计算机技术风机研究（共7篇）
计算机技术风机研究 篇1
0引言
目前风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料,对于长度较大的叶片,也可以采用碳/玻混杂复合材料。叶片的外形是由沿叶片展向的一系列翼型组成,对翼型的研究主要是寻求一种高升力、高升阻比的翼型,故首先需要找到一种获得翼型的升力和阻力的方法,通过此方法得到叶片的气动参数,再根据气动参数建立其三维模型,通过分析软件得到叶片受力特点及强度刚度情况,从而决定材料的选择和材料铺层的结构等。
本文利用Fluent和MATLAB软件,对翼型升力阻力系数和升阻比数据进行了研究,通过曲线拟合,得到随攻角变化的升阻比曲线。
1风机叶片升阻比特性
风机叶片可以沿展向划分为若干截面,每一个截面的外形曲线就是该位置的翼型曲线。通过独立地研究各个截面的翼型气动性能,经过整合可以得到叶片的性能参数。在叶片翼型各个气动参数中,升阻比是一个至关重要的参数。翼型受力示意图如图1所示,其中,c为来流风速,u和v2分别为c在切向和轴向的分量,v1为风速,α为来流角,αA为攻角,Ω为风轮转动角速度,r为叶片距风轮中心的距离,dFD和dFL分别为阻力和升力,阻力与来流风速方向一致,升力与来流风速相垂直,两者的大小取决于风速和攻角。在风速一定的情况下,攻角直接影响了升力和阻力的情况。
由空气动力学理论可知,翼型气动性能的评价指标主要为升力系数、阻力系数以及升阻比。设Cl为翼型的升力系数,Cd为翼型的阻力系数,由下式确定:
undefined。 (1)
undefined。 (2)
其中:ρ为空气密度。
从式(1)与式(2)可以看出,升力和阻力的大小与升力系数和阻力系数的大小成正比关系,因此研究升力系数和阻力系数的情况,同样可以得到翼型升阻比特性。
叶片攻角同样是一个重要参数,它决定了叶素的升力系数和阻力系数的大小。升力系数、阻力系数、升阻比的大小随着攻角的变化而变化。在一定范围内升阻比越高,翼型的气动效率也越高,所以,需要获得较高的升力系数和升阻比。因此,需要研究升阻特性与攻角变化之间的关系,以设计效率较高的翼型。
2升阻特性的计算与分析
升阻特性的计算需要通过GAMBIT和Fluent联合进行。GAMBIT是流体分析前处理软件,将翼型数据导入后生成翼型样条曲线,可以通过它进行流场建立、网格划分和边界条件的建立。根据流体力学相关理论,参考翼型特点建立流场,从而真实地模拟风机运行中风流入和流出的情况,对其进行空气动力学分析。
首先对整个流场以及翼型进行网格划分(见图2),并建立边界条件。此计算过程选择在标准大气压101 325 Pa、风速为15 m/s、攻角为5°的情况下进行。Fluent的作用就是求解,本文主要是针对此翼型的升力和阻力进行的,通过软件的迭代计算,得到了该攻角下升力、阻力系数。按同样步骤对攻角为-5°～5°(间隔0.5°)下的升力、阻力系数进行求解,并分别对求解的结果进行分析。
3升阻比数据分析
此处列举了攻角为-5°、0°和5°情况下的升力、阻力系数的迭代计算结果,经过400次迭代,在收敛条件下,得到了各个翼型的升力系数和阻力系数,如图3、图4所示。通过对攻角为-5°～5°下翼型升阻系数计算,得到表1的最终结果。表2是通过PROFILI软件得到的参考翼型升阻特性数据,用来与计算结果进行对比。
利用MATLAB的Cftool工具,分别将两组数据中的数据拟合成光滑曲线,如图5与图6所示,其中Cl与Cl/Cd为求得的翼型升力系数与升阻比,C′l与C′l/C′d为参考翼型升力系数与升阻比。由图5可见升力系数随着攻角的增大而增大,与PROFILI翼型升力系数结果相比,在10%范围内近似吻合。由图6可知升阻比的变化趋势相同,尤其是在低攻角范围近似度较高。
4结论
通过以上方法,可以得到叶片的气动参数,将气动参数用于风机叶片的设计过程中,最终通过有限元建模和分析,得到叶片应力、变形、屈曲、疲劳及强度等,通过这些参数设计叶片的蒙皮、主梁及铺层等,针对气动参数与铺层结构选择叶片材料,这对风力机叶片的设计有重要的意义。
参考文献
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计算机技术风机研究 篇2
1 离心通风机临界转速的概念
转子的振幅随转速的增大而增大, 到某一转速时振幅达到最大值, 超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减少, 且稳定于某一范围内, 这一转子振幅最大的转速称为转子的临界转速。这个转速等于转子的故有频率, 当转速继续增大, 接近2倍故有频率时振幅又会增大, 当转速等于2倍故有频率时称为二阶 (级) 临界转速, 依次类推有三阶、四阶……
2 离心通风机的结构
根据离心通风机结构形状的分析可知, 其图形显示就是将气动设计计算所得的各部件 (如叶轮前后盘和叶片、蜗壳、进风口等) 离散点轨迹用直线或圆弧这两种基本形状表示并显示出来。对于直线段只要知道线段端点坐标值就可以确定, 而曲线段则须根据离散点的值进行圆弧拟合, 从而得到圆弧半径、圆心坐标等, 这样风机形状就可确定。从数学上讲, 圆弧拟合可以采用如下方法, 设 (xi, yi) (i=1, 2…, k) 为设计计算后须进行圆弧拟合的离散点, 则xi、yi之间满足关系式
