齿轮箱原理

直交齿轮箱

齿轮箱在风力发电机组当中就经常用到，而且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。

其次齿轮箱还有如下的作用：

1、加速的作用，通常也说的是变速齿轮箱。

2、改变转动力矩。同等功率条件下，速度转的越快的齿轮,轴所受的力矩越小，

反之越大。它是将叶轮的低速大转矩转换到发电机的高速轴的高速低转矩。

3、离合功能：通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机的高速轴与低速轴分

开的目的。

4、分配动力。例如我们可以用一台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴，从

而实现一台发动机带动多个负载的功能。

三、齿轮箱特点:

1. 齿轮箱采用通用设计方案，可按客户需求变型为行业专用的齿轮箱。

2.实现平行轴、直交轴、立式、卧式通用箱体，零部件种类减少，规格型号增加。

3.采用吸音箱体结构、较大的箱体表面积和大风扇、圆柱齿轮和螺旋锥齿轮均采

用先进的磨齿工艺，使整机的温升、噪声降低、运转的可靠性得到提高，传递功率增

大。

4.输入方式：电机联接法兰、轴输入。

5.输出方式：带平键的实心轴、带平键的空心轴、胀紧盘联结的空心轴、花键联

结的空心轴、花键联结的实心轴和法兰联结的实心轴。

6.齿轮箱安装方式：卧式、立式、摆动底座式、扭力臂式。

7.齿轮箱系列产品有3～26型规格，减速传动级数有1～4级，速比～450;和R、K、S系列组合得到更大的速比。

四、齿轮箱润滑方式

常用的齿轮箱润滑方式有齿轮油润滑，半流体润滑脂润滑，固体润滑剂润滑几种

方式。对于密封比较好，转速较高，负荷大，封闭性能好的可以使用齿轮油润滑；对

于密封性不好，转速较低的可以使用半流体润滑脂润滑；对于禁油场合或高温场合可

以使用二硫化钼超微粉润滑。

l 变桨距控制原理

变速变桨距风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现：在额定风速以下时，保

持最优桨距角不变，采用最大功率跟踪法(MPPT)，通过变流器调节发电机电磁转矩使风轮转

速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，风机一直运行在最大功率点；在额定风速以上时，通过变桨距系统改变桨距角来限制风轮获取能量，使风力发电机组保持在额定功率发电。而对于定桨距风力发电机组，当风速高于额定风速时，由于其桨距角不能改变，只能通过风机的失速特性来降低风能的吸收，因此在风速高于额定风速时不能维持额定功率输出，输出功率反而会下降。

下面的公式是风速为V1时风轮捕获的风能P，其中P为空气密度，S为风轮扫掠面面积，CP为风能利用系数，它是叶尖速比λ和桨距角β的函数。

由以上几个式子可以得到变桨距风力机的(CP一β）特性曲线，见图1。

从图中可得出以下两点：

(1)对于某一固定桨距角β，存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax，对应一个最佳叶尖速比λopt；

下的风能利用系数CP相对最大。桨叶节距角增

(2)对于任意的尖速比λ，桨距角β=0°

大，风能利用系数CP明显减小。

以上两点即为变速恒频变桨距控制的理论依据：在风速低于额定风速时，桨叶节距

角β=0°，通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在

Cpmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少发电机输出功率，

使输出功率稳定在额定功率。

变桨距风电机组的运行过程可以划分为以下四个阶段：

(1)风速小于切入风速；

(2)风速在切入风速和额定风速之间；

(3)风速在额定风速和切出风速之间；

(4)风速大于切出风速。

在风速小于切入风速时，机组不产生电能，桨距角保持在90°；在风速高于切入风

速后，桨距角转到0°，机组开始并网发电，并通过控制变流器调节发电机电磁转矩使风轮

转速跟随风速变化，使风能利用系数保持最大，捕获最大风能；在风速超过额定值后，变桨机构开始动作，增大桨距角，减小风能利用系数，减少风轮的风能捕获，使发电机的输出功

率稳定在额定值；在风速大于切除风速时，风力机组抱闸停机，桨距角变到90。以保护机组不被大风损坏。

图2表示了四个阶段各个参数的变化情况。

2 变桨控制策略

变桨距风力机组的桨距角参考值可由风速、电机转速和发电机输出功率三个参数来

独立控制，但由于风速难于精确测量，而且在整个风轮扫掠面上的风速并不相等，所以本文不用风速作为变桨控制量，而选择电机输出功率作为控制桨距角的变量。其控制策略如图3所示。

功率反馈信号和功率给定值之间的误差作为PI控制器的输入，PI控制器给出桨距角参考值βref，但是由于桨距角的变化对于风速而言是非线性的，当风速在额定值附近时，较小的风速变化也需要桨距角改变一个较大的角度才能使输出功率稳定，所以在风速超过额定

不多的风速阶段，需要较大的PI控制器增益；而在超过额定风速较多的高风速段，较大的

风速变化只需要一个较小的桨距角改变量就可以使输出功率稳定，所以在此风速段PI控制器的增益可以较小。所以控制器所需的增益大小和所需的桨距角基本成线性反比关系，由此提出一种由桨距角大小来调节控制器增益的控制策略，即在原有控制系统中加入一个增益调

度控制器，使PI控制器的在所需桨距角较小时有较大的增益，在所需桨距角较大时有较小

的增益，此增益控制器由一个多项式实现。带增益调度控制器的变桨控制框图如图4所示。

图5为变桨执行机构模型，其中由控制器给出桨矩角参考值βref，并与实际β比较得出△β，通过变矩驱动机构改变桨距角。由于大容量的风机桨叶重达数吨，考虑到调节器

疲劳，桨矩角的变化速率要有限制，且其角度也有限制，即其动态特性是在桨矩角和桨矩速

率上都有饱和限制的非线性动态，当桨矩角和桨矩速率小于饱和限度时，桨矩动态呈线性。

变桨执行机构的数学模型可以描述如下：

带增益调度控制器的控制策略有更好的控制效果。在风速高于额定较多的较大风速阶

段，两种控制策略的控制效果相差不大；但在风速更接近额定，所需桨距角较小的阶段，带

增益调度的控制策略使桨距角变化更加灵敏，可以输出更大功率，并且输出功率更加平稳。