有关IFAS实验室液压传动研究论文中文翻译

1、风力发电厂的静液压传动系统Johannes Schmitz：johannes.schmitzifas.rwth-aachen.Nils Vatheuer: nils.vatheuerifas.rwth-aachen.de Hubertus Murrenhoff: hubertus.murrenhoffifas.rwth-aachen.de 德国亚琛工业大学，液力传动与控制学院（IFAS）摘要目前的研究项目是开发风机的静液压传动系统。本论文对概念生成、分析以及概念挑选用于试验台试验进行了说明。此外，还提出了使传动适应半负载的控制策略，并包含最终的仿真结果。对传动系统的频率分析阐明了静液压部件卓越

2、的阻尼特性。论文第二部分介绍了对仿真结果进行验证的试验台，为在真实条件下对静态和动态运行点中的效率进行测量提供了机会。随后的评估指出了静液压传动的主要特性，并与现有的概念进行了对比。最后，进一步对实现静液压锋利发电厂进行了说明，并论证了其扩展到更高功率等级的可能性。关键词：静液压传动、同步发电机、阻尼特性、效率、环路内硬件1. 介绍由于对可再生能源的需求高，过去几年里，风力发电厂（WEP）已经取得了巨大的进步。虽然如此，如何保证整个运行周期内的可靠性和高性能，并同时使成本最低化仍是一个特殊的挑战。尽管现有的概念很好，但人们仍在不断开发可能带来根本变化及改善的新方案。通过静液压传动系统传递动力，

3、这个新概念被认为是可以同时保证高效率和电网稳定性，并且可靠性高，成本低。 在德国联邦环境、自然保护与核安全局和德国瑞灵公司（位于科隆）资助下，IFAS正在开发用于兆瓦级风场的静液压传动系统，打算代替目前常用的齿轮箱和变频器。此概念的想法是利用与风机主轴直接连接的慢转泵向高压油传递动力，并利用静液压马达将此高压油转化成机械能从而驱动发电机。风机中需要的这种高的传动比可以通过泵和马达的排量比达到。图1阐明了静液压传动的功能原理。图1 功能原理为了论证此类传动的可行性，IFAS开发并建立了一个能够模拟兆瓦级风力发电厂的试验台。可以对风机遇到的现实风况下的仿真进行验证。 这是通过利用环路中硬件（HIL

4、）将其与风轮实时仿真进行结合实现的，可以提供真正的风轮惯量影响。此方法还可以包括由于飓风和塔筒影子造成的扭矩脉冲。采用径向柱塞马达将HIL以风轮转速形式的仿真输出传递到试验台的风轮轴上。2. 基本设计2.1 要求与边界条件静液压传动可以兼并机械传动功能和变频器功能。也就是说，风机变化的，低转速被转化成发电机端的恒定转速。通过改变液压泵或马达排量实现需要的连续可变的传动比。由于变化的风况，飓风及塔筒影子影响，传动被负载强烈的扭矩波动。液压传动系统显著的阻尼和控制特点可用做保护传动系统、风机结构以及电控率输出2。本传动的一个重要要求是在额定功率和风机大部分时间半负载运行时的效率要高。总效率与系统成

5、本二者结合就是整个风机的投资回报。按这种方法计算，必须根据相应风速出现的可能性测量不同运行点的效率。考虑到风机的寿命周期，采用的部件应该结实并且易于维修。所有可能的错误都应在早期检测出来以便防止对系统造成任何损害。2.2 形态学框图起初，本项目是根据在非公路用车辆3中的静液压传动系统方面的经验展开的。当时，对大众熟知的概念进行了分析并且根据风场要求进行优化，比如，可以改变传动比。单一原理可以在一个形态学框图里进行搜集和分类。图2显示的就是这个形态学框图，包括3个主要组的拆分部分，传动部分和组合部分 。左边一列显示了将功率机械地拆分成不同驱动路径的三种不同的拆分方法。对于传动本身，要考虑两个主要

6、组。一方面，全液压驱动加上泵和马达的不同结构提供许多机会，另一方面，可以采用机械传动。最终，功率必须被再次组合，这个可以机械完成，或者使用两台发电机通过电动方式完成。图2 形态学框图通过形态框图采用不同的路径并在每一列至少选择一项要素，可以发现许多概念。下面的图3显示全液压概念的四个主要组。图3：生成的概念概念1 展示的是一个定量泵与一个变量马达组合的基本结构。如果采用这种概念，泵直接安装到风机轴上。这个系统的优势在于部件数量少，并且传动控制简便。然而，此系统对低功率的适应性有限，而此时，液压马达在低排量和低压力情况下运行，导致传动效率无法达到最优标准。概念2是串联安装在一起的两台泵和两台马达

