3
期 燕山大学学报
Journal of Yanshan University，
Vol. 42 No. 3
May 2018
2018 年 5 月
文章编号:1007-791X(2018)03\"0213-06
一种新型大功率风机无级调速节能动力装置设计
王加春张万富、毛永福、李坤鹏、刘彦军2
(1.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004;2.北京京东方光电科技有限公司，北京100176)
摘要:针对驱动风机负载的大功率电机无级调速困难、变频器价格昂贵、低速段效率低等问题，提出了一种基
于行星差动传动原理的大功率风机无级调速节能动力系统。以节能为目标，给出了无级调速动力装置的优化 设计方法，建立了大功率电机与变频调速电机的匹配关系。基于相似性原理研制了调速系统模型样机，并进行 了调速和节能性能试验。结果表明:提出的无级调速动力装置能很好的实现无级调速功能，且相比于单独变频 电机拖动，在调速范围内具有显著的节能优势。
关键词：大功率风机;动力装置;节能;无级调速;行星差动传动中图分类号：TH132
文献标识码：
A DOI：10.3969/j. issn. 1007-791X.2018.03.004
0引言
我国大部分大功率风机都有无级调速的要
变频器价格昂贵、低速段效率低下以及启动电流 过大等问题,本文提出了基于二自由度行星差动 轮系的混合驱动技术，以实现大功率动力输出的 节能无级调速。
求，调速幅度一般为50% ~ 100%。大功率风机负 载大都采用恒转速的三相交流异步电动机拖动, 启动时电流大，为额定值的4 ~7倍，造成较大的 启动电网冲击，降低其它设备的机械寿命。当需 要调节风量时，采用机械节流方式调节输出风量， 虽然该方法操作简单，但调速过程中电机仍以满 负荷状态运行，电机效率低，能源浪费严重[12]。 随着科学技术的不断发展，目前市场上已出现多 种无级调速方式，主要有液力耦合器、变频调速、 液压调速以及液粘离合器等。液力耦合器调速范 围较小，能耗严重，并且仅适用于高转速范围内调 速;液粘耦合器虽然调速范围广，但其能耗严重， 调速精度差;液压调速节能效果较好，但具有动态 响应慢、低速特性差等缺陷[3鄄5]。变频调速技术是 目前比较被认可的无级调速技术,但大功率变频 电机的变频器价格昂贵,有的还需从国外进口，投 资成本高，且低速段效率很低，能源浪费也很严重[6鄄7]。
为了解决大功率与超大功率电机调速困难、
收稿日期:2018-01-31
责任编辑:温茂森
1无级调速节能动力系统方案
该动力装置的设计思想是:采用基于行星差
动传动的混合驱动技术，即将大功率三相异步电 机与小功率变频调速电机的动力和速度通过行星 差动轮系合成，让大电机始终在额定转速下运行, 以保障其高效率;利用变频调速技术调节小功率 变频电机转速，通过行星差动轮系合成，从而实现 无级调速的目的。在整个调速过程中，大电机始 终在高效率段运行,耗能小,小功率变频电机虽然 也存在低效率段，但小电机总功率小，能耗相对 小，因此动力装置总体效率高、节能。
如图1所示，大功率电机的输出轴通过联轴 器与齿轮传动机构10的输入轴相连。齿轮传动 机构主要由太阳轮2、行星轮3、内齿圈4、外齿圈 6、行星架5以及齿轮7等组成。输出轴9通过联 轴器与行星架5连接。变频调速电机8通过联轴 器与齿轮7相连，齿轮7通过外齿圈6将运动传递
基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2016203462);河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2015023);国家自然科学基金资助
项目（51675468)
作者简介：*王加春（1967-),男，黑龙江巴彦人，博士，教授，主要研究方向为先进制造技术,Email:wjczth@ ysu. edu. cn。
214燕山大学学报2018
到行星差动轮系，进行动力与速度合成，最终通过 行星架5将动力输出。控制系统米用可控制编程 器(PLC)实现对电机的控制，整个动力装置的组 成如图2所示。
1.大功率电机；2.太阳轮;3.行星轮;4.内齿圈;5.行星架；6.外齿圈;7.齿轮;8.变频调速电机;9.输出轴;10.齿轮传动系统
图1
传动系统结构原理图
Fig. 1
Schematic diagram of transmission system
机
大功率电机
械系统
控
变频器
制系统
图2
动力装置组成简图
Fig. 2
Composition diagram of power plant
