差动调速装置功率流与功率配比研究

王磊

摘  要：基于差动轮系的特性方程，重点分析差动调速装置中差动轮系的功率流及影响装置中主、辅电机功率配比的因素，提出确保轮系功率汇流的组合方法，得出主、辅电机装机容量配比的理论依据。

关键词：差动调速装置;差动轮系;功率流;调速幅度;功率比

中图分类号：TM921        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）14-0054-03

Abstract： Based on the characteristic equation of differential gear train， the power flow of differential gear train in differential speed regulation device and the factors affecting the power ratio of main motor and auxiliary motor in differential speed regulation device are analyzed emphatically， and the combination method to ensure the power confluence of gear train is put forward. The theoretical basis of the ratio of installed capacity of main motor and auxiliary motor is obtained.

差动调速装置是一种高效、可靠的无级调速装置，通过对部分功率的速度控制实现对全功率的速度控制[1～2]，有效降低对变频相关器件的功率要求，提高系统的可靠性，又降低了投资成本。

本文重点分析调速系统中差动轮系的功率流向;调速幅度的概念及它与主辅两电机功率配比的关系。

1 差动调速装置组成

差动调速装置由主电机、辅电机、差动轮系和制动器组成。该装置依据差动轮系具有功率汇流特性而设计，并将动力源提供的功率分为两部分，其中一部分功率主要用来传递动力，由主电机提供;另一部分功率由辅电机提供，进行速度调节，最终两部分功率汇流于差动轮系共同输出，实现调速功能。通过连续改变辅电机的转速，可以使输出转速在一定范围内连续调节，达到无级调速的要求。

2 差动轮系功率流的分析

差动轮系由太阳轮、齿圈和行星架三个基本构件组成，且有两个自由度，即只有给定两个确定的输入转速，才能有确定的转速输出，所以一般都是将差动轮系某两个基本构件的转速在一定程度上关联起来而保证第三个构件有一个确定的转速输出。但这里应指出的是三个构件各自传递的功率对差动轮系而言既可能是输入功率也可能是输出功率，即使是被关联的两个构件也可能不同为输入或输出功率。

在前文所述差动调速装置工作原理中已提出要利用差动轮系的功率汇流特性实现分功率调速，功率汇流是要求被关联两构件所传递的功率对于差动轮系而言同为输入功率，即要求两构件的功率比大于零。差动轮系本身是具有功率汇流的特性，但并不是所有的运转情况都能实现功率汇流，它必须要求被关联的两个构件满足一定的运转条件才能真正实现功率汇流。因此，在选定差动轮系的任意两个基本构件作为关联构件时，应分析清楚它们之间的转矩方向关系并对它们的转向关系有一定的要求，以满足两构件的功率比大于零，进而保证差动轮系的功率汇流。下面依据差动轮系的特性方程来分析轮系中的功率流。

2.1 差动轮系的特性方程式

2.2 差动轮系功率流简图的绘制

差动轮系的功率分为输入功率和输出功率。在明确了差动轮系的功率输入输出问题后，采用逆向分析法确定差动轮功率流与构件转动方向的关系。假设已知差动轮系中主从地位相同的两构件（功率比大于零的两构件），然后再根据差动轮系的特性方程分析基本構件的转向关系。

（1）当a、b主从地位相同并且它们各自传递的功率对于差动轮系而言都是输入功率，则有Pa /Pb>0，将其代入式（8）知iab>0，由此断定a、b转速方向相同，再由式（2）推知H也与a、b转速方向相同。假定a转向为正方向，可得图2（a）所示简图。于是，当要关联a、b两构件时（两构件同时作为输入构件），应使a、b两构件转速方向相同，才能保证功率的汇流。

（2）当b、H主从地位相同并且它们各自传递的功率对于差动轮系而言都是输入功率，则有Pb /PH>0，将其代入式（10）知ibH<0，由此断定b、H转速方向相反，假定H的转速方向为正方向，那么b的转速方向为负方向，再由式（3）推知，a的转速方向也为正方向。综合所述，可得图2（b）所示简图。于是，当要关联b、H两构件时（两构件同时作为输入构件），应使b、H两构件转速方向相反，才能保证功率的汇流。

（3）当a、H轮主从地位相同并且它们各自传递的功率对于差动轮系而言都是输入功率，则有Pa /PH>0，将其代入式（9）知iaH<0，由此断定a、H转速方向相反，假定H的转速方向为正方向，那么a的转速方向为负方向，再由式（4）推知，b的转速方向也为正方向。综合所述，可得图2（c）所示简图。于是，当要关联a、H两构件时（两构件同时作为输入构件），应使a、H两构件转速方向相反，才能保证功率的汇流。

图2中三角形表示差动轮系（因有三个基本构件），各构件标在图形顶点旁，箭头表示功率流向。箭头尖指向轮系为输入功率，箭头背向轮系为输出功率，“+，-”表示构件的转向，“+”表示正方向，“-”表示负方向。

2.3 轮系中输入输出构件的组合方法

为了实现差动轮系的功率汇流，在选择轮系中的某两个构件作为关联构件时，应按图2所示，即选择功率流向相同（同为输入功率）的两构件，而且两构件转速方向也应与图中所示一致。如本文所述调速装置（图1所示），是选择差动轮系的太阳轮和齿圈作为输入（关联）构件，行星架作为输出构件，按图2（a）所示，必须保证太阳轮和齿圈的转速方向一致，才能满足功率汇流的条件。

3 主、辅电机功率配比关系

3.1 调速幅度和差速比的概念

3.2 功率配比关系

4 结论

经分析、计算得到如下结论：

（1）选择差动轮系中的某两个构件作为关联构件（输入构件）时，如对轮系有功率汇流的要求，应按图1示意的方式选择。（2）差动调速装置中，辅电机额定功率与主电机额定功率之值等于调速幅度，调速幅度越大，辅电机需要分担的功率就越大，这也就意味着需要调速的那部分功率就越大。（3）在整个调速区间内，主电机和辅电机所承担的负载功率之比取决于差速比R和系数K。因此，在不同的调速区工作时，主电机和辅电机所承担的负载功率之比也是不同的。

参考文献：

[1]Zhao Xueyong， MaiBer Peter. A novel power splitting drive train for variable speed wind power generators[J]. Renewable Energy，2003（28）：2001-2011.

[2]王知行，邓宗全.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]陈涛.风机水泵分段式综合调节流量及分功率调速装置的研究[D].北京：华北电力大学，2013.