其中R为圆弧半径, (a, b) 为圆心坐标, 它们是待定参数。
欲使该函数达到最小值, 必有
由此可得:
这是一个关于R、a、b的非线性方程组, 可用常见的方法求解。
3 离心通风机计算临界转速的方式
有限元法主要是指, 通过把连续的转子系统进行离散运算, 然后形成一些单元, 并且通过节点连接单元。规定将惯性的离散单元表示方式以及弹性的离散单元的表示方式都是矩阵, 然后建立支承系统-转子的计算模型。转子离散的数目为N-1段, 因此可以用以下的表达式表示系统位移向量:
通过对所有轴段和所有圆盘及轴段的离散单元进行分析, 并结合其运动方程, 则可以求出转子系统的运动方程:
其中用符号[M1]表示质量矩阵, 用符号ω[J1]表示回转矩阵, 符号[K1]表示刚度矩阵, 这三个矩阵都是2N×2N阶矩阵, 而且是成对称分布的带状稀疏矩阵。在对转子系统进行分析运算, 并确定了其运动微分方程后, 通过对方程进行求解可以得到齐次解, 通过齐次解可以求出自转角速度的值等于ω, 且涡动频率的值等于Ω及其模态振型, 还可以计算出, 在Ω=ω的情况下, 转子所产生的临界转速和转子的相应振型。通过使用有限元分析软件ANSYS建造转子结构模型, 通过beam188梁单元创建模型, 并且使用ANSYS软件提供的动力分析功能模块, 完成转子的谐响应分析、模态分析以及以坎贝尔图为分析方法的临界转速分析。最后, 可以得到该转子可以达到457.2rad/s的一阶临界转速, 同时对应产生的频率是72.764Hz。
4 结论
本文首先通过传递矩阵法对转子模型进行分析, 然后使用有限元法再次对该转子模型进行分析, 并且分别求出该模型转子达到的临界转速, 但是得到的结果是不同的。经过对计算结果的分析, 可以看出, 通过有限元法得到的结果虽然具有较高的精度, 但是需要占用大量系统内存, 同时需要较长的耗机时间;传递矩阵法在计算时会忽略转轴本身的质量, 而转轴本身的质量会影响到转子所达到临界转速, 因此会产生偏差。但是使用传递矩阵法计算小质量的转轴时, 计算精度也可以达到要求, 而且可以更加方便快捷的计算出为转子达到的临界转速。所以可以根据需求和条件灵活应用两种方法。
摘要：离心通风机在实际生产工作时, 叶轮会被电动机等动力机的带动在蜗形机壳中产生旋转动作, 叶轮中心产生吸力通过吸气口将吸入空气。而且叶片的转动时产生的空气动力学作用会增加气体的速度和压力, 因此离心力会使气体从叶道运动到机壳, 然后通风机的排风口会将气体排除。本文主要通过对离心通风机的原理进行分析, 然后论述了计算离心通风机临界转速的方法。
关键词：离心通风机,临界转速,计算方法
参考文献
[1]顾家柳, 等.转子动力学[M].国防工业出版社, 2005.
增压风机转子三维建模技术研究 篇3
关键词：转子,ABAQUS,滚动轴承,轴心轨迹
有限元技术是工程技术领域进行科学计算的极为重要的方法之一, 利用有限元可以分析十分复杂的工程结构的机械性能, 也可以对各种工程事故进行技术分析, 它的实质就是把具有无限个自由度的连续系统, 理想化为只有有限个自由度的单元集合体, 使问题转化为适合于数值求解的结构型问题, 它的模拟是对真实情况的数值近似;并且随着电子计算机技术和有限元数值仿真技术的发展, 对大型设备进行数值仿真的计算技术更加趋于完善, 计算结果的可信度也大大提高。现今的有限元分析软件很多, 有AB AQ U S、ANSYS等等, 本文就利用ABAQUS有限元软件对动叶可调增压风机的转子进行了动特性研究。
1 动叶可调增压风机转子的计算模型
1.1 有限元模型的建立
对动叶可调增压风机转子采用了实体建模, 模型中包括螺栓、倒角、轴肩、退刀槽等细节结构, 以期计算模型尽可能地接近真实结构。在ABAQUS有限元软件中对于叶片这种曲面的绘制不理想, 因此先利用Catia软件对增压风机进行了三维实体建模 (如图1) , 然后将其模型导入ABAQUS软件中。
(1) 几何模型简化:数值仿真计算结果的正确与否以及精度的高低在很大程度上取决于有限元单元网格的质量。本文需要计算的是动叶可调增压风机转子的振动特性, 所以简化的原则是不能改变结构的振动特性、刚度特性以及其他不影响计算的结构特性。在我们现阶段的研究中, 并没有考虑由叶片产生的Alford力对转子轴系动力学特性的影响, 而只是考虑了转子的偏心和轴承力这2个因素, 同时这里的叶片是变截面弯扭叶片, 难于划分规则的网格, 从而会降低计算精度。在传统的计算中, 一般会按照叶片和轮盘的质量及转动惯量, 将其模化为一点, 附加在转子模型上进行求解, 但这样就无法反映出分布质量和分布转动惯量对临界转速的影响, 以及由轮盘和叶片产生的离心力对轴的刚度的影响。大量的计算实例证明, 有限元三维实体模型将更贴近实际[1,2,3]。因此本文中没有将叶片作为附加质量建立在转子之上, 而是采用了文献[4]中提出的等密度模化法, 忽略了实际的叶轮与转子之间的键联结关系, 并将增压风机转子与叶片构建为一个整体, 且保证模化前后的质量和转动惯量不变。另外, 对于动叶可调增压风机转子这种复杂的设备, 在进行有限元网格划分之前有必要对一些严重影响网格划分质量的部分 (如倒角、轴肩、退刀槽等) 进行适当的简化。在保证质量不变的情况下, 本文将这些地方也进行了简化, 改善了网格划分质量 (如图2) 。