调速系统刚开始运行时，变频调速电机8按 照预定的启动曲线启动，此时传动系统是一个单 输入（内齿圈）、双输出（太阳轮与行星架）的差动 传动系统。由于负载惯性力矩较大，行星架固定 不动，上述差动传动系统实际上变为一个行星架 固定的定轴轮系，变频调速电机8的动力传递到 大功率电机1的转子端，大功率电机转子旋转起 来。当大功率电机转子达到额定转速时，接通大 功率电机电源，大功率电机平稳启动。运行过程 中大功率电机1以额定转速运转，带动行星传动 机构的太阳轮2运动，变频调速电机通过齿轮7 控制行星合成机构的外齿圈6的转速变化，经过 行星差动合成机构进行运动合成，输出确定的运 动。根据传动关系容易推得输出轴转速％:
n9n8k/i(1)
式中，^为大功率电机转速，&为变频调速电机转 速，k为行星排特征参数，i为外齿圈6与齿轮7传 动比。
由式（1)可知，通过调节变频电机转速，系统 可实现输出端转速的连续变化。
2
无级调速节能动力装置设计
2.1
系统效率
传动效率是恒量系统节能效果的重要指标。
在该系统中，输入功率为大功率电机和变频调速
电机功率之和，输出功率为负载设备功率，故传动 效率计算公式为
浊s
尸出 ________p__________尸入_P1浊x浊1浊z +P8浊x浊7浊8浊/
(2)
式中，P9为输出功率，^为变频调速电机的功率，
尸1为大功率电机功率，浊x为行星差动合成机构传 动效率，浊1为大功率电机效率，浊z为联轴器效率， 浊7为圆柱齿轮7与6的传动效率，浊8为变频调速 电机效率。
对于大功率风机，负载的功率与转速关系为
P_K1 n3,
(3)
式中，K1为比例系数。
变频调速电机的转速为零时，此时输出轴的
转速为n0,设x为调速系数，当输出端任意的转速 为xn〇时，将式（1)和式(3 )代入式(2 )中并进行化 简得
浊5 _ 0. 912x + 0. 83(1 - x)浊8，
式中，浊8为变频电机效率。2.2
传动系统
行星差动轮系的作用是用来实现速度的合 成，是系统的核心部件。由式（2)可知，行星差动 轮系的传动效率直接影响了系统的整体效率。设 计时，除了要考虑构件的本身强度要求，还要考虑 传动系统的转动惯量和传动效率，以实现提高系 统动态响应能力、缩短加减速时间和减小电机功 率输出，达到节能等目的。常规设计方法无法找 到最优设计参数，这里采用遗传算法，以转动惯量 和传动效率为目标量，对行星差动轮系进行优化 设计。
第3期王加春等一种新型大功率风机无级调速节能动力装置设计215
通过对传动系统转动惯量和传动效率的分 析，可知，影响传动系统转动惯量和传动效率的主 要参数分别为齿轮模数m、齿轮名义齿宽b以及 太阳轮齿数&。因此选取m、b和^为优化设计变 量，分别用Xi，x2，x3表示m，b，z2，即
X1X =
x2
式中，V2为太阳轮体积，V3为行星轮体积，np为行 星齿轮个数，^为内齿圈齿数z4与太阳轮齿数z2 的比值。
考虑行星差动轮系运转过程中太阳轮与行星 轮的啮合损失鬃Xm2、行星轮与内齿轮的啮合损失 鬃Xm3以及轴承的传动损失鬃I，以传动效率最大为目
mb-Z2 -
⑷标建立目标函数[8]:
max g ( X) = 1—I — 1(鬃 %m2 + 鬃113 +鬃 I )=2(着1 +着2)
+着仔仔fm〔着i
/】-11 x3 ( 1 + /】）x3 一2 x3/\"
0
-X3 -
传动系统的转动惯量与齿轮的质量和半径的 平方成正比关系，而齿轮的质量与半径直接影响 传动系统的体积，因此，本文通过减小传动系统体 积以实现减小系统转动惯量的目的。在调速系统 中太阳轮和行星轮的体积之和是决定差动轮系整 体体积大小的关键因素，其设计参数也是系统设 计的重要参数，因此以其体积之和最小为目标建 立目标函数：
min f( X) = V2 + UpV3 =11
，（6)
式中，fm为啮合摩擦因数，着1、着2为重合度。乘除法是解决多目标统一的一种方法，适用 于多目标中同时含有目标函数趋向于越小越好和 目标函数趋向于越大越好的情况[9]。相比于其他方法，乘除法更适合解决本文的多目标优化问题。 利用乘除法将式（5)和式（6)中单目标函数统一 为以下评价函数：
16xix2x3 [4 + np( 1 — Ii ) ] ， (5)16
1111 —
X2 x3[4 + Up(1 — ；1)2]
X) minF ( X).f(
'g( X)
(7)
’着丄—2(着1 +着2) +着 1
V 1 x3 ( 1 + 11 ) x3 2 x3/r
6齿数，Yv7为齿轮7齿形系数，Af为弯曲强度综
考虑制造与安装等因素，建立以下约束条件：① 模数大于零:k(X)1=-X1<0，② 轮齿不根切:k(X)2 = 17-x3燮0，③ 齿宽要求:k(X) 3 = 5^ -x2燮0，
k( X)4= x2-17 x1 燮0，
合系数，C为常量系数。
相比其他优化算法，遗传算法最大特点是更有目的性，是一种自适应智能算法[10鄄11]，更适合于 上述多目标函数求解，因此本文采用遗传算法求 解多目标函数。2.3控制系统
新型大功率风机无级调速装置控制系统如图 3所示，由计算机、可编程控制器（PLC)以及变频 器等组成。控制系统在结构上是主从式的二级控 制，计算机为主，可编程控制器为辅。
④ 邻接条件：
