风力发电机主变速箱测试———Windturbinemaingearboxtest

摘要：为了提高风力涡轮机效率，工程师们希望结合最佳的电子、机械设计，开发出高成本效益的解决方案。
       GE Wind Energy 公司希望拓展风力涡轮发电机的生产，决定在其美国宾夕法尼亚州的GE Transportation 工厂内设置关键变速箱装配线。但该工厂内已有的设备都不具备对产品的测试能力。
       在完成风力涡轮发电塔的装载和安装前，必须对变速箱的性能进行校验。校验要求变速箱以最大功率全速运行，以此来完成速度/扭矩测试及精确数据采集，如振动、噪声、润滑油温度及齿轮啮合关系等数据。
       由于测试过程中测试变速箱需要快速移动，使得问题进一步复杂化。此外，测试地点为主要生产现场，生产与测试之间将产生噪声干扰，同时又缺少动力隔离或机器底座来支撑测试设备。公用工程系统也需要升级，以提供最大1.5 mW的驱动功率。
        在达到以上要求后，还需要有经验的GE 技术人员来操作测试设备，而非计算机工程师。因而，计算机控制的数据采集及控制系统必须具备高鲁棒性，且用户界面友好。

  解决方案
       用测试平台对1.5mW 变速箱进行事后检修，能够测定振动和声学特性，同时校验输出速度和载荷需求是否符合规格。待测单元（UUT）与同类变速箱连接，后者反转运行，用于模拟风力涡轮的扭矩。整个测试台由四台GE 牵引发动机驱动和带载，并由LabVIEW 进行控制。

      Emprise 公司（NI 系统联盟商）与发电站的制造商合作，开发了燃气轮机和燃料电池，从而成功解决了所有测试问题。

  技术实施
      变速箱测试台最关键的技术问题是模拟578,000 lb-ft、18 rpm 的风力涡轮输入，风力涡轮变速箱是仅有的满足条件的设备。因此，采用另一台同样的变速箱（旋转方向相反）作为理想的速度/扭矩源。
被测试变速箱与另一台固定安装的风力涡轮变速箱的输入轴相连，由1.5 mW 电机系统驱动固定变速箱的输出轴，进而驱动被测试变速箱在一定的转速和扭矩下工作。1.5 mW 发生器系统与被测试变速箱的输出轴连接，模拟定量负载。
      驱动电机频率可变，交流供电由固态驱动控制。驱动将直流功率转换为交流功率，这样两台驱动的直流电路能够互相连接，将产生功率看作负载，再反馈回驱动电机转换器，以此来仿真风力涡轮发电机的输入功率。
      GE Transportation 还制造了轮式电机和驱动，用于露天采矿卡车及机车。分析显示两台GEB-16A4 型轮式电机能够为测试提供要求的速度、扭矩及功率。同样地，驱动电机的阻断功能可以有效模拟发电机的负载。
  

       图1 显示了上述的闭环概念。反转变速箱产生高扭矩，功率循环通过固态驱动器从发电机送到驱动电机。系统损耗由连接在公用电力线与驱动DC buss 之间的600 kW 转换器补偿。
  

  
图2 – 闭环驱动/负载系统
        两台变速箱通常安装在弹性衬底上以减小噪声和振动影响。测试装置复制上述弹性安装的特点。但同时带来的问题是，非固定式的安装使得测试变速箱和反转变速箱之间存在安装校准问题。
       由于测试变速箱要求能够快速安装和移动，两台变速器之间需要一个滑动齿联轴器。这种类型的联轴器能够快速提供高扭矩连接，但不能传递轴端所需的弯曲力矩。
       在螺旋千斤顶上安装定位锁能够解决上述问题。当测试变速箱就位后，锥形销插入联轴器间来支撑两台变速箱的悬挂状态。然后通过插销和螺栓连接齿联轴器，从而传递轴的扭矩。
      采用液压制动收缩盘 （Ringfedder 制造）来连接齿联轴器和测试变速箱的输入轴，缩短了安装时间。
        测试台的地面安装还存在两个问题。第一，由于不具备地面安装条件，测试台没有动力隔离；第二，测试地点在轮式驱动电机装配线周围，噪声干扰是一个很大的问题。
       将大型钢结构直接置于工厂地面的隔离垫层上就能很好地解决安装基座的问题。结构基座在两天内安装完毕，为测试提供了驱动线所需的坚固、无振动的环境。图2 显示了布局概念。
       图中还显示了，电机安装在隔离噪声的围栏内，并与外部的强制风冷系统连接。这一结构将测试和工厂地面与噪声、冷却系统的电机隔离开。
  

图3 – 总体布局
       数据采集系统使用的是美国国家仪器的FieldPoint 系统，带有自定义软件，操作非常简单。GE 测试技术人员快速掌握了控制技术，能够高效地完成验收测试及文档结果处理。
  全文详细内容请见《工控观察》200904期
  http://magazine.gongkong.com/e_magazine/2009/0904/index.htm