通知提交的稿件已被美國中西部研究所（MRI）的員工接收，MRI是美國政府授權(quán)的一個代理機構(gòu)，授權(quán)合同號：DE- AC36-99GO10337。相應地，美國政府和MRI持有免版稅許可，可以免費出版和再版該文獻，但是他們并不是唯一的免版稅機構(gòu)。由于政府管理的目的，也允許其它機構(gòu)出版和再版該文獻。本報告是作為一個由美國政府機構(gòu)的代理處主辦的一項工作的工作報告。無論是美國政府還是其任何代理機構(gòu)，還是他們的雇員，都不會以明示或暗示的方式對信息、儀器、產(chǎn)品或過程說明的準確性，完整性，有效性進行任何擔保，或承擔任何法律責任，也不會聲稱它的使用不侵犯任何人的權(quán)利。本文中涉及的任何具體的商品，工藝，或服務的商品名稱，商標，制造商，或其它方面，并不意味著美國政府或其任何代理機構(gòu)對其的認可，推薦，或幫助。本文作者的觀點和看法并不代表美國政府或其代理機構(gòu)的觀點和看法?？捎糜诩庸べM美國能源部和它的承包商，在論文中，從：美國能源部科學技術(shù)信息辦公室62信箱橡樹嶺，TN 37831-0062電話：865.576.8401傳真：865.576.5728電子郵件：reports@adonis.osti.gov在紙上向公眾出售，可用，來自美國商務部國家技術(shù)信息服務5285皇家港路斯普林菲爾德，VA 22161電話：800.553.6847傳真：703.605.6900電子郵件：orders@ntis.fedworld.gov網(wǎng)上訂購：http://www.ntis.gov/ordering.htm印上含有至少50%的廢紙造紙，包括20%消費后廢物可再生能源實驗室測功機試驗臺風力發(fā)電機測試Walt Musial國家風力技術(shù)中心國家可再生能源實驗室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簡要一個新的設施，最近已完成在國家可再生能源實驗室，允許風力發(fā)電機組零部件全面的測功機測試，完成從發(fā)電機的風力渦輪機。本裝置設有一個2.5兆瓦的電機，變速箱，變速驅(qū)動系統(tǒng)提供軸扭矩。模擬風力機載荷MTS疲勞額定負荷系統(tǒng)等方面充分集成到設備。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]安然水平風公司已安裝在設備的第一測試文章幫助成熟z-750系列風機設計的。試驗包括制動控制系統(tǒng)調(diào)整，耐久性試驗齒輪和軸承元件，和結(jié)構(gòu)測試。功率變換器的某些方面也將測試。本文介紹了測功機試驗臺及其功能。同時，在綜述水平測試的程序設計。介紹風力發(fā)電系統(tǒng)有較大的增長在過去的十年。雖然風電成本繼續(xù)下降，每個渦輪機成本增加使原型的實證方法現(xiàn)場測試的風險越來越大。新的渦輪機的設計，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)運行修正開始。這會導致過早的失敗和昂貴的改造。風電機組傳動問題的記錄，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，汽輪機制造商依靠實驗室檢測的關(guān)鍵部件，如轉(zhuǎn)子葉片，減少災難性的現(xiàn)場事件的潛在風險。[ 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)的設施，這是所有發(fā)電機組的核心設計。在國家可再生能源實驗室（NREL）一種新的測功機試驗臺（DTB）建試驗風機的傳動系統(tǒng)和組件。從行業(yè)要求出世，這個新設施極大地改變到新的風力渦輪機系統(tǒng)的評價方法。它現(xiàn)在被用來驗證的安然[傳動設計正式標記物]風公司z-750渦輪系統(tǒng)。設備描述一般描述DTB位于美國國家風能技術(shù)中心（NWTC）是致力于測試風電機組傳動系統(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，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。測功機的原動機是一個可變的扭矩，變速電動機控制的變頻驅(qū)動系統(tǒng)。這4160伏電機連接到一個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，和一個實際的風力渦輪機設計極限曲線，用以指導測功機設計。一組有代表性的實際風渦輪機的設計（現(xiàn)有的或計劃中的）被表示為在這個圖的數(shù)據(jù)點。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，必須加快全壽命運行到幾個月耐久性試驗在連續(xù)運行。驅(qū)動電機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3.05-m軸的高度（10英尺）。圖1 –2.5 MW NREL的測功機操作信封表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)的軸和試驗第軸。在適當?shù)奈恢脮r，表在兩反應墻對駕駛臺兩側(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?。這一信息翻譯由PLC為軸的位置和角度。設施配備222千牛（50噸）電動橋式起重機運行的長度27.4-m（90英尺）試驗臺。吊掛件與多個控制速度的能力。所有的測試文章被機械地耦合到一個驅(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。