有關IFAS實驗室液壓傳動研究論文中文翻譯

1、風力發(fā)電廠的靜液壓傳動系統(tǒng)Johannes Schmitz：johannes.schmitzifas.rwth-aachen.Nils Vatheuer: nils.vatheuerifas.rwth-aachen.de Hubertus Murrenhoff: hubertus.murrenhoffifas.rwth-aachen.de 德國亞琛工業(yè)大學，液力傳動與控制學院（IFAS）摘要目前的研究項目是開發(fā)風機的靜液壓傳動系統(tǒng)。本論文對概念生成、分析以及概念挑選用于試驗臺試驗進行了說明。此外，還提出了使傳動適應半負載的控制策略，并包含最終的仿真結果。對傳動系統(tǒng)的頻率分析闡明了靜液壓部件卓越

2、的阻尼特性。論文第二部分介紹了對仿真結果進行驗證的試驗臺，為在真實條件下對靜態(tài)和動態(tài)運行點中的效率進行測量提供了機會。隨后的評估指出了靜液壓傳動的主要特性，并與現(xiàn)有的概念進行了對比。最后，進一步對實現(xiàn)靜液壓鋒利發(fā)電廠進行了說明，并論證了其擴展到更高功率等級的可能性。關鍵詞：靜液壓傳動、同步發(fā)電機、阻尼特性、效率、環(huán)路內(nèi)硬件1. 介紹由于對可再生能源的需求高，過去幾年里，風力發(fā)電廠（WEP）已經(jīng)取得了巨大的進步。雖然如此，如何保證整個運行周期內(nèi)的可靠性和高性能，并同時使成本最低化仍是一個特殊的挑戰(zhàn)。盡管現(xiàn)有的概念很好，但人們?nèi)栽诓粩嚅_發(fā)可能帶來根本變化及改善的新方案。通過靜液壓傳動系統(tǒng)傳遞動力，

3、這個新概念被認為是可以同時保證高效率和電網(wǎng)穩(wěn)定性，并且可靠性高，成本低。 在德國聯(lián)邦環(huán)境、自然保護與核安全局和德國瑞靈公司（位于科?。┵Y助下，IFAS正在開發(fā)用于兆瓦級風場的靜液壓傳動系統(tǒng)，打算代替目前常用的齒輪箱和變頻器。此概念的想法是利用與風機主軸直接連接的慢轉(zhuǎn)泵向高壓油傳遞動力，并利用靜液壓馬達將此高壓油轉(zhuǎn)化成機械能從而驅(qū)動發(fā)電機。風機中需要的這種高的傳動比可以通過泵和馬達的排量比達到。圖1闡明了靜液壓傳動的功能原理。圖1 功能原理為了論證此類傳動的可行性，IFAS開發(fā)并建立了一個能夠模擬兆瓦級風力發(fā)電廠的試驗臺。可以對風機遇到的現(xiàn)實風況下的仿真進行驗證。 這是通過利用環(huán)路中硬件（HIL

4、）將其與風輪實時仿真進行結合實現(xiàn)的，可以提供真正的風輪慣量影響。此方法還可以包括由于颶風和塔筒影子造成的扭矩脈沖。采用徑向柱塞馬達將HIL以風輪轉(zhuǎn)速形式的仿真輸出傳遞到試驗臺的風輪軸上。2. 基本設計2.1 要求與邊界條件靜液壓傳動可以兼并機械傳動功能和變頻器功能。也就是說，風機變化的，低轉(zhuǎn)速被轉(zhuǎn)化成發(fā)電機端的恒定轉(zhuǎn)速。通過改變液壓泵或馬達排量實現(xiàn)需要的連續(xù)可變的傳動比。由于變化的風況，颶風及塔筒影子影響，傳動被負載強烈的扭矩波動。液壓傳動系統(tǒng)顯著的阻尼和控制特點可用做保護傳動系統(tǒng)、風機結構以及電控率輸出2。本傳動的一個重要要求是在額定功率和風機大部分時間半負載運行時的效率要高?？傂逝c系統(tǒng)成

