兆瓦级风力机节能型电-液复合变桨距系统实验研究

伴随着风电市场的快速发展，大型风力发电机组正朝着多样化和大功率化的方向不断地前行。而变桨距系统又是大型变桨距风力发电机组重要的组成部分，故世界众多风电公司和研究机构正对变桨距系统进行着不断的开发与研究 J。

现有变桨距系统分为两类 ：液压变桨距系统和电动变桨距系统。液压变桨距系统是基于成熟已久的液压阀控伺服技术，其性能虽优越，但返修率高、体积大、能耗高、成本高等固有缺点始终未能得到很好解决 。限于伺服电动机技术的发展，电动变桨距系统目前还不能完全满足超大功率风力发 电机组 的要求 。在此背景下，研究融合了伺服电动机技术和液压伺服技术的直驱式容积控制变桨距系统显得十分必要。

针对以上需求，本文设计了-种节能型电.液复合变桨距系统半物理仿真实验台，其核心就是利用直驱式容积控制电液伺服液压缸作为变桨装置的执行元件。该系统的突出特点是液压主回路为闭式回路，系统用油量少(去掉液压油源后系统总节油量达95%)，不需要大油箱，节收间、减少污染；去掉传统液压系统中的电液伺服阀，变节流控制为容积控制，系统压力损失小，运行效率高，发热量小，不需单独配置冷却系统；使系统同时有电机控制灵活和液压大出力的双重优点，运行时无污染、噪声低。因此这是-种体积孝出力 大、能效 高、利 环 保”的节 能 型变 桨 距系统 - 。

1 节能型电-液复合变桨距系统半物理仿真实验台查阅相关资料 j，确定 1.5兆瓦节能型电-液复合变桨距系统实验样机的具体指标如下：(1)双出杆液压缸技术参数 缸径 63 mm，活塞杆径45 mm，有效行程±200 mm；(2)正常闭桨时间 不超过 15 S，静态精度在0.1。

以内；(3)桨叶的最大角速度 不超过 15。/s，即液压缸活塞杆最大速度为 100 mm/s。

如图 1所示为液压变桨距系统执行机构简图。通过可绕固定点转动的液压缸推动桨叶旋转，实现叶片桨距角的变化。

由此设计出如图2所示的节能型变桨距系统半物理仿真实验台液压系统原理图，此系统包括实验部分和加载部分。实验部分为直驱式容积控制变桨距执行收稿 日期：2012-08-28作者简介：姜继海(1957-)，男，黑龙江嫩江人，教授，博士，研究方向：直接驱动容积控制电液伺服系统、液压节能技术。

58 液压与气动 2013年第2期图1 液压变桨距系统执行机构简图入号1.伺服电机 2.双 向定量泵 3、13、17、19.油箱 4.补油闽5.液压锁 6、12、16.溢流阀 7、lO.压力传感器 8.液压缸9.加载液压缸 11.单向阀 14.交流电机 15.定量泵 18.滤油器图2 半物理仿真实验台液压系统原理图装置，该装置根据兆瓦级风力发电机组参数进行设计，加载部分用液压缸运动时回油经溢流阀产生的背压来模拟负载，用来进行变桨距系统极端工况下的实验研究 。

图2中右侧部分为变桨系统，通过采用工业控制计算机对输入信号与反馈信号作差，再经过控制器输出给变频器，变频器驱动伺服电机 1，伺服电机 1带动定量泵 2正反转，驱动液压缸 8进行往复动作。回路中的2个液控单向阀4.1与4-2用于自动给回路补油，弥补各部分的泄漏。串联于回路中的2个液控单向阀5-1与5-2用于停机时锁死液压缸，防止意外情况下液压缸误动作。并联于回路中的 2个溢流阀6-1和 6-2则起到安全阀作用，防止系统过载。压力传感器7-1和7-2用于测量系统是否长时间超压，以起到保护作用 引。

图2中左侧部分为加载系统。实验前，先根据所需双向负载力和非对称液压缸 9有杆、无杆腔面积，调定溢流阀12-1、12-2溢流压力。当加载液压缸 9受到推力向左运动时，单向阀 11-1打开，油液通过溢流阀l2.1流人油箱，始终保证加载液压缸 9无杆腔的压力恒定。而交流电机 14带动定量泵 l5旋转，油液打开单向阀11.2进入加载液压缸9有杆腔。当加载液压缸9受到拉力向右运动时，原理类似。从而向加载系统提供-定的负载力。