7、的组合。此系统可以适用于不同的风况，因为它可以通过一个开关阀将一些元件设置成闲置模式。其缺点是由于串联结构，所有的元件都必须一直转动，因此即使在切断电源时也会造成阻损。 第3个概念是使用一个上游直齿轮将功率分配给两台泵，同时提高其转速。通过这种方式，可以提高泵的功率密度。为了使液压马达完全切出，采用两台发电机并且功率在传动系统的电气侧被合并。与上一个概念类似，概念4在风机轴和泵之间采用了一个行星齿轮箱。这种情况下，根据行星级的几何图形，风机扭矩被分配给两个泵，并且每个泵的扭矩由液压马达设定。此结构的一大优势在于通过将一台马达的排量设置为0，内齿圈可以保持静止不动，也就是说，泵不会造成任何阻损。

8、然而，这个结构有两个主要缺点，即行星驱动装置价格昂贵，还有低风速情况下的压力值较低。对各种组合的一项详细分析阐明第三种概念中提到的直齿轮能够达到的效率比第四种概念高。较低的压力值对总体测量效率的影响要大于闲置模式时泵的运行阻损。概念1中的简单的系统结构无法弥补其低效率造成的损失。概念2与概念3的两个主要区别在于概念3中的功率密度较高，并且半负载时无马达阻损。因此，在以下设计和优化阶段中，对由若干个可以单独关闭并且可以驱动一个或更多发电机的泵和马达组成的静液压传动进行了设计。不能考虑上游直齿轮，因为这些机械零件在市场上很难找到现货，这将造成整个项目的周期的延长。但是，经过试验台验证的有关静液压传

9、动的数据显示系统允许在最后增加任何形式的机械齿轮并进行评定。3. 详细的结构3.1 静态运行点为了评估静液压传动系统的效率，仿真模型中使用了类似部件的可用数据，包括风机，整个传动系统以及控制器。这个工具可以对不同的概念结构进行详细分析，并直接考虑对系统中其他零部件的影响。泵的规格确定的初始点为额定风速时的最大风轮扭矩，结合液压系统的最大系统压力可以计算累积的泵排量。由于低风速和高扭矩的要求，选用两台每转排量和为66升的赫格隆径向柱塞泵。在DSH+详细的效率仿真中，对两台不同泵的不同组合进行了试验。试验已经发现排量达到两台泵的20%到80%之间时，系统对大部分扭矩的适应效果最好。因此，选用了赫格

10、隆的一台排量为13.2升的CA210 泵和一台排量为52.8升的CBP840泵。据此，可以预选泵的切换策略，并且对每一风速下所需的总传动流量进行了评估。之后，在仿真中分析了不同尺寸的马达组合，目的是实现从高压油到发电机机械功率的最佳转换。图4说明了优化结果。根据泵的供油情况开启和关闭四台不同的变排量马达，容量在180cm3和500cm3范围之间。所有激活马达的斜盘旋转角度都相同。图4：控制策略另外，仿真中还包括了软管、阀门以及冷却器中的损失。图5显示了总效率以及传动相对于风速的输入和输出功率。通过观察可以看到风速从额定值15m/s降到9m/s时，效率几乎保持在85%恒定不变。这就意味着功率在额

11、定功率的20%到100%范围之间时，传动效率有一个恒定值。输入功率低于100KW时，效率迅速降低，因为此结构只使用一台发电机。也就是说，所有马达都在一个轴上旋转，即使他们全部关闭，也会造成固定的损失。采用离合器联结的双发电机概念和双马达概念都能提高性能，尤其是在低风速情况下的性能。图5：效率仿真结果3.2 动态分析除了稳态运行点的静态仿真外，动态性能对于静液压传动评估来说也是值得研究的。与机械传动系统相比，静液压传动系统的刚度要低得多，这是由于泵和马达间的高压油引起的。油的弹性模数只有1.6KN/mm2，而钢的弹性模数是210KN/mm2. 因此，由于发动机和涡轮机的软连接，涡轮机的转速可以小