5、本二者結合就是整個風機的投資回報。按這種方法計算，必須根據(jù)相應風速出現(xiàn)的可能性測量不同運行點的效率?？紤]到風機的壽命周期，采用的部件應該結實并且易于維修。所有可能的錯誤都應在早期檢測出來以便防止對系統(tǒng)造成任何損害。2.2 形態(tài)學框圖起初，本項目是根據(jù)在非公路用車輛3中的靜液壓傳動系統(tǒng)方面的經(jīng)驗展開的。當時，對大眾熟知的概念進行了分析并且根據(jù)風場要求進行優(yōu)化，比如，可以改變傳動比。單一原理可以在一個形態(tài)學框圖里進行搜集和分類。圖2顯示的就是這個形態(tài)學框圖，包括3個主要組的拆分部分，傳動部分和組合部分 。左邊一列顯示了將功率機械地拆分成不同驅(qū)動路徑的三種不同的拆分方法。對于傳動本身，要考慮兩個主要

6、組。一方面，全液壓驅(qū)動加上泵和馬達的不同結構提供許多機會，另一方面，可以采用機械傳動。最終，功率必須被再次組合，這個可以機械完成，或者使用兩臺發(fā)電機通過電動方式完成。圖2 形態(tài)學框圖通過形態(tài)框圖采用不同的路徑并在每一列至少選擇一項要素，可以發(fā)現(xiàn)許多概念。下面的圖3顯示全液壓概念的四個主要組。圖3：生成的概念概念1 展示的是一個定量泵與一個變量馬達組合的基本結構。如果采用這種概念，泵直接安裝到風機軸上。這個系統(tǒng)的優(yōu)勢在于部件數(shù)量少，并且傳動控制簡便。然而，此系統(tǒng)對低功率的適應性有限，而此時，液壓馬達在低排量和低壓力情況下運行，導致傳動效率無法達到最優(yōu)標準。概念2是串聯(lián)安裝在一起的兩臺泵和兩臺馬達

7、的組合。此系統(tǒng)可以適用于不同的風況，因為它可以通過一個開關閥將一些元件設置成閑置模式。其缺點是由于串聯(lián)結構，所有的元件都必須一直轉(zhuǎn)動，因此即使在切斷電源時也會造成阻損。 第3個概念是使用一個上游直齒輪將功率分配給兩臺泵，同時提高其轉(zhuǎn)速。通過這種方式，可以提高泵的功率密度。為了使液壓馬達完全切出，采用兩臺發(fā)電機并且功率在傳動系統(tǒng)的電氣側被合并。與上一個概念類似，概念4在風機軸和泵之間采用了一個行星齒輪箱。這種情況下，根據(jù)行星級的幾何圖形，風機扭矩被分配給兩個泵，并且每個泵的扭矩由液壓馬達設定。此結構的一大優(yōu)勢在于通過將一臺馬達的排量設置為0，內(nèi)齒圈可以保持靜止不動，也就是說，泵不會造成任何阻損。

8、然而，這個結構有兩個主要缺點，即行星驅(qū)動裝置價格昂貴，還有低風速情況下的壓力值較低。對各種組合的一項詳細分析闡明第三種概念中提到的直齒輪能夠達到的效率比第四種概念高。較低的壓力值對總體測量效率的影響要大于閑置模式時泵的運行阻損。概念1中的簡單的系統(tǒng)結構無法彌補其低效率造成的損失。概念2與概念3的兩個主要區(qū)別在于概念3中的功率密度較高，并且半負載時無馬達阻損。因此，在以下設計和優(yōu)化階段中，對由若干個可以單獨關閉并且可以驅(qū)動一個或更多發(fā)電機的泵和馬達組成的靜液壓傳動進行了設計。不能考慮上游直齒輪，因為這些機械零件在市場上很難找到現(xiàn)貨，這將造成整個項目的周期的延長。但是，經(jīng)過試驗臺驗證的有關靜液壓傳