(2) 有限元网格划分:有限元网格质量的好坏是进行有限元数值仿真的基础, 对于动叶可调增压风机转子系统, 本文选择了六面体缩减单元C3D8R, 整个模型共有2538个单元, 2992个节点。而且, 由于缩减积分单元在显示动力学计算的过程中存在沙漏现象, 即整个过程的动能和势能总和超过了总能量值, 使得结果精度变差, 所以本文采用了“Second-accuracy”的沙漏控制方法, 对于网格的划分及计算的选择, 是需要针对各自特定的使用场合, 通过不断的试用和比较, 来选取最合适自己所分析的问题的方案。
1.2 载荷施加
在铰支情况下, 施加的载荷是:整个转子受重力的作用, 然后可以通过修改密度来达到实现偏心的目的。
对于滚动轴承力支承条件下, 则将滚动轴承力施加在轴承处但在ABAQUS中, 像这种包含位移和速度参数的载荷并不能直接加载, 需要借助于ABAQUS提供的二次开发平台subroutine来实现, 就是选用其中的VDLOAD子程序来写入。
在ABAQUS中, 并不能对单个节点加载这种载荷, 只能在杆单元、面单元和体单元上加载, 因此我们借助杆单元来将滚动轴承力加载在转子与轴承接触的地方。具体的方法是在ABAQUS中建立两段杆单元, 分别与转子tie在一起, tie在一起的节点具有完全相同的位移及转速。将滚动轴承力加载在这两段杆单元上, 如图3。
2 增压风机转子的动态响应分析
2.1 转子不平衡
在ABAQUS中, 通过修正一部分密度值, 可以实现转子不平衡的设置。对于上述建立的增压风机转子系统的三维实体模型, 采用这个方法实现了转子的不平衡, 并进行了动特性分析, 图4-图6是在不同的转速下的X方向时域波形图、转子轨迹图及频谱图。综合比较, 发现转子系统的振动信号的原始时间波形为简谐波, 其轴心轨迹呈圆形, 并且在振动信号的频谱图中, 以转子系统的基频成分为主, 在升降速的过程中, 当转子系统的工作转速小于临界转速时, 振动幅值随转速的增加而上升, 但在转子系统的工作转速大于临界转速之后, 振动幅值随转速的增加法反而减小了。
3 结语
首先在CATIA软件中建立了动叶可调增压风机的转子系统的三维实体模型, 通过一定的简化原理, 对原三维实体模型进行简化并导入ABAQUS中, 然后通过对ABAQUS的加载单元进行了二次开发, 利用VDLOAD subroutine加载了滚动轴承力, 即而进行了在转子不平衡和不同的滚动轴承间隙下的有限元仿真计算, 最后对轴承力的改进以及对仿真计算结果进行分析得到如下结论:
(1) 综合考虑了轴承径向间隙、非线性赫兹接触、支承刚度的周期变化以及滚动轴承的实际接触角等因素后, 建立的滚动轴承支承力与文献相比的结果较为符合, 说明改进后的滚动轴承力模型的有效性。
(2) 在转子不平衡情况下, 转子系统的振动信号的原始时间波形为简谐波, 其轴心轨迹呈圆形, 并且在振动信号的频谱图中, 以转子系统的基频成分为主, 在升降速的过程中, 当转子系统的工作转速小于临界转速时, 振动幅值随转速的增加而上升, 但在转子系统的工作转速大于临界转速之后, 振动幅值随转速的增加法反而减小。
通过以上的分析, 以后若在现场中出现了类似的故障信号时, 我们则可以先察看是否是由于转子的不平衡或轴承间隙过大造成的故障, 继而可以节省了维修时间和费用, 提高生产率。
参考文献
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风机齿轮箱故障诊断技术研究综述 篇4
伴随着以往能源的匮乏及安全等问题, 全球对追求清洁能源的热情不断提高。为此, 风能作为一种产量高、可再生、绿色无污染的新能源, 正在被世界各国所重视。风能在供电的同时, 不会对人类赖以生存的环境造成污染, 所以, 风力发电的发展对解决能源匮乏、环境污染等问题有着重要的意义[1]。但是作为一种典型的旋转机械, 风机在运行过程中不可避免会出现故障, 而当故障产生, 就会影响正常的发电工作。轻微的故障需要进行排故、维修等操作;严重的故障则需要进行停机维护、部件更换等处理, 这将造成重大的经济损失, 并且会造成严重的安全隐患。因此, 对风机进行故障诊断工作是保障风机安全稳定运行的前提。
1 风机齿轮箱的故障机理
风机作为一种典型的旋转机械, 其运行状态能够很好地体现在振动信号中。目前, 利用振动信号来判别风机的运行状态是主要的手段。经过多年故障诊断技术的发展, 振动信号的采集设施也不断被完善, 从而能够更加精准地采集设备的振动信号并且降低外界的干扰。近年来, 不少学者将人工智能算法融入到了机械设备的故障诊断工作中, 这就提高了故障诊断工作的便捷性以及准确性。
齿轮箱中的主要部件包括齿轮和轴承。①常见的齿轮故障有:齿轮断齿、齿面胶合、齿面磨损、齿面点蚀等。②常见的轴承故障有:外圈故障、内圈故障、保持架故障、滚动体故障等。造成这些故障的原因主要有两大类, 第一类是装配故障, 在设备进行组装时, 由于操作失误等原因造成部件没有正确啮合从而在运行过程中对问题部件造成了严重的损伤;第二类是运行故障, 这是由于设备长时间的疲劳运行所造成。上述这些故障一般都能在振动信号中体现出来, 所以, 对振动信号进行合理且有效的分析, 可以很好地识别出设备的运行状态。
