兆瓦级变桨距风力机组齿轮箱的设计

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风力发电机组齿轮箱设计与优化

风力发电机组齿轮箱设计与优化风力发电机组作为一种环保和可再生能源设备，在近年来得到了广泛的应用和发展。

而其中的齿轮箱设计和优化，则是影响整个发电机组性能和效率的重要因素之一。

本文将详细介绍风力发电机组齿轮箱的设计原理与优化方法。

一、齿轮箱设计原理风力发电机组的齿轮箱主要用于传动风力转子与发电机之间的转动力，同时还可以对转速比进行调节以提高系统效率。

一般来说，齿轮箱包括主减速箱和变速箱两部分。

主减速箱通常采用多级齿轮传动，通过不同的齿轮组合来实现不同的转速。

而变速箱则可以通过调整齿轮箱中液压传动系统或电子控制系统来实现转速的调节，以适应不同风速下的工作状态。

在设计齿轮箱时，需要考虑的因素包括传动效率、承载能力、噪音和振动等。

合理的齿轮参数设计和优化可以有效地提高齿轮箱的工作效率和寿命。

二、齿轮箱优化方法1. 材料选用优化：齿轮箱的耐磨损性、强度和重量等关键性能直接受材料选择的影响。

优化材料选用可以根据具体工况选择合适的合金钢、碳素钢或铝合金等材料，以提高齿轮箱的整体性能。

2. 齿轮参数优化：齿轮的模数、齿数、压力角等参数对齿轮箱的传动效率和噪音有着重要影响。

通过数值优化和仿真分析，可以对齿轮参数进行精确设计和调整，以实现最佳的传动效果。

3. 润滑系统优化：齿轮箱工作时，润滑油的选用和润滑系统的设计对齿轮箱的稳定性和寿命至关重要。

通过合理选择润滑油种类和油路设计，可以减少齿轮箱的摩擦损失和磨损，提高系统效率。

4. 结构强度优化：齿轮箱内部各部件的结构设计和强度分析是确保齿轮箱正常运行的重要环节。

通过有限元分析和结构优化，可以避免齿轮箱在高负荷工况下出现应力集中和疲劳断裂等问题。

结语风力发电机组齿轮箱的设计和优化是提高发电系统整体性能和可靠性的关键环节。

通过合理设计齿轮参数、材料选用、结构强度和润滑系统，可以有效地提高齿轮箱的使用寿命和工作效率，为风力发电行业的发展做出贡献。

希望通过本文的介绍，读者对风力发电机组齿轮箱的设计与优化有所了解和启发。

风电齿轮箱的结构设计与分析

在齿轮系满足强度和刚度的前提时，为补偿制造过程中所产生的误差，行星传动采用均载机构，均衡各行星轮上的传递载荷，提高齿轮啮合平稳性、可靠性，同时提高了其承载能力，这样降低了加工齿轮的精度要求，即降低制造成本。太阳轮重量轻，惯性小，作为均载浮动件结构简单、浮动灵敏，其采用套筒联轴器与中间级行星轮花键联接，与之配对的外齿加工为鼓形齿，从而增加太阳轮的浮动量，同时保证内外齿齿面的高硬度以增加耐磨性。太阳轮轴设置成空心，以减轻重量，且在两端添加挡板，放置油进入而降低油面高度还可以与行星架的球头钉做定位接处。
SH 2
=
σ H lim Z NT ZL ZV ZR ZW 2 Z X σH2
经计算得：
SH1 = 1.62 ， SH 2 = 1.49 可以看出满足刚度要求。
（2）齿根弯曲强度的校核计算
考虑到使用条件、要求及尺寸的不同，标
准将修正后的的式件弯曲疲劳强度极限作为
许用齿根应力。给出的齿根弯曲强度就是公式
3 行星轮系的确定
3.1 强度计算
按齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径，为了能够满足传动要求，所以中心轮的分度圆直径 d 必须满足如下要求：
d1
=
kd
3
T1K A KHε KHP φ σ2
d H lim
×
u ±1 u
低速级中心轮求得 d1＝384.4 mm 按齿根弯曲强度初算齿轮模数，最小齿轮模数的计算为：
中间级：太阳轮力矩为 1.97×108 N·mm，切向力为 2.904×105 N；行星轮切向力为 5.807 ×105 N；行星架切向力为 5.807×105 N，转矩为 7.683×108 N·mm；齿圈所受切向力为 2.904×105 N，转矩为 5.733×105 N·mm。

兆瓦级风力发电机组变桨距系统_宋建秀

３１１／２０１１收稿日期：2010-11-22作者简介：宋建秀（1979-），男，工程师，主要从事晶闸管触发、控制系统和风电变桨技术研发工作。

绿色能源与节能兆瓦级风力发电机组变桨距系统宋建秀，吉天平，许力伟（南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲412001）摘　要：以ECSxA 系列变桨变频器为硬件平台，以非线性PID 变桨控制算法为核心，设计了一种新的兆瓦级风力发电机组变桨距系统。

通过软硬件的设计，较理想地实现了变桨距系统的电气控制，在实际应用中获得了良好的控制效果，实现了兆瓦级风力发电机组变桨距系统的自主开发。

关键词：变桨距系统；ECSxA 变频器；桨距角；非线性PID 中图分类号：TM315；TK83 文献标识码：Ａ文章编号：１６７１-８４１０（２０１１）０１-００３１-０５The Variable Pitch System of MW Wind TurbineSONG Jian-xiu, JI Tian-ping, XU Li-wei(CSR Zhuzhou Institute Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412001, China)Abstract: The ECSxA pitch inverter is chosen as the controller, and the non-linear PID is chosen as the core control algorithm, a novel pitch control system of MW wind turbine is designed. Through the software and hardware design,the electrical control of pitch control system can be realized,and has obtained good control effect in the practical application. Moreover, it can achieve the independent-development of the MW wind turbine pitch control system.Key words:variable pitch system; ECSxA inverter; pitch angle; non-linear PID０引言风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计_朱洁琼

兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计*朱洁琼1, 段斌1*, 敬章龙1, 龙辛2(11湘潭大学信息工程学院,湖南湘潭411204;21湘电风能有限公司,湖南湘潭411204)[摘要] 作为限制出力和制动速度的决定性系统,变桨系统的安全可靠性十分重要,目前我国风电机组的变桨距控制系统主要依靠引进1该文在研究和分析风电机组变桨距控制系统控制原理的基础上,从主体功能架构、可靠性保障措施、伺服驱动控制等3个环节展开对变桨系统的总体设计,采取有限状态机模式设计变桨距控制软件,并搭建了嵌入式软硬件实验平台进行验证1关键词:风电机组;变桨距控制;可靠性;状态机中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1000-5900(2009)02-0148-07The Design of Pitch Control System ofMegawatt -Class Wind TurbineZH U J ie -qiong 1, D UA N Bin 1*, J I N G Zhang -long 1, L ON G X in 2(11Institute of Information Engineerin g,Xian gtan University,Xiangtan 411105;21H ara XEM C W indpow er Co 1Ltd,Xiangtan 411105Chin a)=Abstract > A s a decisiv e sy stem for lim iting the output and br aking the speed,the roto r blade pitchingsystem is ver y im po rtant to safe operat ion of a w ind turbine 1T he pitch co nt ro l system of w ind turbines inChina mainly depend on impor t 1In this paper,based on research and analysis contro l principles of pitchcontro l system of w ind turbines,the general design of pitch sy st em is present ed fro m t hr ee aspects,themain funct ional ar chitecture,r eliabilit y assurance measures and serv o -driv en contro l,and the desig n of pitchcontro l softw are is put for war d by using finit e state machine model,which is verified w ith the ex perimentalplatfo rm of embedded har dw are and softw ar e 1Key words: wind turbines;pitch co nt rol;r eliabilit y;state machine电动桨叶调节已成为现代风电机组的标准特征,与固定角度系统相比具有显著优势1变桨距控制系统可实现风电机组在整个运行范围内运行角度和输出功率的优化控制[1]1作为限制出力和制动速度的决定性系统,变桨系统的安全可靠性十分重要1德国风电专家Andr eas Manjock 介绍,如果变桨系统失灵,风机轮毂将进入超速范围,制动机构启动后将很快导致过热,造成机舱烧毁1另外的情况也曾发生过,轮毂叶片因高速旋转压力过大而破裂或折断,或者因受力过大过度弯曲撞击塔筒而打碎[2]1目前我国风电机组的变桨距控制系统主要依靠引进1本文以/兆瓦级(2M W)直驱型风力发电机组及其关键部件的设计和制造技术0项目研究为依托,研究和分析风电机组变桨距控制系统的控制原理和总体架构,着重研究可靠性保障技术和变桨距控制状态机11 兆瓦级风电机组变桨距控制分析111 变桨距关联参量(1)桨叶节距角B桨叶节距角B 简称桨距角,是变桨距控制系统的控制参量,指的是叶片顶端翼型弦线与旋转平面的夹角,如图1所示1(2)风能利用系数C p第31卷第2期2009年6月湘潭大学自然科学学报N atural Science Jo urnal o f Xiangtan U niver sity V o l 131No 12Jun 12009*收稿日期:2009-02-21基金项目:国家自然科学基金资助项目(50677058);湖南省教育厅重点科学研究资助项目(08A076) 通信作者:段斌(1966) ),男,湖南湘潭人,教授,博士,博士生导师1E -mail:db61850@1631com图1 桨叶节距角B Fig 11 Paddle pitch angle B 风能利用系数C p (式111)表明风电机组将风能转化为风轮的机械能的能力,而变桨距控制系统的好坏直接影响机械能的大小1目前国外大型风电机组变桨距控制系统都以C p 为中间控制目标参量1C p =P s 12Q #A #M 3,(111)其中:P s 为单位时间内风轮吸收的机械能;Q 为空气密度,单位:mg /m 3;A 为风轮叶片扫掠面积,单位:m 2;M 为风速(指未扰动气流的流速),单位:m/s 1(3)叶尖速比K叶尖速比K 即为桨叶尖部的线速度与风速之比:K =2P R #n M =X #R M,(112)式中:X 为风轮在风速为M 时的旋转角速度,单位:rad/s;R 为风轮半径,单位:m;n 为转速,单位:r/s;由文献[3]得出,风能利用系数C p 为:C p (K ,B )=(0144-01016#7B )#sinP #(K -3)15-013#B -0100184(K -3)#B 1(113)C p 的贝兹极限为015931从式113可以看出,风能利用系数C p 由叶尖速比K 和桨距角B 决定1在恒功率状态,变桨距控制系统以K 为中间控制参量通过调节B 实现期望的C p 值1(4)输出功率P 忽略机械能转化为电能时的损耗,风电机组吸收风能产生的输出功率P 近似与P s 等价,为变桨距控制系统的控制目的参量1P =12#Q #P #R 2#M 3#C p (K ,B )[4](114)112 兆瓦级风电机组的变桨距控制策略直驱式风电机组采用的主控制策略是:低于额定风速时,跟踪C p m ax 曲线,以获得最大能量;低于额定风速且发电机转速达到额定值或者小于切出风速且高于额定风速时,跟踪P m ax 曲线,并保持输出稳定;高于切出风速时,停机保证机组安全,避免灾难发生1变桨距控制技术简单来说,就是通过调节桨叶的桨距角,改变气流对桨叶的攻角,进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率1变桨过程分为启动过程、欠功率状态、恒功率状态及停机过程[5]1启动过程,变桨系统调节轮毂叶片获得比较大的气动扭矩,来使叶轮克服驱动系统的空载阻力矩;当风力较弱时,提供整个宽度给空气流,而随着风速增加,在额定风速后,叶片入射角可减小,限制功率输出,使功率平稳,保护机械和电路系统,同时可以降低载荷;停机过程,提供很大的气动阻力,使叶轮的转速快速降低,避免机械刹车造成的惯性力太大而造成的伤害12 变桨系统总体设计目前,兆瓦级风电机组普遍采用独立变桨距的三桨叶结构1变桨系统一般包括控制器、伺服驱动器、变桨距伺服电机、传感器、减速箱、不间断电源(U PS)和齿盘等1其中传感器部分包括位置传感器和两个限位开关(0度和90度)[6]1211 