傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性軸建模

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通過分析以上機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模方法差異，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)層面的研究，風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用集中質(zhì)量塊模型或二質(zhì)量塊模型。而研究二者的差別不難發(fā)現(xiàn)：二質(zhì)量塊模型綜合考慮了風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部分的慣量特性、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼與彈性作用等，屬于柔性軸建模即認(rèn)為低速軸和高速軸是柔性的，它允許石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有各自的旋轉(zhuǎn)45自由度。
石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加速度取決于氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速軸轉(zhuǎn)矩之間的不平衡，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加速度則取決于高速軸扭矩和發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的不平衡；集中質(zhì)量塊模型，其完全忽略機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)阻尼特性和柔性，認(rèn)為低速軸、齒輪箱、高速軸是剛性的，石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，高速軸與低速軸間按定傳動(dòng)比變化，石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的不平衡來決定發(fā)電機(jī)和石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的加速(即系統(tǒng)轉(zhuǎn)速)。故本節(jié)將分別從剛性軸模型與柔性軸模型兩個(gè)方面進(jìn)行論述。風(fēng)力發(fā)電的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常可以看作是由有限個(gè)慣性環(huán)節(jié)、彈性元件和阻尼元件等組成的系統(tǒng)。因此在建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)理模型時(shí)，通常采用彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)力學(xué)模型，而此力學(xué)模型的基本動(dòng)力學(xué)方程式為。
式中：fMl為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，『D1為系統(tǒng)阻尼矩陣，K1為系統(tǒng)剛度矩陣，711為外部載荷矩陣，分別是研究節(jié)點(diǎn)的位移、速度、加速度矩陣。4．2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性軸建模如前所述，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性軸建模原則，剛性軸模型可以看成是由通過剛性軸連接的兩個(gè)有質(zhì)量的圓盤組成。
由于實(shí)際石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低速軸、齒輪箱的傳動(dòng)軸和高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此低速軸、齒輪箱的傳動(dòng)軸和高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略不計(jì)。如特殊情況需要計(jì)算，則可將低速軸及其軸側(cè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并入石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，高速軸及其軸側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為剛性軸分析時(shí)，僅僅考慮齒輪箱為變比，在齒輪箱的變比為Ⅳ時(shí)，利用集中質(zhì)量塊模型進(jìn)行分析，可以將石家莊風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到高速軸側(cè)，也可以將發(fā)電機(jī)及其電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到低速軸側(cè)。本文采用前者將石家莊風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到高速軸側(cè)，經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算，此時(shí)根據(jù)機(jī)理建模，式中：％為石家莊風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，％為石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，％為發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，％為發(fā)電機(jī)軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，Ⅳ為齒輪箱的傳動(dòng)比。在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，繞線式雙饋發(fā)電機(jī)定子直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器并入電網(wǎng)，可以把發(fā)電機(jī)和變流器作為一個(gè)整體來建立模型。為使石家莊風(fēng)機(jī)在適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速條件下運(yùn)行，控制變流器給發(fā)電機(jī)軸施加不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)要求轉(zhuǎn)矩，在發(fā)電機(jī)的氣隙處產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)矩。
因此，發(fā)電機(jī)及其控制模型可以用一階延遲模型來描述。式中：砭為發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，乙為發(fā)電機(jī)的要求加載轉(zhuǎn)矩，見為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩．速度曲線斜率，f為發(fā)電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。由(4．2)與(4．3)式．,經(jīng)．Laplace變換，消去中間變量，可以得出機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性軸模型從石家莊風(fēng)機(jī)氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩到發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)：Ⅳ(s)2器。石麗可再N瓦De磊麗∽4)顯然，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性軸模型為一個(gè)二階系統(tǒng)，由控制理論知識(shí)易知，此時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)恒穩(wěn)定系統(tǒng)，然而系統(tǒng)的瞬態(tài)性能還與系統(tǒng)的具體參數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)的故有自然振蕩頻率與阻尼系數(shù)如式(4．5)、(4．6)所示，它們?cè)诤艽蟪潭壬蠒?huì)對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)性能產(chǎn)生影響。