風力機變槳距控制機構的設計

風力機變槳距控制機構的設計

0變槳距風力機隨著風力發(fā)電技術的成熟，風力發(fā)電的自動化程度越來越高，波動距離控制的海面徑流可靠性也越來越突出和必要。人們不僅滿足于提高風力機運行的可靠性,而且要追求高的風能利用系數和不斷優(yōu)化的輸出功率曲線,同時采用變槳距機構的風力機可使葉輪重量減輕,并使整機的受力狀況大為改善。從今后的發(fā)展趨勢來看,在大型風力發(fā)電機組中將會普遍采用變槳距技術。變槳距機構作為變槳距控制型風力發(fā)電機實現變距控制的關鍵機構,正確選擇機構各部件的參數是變槳距機構設計的要點之一。1風能利用系數cp從能量轉換的角度看,風力發(fā)電的原理是利用風輪將風能轉化為機械能,再通過轉軸、變速箱帶動發(fā)電機將機械能轉化為電能。其中風力機的功能是將風能轉換為機械能,設P為輸出功率;CP為風能利用系數;ρ為空氣密度;R為風輪半徑;v為風輪正面風速,風力機吸收風能產生的輸出功率為:P=ρπCPR2v3/2對于變槳距風力機,風能利用系數CP,與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關系,尖速比λ即為槳葉尖部的線速度與風速之比:λ=ωR/v=2πRn/v式中n——風輪的轉速據有關研究,風能利用系數CP,可近似用以下公式表示:CP=(0.44?0.0167β)sin[π(λ?3)15?0.3β]?0.00184(λ?3)βCΡ=(0.44-0.0167β)sin[π(λ-3)15-0.3β]-0.00184(λ-3)β由上述公式可歸納出2點:a.對于某一固定槳葉節(jié)距角β下,存在唯一的風能利用系數最大值CPmax。b.對于任意的尖速比λ,槳葉節(jié)距角β=0下的風能利用系數CP相對最大。隨著槳葉節(jié)距角β增大,風能利用系數CP明顯減小。以上2點為變槳距控制提供了理論基礎:即變槳距控制是根據風速和發(fā)電機轉速來調整槳葉節(jié)距角,從而控制發(fā)電機輸出功率,使風力發(fā)電機能夠盡可能多的吸收風能并轉化為電能,同時在高風速段保持功率平穩(wěn)輸出。2變距機構設計與單元建模2.1變槳連桿機構設計目前投入使用的風力機組變槳距機構主要有2種方案:液壓控制方案和電機控制方案。液壓控制以其響應頻率快、扭距大、與制動系統(tǒng)同一油源等優(yōu)點在變槳距控制中占很大的地位。本文所設計的變槳距機構采用曲柄連桿機構,其原理如圖1所示。液壓缸的活塞桿通過中間連桿和風力機葉片連接,以實現將液壓缸活塞桿直線運動轉化為槳葉的轉動,并使液壓缸直線位移的變化與槳葉節(jié)距角變化成正比。2.2推盤裝裝體機構根據上述對變槳距機構的運動學模型分析,結合Pro/E軟件強大的三維建模功能,建立初步設計的變槳距機構各部件(part)的實體模型,并將各部件按照一定的裝配關系組裝成裝配體(assemble),該機構如圖2所示。推盤是通過推桿與液壓缸活塞桿連接,轉桿與槳葉根部相連,且推盤與轉桿之間通過中間連桿相連。推盤的運動是與液壓桿活塞桿運動是一致的,而轉桿支點是圍繞著槳葉中心轉動。所以可以假定轉桿與槳葉中心有一連桿連接,整個機構可以看成一個曲柄連桿機構。推盤的水平移動通過曲柄連桿機構傳遞至葉片的共同輪轂,輪轂克服阻力使轉桿支點繞槳葉中心轉動,最終改變槳葉節(jié)距角。3可變距離系統(tǒng)的動態(tài)模擬和分析3.1模型導入adams為了使設計的變槳距機構滿足改變槳葉節(jié)距角的要求,需要將機構模型導入ADAMS中進行優(yōu)化設計,考慮到只需優(yōu)化機構的運動學特性,因而在模型導入ADAMS的過程中省去液壓缸、風機轉動軸等對變槳距機構的運動學特性影響不大的部件,以便在ADAMS中的仿真實現起來更為簡單、準確。3.1.1裝體模型的標記和約束采用Pro/E與ADAMS的專用接口軟件MECH/Pro實現數據的轉換,這是保證2個軟件無縫連接的關鍵。其中主要的步驟如下:a.定義剛體。在MECH/Pro中將裝配體模型中的各個有相對運動的部件分別定義成剛體(rigidpart),而無相對運動的部件則可以定義為一個剛體,如推盤和推桿可定義為一個剛體。b.添加標記和約束。在向ADAMS轉化模型時會丟失一些信息,比如軸線丟失、實體失真等,因此在MECH/Pro環(huán)境下,將后面分析需要的一些關鍵點所需要的標識(markers)和各運動部件之間約束(轉動副、移動副)定義好,設定要轉換模型的圖形質量,然后生成.cmd文件,可實現在不退出Pro/E的前提下將機構模型導入ADAMS中。3.1.2槳葉節(jié)距角度的調整將機構導入到ADAMS中并添加必要的約束和驅動,其中以液壓缸通過推桿對推盤施加的驅動作為仿真的驅動。根據機構運動的仿真要求:在一個給定的進給范圍內以及槳葉節(jié)距角β在0°~90°范圍內,變槳距機構能作出對應的調整。因此,在葉片、推盤中心上分別設立2個標記點,以測量推盤的位移變化以及對應的葉片節(jié)距角β的變化,包括角速度、角加速度等。通過上述設置,最終完成對變槳距機構的運動學模型的構建。3.2機構動態(tài)仿真擬合好變槳距機構在ADAMS/View中各剛體的相關屬性后,然后研究推盤以及槳葉的運動特性,包括速度、位移等。為了能清楚的顯示出機構的運動狀態(tài)和運動的準確性,給推盤(液壓伺服系統(tǒng)推動的對象)施加一個正弦的往復運動,設定推盤的運動函數為Function(time)=107ABS(sin(2*time)),仿真時間為15s,仿真步長為0.04。通過對該機構進行運動仿真,其仿真結果如圖3~圖6所示。由機構的動態(tài)仿真結果來看,機構各部件能很好地協調運動。且由以上仿真曲線可以看到,伺服機構沿主軸方向的直線運動經變槳距機構傳遞至葉片,使葉片能夠繞自身軸線在0°~90°范圍內轉動變化,滿足了變槳距機構的功能要求。4實體模型的運動學仿真