变桨距控制系统的主体部分如图2所示,风速计、风向标和发电机转速分别产生风速、风向角及发电机转速作为整个变桨距控制系统的控制参数1图中只画了一个桨叶的变桨距控制系统,另外两个与图中类似1主控制器根149第2期朱洁琼,等兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计据风速、风向角和发电机转速,产生变桨命令值并发送至机舱模块,机舱模块再将其传送至轮毂模块,轮毂模块根据命令值控制变桨伺服控制系统实现变桨1与此同时,变桨伺服控制系统把实际值图2 变桨距控制系统主体框图Fig 12 Th e main diagram of variable pitch control system和运行状况通过轮毂模块和机舱模块反馈给主控制器1机舱模块一方面利用光纤通信将采集的风速和风向发送到主控制器,另一方面将主控制器的命令通过CA Nopen 总线发送至轮毂模块1轮毂模块的主要功能是实现对变桨伺服控制系统的控制,并将反馈值和采集的发电机转速传送给机舱模块1变桨伺服控制系统是变桨距控制系统的主体部分,由PWM 驱动模块、直流伺服电机及传感器组成1PWM 驱动模块产生直流伺服电机的电压控制信号,实现对电机的转速和方向控制1电流传感器采集直流伺服电机的输入电流反馈给轮毂模块,作为电流环的反馈部分1直流伺服电机上附带的位移传感器一般采用光电编码器,安装在电动机输出轴上,采集电机转动角度,产生脉冲输出信号反馈至轮毂模块,该脉冲信号的个数表示电机当前的角度,作为位置环的反馈部分,脉冲信号的频率代表电机当前的转动速度,作为速度环的反馈部分1轮毂模块根据机舱模块的控制参数及主控制器的控制命令,产生相应的PWM 波形,通过控制PWM 驱动模块实现对直流伺服电机的转速及转向控制,进而调节叶片的桨距角1变桨轴承起减速的作用,相当于减速箱,限定叶片的变桨速度1当风速超过额定的最大风速时,风速计和风向标将信号传送到机舱模块,发电机转速将信号传送到轮毂模块,轮毂模块通过CANopen 总线将信号发送至机舱模块,机舱模块将三种信号一起通过光纤通信传给主控制器1当主控制器确保风速信号确实超过额定风速后且满足风力机运行的条件时,由主控制器发出调桨叶的命令,主控制器计算每个三相伺服直流电机需要调节的桨距角,发送至机舱模块,由机舱模块通过CANopen 传送至轮毂模块,转换到该桨叶的位置驱动伺服电机运行,伺服电机连接减速箱,通过主动齿轮与风机轮毂上的内齿轮相啮合,从而带动内齿轮与叶片一起旋转,直接对该桨叶的桨距角进行控制1此外,主控制器通过轮毂模块读取位移传感器和电流传感器的数据并进行处理得到位移、转速和电流反馈量,进而实现闭环伺服控制1212 变桨距控制系统的可靠性设计一般的风电机组从购买、运输、装机到现场调试需要数千万的资金,一旦变桨距控制系统不正常工作,整个风电机组很可能会产生灾难性的事故,进而给社会带来巨大的经济损失1由于工业现场环境的不可预测性,需要对变桨距控制系统进行可靠性设计1如图3所示1图中变桨电机制动器提升、继电器超速测试、叶片紧急系统复位与变桨驱动器共同组成制动装置1制动装置的特点是空气动力学制动刹车单独由变桨距控制,桨叶获得充分的刹车作用1即使一个桨叶刹车制动失败,其它二个叶片也可以安全结束刹车的过程,提高了整个系统的安全性1U PS 电源作为制动系统的备用电源,提供给故障或者维修时候可以快速准确地收回桨叶1DC 维护开关作为UPS 电源是否需要维修的标记1变桨距控制的供电电源是由塔下的主控制室向上提供三相的供电电源,机舱内部将交流电整流成24V 的直流电源向蓄电池U PS 充放电管理模块供电1管理模块来监控蓄电池U PS 的电量是否满充,此部分是变桨系统稳定运行的关键1叶片中的非接触式位移传感器安装在轮毂内齿圈的边上,直接检测内齿圈转动的角度,即桨叶桨距角变化1当内环转过一个齿,非接触式位移传感器输出一个脉冲信号1变桨距控制系统依据光电编码器所测的位移值进行控制1非接触传感器作为冗余控制的参考值,它直接反映桨叶节距角的变化1当伺服电150 湘潭大学自然科学学报 2009年机输出轴、联轴器或光电编码器出现故障时,即光电编码器与非接触位移传感器所测数字不一致时,控制器便可知道系统出现故障1如果出现变桨电机超温、过电流保护失效、变桨驱动未按要求激活及紧急系统看门狗出错等系统故障,控制电源断电时,电机由UPS 供电,60s 内将桨叶调节为顺桨位置1在UPS 电量耗尽时,继电器断路,原来由电磁力吸合的制动齿轮弹出,制动桨叶,保持桨叶处于顺桨位置1在风力机正常工作时,继电器得电,电磁铁吸合制动齿轮,不起制动作用[7]1叶片限位开关限制叶片在0至90度转动,保证调桨系统的可靠性1图3 含可靠性设计的变桨距控制系统Fig 13 T he variable pitch control system with dependability des ign213 变桨距系统中的伺服控制系统如图4所示,伺服系统与一般的反馈控制系统一样,是由主控制器、受控对象、反馈测量装置以及比较器等部分组成,主控制器是按预定的控制规律调节输入信号,以使系统产生所希望的输出;受控对象一般指机器的运动部分,通常包括功率放大器、执行机构、减速器以及内反馈回路等,如图中的PWM 驱动模块和直流伺服电机即为受控对象1反馈装置是传感器检测单元,它测量输出变量,并将其转换为电信号反馈到系统的输入端,图中的叶片限位开关、非接触式位移传感器、电流传感器和光电编码器为系统的反馈装置1主控制器内部集成了伺服控制系统的位置调节器、速度调节器和电流调节器,即所谓的位置环、速度环和电流环1电流调节器的作用有两个:一个是在启动和大范围加减速时起电流调节和限幅作用1因为此时速度调节器呈饱和状态,其输出信号一般作为极限给定值加到电流调节器上,电流调节器的作用结果是使绕组电流迅速达到并稳定在其最大值上,从而实现快速加减速和电流限流作用1电流调节器的另一个作用是使系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强1如果没有电流环,扰动会使绕组电流随之波动,使电机的速度受影响1虽然速度环可以最终使速度稳定,但需要的时间较长1如果有电流环,由于其时间常数小,电流调节器会使受扰动的电流很快稳定下来,不至于发展到对速度产生大的影响1因此系统的快速性和稳定性得到改善1速度调节器的作用是对给定速度与反馈速度之差按一定规律进行运算,并通过运算结果对电机进行调速控制1由于电机轴的转动惯量和负载轴的转动惯量的存151第2期朱洁琼,等兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计在,使速度时间常数较大,系统的响应较慢1位置调节器的作用是将检测到的位置给定信号与位置反馈信号的差值,并进行PID 调节后,输出速度指令至速度调节器1经过位置外环、速度中环、电流内环三个闭环调节器的校正,控制信号经过功率接口驱动伺服电机1图5为位置给定值的获得过程1尖速比处理模块根据式112,利用测得的风速和发电机转速可计算出尖速比1风电机机械功率处理模块根据式113和式114,利用已知的额定功率和测得的风速,计算出最佳的位置给定值13 变桨距控制软件设计控制软件采取有限状态机模式,根据当前的状态决定采取的策略与行为,以消息触发状态转换,完成相应业务操作1如图6,软件状态机共7个状态:手动叶片变桨模式、紧急状态、初始化状态、等待位置状态、启动位置状态、发电状态和停止状态,相应状态转换条件如图6所示1手动叶片变桨模式中有两种控制方式:11开环控制:叶片1,2或3能够向上或向下变桨,但在任何时间只有一片叶片能在顺桨位置121闭环控制:一片叶片或全部叶片能够变桨到一个预先设置的目标桨距角,这时要求DC 