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樞紐設施保持系統(tǒng)運行在穩(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)的風力渦輪機所經(jīng)歷的負載是由風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)建不同的負載情況下，每一個的情況下，通常可以減少扭轉(zhuǎn)和在主軸/集線器接口彎曲反應。軸的扭轉(zhuǎn)往往是足夠的測試時一個給定的設計齒輪的齒。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，必須應用。測功機驅(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)中的應用。在國家可再生能源實驗室測功機，軸彎曲采用液壓伺服系統(tǒng)，和致動器能夠提供高達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)條件下的風力渦輪機驅(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輪機的轉(zhuǎn)動慣量和剛度測功機的旋轉(zhuǎn)部件應符合試驗第轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。這是不容易的因為這些屬性是固定在測功機的設計。然而，慣性匹配可以通過增加或減少測功機驅(qū)動功率閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下的實現(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計完成。轉(zhuǎn)矩和速度控制測功機驅(qū)動可以運行在轉(zhuǎn)矩控制和速度控制。在速度控制模式，測功機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，當測試一個固定的速度異步或同步發(fā)電機系統(tǒng)，或當慣性的影響是至關(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)矩負載更加有用的影響我們的發(fā)電機速度。瞬態(tài)負載測試將需要平衡旋轉(zhuǎn)慣性扭矩控制t。最終目標是形成風的力量測試項目的實際控制系統(tǒng)來符合時間隨機的湍流波動。在閉環(huán)控制，隨機風時程將被用來計算實時扭矩值，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)，或通過更復雜的代碼，如aerodynamics你aerodyn [6 ]。渦輪來控制適當?shù)目刂破鞴δ?。類型的測試測功機測試的主要優(yōu)點是負載測試機可以控制。的測試類型分為風力機系統(tǒng)測試和組件測試。在大多數(shù)情況下，你必須安裝的風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)進行測試，代表從傳遞荷載測功機。一些測試，也可以進行不同類型的描述如下，但作者不認為這是一個詳盡的列表。風力發(fā)電系統(tǒng)試驗傳動系統(tǒng)的耐久性試驗耐久性試驗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。耐久性試驗將涉及3至6在高負荷下連續(xù)運行數(shù)月，結(jié)合重大應用瞬態(tài)負載的情況下，長期運行的頻譜部分。橫向軸載荷作用下模擬實際操作轉(zhuǎn)子彎曲載荷可以影響齒面接觸應力和疲勞，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。紊流風場模擬測試，這種測試可以證明的正確操作在設計工況下汽輪機系統(tǒng)。操作底盤測功機的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制下，隨機風場數(shù)據(jù)是利用反饋計算機算法轉(zhuǎn)換成軸扭矩從機的控制系統(tǒng)。嚴重的隨機轉(zhuǎn)矩條件下可以模擬要求在所有條件下其操作的限制進行汽輪機控制系統(tǒng)。加載事件測試這種類型的測試可以在極端測量汽輪機系統(tǒng)的響應操作事件。短暫的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷對傳動系統(tǒng)進行模擬真實的戰(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。橫向彎曲載荷可應用于傳動軸，軸承座或偏航系統(tǒng)重現(xiàn)特定的設計載荷情況。這種類型的測試還包括自誘導載荷來自測試機的部件和不進入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。的例子自我誘導的負載制動系統(tǒng)試驗，發(fā)電機故障和電網(wǎng)故障，發(fā)電機和正常瞬變。組件測試個別渦輪組件的測試通常是測試與評價的重點對于整個系統(tǒng)。測功機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?？梢赃M行測試，對齒輪，軸，軸承座，軸承，分離發(fā)電機，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。變速箱試驗齒輪箱在風在廣泛的現(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，?齒輪箱應力測量，?軸承壽命試驗，并?評估適當?shù)凝X嚙合特定負載下建立最佳的鉛和剖面修改。發(fā)電機發(fā)電機是–的動力系統(tǒng)的一個重要組成部分。它有助于顯著的機械載荷產(chǎn)生在正常運行時，整個傳動系統(tǒng)故障。的一系列的條件下發(fā)電機的性能可以被分離和測試儀。一些發(fā)電機測試包括：?評價電氣特性和故障設置，?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)響應特性的測量?？