2 振动信号及其特征值提取
正如上文中所介绍的, 风机的运行状态基本都体现在其振动信号中。齿轮箱的一些简单的故障特征能够通过时域信号的幅值变化来显现, 但有些故障在时域信号中的特点并不是那么明显, 这样就会阻碍故障诊断的准确性。这时可以通过信号在频域中的特征对设备的运行状态进行判断[2,3]。
由于时域和频域在信号分析中各有优势, 所以不能片面的对设备运行状态进行判断, 这样会导致最终诊断结果不准确。若要达到最佳的诊断效果, 就要在时域和频域中提取出具有表征设备运行状态的特征值, 结合这些特征值来对设备的运行状态进行判断。常用的时域特征值有:峰值指标、峭度指标、裕度指标、偏度指标、波形因子、峰值因子等。常用的频域特征值有:频率重心、频率方差、频率标准差、均方根频率等。通过对这些特征值进行分析判断, 能够有效地识别出机械的运行状态[4]。
如今, 许多学者利用智能算法对这些特征值进行学习, 从而得出特征值与样本标签之间的对应关系, 并将其应用在故障诊断工作中。
3 风力发电机常用故障诊断方法
3.1 频谱分析法
频谱分析法是以信号处理为基础的一种分析方法, 该方法是风力发电机组中最常见的一种方法。通常, 齿轮箱的一些简单的故障可在时域信号中通过对幅值的变化进行分析。但随着工业技术的不断发展, 机械设备的制造水平不断提高, 从而增加了设备的精密度。一些故障在时域中无法较好的体现出来, 这时就需要借助频域来对振动信号进行分析。所谓的频谱分析就是将采集到的时域信号转换到频域中进行分析的方法, 常用的转换方法是快速傅里叶变换 (FFT) 。频谱分析的目的就是为了把复杂的时间历程波形经过FFT变换到频域中, 并分解成若干个单一的谐波分量来进行分析[5]。该方法是一种已经成熟的故障诊断方法, 对简单且单一的故障特征有较好的诊断效果, 但是对于多故障的情况往往无法得到精确的结果。
3.2 专家系统法
专家系统其实是一个智能的计算机程序系统, 该系统包含了某领域的专家经验和知识。专家系统法是指利用这些专家的经验和知识来处理该领域中碰到的问题。专家系统将计算机技术与人工智能相结合, 用专家的经验和知识来模拟出他们的决策过程。将专家系统应用在齿轮箱的故障诊断中就是利用以往专家对齿轮箱所拥有的特征与待诊断齿轮箱进行对比, 从而得出该设备的运行状态[6]。但是该方法主要是基于已收录的专家的经验和知识, 对新的故障模式的处理效果不佳。
3.3 神经网络的方法
神经网络是一种模拟动物神经网络行为特征的方法, 该方法通过建立和调整节点间的相互联系, 从而建立出对应问题的数学模型, 达到分析信息的目的。在故障诊断中, 该方法被广泛应用。通过建立好的数学模型, 神经网络能够对复杂的信号进行有效的分类处理, 将其应用在模式识别与判断中到很好的效果[7]。但是在该方法发展的同时也存在着一定的缺陷, 例如过学习、欠学习等原因会造成诊断过程慢、诊断结果不精确等问题。神经网络模型如图1所示。
3.4 支持向量机法
支持向量机 (SVM) 在故障诊断中的应用相当常见, 它在解决小样本、非线性及高维模式识别中体现出其特有的优势。许多学者利用该方法对机械设备的运行状态进行识别。支持向量机不但可以分析数据, 还可以进行模式识别, 从而完成分类与回归的操作。该方法具有很高的机器学习能力, 能够通过对训练样本的学习, 给出测试样本的准确分类结果。支持向量机经过多年的发展, 已经从单一的双分类器演变成了多分类器, 这一改变无疑给机械故障诊断带来了很大的便捷。文献[8]利用了该方法对风机齿轮箱进行故障诊断。
4 改进的故障诊断方法
1) 传统的故障诊断方法普遍存在着学习速度慢、诊断效果差等缺陷, 学者们为了解决这些问题, 对智能分类算法进行了改进。改进的方法主要有两种, 第一种是对算法本身进行改进, 即通过修改算法内部的参数、模型等来提高算法的有效性。第二种是将分类算法与其他智能算法相结合, 通过智能算法来自动选取分类算法中的核心参数。例如通过遗传算法 (GA) 、粒子群算法 (PSO) 来优化神经网络或支持向量机, 从而提高分类的准确率。
2) 如何选择这些智能算法也是人们研究的方向。在这些优化算法中, 同样存在着迭代时间长、收敛速度慢、容易陷入局部最优等情况。所以, 不断有学者对这些算法进行改进, 希望能提高它们的优化能力。例如调整遗传算法中的选择、交叉、变异等操作;调整粒子群算法中惯性权重、学习因子、速度及位置公式等。文献[9]将神经网络与遗传算法相结合, 并应用在齿轮箱的故障诊断中。文献[10]利用粒子群算法优化支持向量机, 在齿轮箱的故障诊断中得到了较好的效果。图2是利用支持向量机对UCI数据进行分类的对比图, 从图中可以看出经过优化的支持向量机在模式识别中有更高的准确率。
5 总结和展望
风能的不断发展必然会对故障诊断工作提出更高的要求, 在今后的研究过程中, 我们不仅需要完善以往的诊断技术, 而且还需要研发出更新、更有效的诊断方法。我国在机械故障诊断的理论研究上, 已经达到了国际上的先进水平, 但是在实际应用中却存在着一定的差距。为了保证风机的安全稳定运行以及长久有效发电, 故障诊断技术有待进一步的研究和提高。