电池接通转子开关并且转子没有锁定1紧急状态下执行3个操作:11紧急看门狗被移除;21蓄电池对DC 变桨电机供电;31三片叶片一次紧急变桨到顺桨位置1当叶片已到达目标位置,在变桨电机上的制动器降落1初始化状态执行以下操作:看门狗输出被设置;如果一个变桨驱动器故障,变桨驱动器被复位;如果全部叶片从电池供电操作到正常操作成功地开通,叶片则由软件运动控制器控制慢慢地向着轮叶等待位置变桨1等待位置状态下三片叶片按一定的变桨速度由顺桨位置转动至等待位置(各位置的角度值及各状152 湘潭大学自然科学学报 2009年态变桨速度值在本文仿真部分有设定),变桨距控制系统为风机启动作好准备,等待主控制器的命令1启动位置状态下叶片被软件运动控制器控制按一定的变桨速度由等待位置变桨至启动位置,风轮将开始转动,等待有效的风轮转速1发电状态中桨距角由启动位置以一定速度减小到待机角度(本文风机为15b )1若风速达到并网风速,桨距角继续减小到3b (本文风机桨距角在3b 左右时具有最佳风能吸收系数)1发电机并上电网后,当风速小于额定风速时,使桨距角保持在3b 不变;当风速高于额定风速时,根据功率反馈信号,利用变桨控制算法控制伺服控制系统使叶片变桨至工作位置1即当功率反馈信号超过给定值时,叶片向迎风面积减小方向转动一个角度,小于给定值就向迎风面积增加方向转动一个角度,使输出功率维持在额定功率附近1此时,软件运动控制器不工作1停止状态下叶片被软件运动控制器变桨到等待位置1轮毂将停止转动1当系统在状态转变过程中检测到故障,则自动进入停止状态1而如果当系统在运行状态中检测到故障,并且这种故障是致命的,那么工作状态不得不从运行直接到紧急状态,控制器将输出迅速顺桨命令,使得风力机能快速停机,顺桨速度可达20b /s [8]1这样可以立即实现紧急停机而不需要通过暂停和停止,提高变桨距风力机的安全性1图6 变桨距控制软件状态转换图Fig 16 Th e SFC of variable pitch control4 控制软件仿真本文以ARM +Linux +PC 为运行环境、步进电机为变桨距执行机构作为风电机组控制软件仿真平台1风电机组有五种运行状态,即特殊情况下的紧急停机、一般情况下的机组的初始化、切入风速以图7 实验平台运行界面Fig 17 Th e running interface of experimen t platform 下的启动变桨、发电状态下的变桨和正常停机1下面分别对五种情况进行实验分析,其中,桨距角和变桨速度参数的设定依据某兆瓦级风电机组实际值,对其它机型可能略有出入1(1)紧急停机风力机紧急停机时,制动器制动,变桨距系统断电,在蓄电池和外界风力的作用下,桨叶节距角为90b 1在输入实验平台的IP 地址并连接控制器后,当出现风速过大、设备工作不正常等情况时,模拟SCADA 主站发送紧急停机命令,此时变桨距控制系统不工作,如图7所示,1921168111230为实验平台地址,192116811121为模拟SCADA 主站地址1153第2期朱洁琼,等兆瓦级风电机组变桨距控制系统设计154湘潭大学自然科学学报2009年(2)机组初始化紧急停机后,所有机组相关设备及控制系统进行初始化,机组变桨至轮叶等待位置86b1当模拟SCADA主站发送机组初始化命令,实验平台接收到的数据为4b1(3)启动变桨当机舱上的风速计检测到10分钟内的平均风速达到切入风速前,控制桨叶按115b/s的变桨速度由90b转动至桨距角为86b的等待位置1平均风速升至切入风速并且满足并网发电的要求时,控制桨叶按2b/s的变桨速度由等待位置变桨至桨距角为30b的启动位置,叶轮开始启动1直到风速达到切入风速后,开始并网发电1在启动变桨状态,桨叶节距角从86b位置以2b/s的速度变桨至30b启动位置,风轮转速从0迅速增加,由于此时风速是小于额定风速,因此桨叶节距角最终保持在3b,捕获最大的风能1在整个过程中发电机并没有并入电网,没有负载,发电机空转,输出功率为01(4)发电变桨在发电状态时,机组运行变桨控制算法,控制器根据输入的数据实时变桨1在风速低于额定风速时,桨叶节距角保持在3b,风轮捕获最大的风能,发电机输出功率随风速变化而变化1当输出功率大于额定功率时,增大桨叶节距角,使功率输出下降稳定在额定功率左右;当输出功率低于额定功率时,减小桨叶节距角,使输出功率上升1(5)正常停机风力机停机时,制动器松开,使桨叶节距角转至90b顺桨位置15结语该文采用有限状态自动机设计了变桨距控制软件状态图,并运用嵌入式实验平台进行编程试验1试验结果验证了理论分析和系统设计的正确性,为进一步的工程设计提供了参考依据1在实际应用中,风电机组控制系统硬件采用的是PLC,虽然状态图在设计PLC软件时非常有用,但用状态图表示的系统的动态行为,必须用SFC(Sequential Function Chart,顺序功能图,或状态转移图)方案将其转换为控制算法,来执行每一个单步的控制活动1此外,变桨距控制软件只是风电机组控制软件的一个组成部分,自身内聚又服务于开放系统,其工程设计需运用动态配置技术及基于反射的动态演化技术1同时,变桨距控制状态机以对各传感器数据的处理为基础,为便于软件集成和演化,需设计独立于程序的实时数据库,设计可配置的组合条件库,实现程序与数据的低耦合1对此将另文研究1参考文献[1]T ONY B,DAVID S,NICK J,et al1W ind Energy H an db ook[M]1New york:J ohn Wiley&Sons Ltd,20051[2]A NDRE AS M1Clos e to the W ind:Pitch S ystem s[M]1Berlin:Germanischer Lloyd beaufort,20071[3]E ZZELDIN S,XU W1Control Design and Dynamic per formance Analysis of a Wind T urbin e-Induction Gen erator U nit[J]1IEEET ransaction on energy con version,2000,15(1):91-961[4]DET N V1Copen hagen and Win d En ergy Department:Guidelines for Design of W ind T urbines[M].Denmark:J ydsk Cen traltryk-keri,2002.[5]FERNANDO D B,ERN#N D B,RICADO J1M antz:Wind Tur bine Control Sys tems Prin ciples,M odelling and Gain S cheduling De-sign[M].Newyork:Springer Verlag,2007.[6]H AU E1W ind Turb ines Fundamentals,T echnologies,Application,E conomics[M].Berlin/H eid elberg:Springer Verlag,2006.[7]惠晶,顾鑫,杨元侃1兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统[J]1电机与控制应用,2007,34(11):51-541[8]张雷,鄂春良,倪以信,等1PLC在大型风力机变桨距系统中的应用[J]1电气应用,2007,26(9):120-1231[9]叶杭冶1风力发电机组的控制技术[M]1北京:机械工业出版社,20061[10]德西雷1勒1古里埃尔著1风力机理论与设计[M]1汤瑞源,华宪明,赵明亮等译1南京:南京航空学院空气动力研究所,19851[11]秦立学1兆瓦级风力发电机组变桨距系统研究[M]1沈阳:沈阳工业大学,20061责任编辑:龙顺潮。