根据实验台液压系统原理图设计的节能型电-液复合变桨距系统执行装置如图3所示。该装置主要包括伺服电动机、联轴箱、液压泵、集成阀块、油箱和液压缸等部分，结构紧凑，体积孝重量轻，具有高度集成化的特点1.液压缸 2.垫板 3.伺服 电机 4.联轴器 5.联轴箱6.双向定量泵 7.阀块 8.油箱 9.空气滤清器图3 节能型电液复合变桨距系统执行装置装配图图4所示为新型变桨距控制系统半物理仿真实验台照片，包括实验部分(变桨系统)、加载部分和控制部分。其中变桨系统装置实物如图5所示。实验部分主要由双出杆对称液压缸、双向定量泵、伺服电机和插装阀阀块组成，加载部分主要包括补油泵、溢流阀和单出杆的负载液压缸，控制部分包括位移传感器、工控机、计数卡、数据采集卡等部分∝制算法采用常用的PID控制，控制程序采用cBuilder编写。

- 图4 变桨距系统半物理仿真实验台图5 变桨系统装置实物图 - I 2013年第2期 液压与气动 592 节能型电.液复合变桨距系统实验结果分析在该半物理实验台上，调试好控制程序，分别进行了空载、加载、加压空载、加压加载实验，分别测试了系统不同幅值或频率的阶跃响应、斜坡响应和正弦响应。

2.1 系统 空载与加载 实验结果分析图6所示为系统空载和加载时的阶跃响应曲线。

由图6a分析可得，系统空载时对于幅值为 50 mm的阶跃信号，上升时间为0.4 S，超调5%，振荡两周后基本稳定，无稳态误差。由图6b分析可得系统空载时幅值 100 mm的阶跃响应，分析结果与图6a类似。从而可知系统对阶跃信号响应较快，超调量小，振荡次数少，且无稳态误差。

由图6c分析可得，系统加载 5000 N时对于幅值50 mm的阶跃信号，上升时间为0.54 S，超调2%，振荡- 周半后稳定，且无稳态误差。图6d分析类似。

对比图6a与图6c(或图6b与图6d)可知，系统加载后，响应快速性变慢，但超调和振荡变小，均无稳态误差。

时间/sa)50mm，空载时间/sC)50mm，加载图 6 系统 阶跃 响应曲线图7所示为系统空载和加载时的斜坡响应曲线。

由图 7a分析可得，系统空载时对于斜率为 20mm/s的斜坡信号，响应滞后 0.10 s，稳定后有-定的稳态误差，但满足设计精度要求。图7b对斜率为50mm/s斜坡响应，分析结果类似。

由图7c分析可得，系统加载 5000 N时对于斜率为20 mm/s的斜坡信号，响应滞后0.13 S，稳定后有-定的稳态误差。对比空载和加载两种同斜率斜坡响应曲线可得，加载后系统滞后增加，稳态误差增大。

50吕40蠡 3。0l0O0时间/sa20inm/s，空载12010O§80 蠢6o翅 4O200O10080口 童60彗O0时间/sb)50nlm/s，空载时间/sd)50mm/s，加载图7 系统斜坡响应曲线图8所示为系统空载和加载时的正弦响应曲线。

时间/sa25mm，0.1 Hz，空载薹薹曩翅曩趔时间，s时间/sd)25 raln，1.0Hz，空载时间/s 时间/se)25nlnl，0.5Hz，加载 f)25/lnl，1.0Hz，加载图8 系统正弦响应 曲线由图8a分析可得，系统空载时对于幅值为 25 mm、频率为0.1 Hz的正弦信号，跟随很好。由图8b分析可得，系统空载时对斜率为 100 mm、频率为0.1 Hz的正弦信号仍跟随的很好，从而说明在低频(0.1～0.3Hz)时，系统可以很好地跟随不同幅值的正弦信号。

固定给定正弦信号幅值为 25 mm，由图 8c、8d分0茸 r蒋 l 、桧迥∞∞ 柏 如加m 00 ∞∞∞ 如加 m 00鲁UⅡ/桧 萏 r艟液压与气动 2013年第2期析可得，系统空载时对于频率为 0.5 Hz、1.0 Hz的正弦信号，响应相位滞后分别为12。、24。，且对于1.0 Hz信号的响应曲线已有较大失真。

由图8f分析可得，系统加载 5000 N时对于幅值为25 mm、频率为 1.0 Hz的正弦信号，响应相位滞后65。，幅值衰减 18%，且波形有很大失真。对比图 8d与图8f(或图 8c与图 8e)可知系统加载后，正弦响应变差，幅值衰减和相位滞后变大，波形失真更剧烈。

2.2 系统加压 实验结果分析直驱式容控电液伺服系统存在 自吸能力不足问题，实验过程中会偶尔出现爬行抖动现象。为了改善以上问题，实验中采取了给油箱加压的措施。加压方法为外接-补油泵，补油泵出口压力可调，补油泵的出口与油箱进油口相连，油箱密闭。改变补油泵出口压力，从而实现对油箱的加压。加压后，对系统进行实验，实验结果分析如下。