9、動的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)允許在最后增加任何形式的機械齒輪并進行評定。3. 詳細的結構3.1 靜態(tài)運行點為了評估靜液壓傳動系統(tǒng)的效率，仿真模型中使用了類似部件的可用數(shù)據(jù)，包括風機，整個傳動系統(tǒng)以及控制器。這個工具可以對不同的概念結構進行詳細分析，并直接考慮對系統(tǒng)中其他零部件的影響。泵的規(guī)格確定的初始點為額定風速時的最大風輪扭矩，結合液壓系統(tǒng)的最大系統(tǒng)壓力可以計算累積的泵排量。由于低風速和高扭矩的要求，選用兩臺每轉(zhuǎn)排量和為66升的赫格隆徑向柱塞泵。在DSH+詳細的效率仿真中，對兩臺不同泵的不同組合進行了試驗。試驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)排量達到兩臺泵的20%到80%之間時，系統(tǒng)對大部分扭矩的適應效果最好。因此，選用了赫格

10、隆的一臺排量為13.2升的CA210 泵和一臺排量為52.8升的CBP840泵。據(jù)此，可以預選泵的切換策略，并且對每一風速下所需的總傳動流量進行了評估。之后，在仿真中分析了不同尺寸的馬達組合，目的是實現(xiàn)從高壓油到發(fā)電機機械功率的最佳轉(zhuǎn)換。圖4說明了優(yōu)化結果。根據(jù)泵的供油情況開啟和關閉四臺不同的變排量馬達，容量在180cm3和500cm3范圍之間。所有激活馬達的斜盤旋轉(zhuǎn)角度都相同。圖4：控制策略另外，仿真中還包括了軟管、閥門以及冷卻器中的損失。圖5顯示了總效率以及傳動相對于風速的輸入和輸出功率。通過觀察可以看到風速從額定值15m/s降到9m/s時，效率幾乎保持在85%恒定不變。這就意味著功率在額

11、定功率的20%到100%范圍之間時，傳動效率有一個恒定值。輸入功率低于100KW時，效率迅速降低，因為此結構只使用一臺發(fā)電機。也就是說，所有馬達都在一個軸上旋轉(zhuǎn)，即使他們?nèi)筷P閉，也會造成固定的損失。采用離合器聯(lián)結的雙發(fā)電機概念和雙馬達概念都能提高性能，尤其是在低風速情況下的性能。圖5：效率仿真結果3.2 動態(tài)分析除了穩(wěn)態(tài)運行點的靜態(tài)仿真外，動態(tài)性能對于靜液壓傳動評估來說也是值得研究的。與機械傳動系統(tǒng)相比，靜液壓傳動系統(tǒng)的剛度要低得多，這是由于泵和馬達間的高壓油引起的。油的彈性模數(shù)只有1.6KN/mm2，而鋼的彈性模數(shù)是210KN/mm2. 因此，由于發(fā)動機和渦輪機的軟連接，渦輪機的轉(zhuǎn)速可以小

12、范圍地變化，而能量在渦輪機巨大的轉(zhuǎn)動慣量中得到緩沖。下面的等式（1）表示的是渦輪機的扭矩平衡，等式（2）表示風輪轉(zhuǎn)速從w1變化到w2時被緩沖的能量。圖6中的仿真曲線驗證了之前預測。圖6： 動態(tài)仿真結果確定風機規(guī)格的一個重要標準是系統(tǒng)的共振頻率。因此，下文將對液壓傳動系統(tǒng)的共振頻率和阻尼特點進行分析。簡化到基本的機械原理，靜液壓傳動包括風輪的質(zhì)量轉(zhuǎn)動過慣量、將扭矩轉(zhuǎn)換成壓力的泵，以及高壓和低壓側的功能類似彈簧的兩體積的油。根據(jù)現(xiàn)有風機的測量，風輪激起系統(tǒng)時轉(zhuǎn)速頻率和槳葉頻率經(jīng)過塔筒，對于普通風機，是轉(zhuǎn)速的三倍。采用靜液壓傳動系統(tǒng)的共振頻率公式，可以計算出此系統(tǒng)的頻率是0.57HZ。這個頻率在12

