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可再生能源實(shí)驗(yàn)室測功機(jī)試驗(yàn)臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試
Walt Musial
國家風(fēng)力技術(shù)中心
國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室
1617科爾大道
金，共80401
布瑞恩麥尼夫
麥尼夫輕工業(yè)
43狗島路
港灣，我04642
簡要
一個新的設(shè)施，最近已完成在國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室，允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件全面的測功機(jī)測試，完成從發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)。本裝置設(shè)有一個2.5兆瓦的電機(jī)，變速箱，變速驅(qū)動系統(tǒng)提供軸扭矩。模擬風(fēng)力機(jī)載荷MTS疲勞額定負(fù)荷系統(tǒng)等方面充分集成到設(shè)備。這將允許致動器循環(huán)荷載的結(jié)構(gòu)在各種不同的方式。[正式]安然水平風(fēng)公司已安裝在設(shè)備的第一測試文章幫助成熟z-750系列風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的。試驗(yàn)包括制動控制系統(tǒng)調(diào)整，耐久性試驗(yàn)齒輪和軸承元件，和結(jié)構(gòu)測試。功率變換器的某些方面也將測試。本文介紹了測功機(jī)試驗(yàn)臺及其功能。同時，在綜述水平測試的程序設(shè)計(jì)。
介紹
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有較大的增長在過去的十年。雖然風(fēng)電成本繼續(xù)下降，每個渦輪機(jī)成本增加使原型的實(shí)證方法現(xiàn)場測試的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。新的渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)，兆瓦級的原型是昂貴的建立和長，單位生產(chǎn)時間消耗的生產(chǎn)利潤。隨著從原型到生產(chǎn)典型高峰，制造商經(jīng)常發(fā)現(xiàn)問題太晚在大批量生產(chǎn)運(yùn)行修正開始。這會導(dǎo)致過早的失敗和昂貴的改造。風(fēng)電機(jī)組傳動問題的記錄，包括變速箱故障和磨損，軸承生活問題，發(fā)電機(jī)故障，控制器引起的系統(tǒng)故障。[1-3]中可能出現(xiàn)的問創(chuàng)業(yè)初始，極端風(fēng)力條件下，或可長期操作相關(guān)。在任何情況下，本及時發(fā)現(xiàn)和解決這些問題是在第一單元測試。多年來，汽輪機(jī)制造商依靠實(shí)驗(yàn)室檢測的關(guān)鍵部件，如轉(zhuǎn)子葉片，減少災(zāi)難性的現(xiàn)場事件的潛在風(fēng)險(xiǎn)。[ 4 ]直到現(xiàn)在他們沒訪問能夠測試整個渦輪驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)施，這是所有發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)計(jì)。在國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）一種新的測功機(jī)試驗(yàn)臺（DTB）建試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的傳動系統(tǒng)和組件。從行業(yè)要求出世，這個新設(shè)施極大地改變到新的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的評價方法。它現(xiàn)在被用來驗(yàn)證的安然[傳動設(shè)計(jì)正式標(biāo)記物]風(fēng)公司z-750渦輪系統(tǒng)。
設(shè)備描述