图9所示为对油箱加压后，系统空载和加载时的阶跃响应曲线。

曩趟0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5时间/sa)50mm，空载，0.5MPa0.0 0.5 1.0 l5 2.O 2.5时间/sc)50mm，加载，0.5MPa曩坦时间/sd)50l'nnl，加载，1.0 MPa图 9 系统 阶跃 响应 曲线由图9a分析可得，加压0.5 MPa后系统空载时对于幅值为50 mm的阶跃信号，上升时间为0.4 S，超调1%，振荡-周后基本稳定，无稳态误差。由图9b分析可得，加压 1.0 MPa后系统上升时间为 0.35 s，超调小，无振荡，无稳态误差。对比图6a、图9a、9b可知随着加压压力的升高，系统对阶跃信号响应变快，超调量变小，振荡减少，表明为油箱加压改善了系统性能。

对比图9a与图9c(或图9b与图9d)同样可得在加压情况下，系统加载后响应变慢。

图 10所示为对油箱加压后，系统空载和加载时的斜坡响应曲线。

50403O20l00时间/s 时间/sc)20nllS，加载，0.5MPa d)20mm/s，加载，1.0MPa图 10 系统斜 坡响应 曲线由图 10a分析可得，加压 0.5 MPa、1.0 MPa后系统空载时对于斜率为20 mrnfs的斜坡信号，响应滞后0.09 S、0.08 s，稳定后有-定的稳态误差。对比图7a、10a、10b并 由图7c分析可得，随着加压压力的增大，系统响应变快，稳态误差基本不变。与未加压情况类似，对比空载和加载两种同斜率斜坡响应曲线可得，加载后系统滞后增加，稳态误差增大。

图 11所示为对油箱加压后，系统空载和加载的正弦响应曲线。

分析图1la～11C可得，对幅值为25 mm、频率0.1Hz的正弦信号，系统都能很好地跟随，幅值衰减和相位滞后基本可以忽略。对比图8a、11a、11b可知，加压后系统对正弦信号跟随更好，性能进-步改善。对比空载和加载两种情况也可得到类似于不加压时的结论。

3 结论针对节能型电-液复合变桨距系统，通过以上半物理实验设计与结果分析可得如下结论：(1)节能型电-液复合变桨距系统性能良好，各项性能指标均能达到大型风力发电机组的设计要求；(2)对比系统空载和加载两种情形的响应情况可知，系统加载后动态特性有所降低；(3)对变桨距系统闭式油箱加压后，提高了系统自吸能力，消除了爬行抖动现象，改善了系统性能，为今后工作奠定-定基矗骞眦/窝毗/楼1II要 吕m/楼遥l 2013年第2期 液压与气动基于 CFD的磁液悬浮式血泵优化设计许 剑 ，王 伟 ，李冀鹏 ，张 磊 ，张杰民Optimization Design for the Magnetic-Liquid SuspensionBlood Pump by Using CFDXU Jian ，WANG Wei ，LI Ji-peng ，ZHANG Lei ，ZHANG Jie.min(1.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076；2.泰达国际心血管病医院，天津 300457)摘 要：磁液悬浮式血泵属于第三代心室辅助装置，该文基于非定常三维N-s方程和k-B湍流模型，应用计算流体力学(CFD)方法数值模拟血泵的流场，并根据流场分析结果对血泵进行优化设计，血泵样机试验证明措施有效，各项指标均达到要求，CFD仿真分析对于血泵的研制具有重要的指导意义。

关键词：血泵；磁液悬浮；流场；溶血中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)02-0061-03引言心血管疾病是人类常见的-种主要疾病，由于供体数量的限制，每年有大量患者在等待心脏移植的过程中死亡。心室辅助装置简称血泵，即以人造器官来解决这-问题，目前发展非常迅速。自 1963年 De-Bakey为1例心脏骤停患者植人第 1个气动血泵开始 ，血泵已经从第-代搏动式血泵、第二代机械支承式叶轮血泵发展到今天的第三代非接触式叶轮血泵 。

在血泵的开发设计过程中，除通常设计流体机械收稿 日期 ：2012-12-27基金项目：国防科工局军用技术推广专项([2011]299)作者简介：许剑(1982-)，男，安徽安庆人，工程师，博士，主要从事航天伺服系统设计以及人工辅助心脏等军转民项 目的科研工作。

302O100- 10- 2O- 30时间/sb)25mil，0.1 Hz，空载，1.0MPa时间/sc)25lnTl，O.1Hz，加载，1.0MPa图 l1 系统正弦响应曲线