12、范围地变化，而能量在涡轮机巨大的转动惯量中得到缓冲。下面的等式（1）表示的是涡轮机的扭矩平衡，等式（2）表示风轮转速从w1变化到w2时被缓冲的能量。图6中的仿真曲线验证了之前预测。图6： 动态仿真结果确定风机规格的一个重要标准是系统的共振频率。因此，下文将对液压传动系统的共振频率和阻尼特点进行分析。简化到基本的机械原理，静液压传动包括风轮的质量转动过惯量、将扭矩转换成压力的泵，以及高压和低压侧的功能类似弹簧的两体积的油。根据现有风机的测量，风轮激起系统时转速频率和桨叶频率经过塔筒，对于普通风机，是转速的三倍。采用静液压传动系统的共振频率公式，可以计算出此系统的频率是0.57HZ。这个频率在12

13、rpm桨叶经过塔筒阴影时达到。所以，这个动作必须经过更进一步的检查。图7显示三个不同仿真得出的波特图。图7：波特图第一条曲线显示由基本元件，不考虑任何形式损失的简化模型被激起，频率在0.1到2HZ之间。可以看出，系统在之前计算得出的频率范围内上升。第二条曲线显示当考虑泵的损失时，相对较低的泵的泄漏可以提供足够的阻尼防止系统内持续振动（即使频率在0.6HZ的情况下）。最后是一个完整的传动系统模型，包括管路、阀门和马达，提供的阻尼更高，这也证明了本静液压传动系统的优越的阻尼特点。4. 测量4.1 试验台结构因为当时没有可以用于仿真的液压部件实际性能特点和动态动作，所以不得不将从较小元件采集的数据根

14、据制造商数据进行比例扩大。因此，为了验证仿真结果，在IFAS实验室【4】设计并建立了一个试验台用于测量单个部件以及整体传动。为了有效地运转此试验台并避开1.2MW电动机和1MW发电机，安装了一个静液压功率反馈装置，可以利用传动的输出功率驱动慢速旋转的输入轴。图8显示了静液压传动和试验台驱动的布局。带动两台轴向柱塞泵（A1）的两台电动机补偿传动和驱动的损失。径向柱塞马达（A2）用来代表风机，驱动慢转轴。传动系统的输出功率反过来供给电动机能量。这种方式，装机的电功率仅有2x200kW，但是风机轴上的功率可达到1MW。在所有通过此系统的功率转换中，传动界限、转速和扭矩都被测出以评估总效率。图8： 试

15、验台布局在稳态测量中，转速由传动系统的液压马达控制，而试验台驱动通过转换两台轴向柱塞泵（A1）给定一个扭矩值。为了在现实动态风况下试验此传动系统，可以给试验台联接一个“实时仿真装置”，如图9所示。图9： 试验台连接和实时仿真装置仿真时模拟风机惯量以及风载荷，这样试验台驱动可以通过慢转轴上的仿真表示出转速。产生的扭矩被测出，并应用到模拟的风机上。通过改变仿真中的输入风速，对传动系统的反应，包括传动控制进行试验。也可以对一些例外情况，如紧急制动或单个部件的故障损坏进行试验。4.2 测量结果在第一次测量中，对排量为52.8升/转的泵与3台马达的不同组合进行了测量。图10为从慢转轴到液压马达输出的总效

16、率相对风机扭矩和转速的曲线。测量中左侧显示，只有排量为355cm3的马达3在运行。因此，最大转速可以达到10rpm。可以看出，效率上升，系统压力提高，并且马达3的排量更高。在180kNm和10rpm位置，能够达到最大值86.3%。当采用马达1和马达4时，测量结果的特点与之前的相同，但是，转速范围可以扩大到21rpm。当所有马达都被激活时，也可看到同样的结果，此时，扭矩和转速的范围大，而效率在80%以上。根据这些结果显然可以看出，通过切换不同马达使此传动系统适应实际运行点的重要性。图10：三种不同结构的测量结果对于第二次测量，将传动系统进行了升级，在之前使用的泵上串联安装第二台泵，使泵的总排量达

17、到66升/转。因而，必须增加第四台马达，这里采用的是定排量弯轴式250cm3/转的马达。下图11为总效率与输入输出功率相对于转速的曲线。此时，选择了12m/s额定风速的风机运行点。然后，再次用曲线对两个不同马达组合进行说明。结构1中，泵1和泵2与马达1和马达2相互作用，而结构2中所有元件都运行。图11：相对于风速的测量结果此外，图12为第二个显示对应风机输入功率的具有相同效率值的曲线图12：相对于输入功率的测量结果在随后的测量中，将可以切出低转速的泵2，从而根据仿真结果提高低功率的总效率。4.3 经验教训总结测量结果与仿真的总效率值的对比显示高转速时的一致性好。低功率时，闲置模式中部件的阻损比

