傳動(dòng)機(jī)構(gòu)柔性軸建模

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根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)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(gè)有質(zhì)量的圓盤組成。由于實(shí)際石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低速軸、齒輪箱的傳動(dòng)軸和高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此低速軸、齒輪箱的傳動(dòng)軸和高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略不計(jì)。如特殊情況需要計(jì)算，則可將低速軸及其軸側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并入石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，高速軸及其軸側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為剛性軸分析時(shí)，僅僅考慮齒輪箱為變比，在齒輪箱的變比為Ⅳ時(shí)，利用集中質(zhì)量塊模型進(jìn)行分析，可以將石家莊風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到高速軸側(cè)，也可以將發(fā)電機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到低速軸側(cè)。
本文采用前者將石家莊風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到高速軸側(cè)，經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算，此時(shí)根據(jù)機(jī)理建模，在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，繞線式雙饋發(fā)電機(jī)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(jī)和變流器作為一個(gè)整體來建立模型。為使石家莊風(fēng)機(jī)在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速條件下運(yùn)行，控制變流器給發(fā)電機(jī)軸施加不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)要求轉(zhuǎn)矩，在發(fā)電機(jī)的氣隙處產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩。
因此，發(fā)電機(jī)及其控制模型可以用一階延遲模型來描述。然而由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石家莊風(fēng)機(jī)，將齒輪箱高速軸與低速軸齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別折算到石家莊風(fēng)機(jī)側(cè)、發(fā)電機(jī)側(cè)，如包含了齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。上式可以等效為包括高、低速軸的阻尼特性、剛性及其石家莊風(fēng)機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的二質(zhì)量塊動(dòng)態(tài)模型，此時(shí)的齒輪箱可以認(rèn)為是一個(gè)輸入端無質(zhì)量的低速軸，輸出端無質(zhì)量的高速軸，僅僅考慮為一變比關(guān)系。此時(shí)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以認(rèn)為是一個(gè)柔性兩質(zhì)量塊模型，由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械損失主要發(fā)生在傳動(dòng)軸與齒輪箱上，故石家莊風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)上的滑動(dòng)阻尼系數(shù)可以忽略不予考慮。
顯然，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性軸模型為一個(gè)四階系統(tǒng)，由控制理論知識(shí)易知，此時(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)的參數(shù)的優(yōu)化配置將有利于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)性能的改善，關(guān)于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題，及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械參數(shù)的最優(yōu)配置問題，另一方面，從機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)柔性軸與剛性軸傳遞函數(shù)的波特圖可以看出，柔性機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型明顯地分成了兩個(gè)二階系統(tǒng)，第一個(gè)是處于低頻區(qū)的二階系統(tǒng)，其自然振蕩頻率為蛾；第二個(gè)是處于高頻區(qū)的二階系統(tǒng)，其自然振蕩頻率為。
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性明顯地以第一個(gè)二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能為主，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)性能直接與第一個(gè)二階系統(tǒng)的自然振蕩頻率和阻尼比有關(guān)。若從物理方面來考慮，實(shí)際石家莊風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，低速軸韻阻尼與剛度系數(shù)也是高速軸的幾十倍。因此，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究精度要求不高的情況下，考察機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，可以忽略高速軸和發(fā)電機(jī)的影響，僅考慮由實(shí)際石家莊風(fēng)機(jī)和低速軸組成的第一個(gè)二階系統(tǒng)，因?yàn)槠鋭?dòng)態(tài)特性對(duì)系統(tǒng)具有決定性的影響。由上面兩節(jié)內(nèi)容可知：精確的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性軸模型更趨為一個(gè)四階系統(tǒng)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)的參數(shù)的優(yōu)化配置將有利于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的瞬態(tài)性能的改善。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各部分的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)性能影響如何，下面本節(jié)針對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性軸模型開展仿真研究，探討風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。