风力发电机齿轮箱的设计

风力发电机组齿轮箱概述第一节概述风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。

通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。

根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。

为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。

例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件，等等。

对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。

还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。

不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。

在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。

如前所述，风力发电受自然条件的影响，一些特殊气象状况的出现，皆可能导致风电机组发生故障，而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。

因此，加强对齿轮箱的研究，重视对其进行维护保养的工作显得尤为重要。

第二节设计要求设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。

通常应采用CAD优化设计，排定最佳传动方案，选用合理的设计参数，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，等等。

风力齿轮箱优化设计

能源是人类社会千百年来发展的基础，在物质生活不断丰富精神生活不断饱满的今天，能源危机正渐渐成为阻碍人类进步的一大难题。

人们需要更多的新型能源来支撑人类的发展，而风能作为典型的清洁能源，在减少温室气体排放、减轻环境污染等方面有着很突出的作用，已被全世界各国的人民认知与接受，正慢慢成为一种不可或缺的资源。

通过使用全方面的工程手段，例如通过使用风力机，通过把风所产生的动能有效地转换为可利用的产业能源。

其中，齿轮箱作为风力发电机中一个关键的机件，在其运行过程中扮演着不可或缺的角色。

但目前我国的风力发电机组大多数依赖进口，这意味着其成本之高昂，且发电机组本身存在着难以维修的问题，一旦出现故障就意味着将损耗大量财力去解决问题。

这些难题都制约着我国风电技术的发展与进步。

因此，齿轮箱的国产化与优化就成了迫在眉睫的一大问题。

通过对齿轮箱的优化设计不仅能满足其设计要求，而且在这基础上使得齿轮箱的体积、质量都得到缩减，从而得以降低其生产成本。

这一设计必定将在风电领域拥有广阔的市场。

关键词：风力齿轮箱优化设计MATLABEnergy is the basis for the development of human society for thousands of years, in the material life continue to enrich the spiritual life is constantly full today, the energy crisis is gradually becoming a major obstacle to human progress. People need more new energy to support the development of mankind,and wind energy as a typical clean energy, in reducing greenhouse gas emissions, reduce environmental pollution has a very prominent role, has been the people around the world awareness and acceptance, Is slowly becoming an indispensable resource.Wind energy through the use of comprehensive engineering technology, the use of wind turbines will be the wind kinetic energy into mechanical energy, electricity and heat and so on. Among them, the gear box as a wind turbine in an important mechanical parts, in the wind turbine play an indispensable role. However, most of China's wind turbines rely on imports, which means that the cost of high, and the generator itself is difficult to repair the problem, once the failure means that will lose a lot of money to solve the problem. These problems are restricting the development of China's wind power technology and progress. Therefore, the localization and optimization of the gearbox has become a big problem of imminent.The optimal design of the gearbox not only meets its design requirements, but also reduces the volume and quality of the gearbox to reduce its production costs. This design will certainly have a broad market in the field of wind power.Keywords: wind gear box Optimized design Matlab目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2对风能的研究与发展现状1.3风力发电机的原理1.4风电齿轮箱的工作原理1.5风电齿轮箱的优化方法1.6行星齿轮传动的特点1.7论文研究的主要内容第二章传动方案选型2.1已知条件2.2产品特点与传动示意图2.3将已知条件进行推算第三章传动比的优化设计3.1建立目标函数3.2建立约束条件3.3建立齿轮箱数学模型第四章使用MATLAB处理数据求最优值4.1 MATLAB软件介绍4.2建立目标函数M文件4.3建立约束函数的M文件4.4求解4.5验算4.6优化结果与原设计的对比第五章总结与思考第六章致谢参考文献第1章绪论1.1 研究背景与意义当今社会，随着科技的发展，人们的生活变得越来越丰富多彩，科技的进步推动着人类文明的前进。

风力发电机齿轮增速箱毕业设计

摘要风电产业的飞速发展促成了风电装备制造业的繁荣，风电齿轮箱作为风电机组的核心部件，倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。

但由于国内风电齿轮箱的研究起步较晚，技术薄弱，特别是兆瓦级风电齿轮箱，主要依靠引进国外技术。

因此，急需对兆瓦级风电齿轮箱进行自主开发研究，真正掌握风电齿轮箱设计制造技术，以实现风机国产化目标。

本文设计的是兆瓦级风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算等对其配套的齿轮箱进行自主设计。

1）根据风电齿轮箱承受载荷的复杂性，对其载荷情况进行了分析研究,确定齿轮箱的机械结构。

选取两级行星派生型传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数，齿数，螺旋角等的确定；通过计算，确定各级传动的齿轮参数；选择适当的齿轮。

2）对行星齿轮传动进行受力分析，得出各级齿轮载荷结果。

依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。

3）绘制CAD装配图，并确定恰当合理参数。

关键词：风电齿轮箱；风力发电；结构设计。

ABSTRACTThe rapid development of wind power industry lead to the prosperity of wind power equipment manufacturing industry．As the core component of wind turbine，the gearbox is received much concern from related industries and research institution both at home and abroad．However, due to the domestic research of gearbox for wind turbine starts late，technology is weak，especially in the gearbox for MW wind turbine，which mainly relied on the introduction of foreign technology．Therefore，it is urgent need to carry out independent development and research on MW wind power gearbox，and truly master the design and manufacturing technology in order to achieve the goal of localization．1）The load Cases of gearbox for wind turbines ale analyzed，and the interrelation of loading cycle numbers under different torque levels is deduced according to the curve of materials’fatigue．the mechanical structure of gearbox is determined．The two-stage derivation planetary transmission scheme is selected．The gear parameters of every stage transmission is calculated．，and the force analysis results is obtained．2）the static strength check of tooth surface contact is implemented according to related standard．The result shows that it is accord with safety requirements．3）Draw CAD drawings, and determine appropriate reasonable parameters.KEYWORDS：Gearbox for Wind Turbine；the wind power；Structure Design.目录第一章前言错误!未定义书签。

兆瓦级风机功率控制算法

一基本原理分析对于变速变桨距风力发电机组，当风速在额定风速以下时，通过控制发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制，使风力发电机组获得最大的风能利用系数；当风速高于额定风速时（此时发电机转矩为额定转矩，值恒定），通过变桨减少风轮吸收的功率，使输出功率恒定。

当然，由于变桨驱动系统不能跟随上快速变化的风，因此允许发电机转速瞬时升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式存储起来，风速降低时，再将动能释放出来，从而使输出功率恒定（此时，风能被捕获，但是没有被完全转换成电能）。

如图1所示为风力机在不同风速下的转矩-速度特性曲线，图中ABCFGHL 曲线为变速变桨距控制的理想曲线，其中，AB 段为风机达到启动风速的启动阶段，BCFG 阶段为在额定风速以下追求最大风能利用系数Cp 的阶段，HL 为在额定风速以上的恒转矩控制阶段，其中QR 和S5为风力发电机组受机械及电子器件限制的转矩和转速极限（实际上也就是额定转矩和额定转速），L 点为额定功率点，D 、E 点显示了风机受到扰动而偏离最优Cp 曲线的情况。

最优Cp 曲线风速转矩极限转速极限ABCFGHL 线：控制目标曲线HL ：恒转矩控制AB ：风机启动BCFG ：最大Cp D/E ：扰动图 1功率控制策略变速风力发电机组在额定风速以下时，可以控制叶轮转速随风速成比例调节，所以风速变化时可以维持最佳叶尖速比不变。

在这个叶尖速比下，风能利用系数Cp 最大，可以实现最大的风能捕获（此时桨距角设定为最小）。

随着风速的进一步增大，为了捕获更多的风能，需要增大转矩和功率，而保持转速不再增大，如GH 曲线。

当风速继续增大时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式存储起来。

一，功率控制查表控制算据发电机的功率：e P T ω=∙实际ω实际一—发电机转速，rad/s; e T 一—发电机扭矩，Nm;在主控系统中（图2）通过对发电机转速的实时监测，按下表（表1）对发电机的转距进行设定，使发电机的电磁转距实时跟踪控制程序中的设定值，从而实现在低于额定风速下的最大功率跟踪。

风电齿轮箱设计指南(一)2024

风电齿轮箱设计指南（一）引言概述:风电齿轮箱是风能转换系统中关键的组成部分之一，它承担着将风能转化为机械能的重要任务。

齿轮箱的设计对于风电机组的性能和可靠性有着至关重要的影响。

本文将为读者提供一份风电齿轮箱的设计指南，旨在帮助工程师和设计师更好地理解和应用齿轮箱的设计原则和优化方法。

正文:1. 齿轮箱的工作原理- 风能转换系统的概述- 齿轮箱的作用和功能- 齿轮箱的基本结构和组成部分小点:- 齿轮箱的定位和布局- 齿轮箱中的主要部件及其功能- 齿轮的选择和匹配原则2. 齿轮箱的设计考虑因素- 齿轮箱的负荷特性分析- 受力和振动分析- 温度和润滑分析小点:- 齿轮箱的承载能力与设计因素- 齿轮箱的可靠性分析- 齿轮箱的寿命评估方法3. 齿轮箱的优化设计方法- 材料选择和工艺优化- 优化设计原则和方法- 仿真与验证小点:- 加工工艺和制造工艺控制- 齿轮箱的降噪和减振措施- 齿轮箱的可维修性和可维护性考虑4. 齿轮箱的模拟和测试方法- 数值模拟和仿真方法- 实验测试与验证方法- 监测和维护方法小点:- 齿轮箱的运行监测与故障诊断- 功率传输效率的测试与验证- 齿轮箱的振动测试与分析5. 齿轮箱的发展与创新趋势- 新型齿轮材料和润滑技术- 齿轮箱的轻量化设计和节能减排- 齿轮箱的智能化和自适应控制小点:- 齿轮箱的可持续发展考虑- 齿轮箱的故障预测和智能维护- 多学科优化和集成设计的趋势总结:风电齿轮箱的设计是风能转换系统设计中至关重要的部分。

