传动机构刚性轴建模

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通过分析以上机械传动机构的建模方法差异，可以发现对于风力发电系统层面的研究，风力发电机械传动机构主要采用集中质量块模型或二质量块模型。而研究二者的差别不难发现：二质量块模型综合考虑了风力发电机械传动机构各部分的惯量特性、机械传动机构的旋转阻尼与弹性作用等，属于柔性轴建模即认为低速轴和高速轴是柔性的，它允许石家庄风机转子和发电机转子有各自的旋转45自由度。
石家庄风机转子的加速度取决于气动转矩和低速轴转矩之间的不平衡，而发电机转子的加速度则取决于高速轴扭矩和发电机反应转矩之间的不平衡；集中质量块模型，其完全忽略机械传动机构的旋转阻尼特性和柔性，认为低速轴、齿轮箱、高速轴是刚性的，石家庄风机转子和发电机转子只有一个旋转自由度，高速轴与低速轴间按定传动比变化，石家庄风机气动转矩与发电机反应转矩之间的不平衡来决定发电机和石家庄风机转子的加速(即系统转速)。故本节将分别从刚性轴模型与柔性轴模型两个方面进行论述。风力发电的机械传动机构通常可以看作是由有限个惯性环节、弹性元件和阻尼元件等组成的系统。因此在建立风力发电机械传动机构的机理模型时，通常采用弹簧阻尼质量系统力学模型，而此力学模型的基本动力学方程式为。
式中：fMl为系统质量矩阵，『D1为系统阻尼矩阵，K1为系统刚度矩阵，711为外部载荷矩阵，分别是研究节点的位移、速度、加速度矩阵。4．2传动机构刚性轴建模如前所述，根据机械传动机构刚性轴建模原则，刚性轴模型可以看成是由通过刚性轴连接的两个有质量的圆盘组成。
由于实际石家庄风机转动惯量远远大于低速轴、齿轮箱的传动轴和高速轴的转动惯量，因此低速轴、齿轮箱的传动轴和高速轴的转动惯量可以忽略不计。如特殊情况需要计算，则可将低速轴及其轴侧齿轮的转动惯量并入石家庄风机转子的转动惯量，高速轴及其轴侧的转动惯量并入发电机转子的转动惯量。风力发电机械传动机构作为刚性轴分析时，仅仅考虑齿轮箱为变比，在齿轮箱的变比为Ⅳ时，利用集中质量块模型进行分析，可以将石家庄风机的转动惯量折算到高速轴侧，也可以将发电机及其电动机的转动惯量折算到低速轴侧。本文采用前者将石家庄风机的转动惯量折算到高速轴侧，经过转动惯量的折算，此时根据机理建模，式中：％为石家庄风机转动惯量，如为发电机的转动惯量，％为石家庄风机气动转矩，％为发电机反应转矩，％为发电机轴的瞬时转速，Ⅳ为齿轮箱的传动比。在变速恒频双馈风力发电系统中，绕线式双馈发电机定子直接并网，转子通过背靠背变流器并入电网，可以把发电机和变流器作为一个整体来建立模型。为使石家庄风机在适当的转速条件下运行，控制变流器给发电机轴施加不同的负载转矩，发电机在很短的时间内响应要求转矩，在发电机的气隙处产生理想的转矩。
因此，发电机及其控制模型可以用一阶延迟模型来描述。式中：砭为发电机反应转矩，乙为发电机的要求加载转矩，见为发电机的转矩．速度曲线斜率，f为发电机的机电时间常数。由(4．2)与(4．3)式．,经．Laplace变换，消去中间变量，可以得出机械传动机构刚性轴模型从石家庄风机气动转矩到发电机反应转矩之间的传递函数：Ⅳ(s)2器。石丽可再N瓦De磊丽∽4)显然，传动机构的刚性轴模型为一个二阶系统，由控制理论知识易知，此时系统是一个恒稳定系统，然而系统的瞬态性能还与系统的具体参数有关，系统的故有自然振荡频率与阻尼系数如式(4．5)、(4．6)所示，它们在很大程度上会对系统的瞬态性能产生影响。