功率分流式液压机械无级恒转速驱动器设计

功率分流式液压机械无级恒转速驱动器设计
张立强;练敏;雒焕玉
【摘要】在功率分流的基础上,采用机械传动和液压传动并联的形式设计一种应用于大功率风力发电的液压机械无级恒转速驱动器,建立其机械结构模型和液压调速系统模型,进行转速特性分析,并推导出了其动态传动比.采取非对称饱和增量式PID 控制策略,使得传动比随着系统输入的变化而自动无级的进行调节,从而保证驱动系统恒转速输出,系统输出带动永磁同步发电机进行恒速恒频发电.利用仿真软件Adams和AMESim对其进行联合仿真,结果表明,液压机械无级恒转速驱动器可以实现很好的调节,同时也具有很高的效率,且始终保持在90％以上.同时为液压机械无级恒转速驱动器的工程应用提供了一定的理论参考.
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2016(000)002
【总页数】5页(P80-84)
【关键词】功率分流;机械无级驱动;液压;恒转速
【作者】张立强;练敏;雒焕玉
【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州325105;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学温州泵阀工程研究院,浙江温州325105;中国航天科技集团烽火机械厂,四川成都610000
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
引言
能源和环境问题是当今人类生存和发展面临的两大严峻问题。

不可再生能源的日益枯竭以及化石能源造成的环境问题，促使人们更加重视可再生清洁能源的开发及利用。

由于风能资源蕴含量大，清洁无污染，投资灵活，施工周期短，占地较少，具有良好的经济效益和社会效益，近年来利用风力发电作为可再生的清洁能源利用的主要形式，受到了世界各国、政府和能源界的高度重视。

如何更高效的利用资源，如何更加节能环保，也成为了各国争相研究的热点。

风力发电是将变化的风轮转速通过一定的驱动装置转化为恒定转速进行输出，从而带动永磁同步发电机恒速恒频发电，满足并网要求。

风力发电场作为常规电网的电源，与电网并联运行，单机容量范围一般在200～2500 kW，这就要求系统具有很高的效率，避免造成巨大的浪费[1]。

传统的风力发电形式主要有直驱式、齿轮箱式和液压型三大类，其风能利用率都不是很高。

本研究设计了一种新型的高效率的液压机械无级恒转速驱动器，系统通过液压调速装置实现变化的风轮转速到恒定的发动机转速的转化，通过控制液压泵的排量使得液压机械传动系统的输出转速恒定，发电机与液压机械无级恒转速驱动器的输出轴相连。

在风速变化过程中，液压机械无级恒转速驱动器通过实时的调节，使得其输出转速始终保持恒定。

该系统与传统的整流-逆变装置相比，大大降低了生产成本，并且能够带给同步发电机优异的并网性能，从而满足系统风力发电的发电要求，得到恒定输出。

它采用机械传动作为主传动方式，液压调速装置辅助传动，它有效的利用了液压传动的优点，又保持了齿轮传动的高效性，不仅可以实现可控的无级调速，改善其功率利用率，而且传动平稳，抗冲击性强，其传动效率可达到90%以上。

液压机械无级恒转速驱动器结构简图如图1所示。

系统主要有四个部分组成：分流机构、机械流传动机构、液压调速部分和汇流机构。

主传动机构由一组差动行星
轮系组成，行星架作为系统输入，太阳轮作为系统输出，齿圈连接系统调速部分。

调速机构由液压回路以及一组定轴行星轮系构成[2，3]。

图1中右侧一对啮合齿轮为分流机构，差动行星轮系作为汇流机构。

液压调速部分是采用变量泵和定量马达组成的容积调速回路。

液压机械无级恒转速驱动器采用功率分流的方式进行传动，系统输入的功率流分为两路，一路经由机械装置进行传递，即主传递方式，另一路通过输出轴反馈给液压调速机构，液压调速机构对其进行响应并做出相应的动作进行调节内部流量的大小，控制液压马达的输出转速进行调节，最后两路功率流经差速行星机构汇流输出，从而保证系统恒转速输出，由于液压调速部分只是其中的一小部分，起辅助作用，所以该系统也具有很高的效率。

当输入转速为额定转速时，液压泵的出口直接接油箱，定轴行星轮系以及差动行星轮系的齿圈保持不动，系统输入通过行星架直接带动太阳轮输出。

当输入转速突然增大时，控制器控制液压泵的斜盘倾角发生改变，使得马达反转，最终传递到差动轮系齿圈与行星架进行差动输出，保持输出转速恒定。

当输入转速减小时，进行反向调节。

设ω1j、ω1t、ω1q和ω2j、ω2t、ω2q分别为差动行星轮系和定轴行星轮系行
星架、太阳轮以及齿圈的转速。

α1、α2为量行星排特性参数[4]。

qb、qm分别
为液压泵、液压马达的排量。

i总表示系统总传动比。

差动行星轮系各构件转速关系式为：
定轴行星轮系各构件转速关系式为：
由功率分流传动比计算公式[5]知：
式(3)反映了液压机械无级恒转速驱动器的无级调速特性，当风轮输入转速变化时，通过调节液压元件的相对排量，即液压调速部分传动比ibm，由于马达为定量马达，即qm为恒定值，则在系统结构一定的情况下，系统总传动比只与液压泵的
排量有关，而液压泵排量可以实现无级的变化，也就使得系统输出转速可以实现无级调节。