本文从齿轮箱的工作原理、设计考虑因素、优化设计方法、模拟与测试方法以及发展趋势等方面进行了阐述。

通过深入了解齿轮箱的设计原则和优化方法，工程师和设计师可以更好地设计和选择适合风电机组的齿轮箱，提升系统的性能和可靠性。

未来，随着新技术的不断发展和创新，风电齿轮箱的发展将迎来更多的机遇和挑战。

赖文馨5MW海上风电机组齿轮传动系统设计说明书

摘要随着社会的不断发展，人们对能源资源的需求不断增长促成风电产业的飞速繁荣，作为风电机组的核心部件，风电齿轮箱的研发倍受国内外风电相关行业和研究机构的关注。

然而国内风电齿轮箱研究起步晚，生产工艺落后，尤其在兆瓦级风电齿轮箱方面，主要依靠引进国外技术。

因此，兆瓦级风电齿轮箱的开发研究势在必行，完全掌握风电齿轮箱设计及制造技术，实现风机国产化目标。

本毕业设计的是五兆瓦风力发电机组的齿轮箱，通过方案的选取，齿轮参数计算，轴的参数计算、轴承的选取以及对其配套的齿轮箱进行自主设计。

1）选取两级行星派生型传动方案，在此基础上进行传动比分配与各级传动参数如模数，齿数，螺旋角，压力角，变位系数等参数的确定；通过计算，确定各级传动的齿轮参数；选择适当的齿轮。

2）对行星齿轮传动、轴承进行受力分析，得出各级齿轮载荷结果。

依据标准进行静强度校核，结果符合安全要求。

3）绘制三维图、CAD装配图，并确定恰当合理参数。

关键词：风电齿轮箱；结构设计；两级行星湖南科技大学本科生毕业设计（论文）ABSTRACTWith the continuous development of society, people's demand for energy resources growing promoting the rapid prosperity of the wind power industry, as the core component of the wind turbine, the development of wind power gear box has attracted more and more wind power at home and abroad attention of related industries and research institutes.However the domestic wind power gear box research started late, backward production technology, especially in terms of MW wind power gear box, mainly rely on the introduction of foreign technology.Therefore, MW wind power gear box of the development, it is imperative to study, to fully grasp the wind power gear box design and manufacturing technology, wind machine to achieve the goal of domestic.This graduation design is 5 MW wind turbine gear box, through scheme selection, calculation of gear parameter, the shaft parameter calculation, bearing selection and the matching of gear box for independent design.1) two-stage planetary derived type transmission scheme selection, on the basis of transmission ratio distribution and levels of transmission parameters such as modulus, number of teeth, spiral angle and pressure angle, coefficient etc. parameters determined by calculation, to determine the levels of transmission gear parameters; choose the proper gear.2)stress analysis of planetary gear transmission, bearing, gear loadresults obtained. According to the standard of static strength check, the results meet the safety requirements.3) rendering 3D graph, CAD assembly, and to determine the appropriateparameters. KEYWORDS：Gearbox for Wind Turbine；Structure Design;Two-stage Planetary-i-目录第一章前言------------------------------------------------------------------11.1 国内外发展现状与趋势---------------------------------------------------------------------------11.1.1 风力发电国内外发展现状----------------------------------------------------------------11.1.2风电齿轮箱市场前景-----------------------------------------------------------------------41.1.3我国风电齿轮箱设计制造技术的现状--------------------------------------------------51.1.4存在问题及展望-----------------------------------------------------------------------------61.2论文的主要内容-------------------------------------------------------------------------------------6第二章齿轮的设计及强度校核---------------------------------------------72.1 增速箱齿轮的设计参数---------------------------------------------------------------------------72.2 增速箱齿轮设计方案------------------------------------------------------------------------------82.3齿轮参数计算----------------------------------------------------------------------------------------92.3.1低速级参数计算：--------------------------------------------------------------------------92.3.1中速级参数计算：------------------------------------------------------------------------112.3.1高速级参数计算：------------------------------------------------------------------------132.3齿轮强度的校核------------------------------------------------------------------------------------14第三章行星架的设计与校核------------------------------------------------27 第四章传动轴的设计与校核------------------------------------------------294.1.1低速级传动轴尺寸参数计算------------------------------------------------------------294.1.2低速级传动轴的强度校核---------------------------------------------------------------294.2中间级传动轴的设计计算与校核---------------------------------------------------------------314.2.1中间级传动轴尺寸参数计算------------------------------------------------------------314.2.2中间级传动轴的强度校核---------------------------------------------------------------324.3 高速级传动轴的设计计算-----------------------------------------------------------------------324.4输出传动轴的设计计算---------------------------------------------------------------------------32第五章齿轮箱其他部件的设计--------------------------------------------345.1轴系部件的结构设计------------------------------------------------------------------------------345.2 行星架的结构设计-------------------------------------------------------------------------------345.3 传动齿轮箱箱体设计-----------------------------------------------------------------------------355.4齿轮箱的密封、润滑、冷却---------------------------------------------------------------------355.4.1 齿轮箱的密封------------------------------------------------------------------------------355.4.2 齿轮箱的润滑、冷却---------------------------------------------------------------------365.5齿轮箱的使用安装---------------------------------------------------------------------------------37第六章结论---------------------------------------------------------------------38参考文献--------------------------------------------------------------------------39第一章前言1.1 国内外发展现状与趋势1.1.1风力发电国内外发展现状当今社会随着经济日益发展，人们对能源的需求越来越大，而石油等不可再生能源也面临枯竭，人们急需寻找替代能源。

风力发电机齿轮箱的设计

风力发电机‎组齿轮箱概‎述第一节概述风力发电机‎组中的齿轮‎箱是一个重‎要的机械部‎件，其主要功用‎是将风轮在‎风力作用下‎所产生的动‎力传递给发‎电机并使其‎得到相应的‎转速。

通常风轮的‎转速很低，远达不到发‎电机发电所‎要求的转速‎，必须通过齿‎轮箱齿轮副‎的增速作用‎来实现，故也将齿轮‎箱称之为增‎速箱。

根据机组的‎总体布置要‎求，有时将与风‎轮轮毂直接‎相连的传动‎轴（俗称大轴）与齿轮箱合‎为一体，也有将大轴‎与齿轮箱分‎别布置，其间利用涨‎紧套装置或‎联轴节连接‎的结构。

为了增加机‎组的制动能‎力，常常在齿轮‎箱的输入端或‎输出端设置‎刹车装置，配合叶尖制‎动（定浆距风轮‎）或变浆距制‎动装置共同‎对机组传动‎系统进行联‎合制动。

由于机组安‎装在高山、荒野、海滩、海岛等风口‎处，受无规律的‎变向变负荷‎的风力作用‎以及强阵风‎的冲击，常年经受酷‎暑严寒和极‎端温差的影‎响，加之所处自‎然环境交通‎不便，齿轮箱安装‎在塔顶的狭‎小空间内，一旦出现故‎障，修复非常困‎难，故对其可靠‎性和使用寿‎命都提出了‎比一般机械‎高得多的要‎求。

例如对构件‎材料的要求，除了常规状‎态下机械性‎能外，还应该具有‎低温状态下‎抗冷脆性等‎特性；应保证齿轮‎箱平稳工作‎，防止振动和‎冲击；保证充分的‎润滑条件，等等。

