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變頻器在大型玻璃鋼結構件疲勞試驗中應用

王建新
(上海玻璃鋼研究院有限公司,上海201404)

摘  要

本文通過對結構體的自振頻率分析,以受迫振動構件強度為計算模型[1],計算出所需的迫振功率。利用了變頻器可對交流電動機無級調速特性,掃描捕捉結構件的自振點。利用其具有恒轉矩,并可長期穩定地在設定的工作頻率范圍中工作的特點,制成對大型玻璃鋼結構件進行低階自振頻率測試和結構件的疲勞試驗專用試驗設備。

關鍵詞:變頻器  玻璃鋼結構件  疲勞試驗  專用試驗設備

1 前 言

隨著一次能源日趨枯竭以及不可再生和對環境造成嚴重污染等世界性問題的不斷產生,為了尋找可替代能源,世界各國在這方面都投入大量的人力與物力,做了大量的研究工作。比如,對太陽能、潮汐能、風能等這些可再生能源的開發與應用。

我國的風能利用是從“七·五”起開始進行研究工作,由于受當時的技術條件限制,只研制了一些小型風力機,容量也就是幾十瓦到幾百瓦。從“八·五”起我國政府投入大量資金,要求提高對風能利用,對風力機進行大型化的研制開發,主要研制容量為幾百千瓦到幾兆瓦級的風力機機組。

我院作為項目主要研制單位之一,承擔了對風力機葉片、導流罩、機艙罩等研制工作。其中以風力機葉片為主,對其進行了大量的研究,如氣動性能、力學性能等。

因為玻璃鋼葉片作為主要的受力件,既要求重量輕,又要求有足夠的受力強度,所以一般采用空腹、主梁加外殼的剖面形式。大型風力機玻璃鋼葉片設計的一個很重要方面是疲勞強度分析[2]。葉片使用壽命大于20年,在整個使用期間,葉片受到各種外界環境及風載荷的組合影響:陣風、湍流、風剪、斜風、偏航、起動剎車、重力與慣性力、冰雪載荷等,其中有確定性載荷和隨機的載荷,葉片載荷較復雜。疲勞分析通常采用確定性的和隨機的方法,既要通過復雜計算確定,還必須對玻璃鋼葉片進行各種受力試驗,其中包括疲勞試驗。而不同的試驗對其試驗設備也有著相應的要求。

玻璃鋼葉片又受到風電機組的制約,也就是說葉片必須要與風電機組相匹配。在風力發電機組容量增大后,其相匹配的葉片長度、受風面積也相應擴大,葉片的單片長度發展到約為三十幾米到五、六十米,葉展直徑可達七、八十米至一百多米。為了保證設計可靠性,必須對葉片做1:1的結構試驗,其中包括構件的疲勞試驗,迫振交變次數往往要達5×108以上,所以要求試驗用加載設備必須具備連續性、大載荷、高可靠性等特點,以滿足試驗需要。

2 試驗設備選配

圖1所示對玻璃鋼葉片所做的結構迫振交變疲勞試驗時的固定方式、加載位置和加載方向及受力時的運動方向。

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圖1 葉片迫振受力及運動方向示意圖

葉片以懸臂梁形式固定于剛性體上,葉梢扭角呈水平面安裝,并在近梢尖處加上交變力“P”,進行振動測試與疲勞試驗。

葉片的疲勞試驗,其根端所受力矩一般可達到20t·m~>100t·m以上,力學理論[3]上認為在“P”點加上一個很小的力,只要該物體進入共振狀態,對于無阻尼系統,那這個力就會無限放大。其計算公式:

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式中ωp為激振頻率,ωn為自振頻率,uo為靜位移,up 為動位移。

無阻尼特性曲線見圖2。

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圖2 無阻尼特性曲線

但在工程上存在著諸多因素,比如結構件的連接剛性,構成結構件材料等,結構系統存在阻尼。當在“P”點上加載一個恒定的交變力,并且加載頻率與葉片的固有頻率接近或一致時,葉片產生共振,但由于阻尼的存在,葉片的變形不會無限大。

阻尼計算公式:

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式中點擊瀏覽下一頁 為阻尼比,ωp為激振頻率,ωn為自振頻率,uo為靜位移,up為動位移。

其特性曲線見圖3。

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圖3  無阻尼特性曲線

在做小型結構件振動試驗時,用電磁激振器給試件加載方法,由于受試驗設備技術條件的限制,其最大輸出功率只有100Kg/m,最大交變行程為±50mm,且受到電子功率放大器限制,根本不能長時間工作。根據對大型玻璃鋼葉片的試驗要求必須要有能做長期疲勞試驗的設備,在確定試驗方案前,首先要對試驗設備進行可行性認證,擬定了幾種方案:

(1)引進或國內定制專用設備;

(2)用液壓激振系統加載;

(3)用直流調速驅動偏心輪激振。

以上三種方案優點:加載穩定,設備專業性強,加載精度高。但如液壓控系統復雜,安裝調試不方便,引進或定制專用設備費用昂貴,且設備的互用性差,這些設備往往在產品的開發期間使用,項目一旦完成,產品轉入產業化后,有許多試驗設備將被閑置,造成產品開發研制成本較高。

通過對有關試驗設備的調研及查閱相關資料后,最終選用了變頻調速驅動偏心輪方法。

3 技術準備

根據材料力學中的共振理論,任何振動物體都存在著阻尼現象,為了克服阻尼維持共振,就必須對該物體不斷加力以維持共振。假設葉片迫振為一個單自由度彈性系統。電機轉子的角速度為p,由于偏心而引起的慣性力為H,其鉛垂分量Hsin pt是一個隨時間作周期性變化的激振力。在周期性變化的激振力作用下,玻璃鋼葉片將發生受迫振動。可根據理論力學中單自由度彈性系統受迫振的公式計算。

靜位移計算公式:

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式中,C為玻璃鋼葉片的剛度,ΔstP作用下的靜位移。

玻璃鋼葉片的固有頻率計算公式:

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共振時電動機的臨界轉速計算公式:

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在共振情況下,激振頻率與玻璃鋼葉片的固有頻率相等,即

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考慮阻尼情況下的共振時放大系數計算公式為:

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動荷系數為:

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式中,H為慣性力,P為靜載荷重量。

根據玻璃鋼葉片在激振力H sin pt作用下,在靜平衡位置發生受迫振動,其振幅計算公式:

  BβΔH                                       (9)

式中,ΔH為將慣性力H作為靜載荷加在玻璃鋼葉片上時的靜位移。

求得所需B值與共振時電動機的臨界轉速ncr值,再計算電動機軸上的動態轉矩與功率[4]。

電動機軸上的動態轉矩

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式中,Md為動態(加減速)轉矩,MD為電動機轉矩,Ml靜阻負載轉矩,GD24JN為轉速,g為重力加速度。

電動機功率計算公式:

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式中,nD為電動機轉速。

與變頻器相匹配時還應考慮以下因素:

(1)與斬波頻率有關的鐵損[5],由下式顯見,鐵損是頻率與

磁通的函數,其表達式為

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式中,εσ為由鐵芯的材料、厚度等決定的常數;B為鐵芯的磁通密度;f為頻率。

另一方面,作為通用變頻器一般方式的PWM變頻器,其輸出波形中含有斬波頻率,與基波相比電壓分量小,但頻率高,因此給電機供電時就產生相當大的鐵損。

(2)防止低頻下的轉矩減小,對于V/F的控制方法,在頻率低的范圍由于電機定子電阻r1的壓降電機氣隙磁通減少,因而轉矩下降,如圖四中虛線所示,通常補償電阻產生的壓降補償變頻器輸出電壓,圖四實線所示,則可得到接近圖五中實線的轉矩特性。

(3)電機溫升問題,由于電機的溫度每升高10℃則壽命減半,由此可以理解溫升是一個非常重要的問題,引起溫升主要有:

① 高次諧波引起的損耗增大。

② 低速運轉時冷卻效果降低。

由于做疲勞時電機處于長期低速運轉狀態,靠自身風葉冷卻肯定無法滿足需要,但葉片在試驗時是作垂直上下運動(振幅可達±200~400cm左右),從而會產生擾動氣流,正好利用擾動氣流幫助冷卻電機。試驗以后的冷卻效果還不錯。

通過計算,兆瓦級風力機葉片疲勞試驗用電機容量為15.0kW,四極電機,曲柄質量270kg,質心距離旋轉中心446mm,力矩1204N/m,選用愛默生EV200-4T0185G1恒轉矩變頻器。

4 變頻器在試驗中實際應用

我們知道任何一種物體都具有自身的固有頻率。組成各物體的材質不同、形狀不同,就是用同一種材質組成物體固定方式不同,也會產生其自振頻率變化。

由于玻璃鋼彈性模量是根據不同的設計要求決定的,其彈性模量范圍從10GPa~20GPa,玻璃鋼葉片又是復雜的變截面復合體,所以對玻璃鋼葉片的固有頻率ω,所需激振頻率p,電機功率等只能作近似值計算,以確定大致所需范圍。