一般描述DTB位于美國國家風(fēng)能技術(shù)中心（NWTC）是致力于測試風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)。這些通常是由一些組合的齒輪，聯(lián)軸器，軸承，軸，潤滑系統(tǒng)，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，控制器，和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這可以從100千瓦到2.5兆瓦的范圍內(nèi)測試系統(tǒng)大小。測功機(jī)的原動機(jī)是一個可變的扭矩，變速電動機(jī)控制的變頻驅(qū)動系統(tǒng)。這4160伏電機(jī)連接到一個2.5兆瓦，三級行星變速箱。測試文章可以連接到電機(jī)的高速軸，齒輪箱的低速軸，或一個中間軸不同的速度和扭矩的要求
顯示了作戰(zhàn)能力在每個軸。系統(tǒng)的控制邏輯允許的轉(zhuǎn)矩和速度
可連續(xù)變化，通過手動操作命令信號或自動的方式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）命令。圖1顯示了兩個信封，每一個驅(qū)動軸的選項(xiàng)，和一個實(shí)際的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)極限曲線，用以指導(dǎo)測功機(jī)設(shè)計(jì)。一組有代表性的實(shí)際風(fēng)渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)（現(xiàn)有的或計(jì)劃中的）被表示為在這個圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)根據(jù)其額定輸出乘以1.3和1.7之間的一個因素。這是近似的的縮放因子，必須加快全壽命運(yùn)行到幾個月耐久性試驗(yàn)在連續(xù)運(yùn)行。驅(qū)動電機(jī)和變速箱總成安裝到169千牛（38噸）升降驅(qū)動表中有一個3.05-m垂直調(diào)整的跨度（10英尺），傾斜的能力從0到6度。一個1.52（5深口袋駕駛臺下允許表的頂部將0.61米（2-ft）以下等級水平。這個范圍可以容納多達(dá)3.05-m軸的高度（10英尺）。
圖1–2.5?MW?NREL的測功機(jī)操作信封表2
借助四222千牛（50噸）電動螺旋千斤頂，位于該表的每一個角落。螺旋千斤頂操作前后對絕對定位精度25毫米。（0.010）。這種微調(diào)能力是內(nèi)置到系統(tǒng)允許精確分析傳動系統(tǒng)的軸和試驗(yàn)第軸。在適當(dāng)?shù)奈恢脮r，表在兩反應(yīng)墻對駕駛臺兩側(cè)的垂直面。此連接采用10角鋼支架，螺栓通過驅(qū)動表和附加到垂直的T型槽，加工成鋼板安裝到墻上。表的運(yùn)動是由一個可編程邏輯控制器（PLC）接收的確切位置從絕對位置編碼器位于每個螺旋千斤頂?shù)男畔ⅰ＿@一信息翻譯由PLC為軸的位置和角度。設(shè)施配備222千牛（50噸）電動橋式起重機(jī)運(yùn)行的長度
27.4-m（90英尺）試驗(yàn)臺。吊掛件與多個控制速度的能力。所有的測試文章被機(jī)械地耦合到一個驅(qū)動系統(tǒng)中的三軸。測試的物品安裝槽底板嵌入在工廠的南端地或網(wǎng)格或者網(wǎng)墻
圖2–2.5?MW?NREL的測功機(jī)電源回路
圖2顯示的電源回路原理圖工具布局A的形成。一軸功率轉(zhuǎn)換設(shè)備它是由測試電氣能源和可再生反饋到第nwtc電網(wǎng)在480。4160伏供電或電壓，它是由reused測功機(jī)。只有在傳動系統(tǒng)的功率損失需要添加的屬性顯示在外面10樞紐設(shè)施保持系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定州立。圖3顯示圖片的數(shù)據(jù)。軸的彎曲載荷大多數(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)所經(jīng)歷的負(fù)載是由風(fēng)的作用在主軸軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲。雖然許多動力，動力，和慣性的影響結(jié)合創(chuàng)建不同的負(fù)載情況下，每一個的情況下，通?？梢詼p少扭轉(zhuǎn)和在主軸/集線器接口彎曲反應(yīng)。軸的扭轉(zhuǎn)往往是足夠的測試時一個給定的設(shè)計(jì)齒輪的齒。然而，如果一個測試的齒輪箱，軸承，軸，支撐臺板，偏航，或聯(lián)軸器所需的附加軸的彎曲載荷，必須應(yīng)用。測功機(jī)驅(qū)動生產(chǎn)扭振，但彎曲載荷必須由側(cè)加載千斤頂軸系統(tǒng)中的應(yīng)用。在國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室測功機(jī)，軸彎曲采用液壓伺服系統(tǒng)，和致動器能夠提供高達(dá)110的事。采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，軸的彎曲載荷，可隨著渦輪軸的旋轉(zhuǎn)同步給周期，每轉(zhuǎn)軸荷載，代表