当=0，即ibm=0时，系统工作在纯机械工况，效率达到最高，此时传动比为：
液压机械无级恒转速传动系统中包含液压单元在内的很多非线性时变单元，这些单元中包括间隙、迟滞、死区等非线性过程，如果要使仿真模型完整反映液压无级恒转速驱动器传动系统的动力学性能，必须对这些环节进行详细的建模，为了减少系统建模的工作量，避免模型的不合理化，提高其仿真精度，本文选择MSC Adams软件建立液压机械无级恒转速传动系统的动力学模型。

再用AMESim对
系统的液压调速部分进行建模。

模拟真实工况对二者进行联合仿真，从而对系统模型进行高效求解。

将AMESim与ADAMS进行联合仿真，充分利用了AMESim仿真软件在液压系
统动态特性分析中的优点和ADAMS仿真软件在机械系统动力学仿真分析的优点，实现了对液压机械无级恒转速驱动器进行机电液一体化的整体建模，提高了计算机仿真的精度。

除此之外，在计算机联合仿真过程中，随着数据的传递，可以在ADAMS软件中观察到液压机械无级恒转速驱动器机械传动部分的运动过程。

如果仿真模型有一种不正确，则工作装置在ADAMS软件中的运动就会与实物的运动
情况不相符。

反之，则说明了模型建立的正确性。

在MSC Adams中所建立的机
械部分模型如图2所示。

液压机械无级恒转速驱动器联合仿真模型如图3所示。

液压泵的输入转速由机械
结构差动行星轮系的太阳轮输出决定，在这里用任意信号代替。

液压马达输出转速连接机械结构定轴行星轮系太阳轮的旋转轴，用一个转动惯量代替。

液压机械无极恒转速驱动器两对行星轮系相关设计参数如表1所示。

表2为驱动
器的相关设计参数。

在转速调节过程中，风力机系统通过最大风能捕获理论来捕获风能，将风速输入到
液压机械无级恒转速驱动器中，通过控制器对比其实际转速输出与理想转速输出情况，获得其偏差并通过PID整定调节，使其接近理想转速。

其控制框图如图4所示。

液压机械无级恒转速驱动器的调速控制采用非对称饱和增量式PID控制策略。

通常增量式PID算法增量计算公式如下：
式中：Δuk为控制量的增量；ei为t=ti时刻的误差值；T为采样周期；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

液压机械无级恒转速驱动器调速PID控制的误差值ek为：
其中，分别为发电机在k时刻的实际转速和理想转速。

为了适应液压机械无级恒转速驱动器的工作特点，对增量式PID控制算法进行一些改进。

将PID控制调整为PI控制，避免了调速过程中输出转速的大幅度变化[14]。

另外，针对不同的输入变化，采用不同的控制参数，优化系统的动态性能，以适应各种工况。

利用所建立的液压机械无级恒转速驱动器的模型和相应的控制策略，模拟风力机风轮输入转速情况，以AMESim作为前台对其进行联合仿真，仿真结果如图5～图7所示。

由图5a可以看出，风轮输入转速开始时保持正常风速20 r/min，从1 s时开始渐变变小，5 s后渐变到12 r/min，此后保持在12 r/min，在整个过程中伴有一定频率的随机风，通过液压机械无级恒转速驱动器后得到图5b所示曲线，系统能够快速做出响应，控制输出转速保持在(1500±6) r/min以内，提供给发电机进行发电。

图6为风速保持正常风速20 r/min，1 s开始渐变变大，5 s后渐变至30
r/min，之后保持在30 r/min，结果如图6b所示。

将仿真结果与实验结果进行对比分析，由图5b和图6b可以看出，二者具有一定的误差，但总体效果符合实际情况。

图7为风速渐变过程中的效率变化曲线，当风速为额定风速20 r/min时，系统为纯机械传动，效率最高，可达到98%。

当风速渐变时，功率也随之变化，液压调
速系统功率流所占比重也逐渐变大，系统总功率呈现减小趋势，当风速变化到12 r/min或30 r/min时效率有一个瞬时的变化，之后液压功率流所占比重为恒定，
系统输入与输出保持定值，则系统效率也为恒定，由图7a可知当风速渐变为12
r/min时，效率为94%，由图7b知，当风速渐变为30 r/min时，效率维持在93.5%。

整个变化过程中，效率始终保持在90%以上。

(1) 提出了一种用于风力发电的液压机械无级恒转速驱动器，将液压调节和机械传动二者并联，实现变转速输入-恒转速输出。

系统采用液压调速装置进行调速控制；
(2) 分别建立液压调速系统和机械传动部分的数学模型，对其进行联合仿真并进行实验；
(3) 仿真和试验分析表明，所提出的液压机械无级恒转速驱动器具有良好的控制效果，从而使得系统具有很高的效率。

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