摘要：简述了风机齿轮箱的故障机理以及振动信号在故障诊断中的作用, 同时对振动信号的特征值提取方法进行了讲解。介绍了一些风机齿轮箱故障诊断中的常用方法, 在介绍这些方法的同时讲述了其优劣性以及改进方法, 最后对故障诊断技术进行了总结和展望。
关键词：风机,齿轮箱,故障诊断
参考文献
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计算机技术风机研究 篇5
一、风机能耗
风机是火电厂非常重要的设备, 耗电量超过厂用电的30%, 现阶段, 火电厂风机多采用调节挡板、阀门开度的调节方式控制风量, 这种调节方式下, 驱动电机的输出功率不随着风量变化而变化, 造成了大量的能耗损失, 在火电厂风机中引入变频技术, 是降低火电厂风机能耗的有效措施。风机节能改造首先要了解风机能耗的实际情况。
(一) 风机设计容量
为了保证动力源的安全性, 火电厂风机设计容量往往都有着较大的富余, 尤其是引风机和配套电机容量都很大, 导致机组在低负荷运行状态下, 风机运行点远离风机性能曲线高效率点, 风机运行效率偏低。
(二) 风机启动
直接启动风机电机, 启动瞬间电流会上升到额定电流的6-7倍, 启动过程中出现的机械冲击以及电流冲击都会影响电机设备, 导致电机设备使用寿命下降, 诱发故障, 降低风机运行效率。
(三) 运行调节
锅炉负荷如果发生变化, 则锅炉给煤、水、风量均需要进行调整, 传统的风机进风量调整一般通过风门挡板的开度实现, 通过调整静叶角度改变风量。
这样的运行调节方式存在着调节精准度不高, 反应相对缓慢, 风机运行调节跟不上机组负荷变化的问题, 而且缩小风门开度, 会增加风门的阻力损失, 导致风机整体运行效率下降, 但是输入功率却没有随之降低, 增加了能耗。
(四) 喘振
一些风机有着相对平稳的性能下降曲线, 但是上升阶段并不稳定, 在一些工作区间会发生喘振, 流量出现了大幅度的周期性变化, 产生较大的振动与噪声, 留下了很大的安全隐患, 同时也增加了风机能耗。
二、变频调速节能原理
交流发电机输出功率公式:
其中, Mz-电动机负荷转矩;
ω-电动机旋转角频率;
风机变转矩负载特性Mz∝kω2, 也即P∝kω3, k是一定辅助设备条件下的常数。因此, 交流异步电动机的变频调速, 可以通过改变辅助设备转速实现, 并进一步改变风量。
异步电动机转速:
其中, f-电源频率;
S-电动机转差率;
P-电动机极对数。
确定电动机之后, s与p均为常数, 表示特定电动机转速和电源频率成正相关, 因此电动机转速可通过改变供电频率来调整。
三、火电厂风机变频节能改造
以某火电厂风机变频技能改造工程实际问题, 给出了一个火电厂风机变频电机控制电路结构与改造方案, 经过实际运行认为能够大幅度降低风机电机能耗, 同时提高了风量调节的灵敏度、速度与稳定度。
(一) 电路结构
大容量传动变频风机技术中应用最为广泛的是直接高压交-直-交型变频器, 单元串联多电平电压源型变频器使用几个变频功率单元串联直接输出高压, 电网电压接入二次侧多重化隔离变压器, 降压之后作为工作电源, 采用三相输入, 单相输出的逆变方式, 串接相邻功率单元, 构建Y型电路连接结构, 直接输出变压变频高压给风机电动机。为了抑制谐波电流输入, 输入变压器采用十五绕组输出多重化方案。因为电压源型为二极管整流, 因此需要加设滤波电容提供电动机所需无功功率, 从而保持风机较高的功率因数, 一般都在0.95以上, 无需额外增加无功功率补偿装置。逆变器为多电平移相输出, 输出接近正弦波, 由于电平台阶尺度接近单元直流母线电压, 因此dv/dt很小, 不会给电动机绝缘带来很大的冲击, 而使用多电平移相PWM增加了输出电平数, 也提高了有效输出开关频率, 改善了输出波形, 减少了对电网的谐波辐射, 也有效缓解了电动机发热、噪声以及转矩脉动等问题, 降低了风机电机门槛, 可以使用普通3kv、6kv电动机, 甚至也可以使用原有电动机, 无需限额。
(二) 改造方案
1. 变频风机控制系统
某火电厂燃煤锅炉正常运行状态下炉膛负压需控制在-20--50Pa范围内, 保持炉膛负压稳定对锅炉运行效率与安全性有着很大影响。负压调节器接受负压信号以及送风流量信号, 根据内置算法调整执行部件输出频率, 通过风机电动机供电电源变频器改变风机电动机运转速率从而调整风量。相比于原有的控制系统, 在运行操作方式方面基本不变, 但是风量变化的控制从改变风门挡板开度转变为改变风机电动机转速, 降低了风机电机能耗。
2. 吸风机控制系统
6kv电源母线连接输入开关接入吸风机控制系统, 隔离输入侧, 减少给电网造成的谐波污染, 工作电源变频调制输出驱动为单元串联多电平PWM, 通过该输出驱动控制吸风量, 为了进一步提高吸风机系统运行稳定性, 配置了不间断工作UPS电源, 如果是变频器出现故障, 可投切全压常速工频备用线路, 保证风机运行的可靠性。