再生能力
在現(xiàn)場的瞬態(tài)條件下的風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組件可能加速或減速。對于一個真正的模擬操作風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和剛度測功機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)符合試驗(yàn)第轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。這是不容易的因?yàn)檫@些屬性是固定在測功機(jī)的設(shè)計(jì)。然而，慣性匹配可以通過增加或減少測功機(jī)驅(qū)動功率閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下的實(shí)現(xiàn)模擬代表轉(zhuǎn)子質(zhì)量屬性的期望加速度，在轉(zhuǎn)速變化。剛度匹配可以通過聰明的杰克軸設(shè)計(jì)完成。
轉(zhuǎn)矩和速度控制
測功機(jī)驅(qū)動可以運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩控制和速度控制。在速度控制模式，測功機(jī)可以使用手動油門控制盤操作，或者它可以通過驅(qū)動按照規(guī)定的速度時程的SCADA系統(tǒng)。這種模式具有測試是有用的z-750變頻調(diào)速系統(tǒng)的。然而，速度控制可能不是很有用，當(dāng)測試一個固定的速度異步或同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，或當(dāng)慣性的影響是至關(guān)重要的。轉(zhuǎn)矩控制模式并不完全決定它，但它可能證明比起發(fā)電功率輸出固定或可變轉(zhuǎn)矩負(fù)載更加有用的影響我們的發(fā)電機(jī)速度。瞬態(tài)負(fù)載測試將需要平衡旋轉(zhuǎn)慣性扭矩控制t。最終目標(biāo)是形成風(fēng)的力量測試項(xiàng)目的實(shí)際控制系統(tǒng)來符合時間隨機(jī)的湍流波動。在閉環(huán)控制，隨機(jī)風(fēng)時程將被用來計(jì)算實(shí)時扭矩值，通過簡單的C?P與（能量系數(shù)與尖端的速度比）的傳輸函數(shù)，或通過更復(fù)雜的代碼，如aerodynamics你aerodyn?[?6 ]。渦輪來控制適當(dāng)?shù)目刂破鞴δ堋?
類型的測試
測功機(jī)測試的主要優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載測試機(jī)可以控制。的測試類型分為風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)測試和組件測試。在大多數(shù)情況下，你必須安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)進(jìn)行測試，代表從傳遞荷載測功機(jī)。一些測試，也可以進(jìn)行不同類型的描述如下，但作者不認(rèn)為這是一個詳盡的列表。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)傳動系統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)?zāi)途眯栽囼?yàn)是為了證明一個特定的疲勞壽命驅(qū)動系統(tǒng)確保它能夠生存的整個工作生活。耐久性試驗(yàn)將涉及3至6在高負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，結(jié)合重大應(yīng)用瞬態(tài)負(fù)載的情況下，長期運(yùn)行的頻譜部分。橫向軸載荷作用下模擬實(shí)際操作轉(zhuǎn)子彎曲載荷可以影響齒面接觸應(yīng)力和疲勞，軸承的壽命，軸和軸承座。這樣的測試要求高，穩(wěn)態(tài)功率水平的變化1.3～1.7倍的額定容量的測試文章。紊流風(fēng)場模擬測試，這種測試可以證明的正確操作在設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)系統(tǒng)。操作底盤測功機(jī)的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下，隨機(jī)風(fēng)場數(shù)據(jù)是利用反饋計(jì)算機(jī)算法轉(zhuǎn)換成軸扭矩從機(jī)的控制系統(tǒng)。