k( X)5=--------4 -x3<0,
(3-A )sin!-( 1-/J
p
⑤ 齿面接触疲劳强度：
k(X) 6 =A孖」f 1 +2] -x1z7x2 燮0，
np V Z6 0
⑥ 直齿圆柱齿轮的齿根弯曲强度：
k(X)7= AfUnp
-x\\x2z7 燮 0，
⑦ 满足安装条件：
h( X) = ^(1+/1)- C = 0。
np
上述式中，Ah为接触强度综合系数，为大 功率电机输出转矩，z7为齿轮7齿数，z6为外齿圈
Fig. 3
图3控制系统工作原理图
Schematic diagram of control system
216燕山大学学报2018
控制系统工作时，PLC通过控制变频器的输 出频率来控制调速电机的转速。当主电机达到额 定转速时，通过速度传感器反馈给PLC，然后接通 主电机电源，主电机启动。同时，通过PLC控制调 速电机按预定规律减速，负载加速直至达到额定 速度。PLC通过输出轴传感器判断输出转速达到 额定转速，断开调速电机电源。停车时，PLC控制 调速电机启动，当PLC通过速度传感器收到输出 轴转速为零的反馈后，先断开主电机电源，控制调 速电机减速直到完全停止，最后断开调速电机 电源。
2.4大功率电机与变频调速电机的匹配
采用双电机作为动力源的无级调速系统中， 大功率电机与变频电机的功率配比大小直接影响 调速系统性能[12]。在大功率电机确定的情况下， 若两电机功率配比过大则会造成不能拖动负载的 情况;若功率配比过小则会造成“大马拉小车”的 现象。因此，变频电机的选择不仅要满足无级调 速的要求，而且还应使电机运行效率较高，减少 能耗。
在不考虑摩擦的情况下，调速系统中存在转 矩平衡关系，即变频电机和大功率电机的输出转 矩之和等于等效到输出端负载转矩。设变频调速 电机输出转矩为A，大功率电机的输出转矩为Ti， 动力装置的负载转矩为T9，则它们之间转矩关 系为
-kT9t8 = (
mn
(8)
当负载确定以后，通过式(8)可以确定变频调 速电机的输出转矩以及大功率电机输出转矩的大 小，为了能够实现无级调速，大功率电机和变频调 速电机连接轴的转矩必须大于负载等效到各个轴 上的转矩。
对于大功率风机，负载的转矩与转速关系为
T = K2 n2,
(9)
式中，&为比例系数。
由式(9)可知，负载转矩随输出转速的增大而 增大，当输出转速达到最大值时，此时系统负载转 矩达到最大值，只要在最大转矩处能够实现调速， 那么系统在其他负载转矩下也可以实现调速。因
此在系统输出转速最高情况下分析两电机功率的 匹配关系。
设y为最大调速系数，则输出轴的最大速度 为yn0(1臆y臆2)，通过对传动系统进行动力学和 运动学分析，得到变频调速电机的功率和额定 转速：
|尸8 =A(y- 1)
|〜=+n1(y _ U =i(k + 1)n〇(y - 1)?令A = iLk+1)，S = y-1，则变频调速电机的匹配关 系为
{^8 =^1 s
n8 = An0S
式中，S为调速范围，A为常数。
3大功率风机无级调速动力系统模型样机 研制及试验
为了验证本文所提出的新型无级调速系统的
合理性以及实用性，基于上文的分析，根据复杂系 统相似性原理设计搭建了调速系统模拟试验台， 如图4所示。
1.三相异步电机;2,4,6.传感器;3.变频调速电机;
5.行星传动机构;7.负载加载设备
图4
传动系统模型样机
Fig. 4
Model mockup of drive system
试验台包括控制系统和机械系统两个模块。 控制系统由计算机、PLC、变频器、传感器等组成。 机械系统主要由7.5 kW三相异步电机、小功率变 频调速电机、圆柱齿轮和行星差动轮系构成，传动
机构具体参数如表1所示。采用电力测功机作为 负载加载设备。
利用模拟试验台对调速动力装置进行了无级 调速和节能性能试验研究，通过对调速过程中无 级调速动力装置的输出转速和效率进行分析来验
第3期王加春等一种新型大功率风机无级调速节能动力装置设计217
证该装置的可行性。试验主要模拟风机负载下调 速系统的运行过程，试验中负载力矩按照风机负 载特性施加，三相异步电机始终以额定转速运行， 率高于相同输出下采用单独变频电机时的效率， 且效率差值较大，调速系统节能效果良好，节能潜 力巨大。虽在高速段调速系统效率低于单独变频 通过调节变频电机的输出转速然后经差动轮系将 两电机转速合成后输出，达到对负载设备的无级 调速，直到系统输出力矩小于负载力矩为止，调速 过程结束。试验过程中利用钳形功率表对变频电 机和三相异步电机在无级调速过程中的输出功率 进行测量;通过转速转矩传感器对负载端转速转 矩和变频电机输出转速转矩进行测量，进而计算 出负载端的输出功率。
表
1
传动系统基本参数
Tab. 1
Basic parameters of transmission system
齿数z
模数m
行星轮282太阳轮232内齿圈792
齿轮7
77
7