火电厂许多单元都有多个辅助设备, 一般都接在电源总线上, 在如锅炉给水泵等辅助开关的开闭瞬间电源总线电压会大幅度下降, 导致总线上的其他设备在短时间内都工作不正常, 因此风机电机变频驱动器应该具有足够的抗电压波动能力, 要求±15%以内电压波动要能够满负荷输出, 15%电网电压跌落低于35%, 不超过30s时间之内无欠压保护, 电网电压正常之后能够快速恢复到正常工作状态。
(三) 改造效果分析
引入风机变频技术之后, 该火电厂的引风机单能耗明显下降, 进一步提高了引风效率, 风量控制响应速度更快, 适应负载的变化, 大幅度降低了风机能耗。变频风机电机的启动电流强度也小于原来方案, 电机能够软启动, 启动电流对电机以及其他设备的冲击以及启动力矩对电动机主轴的机械冲击更小, 获得了更高的动态响应速度和更加优秀的调节线性度。变频风机通过对速度的调节能够及时避开喘振工作区间, 从而降低了风道振动幅度, 提高了锅炉运行的稳定性与可靠性。
计算机技术风机研究 篇6
关键词：DFIG,风电并网,电压跌落,LVRT,无功补偿
0 引言
近期,国家发改委能源研究所与国际能源署(IEA)发布了《中国风电发展路线图2050》,设立了中国风电未来40年的发展目标。到2050年,风电装机容量占电力总装机容量的26%,风电将满足17%的国内电力需求[1]。风电的电网穿透率(即风电占电源结构的比重)逐年上升,必须考虑电网故障时风机对电网稳定性的影响。风电并网技术国家标准《风电场接入电力系统技术规定》对风电场风电机组井网时的功率控制、功率预测、低电压穿越等功能提出了严格的技术要求,其中LVRT能力被认为是风电机组设计制造控制技术上的最大挑战。2011年我国发生了四起典型的风电机组大规模脱网事故,究其原因,首要的是发生故障的风电机组不具备一定的LVRT能力。而目前全国上网风电机组中,仍有许多不具备LVRT能力,LVRT技术直接关系到风电场能否并网,已成为我国风电行业发展的焦点。
1 LVRT技术与国家标准
LVRT是指在风机并网点处电网故障引起电压跌落时,风机能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网恢复正常,从而“穿越”这个低电压时间(区域)。电压跌落会给电机带来一系列暂态过程,如出现过电压、过电流或转速上升等,严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。风电并网国家标准规定:对于风电装机容量占电源总容量比例大于5%的省(自治区)级电力系统,其区域内新增运行的风电场应具有LVRT能力[2]。要求:(1)风电机组在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625 ms;(2)风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到额定电压的90%时机组不脱网;(3)电网故障期间未切出机组的有功功率,在故障清除后应以至少以10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的状态。
2 DFIG的LVRT技术
文献[3]通过运用电力系统仿真软件DlgSILENT/PowerFactory建立DFIG及LVRT的数学模型,分析了电网故障对风电机组LVRT能力的电压限制,结果表明:风电机组LVRT能力的深度主要由系统接线和风电场并网方案决定[3]。目前市场上有三种典型风机:定速异步风机(FSIG)、双馈异步风机(DFIG)和永磁同步风机(PMSG)。其中FSIG直接并网,DFIG和PMSG采用定子经变流器并网,与PMSG和FSIG系统相比,DFIG在电压跌落期间面临的威胁最大。DFIG的LVRT实现采取的措施主要有[4]:(1)转子短路保护技术(crowbar protection);(2)引入新型拓扑结构;(3)采用合理的励磁控制算法。
措施(1)是目前风电制造商采用较多的方法,在发电机转子侧装设crowbar电路[5],为转子侧电路提供旁路,当检测到电网电压跌落时,闭锁双馈电机励磁变流器,同时投入转子回路的旁路(释能电阻)保护装置,限制通过励磁变流器的电流和转子绕组的过电压,以维持机组不脱网。目前比较典型的crowbar电路有如下几种:(1)混合桥型crowbar电路,如图1 (a)所示,每个桥臂由控制器件和二极管串联而成;(2) IGBT型crowbar电路,如图1 (b)所示,每个桥臂由两个二.极管串联,直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻;(3)带有旁路电阻的crowbar电路,如图1(c)所示,在电网电压跌落时,功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中,达到限制大电流,保护励磁变流器的作用。措施(1)的缺点:crowbar电路触发后,只能保证发电机不脱网,而不能向电网提供无功以支撑电网电压。