嚴(yán)重的隨機(jī)轉(zhuǎn)矩條件下可以模擬要求在所有條件下其操作的限制進(jìn)行汽輪機(jī)控制系統(tǒng)。加載事件測試這種類型的測試可以在極端測量汽輪機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)操作事件。短暫的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷對傳動系統(tǒng)進(jìn)行模擬真實(shí)的戰(zhàn)場環(huán)境。慣性系統(tǒng)可以使用的再生動力系統(tǒng)匹配電動變速傳動。橫向彎曲載荷可應(yīng)用于傳動軸，軸承座或偏航系統(tǒng)重現(xiàn)特定的設(shè)計(jì)載荷情況。這種類型的測試還包括自誘導(dǎo)載荷來自測試機(jī)的部件和不進(jìn)入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。的例子自我誘導(dǎo)的負(fù)載制動系統(tǒng)試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)故障和電網(wǎng)故障，發(fā)電機(jī)和正常瞬變。
組件測試
個別渦輪組件的測試通常是測試與評價的重點(diǎn)對于整個系統(tǒng)。測功機(jī)可以用于各種其他成分的排位和優(yōu)化在現(xiàn)場安裝或改造。可以進(jìn)行測試，對齒輪，軸，軸承座，軸承，分離發(fā)電機(jī)，控制系統(tǒng)，制動，或電力電子元件，有或沒有代表性的傳動組件。變速箱試驗(yàn)齒輪箱在風(fēng)在廣泛的現(xiàn)場故障源工業(yè)。它往往是必要的測試，評估，優(yōu)化操作對個人的影響變速箱的部件來增加或降低機(jī)組成本的生活。[ 7 ]一些齒輪測試包括：
?評估和減輕輪齒載荷，
?評估和減輕齒面磨損機(jī)制，
?優(yōu)化齒輪的潤滑性能，
?優(yōu)化油系統(tǒng)的水平，溫度，和過濾，
?齒輪箱應(yīng)力測量，
?軸承壽命試驗(yàn)，并
?評估適當(dāng)?shù)凝X嚙合特定負(fù)載下建立最佳的鉛和剖面修改。
發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是–的動力系統(tǒng)的一個重要組成部分。它有助于顯著的機(jī)械載荷產(chǎn)生在正常運(yùn)行時，整個傳動系統(tǒng)故障。的一系列的條件下發(fā)電機(jī)的性能可以被分離和測試儀。一些
發(fā)電機(jī)測試包括：
?評價電氣特性和故障設(shè)置，
?評價軸承和繞組溫度，
?轉(zhuǎn)矩速度特性測量，
?確定起動轉(zhuǎn)矩和極端的操作性能，
?決定系統(tǒng)的效率，并
?瞬態(tài)響應(yīng)特性的測量。
控制系統(tǒng)也可以在這個過程中，評估。這可能是高還是低了—速度（直接驅(qū)動）發(fā)電機(jī)。為了適應(yīng)直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，可能有過大的徑向尺寸，測功機(jī)測試灣坑建成的試驗(yàn)段地板。在這些情況下，部分發(fā)電機(jī)可以安裝在坑下面的測試海灣地板表面允許適當(dāng)?shù)母叨纫詼y功器輸出軸匹配。
z-750測試程序
z-750背景在成本分擔(dān)美國能源部（DOE）/國家贊助的近期研究測試包，探測器已經(jīng)努力降低的安裝成本制造z-750系列風(fēng)機(jī)通過價值工程方法。支持活動，公司已經(jīng)安裝了一個完全風(fēng)力渦輪機(jī)配置z-750?DTB評估降低成本的同時保持措施高質(zhì)量和忍受各種操作和設(shè)計(jì)荷載的能力。我們的組件在這個測試程序集中包括齒輪箱，齒輪元件，軸和聯(lián)軸器，制動器，并且，在某種程度上，軸承。測試分成四個階段：接觸試驗(yàn)，制動事件測試，微點(diǎn)蝕試驗(yàn)，和耐久性試驗(yàn)。這些討論，下面描述的目標(biāo)和過程。
齒面接觸試驗(yàn)
接觸進(jìn)行測試，以驗(yàn)證正確嚙合的齒輪彈性加載過程中發(fā)生的。這是在不同的負(fù)載水平，使用一個簡單的齒輪齒的繪畫技術(shù)顯示磨損模式。測功機(jī)需要做的好是因?yàn)樗茈y選擇正確的并在該領(lǐng)域的可重復(fù)的負(fù)載水平。結(jié)果在設(shè)計(jì)，制造，質(zhì)量流程優(yōu)化齒輪的幾何形狀和材料。這一階段已成功完成的z-750s當(dāng)前齒輪組。圖4顯示的例子的磨損模式觀察運(yùn)行在恒定的負(fù)荷測功機(jī)1小時。
圖4控制磨損–齒輪的齒面接觸模式的例子
