪試驗平臺，其特徵在於所述整流器件(4)和所述電網之間設置進線開關(6)。
專利摘要本實用新型公開了一種用於風力發電機領域的磁性齒輪試驗平臺，其外接電網，所述試驗平臺包括試驗臺，所述試驗臺包括交流拖動電機、交流負載電機和用於安裝磁性齒輪的接口；所述交流拖動電機、交流負載電機位於所述試驗臺的兩側；所述試驗平臺還包括變頻調速器、逆變器、整流器件和直流電容；所述交流拖動電機連接所述變頻調速器，所述變頻調速器內置直流母排；所述交流負載電機連接逆變器，所述變頻調速器、所述試驗臺和所述逆變器構成該試驗平臺的繼電迴路；所述整流器件設置於所述繼電迴路和所述電網之間，所述整流器件是從所述變頻調速器的輸入端接入所述繼電迴路的；所述變頻調速器的輸入端連接了所述直流電容，所述直流電容是接地的。
文檔編號G01M13/02GK202393591SQ20112051827
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者唐麗嬋, 李勁, 湯雪華, 祁峰, 陳江洪, 齊亮 申請人:上海電氣集團股份有限公司, 上海賽柯控制技術有限公司