13、rpm槳葉經(jīng)過塔筒陰影時達到。所以，這個動作必須經(jīng)過更進一步的檢查。圖7顯示三個不同仿真得出的波特圖。圖7：波特圖第一條曲線顯示由基本元件，不考慮任何形式損失的簡化模型被激起，頻率在0.1到2HZ之間?？梢钥闯?，系統(tǒng)在之前計算得出的頻率范圍內(nèi)上升。第二條曲線顯示當考慮泵的損失時，相對較低的泵的泄漏可以提供足夠的阻尼防止系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)振動（即使頻率在0.6HZ的情況下）。最后是一個完整的傳動系統(tǒng)模型，包括管路、閥門和馬達，提供的阻尼更高，這也證明了本靜液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)越的阻尼特點。4. 測量4.1 試驗臺結構因為當時沒有可以用于仿真的液壓部件實際性能特點和動態(tài)動作，所以不得不將從較小元件采集的數(shù)據(jù)根

14、據(jù)制造商數(shù)據(jù)進行比例擴大。因此，為了驗證仿真結果，在IFAS實驗室【4】設計并建立了一個試驗臺用于測量單個部件以及整體傳動。為了有效地運轉(zhuǎn)此試驗臺并避開1.2MW電動機和1MW發(fā)電機，安裝了一個靜液壓功率反饋裝置，可以利用傳動的輸出功率驅(qū)動慢速旋轉(zhuǎn)的輸入軸。圖8顯示了靜液壓傳動和試驗臺驅(qū)動的布局。帶動兩臺軸向柱塞泵（A1）的兩臺電動機補償傳動和驅(qū)動的損失。徑向柱塞馬達（A2）用來代表風機，驅(qū)動慢轉(zhuǎn)軸。傳動系統(tǒng)的輸出功率反過來供給電動機能量。這種方式，裝機的電功率僅有2x200kW，但是風機軸上的功率可達到1MW。在所有通過此系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換中，傳動界限、轉(zhuǎn)速和扭矩都被測出以評估總效率。圖8： 試

15、驗臺布局在穩(wěn)態(tài)測量中，轉(zhuǎn)速由傳動系統(tǒng)的液壓馬達控制，而試驗臺驅(qū)動通過轉(zhuǎn)換兩臺軸向柱塞泵（A1）給定一個扭矩值。為了在現(xiàn)實動態(tài)風況下試驗此傳動系統(tǒng)，可以給試驗臺聯(lián)接一個“實時仿真裝置”，如圖9所示。圖9： 試驗臺連接和實時仿真裝置仿真時模擬風機慣量以及風載荷，這樣試驗臺驅(qū)動可以通過慢轉(zhuǎn)軸上的仿真表示出轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生的扭矩被測出，并應用到模擬的風機上。通過改變仿真中的輸入風速，對傳動系統(tǒng)的反應，包括傳動控制進行試驗。也可以對一些例外情況，如緊急制動或單個部件的故障損壞進行試驗。4.2 測量結果在第一次測量中，對排量為52.8升/轉(zhuǎn)的泵與3臺馬達的不同組合進行了測量。圖10為從慢轉(zhuǎn)軸到液壓馬達輸出的總效