18、仿真时考虑的高，这样造成仿真与测量结果偏差很大。在即将选用的结构中，最大和最小的液压马达不应串联安装以便可以运独立运行最小的马达，从而避免阻损。一个能够很好地适应其运行点的静液压系统适于大范围功率的总效率能够达到85%。在带有静液压驱动的试验台上运行静液压传动系统是在稳态运行点中以及带有环路中硬件的动态载荷条件下进行自动效率测量的可靠结构。尤其是，与快速驱动泵组合的慢转轴的低转动惯量可以在输入轴上产生剧烈的扭矩波动。静液压传动系统可以处理这些剧烈波动的峰值，因为良好的阻尼特性可以顺利地改变输出功率。5. 扩展到兆瓦级风场的可能性之前描述的1-MW静液压传动配置的是市场上现有的部件。一些元件，如

19、CPB840泵，是现有最大的设计尺寸。当风机额定功率提高时，当然必须提高扭矩，同时由于最大叶尖速度的限制，转速必须降低。得出的结论是功率增加一倍的风机需要的泵的排量几乎要增加四倍。为了实现能够适用于5MW风机的静液压传动系统，必须寻找一个解决方案，能够将液压件与机械部件组合起来。从静液压牵引驱动3（文献）可以得知，轮毂电机中采用的液压马达与机械齿轮箱的组合提供的功率密度最高。在风机中，上游直齿轮可以有效利于泵的功率，而好的静液压阻尼特性可以保护机械零件。下面的结构是配有这种组合的5-MW风机的例子，使用风轮轮毂驱动的圆形齿轮将四个小齿轮的功率拆分，传动比为4.5 （图13）。额定扭矩4330k

20、Nm额定转速13rpm机械比率4.5液压模数4输出功率5MW表1：风机的基本数据图13：5MW直齿轮带动4台泵每一个机械输出都分配一个静液压模块，包括一台泵CPP840,和三台变量轴向柱塞马达（图14）。这张图片没有考虑冷却系统和供给装置。泵52.8升/转泵的转速58.8rpm流速3040升/分马达2x750 cm31x500 cm3总效率85%输出功率1.25MW表2：静液压模块的基本数据图14： 静液压模块，带1.25MW的发电机与带有两个1-MW传动液压环路的控制策略类似，所有的控制模块都可以独立运行，也就是说，半负载时，不是所有的模块都被激活。未运行的泵可以通过与泵的高压和低压端连接的

21、阀门被设置成闲置模式。这个示范结构证实了1MW静液压传动有可能被扩大到可适用于兆瓦级风场，即使是采用目前现有的部件。此外，例子中采用的所有液压部件都可以安装在试验台上进行测量。从而，为设计和评估静液压兆瓦级风场传动系统提供了极好的条件。6. 评估根据之前制造的风机传动系统的要求，可以将此传动系统与顶级的系统进行对比。首先，比较两种不同的传动系统有两种不同的方法。一方面，可以选择一个指定的风轮对不同传动系统的输出功率进行比较。这样，能够控制评估的只有额定功率下的效率，并且静液压传动系统不能与机械齿轮箱竞争。另一方面，发电机的规格（功率大小）可以固定，而传动系统的规格（功率大小）可以倒推确定。通过

22、这种方式，进行对比的数值为传动系统的成本以及带动指定发电机的风机。这两种粗略的评估都不准确：都没有考虑真实情况下的系统性能。因此，人们应该进一步研究，比较每个系统生产1度电的平均成本。于此，第一步是要确定选用场地的预计发电量，并且了解场地的风速分布情况。各个风速情况下的传动系统输出功率与每个出现的风速相乘说明了预计的发电量。此外，还应考虑本概念的持久性。对于静液压传动的持久性，有数据可以证明，因为使用的部件都在工业工厂中连续地运转。第二，必须计算风机所有权的总成本，包括运行成本以及资金成本。于此，应该考虑整个结构上的传动系统总重量的影响。最后，必须考虑供应电流，因为这会因发电机或插入的变频器的形式不同而不同。现在，无法对静液压传动系统和现有系统进行最后的比较，因为静液压传动系统的总成本还不能确定。而且，制造商们未透漏任何有关现有传动系统的效率数据，尤其在半负载情况下的数据。7. 展望本项目的主要目的是逐步准备试验台的静液压传动系统以便将来应用到在真正的风机上。因此，采用的所有设备，比如供应泵或过滤器以及冷却器都必须更换成可以移到风机机舱内并且可自给的集合体。这些集合体还可以在一个气候室内被测试以确保即使在恶劣条件下，如低温环境，也能安全运转。此外，还必须在切换顺序和各种可能情况处理方面改善传动系统控制器。把真实的