通过负载端输出功率与两电机输出功率之和 的比值得到调速系统在无级调速范围内的传动效 率，并与相同输出下理论分析得出的效率以及单 独变频电机拖动时的效率[13]进行比较，从而得到 调速系统的节能效果。试验结果如图5所示。
Fig. 5
Comparison of efficiency between energy saving
device and single inverter motor driving system
由图5可知，系统理论效率曲线与试验效率 曲线相差不大，平均误差为9.7%。产生这种误差 的原因主要是因为理论分析没有考虑传动机构中 的摩擦以及电机发热等因素。通过系统试验效率 曲线与单独变频电机效率曲线对比发现，调速系 统能够实现负载设备从0 ~1 128 r/min的大范围 无级调速;在无级调速范围内，系统在中低速段效
电机拖动时的效率，但系统仍能保持相对较高的 传动效率，与单独变频电机拖动时效率值差值 不大。
4结语
针对大功率风机调速方式落后、无级调速困
难和能源利用率低下等问题，提出了一种基于行 星差动传动的大功率风机无级调速节能动力系 统。给出了大功率风机无级调速节能动力装置的 设计方法。建立了大功率电机与变频调速电机的 匹配关系。研制了调速系统模型样机，并进行了 无级调速和节能性能试验，结果表明：系统能够实 现无级调速，且在调速范围内具有很好的节能 效果。
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Design of energy-saving device with stepless speed
regulation for high-power wind turbines
WANG Jiachun1, ZHANG Wanfu1, MAO Yongfu1, Li Kunpeng1, LiL Yanjun2
(1. School of Mechanical Engineering, Yanshan Lniversity, Qinhuangdao, Hebei 066004, China;
2. Beijing BOE Optoelectronics Technology Co. Ltd. , Beijing 100176, China)
Abstract： A new type of energy saving system with stepless speed regulation for high-power wind turbines is proposed based on the
principle of planetar^^ differential transmission in order to solve to problems of stepless speed regulating difficulty, high price of inverters and low efficiency at low speed for high-power motor used to drive wind turbines. An optimal design method for the stepless speed regulation device is given. The matching relationship between high-power motor and variable frequency speed regulating motor is expressed for energy saving. A test prototype of device is developed according to the similarity principle, the speed control and energy-saving performance tests are carried out. The results show that the stepless speed regulating can be realized well by using the proposed stepless speed regulation power device. The energy saving effect is remarkable compared with a single inverter motor driving system in the specific speed range.
Keywords： high power wind turbines; power system; energy-saving; stepless speed regulation; planetary differential transmission
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