本發(fā)明屬于模擬風力發(fā)電機組齒輪箱故障的試驗臺技術領域，具體涉及一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺及其工作方法。

背景技術：

近年來，隨著國家對清潔可再生能源的重視，風力發(fā)電機組(風電機組)在中國得到了較為快速的發(fā)展，裝機量逐年提升，關于風電機組的健康狀態(tài)監(jiān)測與維護逐漸成為行業(yè)研究熱點。因風電機組工作環(huán)境惡劣，工況復雜，故障維修成本較高，常規(guī)現(xiàn)場檢測與維護較為困難，很多研究者擬通過實驗室模擬試驗的方式研究其故障與維護特點，以降低維修成本和提高風電機組利用率。目前國內外具有針對某些特定型號風電機組的試驗平臺，如平行軸傳動故障模擬平臺，風電機組葉輪故障模擬平臺，風電機組葉片載荷與故障模擬平臺、鼓風機驅動風電機組模擬試驗臺等。但實際風電機組結構尤其是以齒輪箱為代表的主軸傳動鏈系統(tǒng)結構復雜，成本在整機中占有較大比重，因為齒輪箱多為監(jiān)測重點?，F(xiàn)在的某些大型風電機組齒輪箱需要把低速的葉輪轉速提升到較高的發(fā)電機額定輸入轉速，需要較大的傳動比。一般的平行軸減速箱無法達到如此高的傳動比，因而齒輪箱多采用太陽行星輪系結合高速平行軸傳動的方式。現(xiàn)有故障模擬試驗平臺針對太陽行星輪增速齒輪箱的相對較少，針對其故障機理及故障特點研究不太全面。某些鼓風機模擬風速的試驗臺結構不緊湊，對實驗環(huán)境要求較高，且很多相關研究技術未能大規(guī)模推廣。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺及其工作方法，可以模擬太陽行星輪齒輪箱本身的各類典型故障，且試驗臺結構緊湊，成本低廉，可以大規(guī)模推廣。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺，包括依次連接的控制柜、電動機、太陽行星輪減速器和發(fā)電機，所述電動機、太陽行星輪減速器和發(fā)電機固定在臺架上；

所述太陽行星輪減速器通過同步帶輪裝置與發(fā)電機相連；

所述控制柜內部設有三相變頻器，所述三相變頻器與所述電動機連接。

進一步的，所述同步帶輪裝置由前同步輪、同步帶和后同步輪依次連接組成，所述齒輪箱連接所述前同步輪，所述后同步輪連接所述發(fā)電機。

進一步的，所述控制柜通過三相變頻器調節(jié)輸出給電動機的電源頻率，以調節(jié)電動機的輸出轉速，電動機的輸出轉速公式如式(1)所示：

式中，n₀為電動機的輸出轉速，f為電源頻率，p為電動機的磁極對數(shù)。

進一步的，所述電動機通過聯(lián)軸器與太陽行星輪減速器相連，太陽行星輪減速器的輸入轉速等于所述電動機的輸出轉速。

進一步的，太陽行星輪減速器的輸出轉速n₁為：

式中，i₁為太陽行星輪減速器的減速比，n₀為電動機的輸出轉速，f為電源頻率，p為電動機的磁極對數(shù)。

進一步的，發(fā)電機的輸入轉速n為：

式中，i₂為前同步輪到后同步輪的轉速比，i₁為太陽行星輪減速器的減速比，n₀為電動機的輸出轉速，f為電源頻率，p為電動機的磁極對數(shù)。

進一步的，所述電動機、太陽行星輪減速器和發(fā)電機通過各自底座的螺栓固定在臺架上，控制柜通過支架固定在臺架上。

進一步的，所述控制柜中設有三相數(shù)顯表、風電機組控制器和逆變器；所述發(fā)電機發(fā)出的三相交流電通過所述三相數(shù)顯表顯示發(fā)電機輸出的三相電壓和電流；三相數(shù)顯表通過導線連接所述風電機組控制器，經風電機組控制器整流后輸出正負電壓，連接到蓄電池的正負極上，以儲存發(fā)電機發(fā)出的電能；所述蓄電池通過所述逆變器將直流電轉變成220V的交流電，釋放電能供正常使用。

上述的小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺的工作方法，包括：風力模擬：通過所述三相變頻器調節(jié)電動機的輸入電源頻率，所述電動機通過所述太陽行星輪減速器和同步帶輪裝置輸出動力到所述發(fā)電機模擬不平穩(wěn)的風力輸入；

故障模擬：通過拆卸更換太陽行星輪減速器內部部件，模擬各個部件的不同故障狀況，研究小型風電機組在齒輪箱故障下的關鍵特征。

進一步的，所述故障狀況包括齒圈故障、內齒故障、太陽輪故障、行星輪故障、主軸故障、軸承故障。

有益效果：本發(fā)明提供的一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺及其工作方法，其有益效果在于，解決了鼓風機模擬風速類試驗臺的結構不緊湊、對實驗環(huán)境要求較高問題，同時采用和實際風電機組齒輪箱相同結構的太陽行星輪齒輪箱進行模擬，更貼近實際的故障特點。另一方面，試驗臺結構緊湊，占用空間較小，齒輪箱拆卸方便，故障模擬測試便利，易于大規(guī)模推廣，具有較好的理論實踐價值和市場前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的風電機組齒輪箱故障模擬試驗臺整體示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的太陽行星輪減速器結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的試驗臺臺面裝配俯視示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