对冬夏温差‎巨大的地区，要配置合适‎的加热和冷‎却装置。

还要设置监‎控点，对运转和润‎滑状态进行‎遥控。

不同形式的‎风力发电机‎组有不一样‎的要求，齿轮箱的布‎置形式以及‎结构也因此‎而异。

在风电界水‎平轴风力发‎电机组用固‎定平行轴齿‎轮传动和行‎星齿轮传动‎最为常见。

如前所述，风力发电受‎自然条件的‎影响，一些特殊气‎象状况的出‎现，皆可能导致‎风电机组发‎生故障，而狭小的机‎舱不可能像‎在地面那样‎具有牢固的‎机座基础，整个传动系的动‎力匹配和扭‎转振动的因‎素总是集中‎反映在某个‎薄弱环节上‎，大量的实践‎证明，这个环节常‎常是机组中‎的齿轮箱。

风力发电增速齿轮箱的设计和制造工艺优化

风力发电增速齿轮箱的设计和制造工艺优化随着可再生能源的迅猛发展，风力发电已成为一种重要的清洁能源形式。

而在风力发电机组中，齿轮箱作为承担转速放大和传递动力的重要组成部分，其设计和制造工艺的优化对于风力发电机组的性能和可靠性具有重要影响。

齿轮箱的设计是指确定齿轮的模数、齿数、齿轮材料等参数的过程，其优化设计旨在实现在给定的运行条件下，使齿轮箱具有较小的体积、质量和噪声，并保证其在整个使用寿命内的可靠运行。

首先，齿轮箱的传动机构需要根据风力发电机组的功率和转速来确定设计参数。

常用的齿轮设计方法包括强度设计、传动比设计和振动设计等。

强度设计是确保齿轮在工作条件下不发生断裂或变形的基本要求，传动比设计是为了使风轮的旋转转速通过齿轮箱得到增加，最终驱动发电机组达到高效发电的目标。

振动设计则是为了减小齿轮箱的振动和噪声，提高其工作平稳性和稳定性。

在设计优化的过程中，还需要考虑齿轮箱的制造工艺。

制造工艺优化是指在满足设计要求的前提下，通过合理选择工艺流程和技术手段，提高齿轮箱的加工精度和生产效率。

首先，制造工艺中的材料选择对于齿轮箱的性能和寿命至关重要。

通常情况下，齿轮箱的齿轮使用高强度、高硬度的合金钢材料，以保证其强度和耐磨性。

而其它构件则根据具体要求选择适合的材料。

此外，制造工艺还包括成型、热处理、齿轮加工、装配等环节，每个环节都需要进行优化，以提高齿轮箱的质量和可靠性。

风力发电增速齿轮箱的设计和制造工艺优化需要综合考虑多个因素。

首先，设计方面需要考虑风力发电机组的工作条件和性能要求，确定合适的传动比和齿轮参数。

在此基础上，通过使用优化设计方法，如有限元分析和齿轮参数优化算法等，得到优化的齿轮箱设计方案。

其次，制造工艺方面需要根据设计要求选择材料，并进行合适的热处理和加工工艺，以确保齿轮箱的质量和寿命。

此外，为了进一步提高风力发电增速齿轮箱的性能和可靠性，还可以考虑使用一些先进的技术手段。

例如，使用仿生学原理设计齿轮的齿形，以提高传动效率和降低噪声；应用先进的润滑技术和传感器监测系统，实现对齿轮箱的实时监测和维护；采用先进的制造工艺，如数控加工、激光焊接等，提高齿轮箱的加工精度和装配效率。

兆瓦级风电机组变桨距机构分析

Vol126 No12 Apr. 2 0 0 4
文章编号 : 1000 - 1646 (2004) 02 - 0146 - 03
兆瓦级风电机组变桨距机构分析
李强 , 姚兴佳 , 陈雷
(沈阳工业大学风能技术研究所 , 辽宁沈阳 110023)
摘要 : 以国产化 1 MW 风力发电机组为研究对象 ,利用叶素理论 ,对变桨距机构进行了分析并对驱动力进行了计算 ,为风力发电机组的部件选择及进一步分析计算提供参数 ,为国产化风机的设计提供一定的参考. 关键词 : 风电机组 ; 变桨距 ; 驱动力中图分类号 : TM 614 文献标识码 : A
积. 将式 (3) 、(4) 积分可得
∫R
Tc = ρ·ω2 d J xy ·d r
(6)
0
将式 (6) 中原坐标系转换为 x′, y′坐标系为
dJ xy = x ·y ·d s = ( x′cos φ -
y′sin φ) ( x′sin φ + y′cos φ) d s
(7)
又按照假定 , x′y′轴为主惯性轴 , 所以 , x′y′d s = 0 (这是根据材料力学中 :图形对主惯性
d pc = ω2 r′d m 由图 1 可以得到如下等式
收稿日期 : 2003 - 03 - 25 作者简介 : 李强 (1979 - ) ,男 ,山东泰安人 ,硕士生.
图 1 桨叶旋转时所受的离心力 Fig. 1 The centrifugal of t he circumvolving blade
第2期
李强等 :兆瓦级风电机组变桨距机构分析
147
轴的惯性积为零) . 因此
dJ xy

兆瓦级风力发电机液压变桨距系统设计及建模

兆瓦级风力发电机液压变桨距系统设计及建模
王树强 ,刘绍杰
(沈阳工业学院机械工程分院 ,辽宁 ,沈阳 ,110168)
摘要 :针对兆瓦级水平轴变桨距风力发电机的控制要求 ,设计了液压控制系统. 利用功率键合图方法建立了变桨距液压系统的数学模型 ,为对变桨距动态过程进行仿真和液压系统优化提供了重要依据.
简单稳定 ,性能可靠. 液压控制系统刚度大 ,输出位移量受负载影响小 ,定位准确 ,液压执行机构响应快 ,系统频带宽 ,因此考虑采用液压系统作为变桨距的动力系统.
1 液压动力系统及控制系统设计
图 1 变桨距机构简图
1. 2 液压系统设计
1. 1 变桨距动力机构简介
传统的变桨距方式有离心式、机械式、电气式等. 对于兆瓦级的风力发电机 ,变桨距机构的设计要满足驱动力大 ,油路的安装检修方便 ,有足够的强度和精度. 由于叶片工作时是不停地转动的 ,为了使动力源 (液压缸) 不随叶片转动 ,本文设计了一种变桨距机构 ,其简图如图 1 所示 : 液压缸 8 为变桨距动力源 ,它与轴承 2 的外圈固联 ,轴承内圈和联接器 7 联接在一起 ,随发电机主轴 1 转动. 液压缸带动轴承 ,轴承带动联接器并通过联接器上的滑块 (滑块镶嵌在桨叶圆盘 3 上) ,从而使桨叶绕桨叶主轴 4 旋转改变桨距角的大小. 此变桨距机构结构
2. 3 数学模型的建立
由功率键合图 ,根据单元之间的物理特性 ,写出有关蓄能元件的静态关系式 ,再根据因果关系及功率流向建立单元间的静态关系 ,最后根据键合图的规则及变量间的关系 ,整理得系统的状态方程即数学模型. 一般取惯性元件和阻性元件自变量的积分作为状态变量 ,状态变量的设置如下 :
;

兆瓦级风电机组变桨系统的设计与实现

兆瓦级风电机组变桨系统的设计与实现武汉数字工程研究所、湖北宜昌供电局的研究人员李晓斌、李国成，在2015年第1期《电气技术》杂志上撰文，详细分析了变桨距系统的设计原理和组成，并在此基础上以非线性PID算法为控制核心,以Profibus总线和CAN总线作为通讯, 以超级电容作为后备电源，设计了兆瓦级风电机组变桨距系统，对变桨系统软件开发所涉及的运行模式划分为五类，并将研究结果应用于国内某风场，结果表明该系统满足风电机组对变桨系统位置和精度控制的要求。