措施(2)采用在DFIG定子侧与电网间串联反并可控硅电路(图2)。在电网电压跌落与恢复期间,转子侧电流随电压跌落而增大,反并可控硅电路使变流器在电网故障时不与转子绕组断开。在电风电压恢复时,为避免电压回升在系统转子侧所产生过电流,在电压回升之前,将双馈电机通过反并可控硅电路与电网断开。脱网后,转子励磁变流器重新对双馈电机励磁,电压一旦回升到额定电压的90%便迅速地与电网同步。但在电网故障时发电机脱网运行,对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用。DFIG一般采用逆变器与电网并联(图3(a)),逆变器能向电网注入或吸收电流。若将逆变器与电网串联(图3(b)),则发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出电压之和。可以通过控制变流器输出电压来控制定子磁链,有效抑制由于电网电压跌落所造成的磁链振荡,从而阻止转子侧大电流的产生,减小系统受电网扰动的影响,达到强化电网的目的。但增加了系统成本,控制也较复杂[6]。
为控制成本,最好不增加硬件电路,只改进控制策略。即措施(3):之前学者们提出了一些控制策略,如考虑定子磁化电流的动态过程,建立精确模型及相应的控制策略来减小暂态过电流。通过在转子电压方程中加入补偿项实时修正模型中的动态量以达到补偿效果,提高电压波动时的动态响应[7]。常规线性故障控制策略对过电流的控制具有局限性,有学者设计了非线性控制方案[8]。还有针对不对称故障引起的二次谐波设计含有重复控制器的锁相环以滤除负序分量,来提高LVRT能力[9]。
下面介绍一种DFIG定子电压动态补偿的控制策略。当电网电压跌落时,定子磁化电流中出现的直流分量和负序分量在转子电路中感生电势,由于转子电路的阻值和漏感较小,感生电势在转子电路中将产生较大电流。定子与转子的磁链关系如式(1)所示:
式中,ψr为转子磁链;ψs为定子磁链;Lm为励磁电感;Ls为定子电感;Lr为转子电感;Ls为定子电感;Ir为转子电流。
令转子漏磁链ψn=LrIr,定子漏磁链,令Lm≈Ls,则式(1)可表示为:
由式(1)和(2)可知,逆变器利用转子电流Ir对转子磁链ψr变化的补偿能力受到转子和定子漏磁链的影响,漏磁链越大,补偿控制能力越强,即LVRT能力就越强。因此,可以通过对转子电流的控制,使转子电流的矢量方向与定子磁链的直流分量、负序分量相反,即可在一定程度上削弱定子磁链对转子磁链的影响,有效抑制定子电压在暂态过程中出现的转子过电流。
3 结语
风电电网穿透率的逐步增大和国家并网技术标准的实施,使规模化工况LVRT能力的提高成为风电等新能源发电行业亟待解决的重大问题。而目前采用的技术大都各有利弊,存在一些较难克服的问题,在应用中可考虑若干方法相结合或改进控制策略。
参考文献
[1]中国风电发展路线图2050[R].国家发改委能源研究所与国际能源署(IEA),2011
[2]GB/T 19963—2011,风电场接入电力系统技术规定[S],2011
[3]关宏亮,赵海翔,王伟胜,等.风电机组低电压穿越功能及其应用[J].电工技术学报,2007,22(10):173-177
[4]霍志红,郑源,左潞,张德虎.风力发电机组控制技术[M].北京:中国水利水电出版社,2010.134-137
[5]王伟,孙明冬,朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化.2007,31(23):84-89
[6]臧晓笛.几种双馈式变速恒频风电机组低电压穿越技术对比分析[J].变频器世界,2008(5):41-45
[7]Holdsworth l,Wu X,Ekanayake.j,Jenkins n.Comparison of fixed speed and doubly fed induction wind turbines during power system disturbances[A].IEE proceedings generation distribution[C],2003,150(3):343-352
[8]O.Anaya Lara,N.Jenkins.Fault current contribution of DFIG wind turbines[A].IEE conf on Reliability of transmission and distribution networks[C].London UK.February 2005
计算机技术风机研究 篇7
关键词：污水处理,鼓风机,节能,型号
1 污水处理厂鼓风机的概况
从污染源排出来的污水废水, 其污染物的总含量或浓度都非常高, 没有达到排放标准并且也与环境容量的要求不相符, 因此, 为了提高水环境质量和功能的目标, 必须经过人工强化处理, 因地制宜、科学合理地提出污水工程设计方案。鼓风曝气工艺是我国现在污水处理厂普遍采用的一种工艺, 其中最关键的设备就是鼓风机。在设计条件下, 风压为30~200 k Pa或压缩比e=1.3~3的风机就叫鼓风机。其按类型可分为:离心式风机、罗茨风机、回转式风机和水环式风机。鼓风机由转子、轴、叶轮、轴承、同步齿轮、联轴器、轴套、机体、底座、润滑系统等部分组成。了解了鼓风机的基本概况后下面我们着重来研究它的选型和节能问题。
2 对污水处理厂鼓风机选型问题的研究及建议
目前污水厂应用得较多的鼓风机是罗茨风机、多级离心风机和单级离心风机, 下面我们通过分析以上3种鼓风机 (表1) , 来对污水处理厂鼓风机的选型问题提出几点建议。