刂葡到y(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。為了適應直接驅(qū)動發(fā)電機，可能有過大的徑向尺寸，測功機測試灣坑建成的試驗段地板。在這些情況下，部分發(fā)電機可以安裝在坑下面的測試海灣地板表面允許適當?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系列風機通過價值工程方法。支持活動，公司已經(jīng)安裝了一個完全風力渦輪機配置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計荷載的能力。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，制動事件測試，微點蝕試驗，和耐久性試驗。這些討論，下面描述的目標和過程。齒面接觸試驗接觸進行測試，以驗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。測功機需要做的好是因為它很難選擇正確的并在該領(lǐng)域的可重復的負載水平。結(jié)果在設計，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當前齒輪組。圖4顯示的例子的磨損模式觀察運行在恒定的負荷測功機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）標準[ 8 ]和德國勞埃德批準文件。第二階段的測試減少制動反應載荷通過驅(qū)動器列車雖然各種減災技術(shù)。這些技術(shù)主要集中在減少制動反應時間而提供的轉(zhuǎn)矩上升溫和和傳動反應。作為通過麥尼夫等人[ 3 ]在一個顯而易見的和可重復的描述，在這些傳動負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，當然，會導致較低的成本結(jié)構(gòu)。這一階段也被成功地完成后四這種方法的評價。微點蝕試驗微觀點蝕的研究3期目前正在進行中，而且，迄今為止，最激動人心的一，因為它可以有一個廣泛的各大未來風電齒輪箱的設計實踐的影響水輪機模型。微蝕是失敗的前兆，是目前流行的水平在整個風電行業(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（100μ?在）在表面凹坑。這些細坑在短時間內(nèi)深的凹陷，穿透硬化。最終，可適當降低表面?zhèn)鬟f和反應的接觸應力和彎曲載荷，從而加劇了問題。這可以導致宏觀點蝕和牙齒過早失效。安然想主動減少任何可能的過早損壞曝光評估各種微點蝕的抑制方法。鑒于此，3階段的重點是第一建立基線微點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。耐久性試驗最后，最好從測試前三個階段產(chǎn)生的產(chǎn)品配置進行評估在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。預計1600至2000小時將需要模擬人生30年這個測試的文章?？偨Y(jié)一個2.5兆瓦發(fā)電測功機設施已在國家風能技術(shù)中心完成的，和首先本文試驗已被用于成熟的風力發(fā)電機組和設備本身。預計這種新的測試工具將加快風力渦輪機的設計的成熟和更可靠的風在100千瓦范圍內(nèi)的渦輪機和傳動部件2.5兆瓦。設計工況模擬可以直接應用到完整的風力渦輪機在實驗室環(huán)境中。這樣的模擬包括瞬態(tài)加載，耐力測試，和不尋常的負載的情況下。齒輪的齒面接觸測試和制動負荷減輕測試已經(jīng)完成了第一次測試的文章，z-750安然風。齒輪齒微點蝕機制和減災技術(shù)測試現(xiàn)在下路，和渦輪不久將進行一個完整的系統(tǒng)耐久性試驗。致謝我們要感謝許多人幫助在測功機發(fā)展活動他繼續(xù)做這個項目的順利。特別感謝風公司和安然支持和耐心，他們在等待測功機可完成了促進第一次測試的文章。個別的，我們要認識到安然風人員，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目。教育過度，導致技術(shù)人員和測功機的看門人在NREL也稱贊他的部分保持平穩(wěn)運行。感謝托比Stensland，科羅拉多永融，誰負責SCADA系統(tǒng)及軟件開發(fā)。吉姆和約翰遜李明博fingersh貢獻從一開始就和在使測功機在線工具。最后，感謝美國能源部資金支持致力于發(fā)展測功試驗臺。參考文獻1。麥尼夫，B.，W.D.的位置，和R. errichello，不同風齒輪疲勞壽命的變化渦輪制動策略。1990，太陽能研究所：黃金，科羅拉多美國。2。湯姆森，K. S. Petersen，變速箱持續(xù)加載對失速試驗研究和變槳距風力渦輪機?！?992，羅斯基勒，丹麥Risoe國家實驗室。3。麥尼夫，B和Y，J manwell，謝。一個風力渦輪傳動系統(tǒng)分析程序的開發(fā)。美國風能協(xié)會-風能94。1994。明尼阿波利斯，錳。4。范格羅爾，S.，強度和大型風力機轉(zhuǎn)子的疲勞試驗結(jié)果在轉(zhuǎn)子葉片的機械試驗——ecn-i 95-0041995，ECN佩滕問卷，荷蘭。5。凱利，北達科他州，NWTC設計規(guī)范（snlwind-3d），隨機，全流場，紊流風用葉和基礎設計規(guī)范空氣動力學仿真。2000，民族風技術(shù)中心。6。漢森，交流和C.P.巴特菲爾德，水平軸風力機空氣動力學。年度流體力學的評論，1993（25期）。7。AGMA，“風和規(guī)格的變速箱設計的推薦做法渦輪發(fā)電機系統(tǒng)”。1997，美國齒輪制造商協(xié)會：亞歷山大，VA美國。8。iec-88／98／FDIS，風力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)，1部分：安全要求?！?999，國際電工委員會：日內(nèi)瓦