16、率相對風機扭矩和轉(zhuǎn)速的曲線。測量中左側顯示，只有排量為355cm3的馬達3在運行。因此，最大轉(zhuǎn)速可以達到10rpm?？梢钥闯?，效率上升，系統(tǒng)壓力提高，并且馬達3的排量更高。在180kNm和10rpm位置，能夠達到最大值86.3%。當采用馬達1和馬達4時，測量結果的特點與之前的相同，但是，轉(zhuǎn)速范圍可以擴大到21rpm。當所有馬達都被激活時，也可看到同樣的結果，此時，扭矩和轉(zhuǎn)速的范圍大，而效率在80%以上。根據(jù)這些結果顯然可以看出，通過切換不同馬達使此傳動系統(tǒng)適應實際運行點的重要性。圖10：三種不同結構的測量結果對于第二次測量，將傳動系統(tǒng)進行了升級，在之前使用的泵上串聯(lián)安裝第二臺泵，使泵的總排量達

17、到66升/轉(zhuǎn)。因而，必須增加第四臺馬達，這里采用的是定排量彎軸式250cm3/轉(zhuǎn)的馬達。下圖11為總效率與輸入輸出功率相對于轉(zhuǎn)速的曲線。此時，選擇了12m/s額定風速的風機運行點。然后，再次用曲線對兩個不同馬達組合進行說明。結構1中，泵1和泵2與馬達1和馬達2相互作用，而結構2中所有元件都運行。圖11：相對于風速的測量結果此外，圖12為第二個顯示對應風機輸入功率的具有相同效率值的曲線圖12：相對于輸入功率的測量結果在隨后的測量中，將可以切出低轉(zhuǎn)速的泵2，從而根據(jù)仿真結果提高低功率的總效率。4.3 經(jīng)驗教訓總結測量結果與仿真的總效率值的對比顯示高轉(zhuǎn)速時的一致性好。低功率時，閑置模式中部件的阻損比

18、仿真時考慮的高，這樣造成仿真與測量結果偏差很大。在即將選用的結構中，最大和最小的液壓馬達不應串聯(lián)安裝以便可以運獨立運行最小的馬達，從而避免阻損。一個能夠很好地適應其運行點的靜液壓系統(tǒng)適于大范圍功率的總效率能夠達到85%。在帶有靜液壓驅(qū)動的試驗臺上運行靜液壓傳動系統(tǒng)是在穩(wěn)態(tài)運行點中以及帶有環(huán)路中硬件的動態(tài)載荷條件下進行自動效率測量的可靠結構。尤其是，與快速驅(qū)動泵組合的慢轉(zhuǎn)軸的低轉(zhuǎn)動慣量可以在輸入軸上產(chǎn)生劇烈的扭矩波動。靜液壓傳動系統(tǒng)可以處理這些劇烈波動的峰值，因為良好的阻尼特性可以順利地改變輸出功率。5. 擴展到兆瓦級風場的可能性之前描述的1-MW靜液壓傳動配置的是市場上現(xiàn)有的部件。一些元件，如

19、CPB840泵，是現(xiàn)有最大的設計尺寸。當風機額定功率提高時，當然必須提高扭矩，同時由于最大葉尖速度的限制，轉(zhuǎn)速必須降低。得出的結論是功率增加一倍的風機需要的泵的排量幾乎要增加四倍。為了實現(xiàn)能夠適用于5MW風機的靜液壓傳動系統(tǒng)，必須尋找一個解決方案，能夠?qū)⒁簤杭c機械部件組合起來。從靜液壓牽引驅(qū)動3（文獻）可以得知，輪轂電機中采用的液壓馬達與機械齒輪箱的組合提供的功率密度最高。在風機中，上游直齒輪可以有效利于泵的功率，而好的靜液壓阻尼特性可以保護機械零件。下面的結構是配有這種組合的5-MW風機的例子，使用風輪輪轂驅(qū)動的圓形齒輪將四個小齒輪的功率拆分，傳動比為4.5 （圖13）。額定扭矩4330k

