背景

ET 4063 研究项目, 其由德国联邦研究和产业部委员会资助 [1], 已经清晰地显示出风能能够确保我们的能源供应。图1 为当时的测试工厂。

图1: 完整的测试,包括带有三个叶片的高速涡轮机,塔架和安装测试和测量的独立建筑物。
Fig. 2: T30FN 扭矩传感器安装在发电机和叶片之间
Fig. 3: 扭矩 - 风速图表

80年代使用的扭矩传感器

在这个研究项目中,使用的是 HBM T30FN 扭矩传感器 ,其最大量程为 10 kN•m。

F 代表着 调频信号的传输方法。 这意味着测量信号和电源供电都才有无线传输方法,耦合方式不会对转子产生任何影响,包括空气缝隙的变化。

N 表示磁学转速测量系统。发电机的功率可以通过扭矩和转速来表示。

图2 显示 扭矩传感器 被安装在发电机和叶片中间。

图 3 清晰地显示风速和扭矩之间的关系。 [2]. 随着风速的增加,扭矩也增加 - 但转速不变。结果: 额外的机械动力产生,其意味着发电机能够产生更多的电能。

现状: 风力发电的今天

今天,风能已经成为主要可再生能源之一,并极具增长力。随着能源的的需求快速增加,近几年来一直呈现出爆炸式的增长。

90年代初,风力发电机的额定功率为 200 kW。今天起平均为 2 MW。15年来功率增长了10倍,其主要由于采用了更大的转子,直径增加一倍,有效面积将增加了4倍。

风力涡轮机的机械测量量

转子的输出 通过扭矩角速度的乘积获得.

P = 输出 N•m/s (1N•m/s = 1 W = 0.00136 metric hp)
M = 扭矩 N m
ω = 角速度 s-1
N = 转速 in rpm

其他等式给出了扭矩和其他量之间的关系的关系, 扭矩必须被测量。

扭矩没有办法直接计算,因为其受到其他外部因素的影响,例如振动和启动性能。扭矩测量的基本信息在 [3].

Fig. 4: T10FM torque flange in the Rexroth test bench (Werksbild Bosch Rexroth/Witten)

减速机

在风力涡轮机中,不同的转子驱动速度会产生冲突。通过两个电极,转速 1500 rpm 能够产生  50 Hz 的频率。 [4].

冲突的解决方案是使用减速机,以降低转速增加扭矩产生更大的功率。现代兆瓦级风力涡轮机 [5], 其能够将转速降低到 14 rpm,并驱动电机轴(转速为 1400-1650 rpm)。 图4 显示的为 T10FM* 扭矩法兰安装在发电机输入端。

风力涡轮机的减速机重达数吨,大多数采用紧凑,复合型行星齿轮装置。即使在今天很多谈论的无齿轮风力涡轮机,由叶片产生的扭矩要非常高,才能产生足够的电力

* T10FM 扭矩传感器已经停产,其被数字式扭矩传感器 T40FM 替代。

扭矩

扭矩测量范围从数 kN•m 到数 MN•m。例如:

发电机:    P=2 MW
减速机:    1:100

2 MW 的发电机,转速为 1500 rpm,采用以下公式计算:

(1)     MD=12.74 kN•m / n=1500 rpm

(2)     MD=1.3 kN•m / n=15 rpm

低转速的发电机正在讨论中。但是扭矩传感器几乎达到了其极限。图 5 为 1.5 MN 扭矩传感器

图5:  1.5 MN 扭矩传感器

但是,这个巨大的扭矩传感器不能保证其标定的可追溯性。德国度量衡研究院安装的全球最大的扭矩标定设备。 其标定的最大扭矩为 1.1 MN ,精度等级为 0.1% [6]. HBM 目前可以提供的扭矩标定 见 表 6.

图 6: HBM 扭矩标定范围

结论

这篇文章提供了风力发电机扭矩测量的基本信息。在风力发电中,没有旋转,没有扭矩和角速度就无法产生电力。

参考书

[1]    Herbert Lauer: Die Windkraft meßtechnisch erfaßt, Markt&Technik No. 44 dated October 30, 1981

[2]    MESSTECHNISCHE BRIEFE, MTB 17 (1981) Issue 2,  Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 64293 Darmstadt

[3]    Rainer Schicker, Georg Wegener: Measuring Torque Correctly, ISBN 3-00-008945-4
    Published by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt

[4]    http://www.energiewelten.de/

[5]    Christian Scheer, Rainer Schicker: Energie wird knapp. Getriebe und moderne Drehmomentmesstechnik tragen zur Energieerzeugung aus Windenergie bei, Windkraftkonstruktion, http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/automation/articles/327594/

[6]    http://www.ptb.de/cms/index.php?id=2447

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