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圖4 端電壓與頻率                                                                   圖5 轉矩特性

尤其玻璃鋼葉片是一個復雜幾何體,很難確定其共振點,只能確立共振范圍,然后進行掃描跟蹤方法捕捉共振點。利用變頻器可無級調速特點,具有對馬達有很好匹配的優點,進行掃描跟蹤大型玻璃鋼結構件的一、二階自振頻率,能滿足對大型玻璃鋼結構件低頻范圍內振動試驗。其表現特點:使用簡便(不需要專門培訓),可操作性,不需經常維護,可長期穩定地在設定好的范圍中工作,特別對疲勞試驗有著很好的應用價值。圖6、圖7用變頻器組成的激振系統與傳統振動試驗設備組成的激振系統以及操作流程比較。

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圖6  用變頻器組成的激振系統

 

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圖7  用傳統的振動試驗設備組成的激振系統

 

從圖比較可以看出,用變頻器組成的激振系統配置工藝簡單,只需作簡單的加速或減速操作就能捕捉結構件的共振點,而且可以任意增減激振力。而傳統的激振系統則要先把頻率換算成所需的時間值(因信號源是用時間定值),然后在信號源(是一個獨立的儀器)上設定所需值,逐點跟蹤,操作很麻煩,需專業人員操作,其他性能指標已在第二章節中敘述。

在正式試驗前,先用了一個2.2kW變頻器和一只200瓦內部帶有偏心輪振動馬達,在660kW葉片上做驗證試驗,試驗結果理想。正式試驗時配了一臺歐林OL-4001/10H型7.5kW容量的變頻器,主要考慮能滿足技術要求,價格便宜。圖8所示是已完成的660kW風力機葉片疲勞試驗時的照片。

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圖8  660kW風力機葉片疲勞試驗 圖9  疲勞試驗中的1.5MW(40.3m)風力機葉片

08年完成的1.5MW風力機葉片疲勞試驗(圖9),該葉片目前是國內主流風力機葉型,單葉長度40.3m,自重約6t。由于葉片幾何尺寸增大,而使一階自振頻率降低,且需增加靜載荷重量,還必須在其自振頻率范圍內工作(約0.9Hz左右),勢必會引起馬達轉矩增加而無法啟動,因此采取補救措施。其方法:提高馬達轉速,添加一個1:30減速齒輪箱,即可增加靜載荷重量,又可減少馬達的啟動載荷,又能在所需要頻率范圍內激振,從而確保試驗順利進行。

為避免在試驗中設備異常情況發生,在試驗系統中增加一個計數累加與試驗異常保護器,以保證疲勞試驗次數正確記錄和在有異常情況發生時及時關閉試驗系統,來確保人身和財產安全。圖10為計數累加與試驗異常保護器的框圖。

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圖10 計數累加與試驗異常保護器的框圖

工作原理,通過光電傳感器采得迫振信號,經U18(GO3A1D防干擾隔離器)、U1A、U1B(MC4069)4腳輸出,一路信號送至U2(CD40192)5腳(CPU)進行加計,另一路信號送至U1C(MC4069)5腳,經U1D(MC4069)8腳至R4(560K)、C3(470μf)作無迫振信號輸入約5分鐘延時,如果再無信號輸入,就通過U1E(MC4069)10腳給U16(NE555)2腳發送一個負脈沖,觸發單穩態電路翻轉,通過U17(GO3A1D)隔離器,驅動Q1(TIP31C)繼電器K1(HRMH-S-DC12V-A)動作關閉馬達,以達到保護目的。

如果沒超過保護延時時間,這時有迫振信號過來,那就繼續工作。

在實際測試應用中,發現變頻器對動態測試儀器的干擾問題。其主要是變頻器高次諧波的干擾。但解決方法還是比較簡單,測試中應避免測試應變片的引線與馬達控制線平行走線,對各個測試點和測試儀器作良好的屏蔽隔離,就可防止干擾。

5 小 結

變頻器具有對馬達的很好匹配性,能滿足對大型玻璃鋼結構件低頻范圍內振動試驗,利用其可調速原理,掃描跟蹤大型玻璃鋼結構件的一、二階自振頻率。其表現優點:使用簡便,可操作性,不需經常維護,可長期時間穩定地在設定好的范圍中工作。缺點:加載重量較大,會引起結構件的自振頻率偏移,在應用中需要考慮這個因素。在動態應變測試應用中,還應該特別注意變頻器高次諧波的干擾,以防止引起測試誤差。

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