傳動機構(gòu)剛性軸建模

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通過分析以上機械傳動機構(gòu)的建模方法差異，可以發(fā)現(xiàn)對于風力發(fā)電系統(tǒng)層面的研究，風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)主要采用集中質(zhì)量塊模型或二質(zhì)量塊模型。而研究二者的差別不難發(fā)現(xiàn)：二質(zhì)量塊模型綜合考慮了風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)各部分的慣量特性、機械傳動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼與彈性作用等，屬于柔性軸建模即認為低速軸和高速軸是柔性的，它允許石家莊風機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)45自由度。
石家莊風機轉(zhuǎn)子的加速度取決于氣動轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡，而發(fā)電機轉(zhuǎn)子的加速度則取決于高速軸扭矩和發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩之間的不平衡；集中質(zhì)量塊模型，其完全忽略機械傳動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和柔性，認為低速軸、齒輪箱、高速軸是剛性的，石家莊風機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子只有一個旋轉(zhuǎn)自由度，高速軸與低速軸間按定傳動比變化，石家莊風機氣動轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩之間的不平衡來決定發(fā)電機和石家莊風機轉(zhuǎn)子的加速(即系統(tǒng)轉(zhuǎn)速)。故本節(jié)將分別從剛性軸模型與柔性軸模型兩個方面進行論述。風力發(fā)電的機械傳動機構(gòu)通?？梢钥醋魇怯捎邢迋€慣性環(huán)節(jié)、彈性元件和阻尼元件等組成的系統(tǒng)。因此在建立風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)的機理模型時，通常采用彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)力學模型，而此力學模型的基本動力學方程式為。
式中：fMl為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，『D1為系統(tǒng)阻尼矩陣，K1為系統(tǒng)剛度矩陣，711為外部載荷矩陣，分別是研究節(jié)點的位移、速度、加速度矩陣。4．2傳動機構(gòu)剛性軸建模如前所述，根據(jù)機械傳動機構(gòu)剛性軸建模原則，剛性軸模型可以看成是由通過剛性軸連接的兩個有質(zhì)量的圓盤組成。
由于實際石家莊風機轉(zhuǎn)動慣量遠遠大于低速軸、齒輪箱的傳動軸和高速軸的轉(zhuǎn)動慣量，因此低速軸、齒輪箱的傳動軸和高速軸的轉(zhuǎn)動慣量可以忽略不計。如特殊情況需要計算，則可將低速軸及其軸側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動慣量并入石家莊風機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，高速軸及其軸側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量并入發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。風力發(fā)電機械傳動機構(gòu)作為剛性軸分析時，僅僅考慮齒輪箱為變比，在齒輪箱的變比為Ⅳ時，利用集中質(zhì)量塊模型進行分析，可以將石家莊風機的轉(zhuǎn)動慣量折算到高速軸側(cè)，也可以將發(fā)電機及其電動機的轉(zhuǎn)動慣量折算到低速軸側(cè)。本文采用前者將石家莊風機的轉(zhuǎn)動慣量折算到高速軸側(cè)，經(jīng)過轉(zhuǎn)動慣量的折算，此時根據(jù)機理建模，式中：％為石家莊風機轉(zhuǎn)動慣量，如為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量，％為石家莊風機氣動轉(zhuǎn)矩，％為發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩，％為發(fā)電機軸的瞬時轉(zhuǎn)速，Ⅳ為齒輪箱的傳動比。在變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，繞線式雙饋發(fā)電機定子直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器并入電網(wǎng)，可以把發(fā)電機和變流器作為一個整體來建立模型。為使石家莊風機在適當?shù)霓D(zhuǎn)速條件下運行，控制變流器給發(fā)電機軸施加不同的負載轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機在很短的時間內(nèi)響應要求轉(zhuǎn)矩，在發(fā)電機的氣隙處產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩。
因此，發(fā)電機及其控制模型可以用一階延遲模型來描述。式中：砭為發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩，乙為發(fā)電機的要求加載轉(zhuǎn)矩，見為發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩．速度曲線斜率，f為發(fā)電機的機電時間常數(shù)。由(4．2)與(4．3)式．,經(jīng)．Laplace變換，消去中間變量，可以得出機械傳動機構(gòu)剛性軸模型從石家莊風機氣動轉(zhuǎn)矩到發(fā)電機反應轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)：Ⅳ(s)2器。石麗可再N瓦De磊麗∽4)顯然，傳動機構(gòu)的剛性軸模型為一個二階系統(tǒng)，由控制理論知識易知，此時系統(tǒng)是一個恒穩(wěn)定系統(tǒng)，然而系統(tǒng)的瞬態(tài)性能還與系統(tǒng)的具體參數(shù)有關，系統(tǒng)的故有自然振蕩頻率與阻尼系數(shù)如式(4．5)、(4．6)所示，它們在很大程度上會對系統(tǒng)的瞬態(tài)性能產(chǎn)生影響。