風力發電機的扭矩測試 - 今天以及它的過去

發布時間：2023-09-22 點擊次數：1882

ET 4063 研究項目, 其由德國聯邦研究和產業部委員會資助 [1], 已經清晰地顯示出風能能夠確保我們的能源供應。圖1 為當時的測試工廠。

在這個研究項目中，使用的是 HBM T30FN 扭矩傳感器，其最大量程為 10 kN?m。

F 代表著調頻信號的傳輸方法。這意味著測量信號和電源供電都才有無線傳輸方法，耦合方式不會對轉子產生任何影響，包括空氣縫隙的變化。

N 表示磁學轉速測量系統。發電機的功率可以通過扭矩和轉速來表示。

圖2 顯示扭矩傳感器被安裝在發電機和葉片中間。

圖 3 清晰地顯示風速和扭矩之間的關系。 [2]. 隨著風速的增加，扭矩也增加 - 但轉速不變。結果: 額外的機械動力產生，其意味著發電機能夠產生更多的電能。

現狀: 風力發電的今天

今天，風能已經成為主要可再生能源之一，并極具增長力。隨著能源的的需求快速增加，近幾年來一直呈現出爆炸式的增長。

90年代初，風力發電機的額定功率為 200 kW。今天起平均為 2 MW。15年來功率增長了10倍，其主要由于采用了更大的轉子，直徑增加一倍，有效面積將增加了4倍。

轉子的輸出通過扭矩和角速度的乘積獲得.

P = 輸出 N?m/s (1N?m/s = 1 W = 0.00136 metric hp)
M = 扭矩 N m
ω = 角速度 s-1
N = 轉速 in rpm

其他等式給出了扭矩和其他量之間的關系的關系, 扭矩必須被測量。

扭矩沒有辦法直接計算，因為其受到其他外部因素的影響，例如振動和啟動性能。扭矩測量的基本信息在 [3].

在風力渦輪機中，不同的轉子驅動速度會產生沖突。通過兩個電極，轉速 1500 rpm 能夠產生 50 Hz 的頻率。 [4].

沖突的解決方案是使用減速機，以降低轉速，增加扭矩產生更大的功率。現代兆瓦級風力渦輪機 [5], 其能夠將轉速降低到 14 rpm，并驅動電機軸（轉速為 1400-1650 rpm）。圖4 顯示的為 T10FM* 扭矩法蘭安裝在發電機輸入端。

風力渦輪機的減速機重達數噸，大多數采用緊湊，復合型行星齒輪裝置。即使在今天很多談論的無齒輪風力渦輪機，由葉片產生的扭矩要非常高，才能產生足夠的電力。

* T10FM 扭矩傳感器已經停產，其被數字式扭矩傳感器 T40FM 替代。

扭矩測量范圍從數 kN?m 到數 MN?m。例如:

發電機: P=2 MW
減速機: 1:100

2 MW 的發電機，轉速為 1500 rpm，采用以下公式計算:

(1) MD=12.74 kN?m / n=1500 rpm

(2) MD=1.3 kN?m / n=15 rpm

低轉速的發電機正在討論中。但是扭矩傳感器幾乎達到了其極限。圖 5 為 1.5 MN 扭矩傳感器。

圖5: 1.5 MN 扭矩傳感器

但是，這個巨大的扭矩傳感器不能保證其標定的可追溯性。德國度量衡研究院安裝的全球最大的扭矩標定設備。其標定的最大扭矩為 1.1 MN ，精度等級為 0.1% [6]. HBM 目前可以提供的扭矩標定見表 6.

圖 6: HBM 扭矩標定范圍