20、Nm額定轉(zhuǎn)速13rpm機械比率4.5液壓模數(shù)4輸出功率5MW表1：風機的基本數(shù)據(jù)圖13：5MW直齒輪帶動4臺泵每一個機械輸出都分配一個靜液壓模塊，包括一臺泵CPP840,和三臺變量軸向柱塞馬達（圖14）。這張圖片沒有考慮冷卻系統(tǒng)和供給裝置。泵52.8升/轉(zhuǎn)泵的轉(zhuǎn)速58.8rpm流速3040升/分馬達2x750 cm31x500 cm3總效率85%輸出功率1.25MW表2：靜液壓模塊的基本數(shù)據(jù)圖14： 靜液壓模塊，帶1.25MW的發(fā)電機與帶有兩個1-MW傳動液壓環(huán)路的控制策略類似，所有的控制模塊都可以獨立運行，也就是說，半負載時，不是所有的模塊都被激活。未運行的泵可以通過與泵的高壓和低壓端連接的

21、閥門被設置成閑置模式。這個示范結構證實了1MW靜液壓傳動有可能被擴大到可適用于兆瓦級風場，即使是采用目前現(xiàn)有的部件。此外，例子中采用的所有液壓部件都可以安裝在試驗臺上進行測量。從而，為設計和評估靜液壓兆瓦級風場傳動系統(tǒng)提供了極好的條件。6. 評估根據(jù)之前制造的風機傳動系統(tǒng)的要求，可以將此傳動系統(tǒng)與頂級的系統(tǒng)進行對比。首先，比較兩種不同的傳動系統(tǒng)有兩種不同的方法。一方面，可以選擇一個指定的風輪對不同傳動系統(tǒng)的輸出功率進行比較。這樣，能夠控制評估的只有額定功率下的效率，并且靜液壓傳動系統(tǒng)不能與機械齒輪箱競爭。另一方面，發(fā)電機的規(guī)格（功率大小）可以固定，而傳動系統(tǒng)的規(guī)格（功率大小）可以倒推確定。通過

22、這種方式，進行對比的數(shù)值為傳動系統(tǒng)的成本以及帶動指定發(fā)電機的風機。這兩種粗略的評估都不準確：都沒有考慮真實情況下的系統(tǒng)性能。因此，人們應該進一步研究，比較每個系統(tǒng)生產(chǎn)1度電的平均成本。于此，第一步是要確定選用場地的預計發(fā)電量，并且了解場地的風速分布情況。各個風速情況下的傳動系統(tǒng)輸出功率與每個出現(xiàn)的風速相乘說明了預計的發(fā)電量。此外，還應考慮本概念的持久性。對于靜液壓傳動的持久性，有數(shù)據(jù)可以證明，因為使用的部件都在工業(yè)工廠中連續(xù)地運轉(zhuǎn)。第二，必須計算風機所有權的總成本，包括運行成本以及資金成本。于此，應該考慮整個結構上的傳動系統(tǒng)總重量的影響。最后，必須考慮供應電流，因為這會因發(fā)電機或插入的變頻器的形式不同而不同?，F(xiàn)在，無法對靜液壓傳動系統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)進行最后的比較，因為靜液壓傳動系統(tǒng)的總成本還不能確定。而且，制造商們未透漏任何有關現(xiàn)有傳動系統(tǒng)的效率數(shù)據(jù)，尤其在半負載情況下的數(shù)據(jù)。7. 展望本項目的主要目的是逐步準備試驗臺的靜液壓傳動系統(tǒng)以便將來應用到在真正的風機上。因此，采用的所有設備，比如供應泵或過濾器以及冷卻器都必須更換成可以移到風機機艙內(nèi)并且可自給的集合體。這些集合體還可以在一個氣候室內(nèi)被測試以確保即使在惡劣條件下，如低溫環(huán)境，也能安全運轉(zhuǎn)。此外，還必須在切換順序和各種可能情況處理方面改善傳動系統(tǒng)控制器。把真實的