差動調速裝置功率流與功率配比研究

王磊

摘? 要：基于差動輪系的特性方程，重點分析差動調速裝置中差動輪系的功率流及影響裝置中主、輔電機功率配比的因素，提出確保輪系功率匯流的組合方法，得出主、輔電機裝機容量配比的理論依據(jù)。

關鍵詞：差動調速裝置;差動輪系;功率流;調速幅度;功率比

中圖分類號：TM921? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0054-03

Abstract： Based on the characteristic equation of differential gear train， the power flow of differential gear train in differential speed regulation device and the factors affecting the power ratio of main motor and auxiliary motor in differential speed regulation device are analyzed emphatically， and the combination method to ensure the power confluence of gear train is put forward. The theoretical basis of the ratio of installed capacity of main motor and auxiliary motor is obtained.

差動調速裝置是一種高效、可靠的無級調速裝置，通過對部分功率的速度控制實現(xiàn)對全功率的速度控制[1～2]，有效降低對變頻相關器件的功率要求，提高系統(tǒng)的可靠性，又降低了投資成本。

本文重點分析調速系統(tǒng)中差動輪系的功率流向;調速幅度的概念及它與主輔兩電機功率配比的關系。

1 差動調速裝置組成

差動調速裝置由主電機、輔電機、差動輪系和制動器組成。該裝置依據(jù)差動輪系具有功率匯流特性而設計，并將動力源提供的功率分為兩部分，其中一部分功率主要用來傳遞動力，由主電機提供;另一部分功率由輔電機提供，進行速度調節(jié)，最終兩部分功率匯流于差動輪系共同輸出，實現(xiàn)調速功能。通過連續(xù)改變輔電機的轉速，可以使輸出轉速在一定范圍內連續(xù)調節(jié)，達到無級調速的要求。

2 差動輪系功率流的分析

差動輪系由太陽輪、齒圈和行星架三個基本構件組成，且有兩個自由度，即只有給定兩個確定的輸入轉速，才能有確定的轉速輸出，所以一般都是將差動輪系某兩個基本構件的轉速在一定程度上關聯(lián)起來而保證第三個構件有一個確定的轉速輸出。但這里應指出的是三個構件各自傳遞的功率對差動輪系而言既可能是輸入功率也可能是輸出功率，即使是被關聯(lián)的兩個構件也可能不同為輸入或輸出功率。

在前文所述差動調速裝置工作原理中已提出要利用差動輪系的功率匯流特性實現(xiàn)分功率調速，功率匯流是要求被關聯(lián)兩構件所傳遞的功率對于差動輪系而言同為輸入功率，即要求兩構件的功率比大于零。差動輪系本身是具有功率匯流的特性，但并不是所有的運轉情況都能實現(xiàn)功率匯流，它必須要求被關聯(lián)的兩個構件滿足一定的運轉條件才能真正實現(xiàn)功率匯流。因此，在選定差動輪系的任意兩個基本構件作為關聯(lián)構件時，應分析清楚它們之間的轉矩方向關系并對它們的轉向關系有一定的要求，以滿足兩構件的功率比大于零，進而保證差動輪系的功率匯流。下面依據(jù)差動輪系的特性方程來分析輪系中的功率流。

2.1 差動輪系的特性方程式

2.2 差動輪系功率流簡圖的繪制

差動輪系的功率分為輸入功率和輸出功率。在明確了差動輪系的功率輸入輸出問題后，采用逆向分析法確定差動輪功率流與構件轉動方向的關系。假設已知差動輪系中主從地位相同的兩構件（功率比大于零的兩構件），然后再根據(jù)差動輪系的特性方程分析基本構件的轉向關系。

（1）當a、b主從地位相同并且它們各自傳遞的功率對于差動輪系而言都是輸入功率，則有Pa /Pb>0，將其代入式（8）知iab>0，由此斷定a、b轉速方向相同，再由式（2）推知H也與a、b轉速方向相同。假定a轉向為正方向，可得圖2（a）所示簡圖。于是，當要關聯(lián)a、b兩構件時（兩構件同時作為輸入構件），應使a、b兩構件轉速方向相同，才能保證功率的匯流。

（2）當b、H主從地位相同并且它們各自傳遞的功率對于差動輪系而言都是輸入功率，則有Pb /PH>0，將其代入式（10）知ibH<0，由此斷定b、H轉速方向相反，假定H的轉速方向為正方向，那么b的轉速方向為負方向，再由式（3）推知，a的轉速方向也為正方向。綜合所述，可得圖2（b）所示簡圖。于是，當要關聯(lián)b、H兩構件時（兩構件同時作為輸入構件），應使b、H兩構件轉速方向相反，才能保證功率的匯流。

（3）當a、H輪主從地位相同并且它們各自傳遞的功率對于差動輪系而言都是輸入功率，則有Pa /PH>0，將其代入式（9）知iaH<0，由此斷定a、H轉速方向相反，假定H的轉速方向為正方向，那么a的轉速方向為負方向，再由式（4）推知，b的轉速方向也為正方向。綜合所述，可得圖2（c）所示簡圖。于是，當要關聯(lián)a、H兩構件時（兩構件同時作為輸入構件），應使a、H兩構件轉速方向相反，才能保證功率的匯流。

圖2中三角形表示差動輪系（因有三個基本構件），各構件標在圖形頂點旁，箭頭表示功率流向。箭頭尖指向輪系為輸入功率，箭頭背向輪系為輸出功率，“+，-”表示構件的轉向，“+”表示正方向，“-”表示負方向。

2.3 輪系中輸入輸出構件的組合方法

為了實現(xiàn)差動輪系的功率匯流，在選擇輪系中的某兩個構件作為關聯(lián)構件時，應按圖2所示，即選擇功率流向相同（同為輸入功率）的兩構件，而且兩構件轉速方向也應與圖中所示一致。如本文所述調速裝置（圖1所示），是選擇差動輪系的太陽輪和齒圈作為輸入（關聯(lián)）構件，行星架作為輸出構件，按圖2（a）所示，必須保證太陽輪和齒圈的轉速方向一致，才能滿足功率匯流的條件。

3 主、輔電機功率配比關系

3.1 調速幅度和差速比的概念

3.2 功率配比關系

4 結論

經(jīng)分析、計算得到如下結論：

（1）選擇差動輪系中的某兩個構件作為關聯(lián)構件（輸入構件）時，如對輪系有功率匯流的要求，應按圖1示意的方式選擇。（2）差動調速裝置中，輔電機額定功率與主電機額定功率之值等于調速幅度，調速幅度越大，輔電機需要分擔的功率就越大，這也就意味著需要調速的那部分功率就越大。（3）在整個調速區(qū)間內，主電機和輔電機所承擔的負載功率之比取決于差速比R和系數(shù)K。因此，在不同的調速區(qū)工作時，主電機和輔電機所承擔的負載功率之比也是不同的。

參考文獻：

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