本發(fā)明為一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺及其工作方法，它包括發(fā)電機、太陽行星輪減速器、臺架、蓄電池、電動機、控制柜等主要部件?？刂乒裰醒b有變頻器、三相數(shù)顯表、風電機組控制器、逆變器及按鈕、開關、導線等附屬零部件。該試驗臺通過變頻器調節(jié)電動機的輸入電源頻率，從而改變電動機的輸出轉速，通過太陽行星輪減速器、同步帶輪輸出動力到發(fā)電機，模擬不平穩(wěn)的風力輸入，減少了鼓風機模擬所占的空間和噪聲。通過拆卸更換太陽行星輪減速器內部部件，可以模擬各個部件的不同故障，研究小型風電機組在齒輪箱故障下的關鍵特征，提高風電機組健康維護效率和風電場風能利用率。

一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺，包括依次連接的控制柜12、電動機8、太陽行星輪減速器5、前同步輪4、同步帶3、后同步輪2、發(fā)電機1。所述控制柜12內部有三相變頻器10、三相數(shù)顯表11、風電機組控制器、逆變器及部分控制按鈕、開關、連接導線。電動機8、太陽行星輪減速器5和發(fā)電機1通過螺栓固定在臺架6上，控制柜通過支架9固定在臺架6上。

控制柜12通過三相變頻器10調節(jié)輸出給電動機8的電源頻率，以調節(jié)電動機8的輸出轉速，電動機的輸出轉速公式如式(1)所示。

式中，n₀為電動機8的輸出轉速，f為電源頻率，p為電動機8的磁極對數(shù)。

電動機8通過聯(lián)軸器和太陽行星輪減速器5相連，因而太陽行星輪減速器5的輸入轉速就是電動機8的輸出轉速。

假設太陽行星輪減速器5的減速比為i₁，則太陽行星輪減速器5的輸出轉速n₁為，

太陽行星輪減速器5就是齒輪箱，通過前同步輪4、同步帶3和后同步輪2和發(fā)電機1相連。

假設前同步輪4到后同步輪2的轉速比為i₂，則發(fā)電機1的輸入轉速n為，

因此，通過調整控制柜12中變頻器10的輸出頻率，就可以調節(jié)發(fā)電機1的輸入轉速，以模擬不平穩(wěn)風速的輸入。

發(fā)電機1發(fā)出的三相交流電通過控制柜12中的三相數(shù)顯表11，顯示發(fā)電機1輸出的三相電壓和電流。

三相數(shù)顯表11通過導線連接到控制柜12中的風電機組控制器，經風電機組控制器整流后輸出正負電壓，連接到蓄電池7的正負極上，以儲存發(fā)電機發(fā)出的電能。

蓄電池7可以通過控制柜12中的逆變器將直流電轉變成220V的交流電，釋放電能供正常使用。

太陽行星輪減速器5安裝方便，通過聯(lián)軸器和同步帶3連接到電動機8和發(fā)電機1，拆裝方便。

在模擬風電機組齒輪箱故障時，可以通過拆開太陽行星輪減速器5，更換某些有故障的部件，如齒圈故障、內齒故障、太陽輪故障、行星輪故障、主軸故障、軸承故障等。

按下控制柜的起動開關和按鈕后，系統(tǒng)通電，通過調節(jié)變頻器的電源頻率輸出，控制電動機按照對應的轉速運行，電動機的動力通過聯(lián)軸器傳遞給太陽行星輪減速器，經太陽行星輪減速器減速后，通過同步帶和前后同步輪傳遞到風電機組發(fā)電機，實現(xiàn)不平穩(wěn)風速的模擬輸入。這種風速模擬方式，與鼓風機實際風速模擬相比，結構緊湊，噪音較少，對周圍環(huán)境影響較小，且模擬風速曲線可以通過變頻器制定，與實際風速輸入吻合度高。

發(fā)電機發(fā)出的三相交流電通過三相數(shù)顯表顯示電壓或電流信息，進而通過導線連接到控制柜中的風電機組控制器，風電機組控制器主要負責將不平穩(wěn)的三相交流輸入轉變成為穩(wěn)定的直流電輸出，連接到蓄電池上，給蓄電池充電以儲存電能。