1概述风力发电作为一种成熟的新型清洁能源，已经更多地被实际电网所吸纳。

但由于风能具有动态和不确定性，因此要求风力发电机组对所获取的风能进行实时控制，风电变桨距系统用来对风能进行控制，如何设计快速响应、高效可靠的变桨距系统就成为整机设计和运行的关键所在。

为了保障风力发电机组运行的安全，风电机组必须对获取的风能进行控制，传统定桨距风机是通过设计变桨叶片的失速特性来控制风机对风能的获取。

随着风机向大型化方向发展，现场总线控制技术、交直流电机数字控制技术的发展，风电机组风能获取控制已逐步转向为变桨距，即由过去的定桨失速控制转为变桨变速控制，变桨距控制技术已经成为大型风电机组控制的主流技术。

2风电变桨距系统原理（略）3变桨系统总体组成（略）变桨距系统载荷具有一定的不稳定特性。

系统要求变桨距角度改变响应快，变桨距静态起动力矩大，并要求能承受可能在运行过程中呈现的突发载荷。

一般变桨距系统由变桨电机、减速箱、变桨控制器、变桨驱动器、备用电源以及辅助接近开关，限位开关等组成。

根据上述要求，本文所设计的变桨系统采用三桨叶独立控制方式，如图2所示。

变桨电机的末端安装绝对值编码器,变桨系统每个叶片设置2度和88度的接近开关，91度和96度的限位开关。

主控安全链和变桨轮毂安全链之间具有硬接口连接，主控安全链通过1对24VDC信号与变桨轮毂安全链连接，一旦主控安全链失电，就会通过24VDC信号缺失告知每个变桨距柜主控安全链故障。

风电行业1.5MW风机齿轮箱设计理念

传动方案1：一级行星+两级平行轴斜齿传动（～2MW）一、主要传动方案传动方案2：两级行星或两级行星+一级平行轴斜齿传动（2MW及以上,偏置为方便空心）Winenergy2.5MW传动方案3：分流混合轮系传动方案4：多级行星差动轮系传动方案5：Voith偶合器辅助定速输出二、目前主要传动结构1、GE老方案3、Winenergy(Flender)方案4、国内“Flender方案”应用实例15、国内“Flender方案”应用实例27、罗曼公司方案（两级行星＋两级平行轴分流再合流）混合传动混合传动8、万电660kW 、金风600kW 方案两级行星齿轮传动一级行星+两级斜齿轮（90年代国产风力机增速箱应用实例）风力机轴系布置1：顺序排列式（一字排开式）Lay-out 1Traditional Transmission Lay-out 1 of WEC:Rotor-Main Shaft with Two Bearings-Gearbox-Generator风力机轴系布置2：“三点式”大轴一个支撑点（前轴承），齿轮箱箱体上两个支撑点。

Traditional Transmission Lay-out 2 of WEC：Rotor-Main Shaft with One Bearing Bracket-Gearbox-Genegator风力机传动轴系图•变桨距风轮－大轴－增速箱－双馈发电机典型的风力发电机组结构图增速箱设计计算1兆瓦级风电增速箱产品设计1.6兆瓦风电增速箱计算标准增速箱设计计算2增强传递能力的几项措施背靠背试验台•加载试验台齿轮箱背靠背试验。

兆瓦级风电齿轮箱设计与研究的开题报告

兆瓦级风电齿轮箱设计与研究的开题报告一、研究背景及意义近年来，风能作为一种清洁可再生的能源逐渐受到人们关注和重视，风力发电逐渐成为世界主要发电方式之一。

风力发电机组是风力发电的核心装备，其中齿轮箱作为风电机组的核心部件承载着传动、承载等重要功能。

目前兆瓦级风电齿轮箱具有结构重、体积大、噪音高、质量差等问题，急需进行优化和改进。

因此，本文旨在对兆瓦级风电齿轮箱进行设计和研究，提高其传动效率、减小体积、降低噪音等问题，从而推进风力发电技术的发展和应用。

二、研究目标及内容研究目标：设计一种具有高传动效率、体积小、噪音低的兆瓦级风电齿轮箱。

研究内容：（1）分析兆瓦级风电齿轮箱的传动机理和工作条件；（2）优化齿轮参数，设计具有高传动效率的齿轮箱；（3）优化齿轮箱结构，减小体积和重量；（4）分析齿轮箱传动中的噪音问题，并提出降噪方案；（5）进行试制和测试，检验齿轮箱的传动效率、体积和噪音等性能。

三、研究方法1.理论分析法：采用理论分析方法对兆瓦级风电齿轮箱的传动机理和工作条件进行分析，确定齿轮参数及优化设计方案。

2.数值模拟法：借助ANSYS Workbench等软件，对兆瓦级风电齿轮箱进行有限元分析，确定齿轮箱结构及材料选择。

3.试制测试法：进行样机试制，结合测试方法和测试设备对样机的试验性能进行测试和分析。

四、研究计划及预期成果研究计划：第一年：理论分析与数值模拟，确定齿轮参数和结构优化方案。

第二年：样机制作与试验分析，检验齿轮箱的传动效率、体积和噪音等性能。

第三年：对试验结果进行分析，并进一步对齿轮箱进行改进和优化，形成完整的设计和研究报告。

预期成果：1.兆瓦级风电齿轮箱的设计，能够提高传动效率、减小体积、降低噪音等问题。

2.理论分析和数值模拟结果能够为齿轮箱的优化设计提供依据。

3.样机测试能够及时检验齿轮箱的传动效率、体积和噪音等性能，为进一步优化和改进提供依据。

4.设计和研究报告能为相关领域的研究人员和工程师提供参考和借鉴。

兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计的开题报告

兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计的开题报告一、选题背景与意义随着风能开发利用的不断推广，风力发电已经成为可再生能源中最为成熟的领域之一。

而直驱永磁发电机组由于结构简单、转动稳定、效率高等优点，逐渐成为了风力发电机组的主流形式。

其中，变桨距控制系统是直接影响风力发电机组效率和发电能力的重要组成部分。

本选题旨在探索兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计，以提高风力发电的发电能力和稳定性，进一步推广可再生能源的应用。

二、选题内容本课题主要内容是兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统的设计。

具体研究内容包括：1. 直驱永磁风力发电机组的基本原理和结构特点；2. 变桨距控制系统的基本原理和设计思路；3. 针对现有变桨距控制系统的不足，设计一种适合兆瓦级直驱永磁风力发电机组的变桨距控制系统，以提高风力发电的发电能力和稳定性。

三、研究方法和步骤本选题采用综合研究方法，包括文献研究、理论分析和实验验证等；具体研究步骤：1. 文献调研和资料收集，了解直驱永磁风力发电机组和变桨距控制系统的基本知识；2. 分析现有变桨距控制系统的不足，确定设计目标和设计思路；3. 设计兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统的整体方案，并进行仿真验证；4. 搭建实验平台，进行实验验证和系统优化。

四、预期成果通过对兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统的研究和设计，预计能够得到以下成果：1. 完整的兆瓦级直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统设计方案；2. 实验验证数据，包括发电能力和稳定性的提升比较分析；3. 相关技术问题的解决和优化建议。

五、可行性分析本选题的可行性主要源于：1. 新能源发电技术的快速发展，对直驱永磁风力发电机组变桨距控制系统的设计提出了更高的要求；2. 目前该领域研究成果有限，本研究充分考虑到了国内外发展情况，具有较强的前瞻性和可行性；3. 研究团队成员具有相关领域的专业知识和实践经验，具有完成该课题的能力和条件。