風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)無極變速的研究

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 沈陽 110004）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)無極變速的研究

肖 潔

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 沈陽 110004）

本文在研究傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)其缺點(diǎn)，得到改進(jìn)需求，提出一種改進(jìn)的無級變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動系統(tǒng)，并給出其原理圖和詳細(xì)功能解釋，在滿足傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)功能的前提下增加了無級變速功能，減小了輸出軸的速度波動，對優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動性能有一定的參考意義。

風(fēng)力發(fā)電機(jī);傳動系統(tǒng);無級變速;速度波動

一般的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪傳動都是使用定傳動比的，由于風(fēng)速的變化無常，導(dǎo)致輸出軸的轉(zhuǎn)速波動很大，這種不斷變化的轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)是不利的，若能通過無級變速，使其在風(fēng)速不斷變化的情況下，輸出軸轉(zhuǎn)速波動減小或維持在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，就能改善風(fēng)電傳動系統(tǒng)的特性。本文針對傳統(tǒng)的風(fēng)電傳動系統(tǒng)的弊端，提出了一種無極變速傳動系統(tǒng)，一定程度上消除了原來的弊端，也為風(fēng)電傳動系統(tǒng)的研究提供了一些新的思路。

1 傳統(tǒng)的和改進(jìn)的傳動系統(tǒng)原理和對比

1.1 傳統(tǒng)的定傳動比傳動系統(tǒng)原理

原理圖如圖1所示，輸入軸連風(fēng)輪，通過一級行星傳動和二級圓柱齒輪傳動獲得加速，最后高轉(zhuǎn)速輸入發(fā)電機(jī)，這種傳統(tǒng)的傳動方式傳動比是恒定的，輸出軸的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化的波動很大，所以需要在風(fēng)輪的槳上安裝變槳距機(jī)構(gòu)，來減小轉(zhuǎn)速波動給發(fā)電機(jī)帶來的影響。

1.2 改進(jìn)的無極變速傳動系統(tǒng)原理

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)電傳動系統(tǒng)原理圖

原理圖如圖2所示，風(fēng)吹動風(fēng)輪1轉(zhuǎn)動，然后通過一級行星齒輪2和二級行星齒輪3的加速，輸出高轉(zhuǎn)速，傳給變速齒輪6，變速齒輪6再傳給錐形齒輪4，最后傳給發(fā)電機(jī)5，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，其中變速過程是通過變速齒輪6的左右移動來完成的，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動時，帶著變速盤7沿著絲杠左右移動，同時變速盤7也帶著變速齒輪6左右移動，由于和變速齒輪6嚙合的齒輪4是錐形的，當(dāng)6左右移動時，4和6的嚙合區(qū)的直徑不斷變化，傳動比也不斷變化，起到了變速的目的，同時，由于直徑變化是連續(xù)的，所以這種變速是無級變速。

1.3 變速范圍

此無級變速的變速范圍主要取決與錐形齒輪4和變速齒輪6的傳動比變化的極限，當(dāng)變速齒輪6移動到錐形齒輪4的最右端時，輸出的轉(zhuǎn)速最高，當(dāng)其運(yùn)動到最左端時，輸出的轉(zhuǎn)速最低。變速范圍與錐形齒輪4的錐度和變速齒輪6的左右運(yùn)動行程有關(guān)。因此，設(shè)計時可以根據(jù)產(chǎn)品的傳動比需要，改變錐形齒輪4和變速齒輪6的參數(shù)，就可以設(shè)計出不同變速范圍的錐形齒輪與變速齒輪對。

2 改進(jìn)無極變速傳動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 無極變速可以對目前使用恒定數(shù)比的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計提供改進(jìn)方法。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，這類型的變速器可以讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)在一個更高的氣動效率及更大的風(fēng)速范圍內(nèi)試車。

1.2 這個性能該進(jìn)可以增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量，而最終降低發(fā)電成本。此外，使用無級變速器的傳動系統(tǒng)能夠吸收來自突發(fā)陣風(fēng)產(chǎn)生的葉輪扭矩，從而減小疲勞載荷，提升整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性。

1.3 無極變速器的使用減小了對功率調(diào)節(jié)和變速控制系統(tǒng)的需求。減少電氣控制可以降低整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本，減少因其所導(dǎo)致的能量損失；并且系統(tǒng)中不需要使用經(jīng)常性維護(hù)的滑環(huán)，從而提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性。

圖2 改進(jìn)的無極變速風(fēng)電傳動系統(tǒng)圖

結(jié)語

本文通過研究傳統(tǒng)的風(fēng)電傳動系統(tǒng)，得出其不能實(shí)現(xiàn)變速、風(fēng)能利用率底、輸出速度波動大等不足，在保留原有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的風(fēng)電傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無級變速，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的傳動原理和變速原理，指出其變速范圍和原理，使之能提供一種靈活的設(shè)計手段。該傳系統(tǒng)能通過無極變速來改善傳動性能，提高風(fēng)能的利用率。可以對該領(lǐng)域傳統(tǒng)的設(shè)計提供新的思路和手段，對設(shè)計人員有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

[1] 姚興佳．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論與設(shè)計[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[2] 諾邁士．風(fēng)電傳動系統(tǒng)的設(shè)計與分析[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013．

[3] 劉忠明，等．風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展與展望[J]． 機(jī)械傳動，2006．

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