通过对以上3种鼓风机的比较可见, 它们各有优势。污水处理厂的鼓风机选型应当本着一个原则:“不是选最好的, 而是选最适合的”。根据污水处理厂的规模、处理工艺、建设投资目的、使用条件及社会效益、环境效益和经济效益的结合来选择最合适的鼓风机。具体意见如下: (1) 罗茨风机最适合小型污水处理厂。虽然其效率稍微差一点, 但因为其价格低, 操作简单, 使用可靠, 可获得很好的经济效益、社会效益和环境效益。 (2) 对于中型污水处理厂来说, 应当选用多级离心机。其以经济实用、极高的性价比、长期综合经济效益高而经常被中型污水处理厂采用。 (3) 大型污水处理厂最佳的选择是单级高速离心风机。 (4) 可以选用鼓风机不同类型的零件, 如选用渐开线型面的叶轮, 可提高容积利用率;用近齿轮端作为自由端选用32000型单列向心短圆柱滚子轴承来适应热臌胀时转子的轴向位移;齿轮润滑时采用浸入式, 轴承采用飞溅式, 效果好并且安全可靠。
3 对污水处理厂鼓风机节能问题的研究及建议
随着污水处理规模的不断增加, 污水处理厂的能耗也越来越受到人们的关注。污水处理厂应当研究各种新的节能降耗的技术, 比如说从污水处理设计、设备选型、运行管理控制、维护、升级改造等各个环节来贯彻节能降耗的技术, 以此达到缩减污水处理成本、减小用电量、提高经济效益和环境效益的目的。下面我们主要研究鼓风机节能的问题。
(1) 污水处理厂应当设计一套完整的供气系统, 创造良好的工作环境, 保证污水处理厂的各项设施设备安全运行, 这是污水处理厂进行节能技术研究的前提和保障。
(2) 污水处理厂鼓风机节能的一个主要发展发向是从目前的工频截流阀调节的高耗能运行方式转变为变频调速方式。当今电力电子技术设施设备发展迅速, 变频器结构简单、功能完善、性能可靠、节能显著, 且能实现溶解氧与鼓风量闭环自动控制使其更能适应工艺要求, 提高污水处理效果。就是变频器的这些突出特点, 使其在现代生活和工业生产领域中被广泛采用, 如变频空调、变频电梯等, 变频调速装置对风机、泵类负载的节能效果特别明显。鼓风机属于大型用电设备, 电能消耗量占全厂总用电量的30%, 如果我们对鼓风机采用变频调速技术, 可以节约电量20%~30%。变频调速技术主要采用进风阀门、出风阀门的调节风量方式, 使电能大量消耗在档板上, 降低负载, 从而使得驱动电动机功率因数降低, 达到了降低消耗、减少运行费用的目的。
鼓风机变频调速控制在原理上是属于减少流体 (包括空气和液体) , 动力节电的方法, 鼓风机的风量与转速成正比, 压力与转速的平方成正比, 功率与转速的立方成正比, 其是一种较好的、能够被广泛应用的节电方法。在实际应用中, 使用变频调速技术后能够节约多少能耗, 目前将其准确地计算出来还有一定的难度, 它与负荷的变化波动分布规律密切相关, 还受到不同工作点的效率特性、管网特性的影响。但是我们可以根据经验来判断和计算, 根据这一大概的计算和操作, 使得曝气池中溶解氧数值自动地调节鼓风机进、出口流量, 调节阀门来改变鼓风机的出风量, 实现系统的自动化运行。当鼓风机自动系统运行出现问题时, 实行人工手动操作, 人工调节进、出风阀门的开启程序, 调节风量, 最终达到生产的要求。
通过以上对变频器节能的理论探讨和具体节能数据的比较, 说明对污水处理厂变频调速装置的改造是切实可行的。希望我国能够尽早地运用这一技术, 逐步解决污水处理厂鼓风机节能的问题。
(3) 我国政府要发挥主导作用, 完善节能降耗工作管理体系, 规范和约束工业用能行为, 制订污水处理厂鼓风机的工业用能强制性能效标准。另外应运用价格、税收、金融等辅助性手段来促进能源资源的节约和有效利用, 鼓励支持节能、高效产品的推广应用, 比如说变频的鼓风机的应用。各个企业也要提高节能减排的意识, 积极响应政府号召, 引进节能的机器设备, 使经济效益、社会效益和环境效益共同协调发展, 以科学发展观为统领, 贯彻可持续发展战略。
4 结语
在我国各行各业的各类机械设备中与风机配套的电机约占全国电机装机量的60%, 耗用电能约占全国发电总量的1/3, 这是以浪费电能和金钱为代价来满足现代化工业生产及服务, 不适应现代社会经济的可持续发展。所以, 污水处理厂应当以“节能珍惜资源, 减排保护环境”为经营理念, 并且要在这一理念的指导下, 在运营过程中应当不断改进工艺和技术来降低能耗, 做到节能减排。与此同时, 风机的选型正确与否与投资大小和运行管理费用密切相关, 涉及到投资是否合理、长期经济环境效益获得高低的问题。我国应当加大对污水处理厂技术、工艺的研究, 促使经济发展与能源消费之间实现协调可持续发展, 不断推动我国污水处理行业开发节能减排的新技术、新工艺和新设备。
参考文献
[1]许玉望.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑业出版社, 1995
[2]吴民强.泵与风机节能技术问答[M].北京:中国电力出版社, 1998
[3]王洪臣.城市污水处理厂运行控制与维护管理[M].北京:科学出版社, 1997
[4]续魁昌.风机手册[M].北京:机械工业出版社, 1999