在需要使用電能時，蓄電池通過連接的逆變器放電，逆變器的主要功能是將蓄電池的直流電轉換為220V的生活用電，供用戶使用。

在模擬齒輪箱相關故障時，只需要拆開齒輪箱，更換相應的故障零部件即可，如如齒圈故障、內齒故障、太陽輪故障、行星輪故障、主軸故障、軸承故障等。

太陽行星輪減速器和發(fā)電機之間通過同步帶輪平行連接，其優(yōu)勢在于節(jié)約空間，且同步傳遞轉速，不會打滑，傳遞效率較高。

實施例

本實施例適用于一般小型風電機組齒輪箱故障模擬試驗平臺，其他風電機組可以根據(jù)具體結構等參數(shù)對試驗臺進行動態(tài)調整。

參照附圖1-附圖3，本實施例的一種小型風力發(fā)電機組齒輪箱故障模擬試驗臺，它包括發(fā)電機1、后同步輪2、同步帶3、前同步輪4、太陽行星輪減速器5、臺架6、蓄電池7、電動機8、支架9、三相變頻器10、三相數(shù)顯表11、控制柜12。以及部分控制按鈕、開關、連接導線。

本實施例中，整個臺架尺寸是長80cm，寬50cm，高50cm。控制柜最高高度120cm。整個試驗臺占用空間較小，實際0.48m³，不超過0.5m³。且臺架柜里除了蓄電池7仍有較大空間，可以存儲一些必備的實驗器材、維修維護設備等，提高設備利用率。

控制柜12中包括開關、按鈕、連接導線、三相變頻器10、三相數(shù)顯表11、風電機組控制器等。控制柜通過支架9固定在臺架6上。

在本實施例中，控制柜中的總開關選用四相空氣開關，起動按鈕選用綠色帽的自復位按鈕，停止按鈕選用紅色帽的自復位按鈕，急停按鈕選用紅色帽的旋轉復位按鈕。

閉合空氣開關通電，按下起動按鈕后，系統(tǒng)通電，就可以起動變頻器開始試驗。

本實施例中，三相變頻器10的功率為1.0kW，可以實施例中的實驗需求。通過調節(jié)三相變頻器10上的旋鈕可以調節(jié)其輸出給電動機8的電源頻率。電源頻率調節(jié)范圍為0Hz-50Hz。

本實施例中，電動機采用三相異步電動機，額定功率是0.75kW，額定轉速是1375r/min，磁極對數(shù)是2對，因而可以得到電動機輸出轉速公式如式(4)所示。

本實施例中，電動機和太陽行星輪減速器通過柔性聯(lián)軸器連接。這種連接方式具有較好的減震效果，噪聲低，在兩軸安裝不完全對中的情況下也可平穩(wěn)地傳遞載荷。

在本實施例中，齒輪箱采用太陽行星輪減速器，傳動比i₁＝3，因而可以得到減速器輸出轉速如式(5)所示。

太陽行星輪減速器通過同步帶3、前后同步輪2,4連接到發(fā)電機1。本實施例中，選用同步帶參數(shù)為5m-685-20，前后同步輪2、4均為5M40T AF型，帶寬21mm，同步輪2內徑20mm，同步輪4內徑16mm。同步帶傳動比i₂＝1，則發(fā)電機1的輸入轉速如式(6)所示。

本實施例中，三相變頻器10調節(jié)的電源頻率和發(fā)電機1的輸入轉速關系就可以通過式(6)得出。

本實施例中，電動機8、太陽行星輪減速器5和發(fā)電機1通過螺栓固定在臺架6的臺面上。其中，電動機8通過四個M8螺栓固定底座，太陽行星輪減速器5通過四個M8螺栓固定底座，發(fā)電機1通過四個M10螺栓固定底座，發(fā)電機底座正中心有一個M13的孔，用以穿過電線輸出發(fā)出的三相交流電。

本實施例中，發(fā)電機1發(fā)出的三相交流電通過三相電線輸出，該電線通過底座正中心的M13孔進入臺架6內部，再通過電動機8旁邊的M10孔鉆出，從控制柜12下部進入柜內，連接到三相數(shù)顯表11上。通過三相數(shù)顯表11顯示發(fā)電機1發(fā)出的三相交流電電壓或電流。通過三相數(shù)顯表11的設置可以選擇單獨顯示三相電壓，或單獨顯示三相電流，或循環(huán)顯示三相電壓和三相電流。

三相數(shù)顯表11輸出的三相電線連接到控制柜12內的風電機組控制器，通過控制器轉換成直流電，正負兩根直流電線穿過電動機8旁邊的M10孔，連接到臺架6內部的蓄電池7上，給蓄電池7充電，儲存電能。

使用電能時，蓄電池7通過連接的逆變器把直流電轉換為220V的生活用電。

在本實施例中，蓄電池7選用的是24V200AH的鉛酸蓄電池。

本實施例中，通過控制柜12內的三相變頻器10可以調節(jié)電動機8的轉速，動力進而通過太陽行星輪減速器5、前同步輪4、同步帶3、后同步輪2傳遞到發(fā)電機1，實現(xiàn)不平穩(wěn)風速輸入的模擬。發(fā)電機1發(fā)出的電通過三相數(shù)顯表11可以正常顯示，進而通過風電機組控制器給蓄電池7充電。隨著發(fā)電機1輸入轉速的升高，三相數(shù)顯表11顯示輸出電壓、電流增大，輸出功率符合發(fā)電機1的功率曲線。同時，通過拆卸太陽行星輪減速器5并更換不同類別故障的零部件，可以實現(xiàn)其內部零部件故障的模擬，給風力發(fā)電機組故障診斷提供了有效的實踐平臺。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。