新型变速传动系主要由风轮、行星轮系、液力机械和发电机组成,其结构简图如图1所示。在该系统中,风轮与第一级行星轮系的行星轮相连,作为该行星轮系的输入,外齿圈固定,太阳轮作为输出,再经过一定轴轮系增速以后,与液力机械中差动轮系的行星轮相连。液力机械是该系统的关键部件,其差动轮系的外齿圈通过一定轴轮系与液力变矩器的涡轮相连接,作为差动轮系的另一个输入,输出为太阳轮。输出轴直接与发电机相连接,液力变矩器的泵轮也直接连此轴上。系统运转的时候,控制液力变矩器的传动比,得到不同的液力变矩器的输出速度,从而控制了差动轮系中外齿圈的转速。差动轮系的两个输入确定以后,其输出也就唯一确定。为了满足太阳轮的输出恒定,只要根据不同的行星轮输入调节外齿圈的转速即可,也就是调整液力变矩器的传动比。液力变矩器不仅具有无级调速的作用,还具有储能的作用,当风速剧烈变化的时候,变矩器可以储存或释放能量,减小整个系统的能力冲击。这样发电机的输入保持平稳,输出的电能也就比较平稳了,可以直接接入电网,这样变频器得以取消,使整个风力机的重量减轻。图中,液力变矩器中T为涡轮,P为泵轮,V为导轮。

图1液压传动系统结构简图

对液压型风力发电机组主传动液压控制系统，国外已开始对其进行理论研究和样机实验，我国在这种机型研究上处于刚起步阶段。全套引进国外液压型风力发电机组技术耗资巨大，难于掌握核心技术，所以有必要展开该机型的国产化研究。液压型风力发电机组主传动液压控制系统传动效率较高，系统灵活性较高，应用电励磁同步发电机可准同期并网。机组可实现发电功率控制、最优功率追踪控制及低电压穿越控制。省去齿轮箱、整流逆变器，减小风力发电机组重量，降低装机成本。液压型风力发电机组将成为风力发电机组的一个发展方向。

6风力发电机传动系统的建模设计【10】【11】【12】

图2为兆瓦级风力发电机组齿轮箱传动系统简图。该齿轮箱由单级行星轮系加两级定轴斜齿轮构成,行星级的内齿圈固定,行星架与风力发电机叶轮相连,作为载荷输入端,太阳轮为行星级的输出。考虑各齿轮的扭转振动及斜齿轮级的轴向振动,采用集中参数法建立系统的三维动力学模型,根据拉格朗日方程推导出系统的振动微分方程如式(1),其中考虑变位系数时沿啮合线的相对位移如式(2)

Tin-低速端输入转矩;Tout-高速端输出转矩;

Pi-第i个行星轮(i=1,2,,,Np),Np为行星轮数目;

c-行星架;r-内齿圈;s-太阳轮;

1,2,3,4-各级定轴圆柱齿轮

图2齿轮传动系统简图

式中:u表示齿轮扭转位移,下标为图2中相应的零部件(下同);v表示齿轮轴向位移;rbi表示各齿轮基圆半径(i=pi,s,1,2,3,4);Ii表示各集中质量的转动惯量(i=pi,s,1,2,3,4);ei表示齿轮间综合误差(i=spi,rpi,12,34表示各啮合副,下同);αspi、αrpi表示齿轮节圆啮合角;rbc表示行星架当量基圆半径;βb12、βb34表示定轴斜齿轮基圆柱面上的螺旋角。将式(2)写为矩阵形式,得

式中:x表示位移矢量,x=[uc,up1,up2,up3,us,u1,u2,u3,u4,v1s,v23,v4]T;v1s、v23、v4表示定轴级各传动轴的轴向振动;M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵,F表示外载荷向量。

7本课题研究的方向与待解决的问题【13】【14】【15】

传动系统是风力发电机最主要的部分，但由于风力发电机组工作在变工况变载荷的恶劣环境下,且传动系统是多级多自由度系统,目前已有的外载荷稳定条件下的单级行星齿轮系统的动力学研究，难于满足风电齿轮箱动力学分析的要求,在理论上,对多自由度时变系统的强迫振动研究也较少。而对于风力发电机齿轮系统,风速变化引起的外载波动是不可忽略的影响因素。在这些因素的影响，使其设计需要花费大量的时间和精力，却很难得到最佳的设计方案。