制動事件試驗(yàn)
z-750配備的高速，安裝于軸上，彈簧制動，液壓釋放允許停止轉(zhuǎn)子在發(fā)生變槳系統(tǒng)故障。這種冗余的系統(tǒng)稱為在國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)[ 8 ]和德國勞埃德批準(zhǔn)文件。第二階段的測試減少制動反應(yīng)載荷通過驅(qū)動器列車雖然各種減災(zāi)技術(shù)。這些技術(shù)主要集中在減少制動反應(yīng)時間而提供的轉(zhuǎn)矩上升溫和和傳動反應(yīng)。作為通過麥尼夫等人[ 3 ]在一個顯而易見的和可重復(fù)的描述，在這些傳動負(fù)載減少方式可以允許同時減少需要正確地傳遞這些載荷系統(tǒng)元素。這，當(dāng)然，會導(dǎo)致較低的成本結(jié)構(gòu)。這一階段也被成功地完成后四這種方法的評價。
微點(diǎn)蝕試驗(yàn)
微觀點(diǎn)蝕的研究3期目前正在進(jìn)行中，而且，迄今為止，最激動人心的一，因?yàn)樗梢杂幸粋€廣泛的各大未來風(fēng)電齒輪箱的設(shè)計(jì)實(shí)踐的影響水輪機(jī)模型。微蝕是失敗的前兆，是目前流行的水平在整個風(fēng)電行業(yè)（以及其他行業(yè)以及），是保形的嚙合齒輪表面研磨效果結(jié)果在細(xì)（100μ?在）在表面凹坑。這些細(xì)坑在短時間內(nèi)深的凹陷，穿透硬化。最終，可適當(dāng)降低表面?zhèn)鬟f和反應(yīng)的接觸應(yīng)力和彎曲載荷，從而加劇了問題。這可以導(dǎo)致宏觀點(diǎn)蝕和牙齒過早失效。安然想主動減少任何可能的過早損壞曝光評估各種微點(diǎn)蝕的抑制方法。鑒于此，3階段的重點(diǎn)是第一建立基線微點(diǎn)蝕特征通過加速高功率操作。然后各種緩解方法將測試量化的差異。這些方法包括替代表面光潔度，表面電鍍，和特種潤滑油和潤滑油添加劑。
耐久性試驗(yàn)
最后，最好從測試前三個階段產(chǎn)生的產(chǎn)品配置進(jìn)行評估在4期的最后一個耐力測試。這耐力測試將需要幾乎連續(xù)運(yùn)行（與系統(tǒng)檢查和定期維修站）在一個約1000千瓦的功率水平的升高。此外，非對稱轉(zhuǎn)子載荷，橫擺動作，和其他的時刻也會使用軸模擬—安裝執(zhí)行器。預(yù)計(jì)1600至2000小時將需要模擬人生30年這個測試的文章。
總結(jié)
一個2.5兆瓦發(fā)電測功機(jī)設(shè)施已在國家風(fēng)能技術(shù)中心完成的，和首先本文試驗(yàn)已被用于成熟的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和設(shè)備本身。預(yù)計(jì)這種新的測試工具將加快風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)的成熟和更可靠的風(fēng)在100千瓦范圍內(nèi)的渦輪機(jī)和傳動部件2.5兆瓦。設(shè)計(jì)工況模擬可以直接應(yīng)用到完整的風(fēng)力渦輪機(jī)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。這樣的模擬包括瞬態(tài)加載，耐力測試，和不尋常的負(fù)載的情況下。齒輪的齒面接觸測試和制動負(fù)荷減輕測試已經(jīng)完成了第一次測試的文章，z-750安然風(fēng)。齒輪齒微點(diǎn)蝕機(jī)制和減災(zāi)技術(shù)測試現(xiàn)在下路，和渦輪不久將進(jìn)行一個完整的系統(tǒng)耐久性試驗(yàn)。
致謝
我們要感謝許多人幫助在測功機(jī)發(fā)展活動他繼續(xù)做這個項(xiàng)目的順利。特別感謝風(fēng)公司和安然支持和耐心，他們在等待測功機(jī)可完成了促進(jìn)第一次測試的文章。個別的，我們要認(rèn)識到安然風(fēng)人員，湯姆nemila，阿米爾米哈伊爾，克雷格克里斯特森，卡爾寇地茲，杰森諾特，弗萊德大通。同時，我們將想認(rèn)識齒輪神，ED海勒拜克和鮑勃errichello誰已經(jīng)提供了非常寶貴的建議在整個項(xiàng)目。教育過度，導(dǎo)致技術(shù)人員和測功機(jī)的看門人在NREL也稱贊他的部分保持平穩(wěn)運(yùn)行。感謝托比Stensland，科羅拉多永融，誰負(fù)責(zé)SCADA系統(tǒng)及軟件開發(fā)。吉姆和約翰遜李明博fingersh貢獻(xiàn)從一開始就和在使測功機(jī)在線工具。最后，感謝美國能源部資金支持致力于發(fā)展測功試驗(yàn)臺。
參考文獻(xiàn)
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