1. 簡述風力發電機聯軸器是如何實現扭矩限制功能的
我國是風力發電機組的裝機大國,也是風力發電設備的生產大國,但是我國風力發電機組中的某些關鍵部件任然依賴進口,聯軸器就是其中之一。風力發電聯軸器作為風力發電傳動系統中重要的組成部件,除了要求具有傳遞動力的功能外,還需要具有過載保護功能,扭矩限制器就是使風力發電聯軸器具有過載保護功能的關鍵部件,當負載超過額定載荷時自動打滑,實現對發電機組的過載保護。為實現風力發電聯軸器的國產化,突破扭矩限制器的技術難點,必須構建用於扭矩限制器性能測試的研發條件。本課題旨在研製最大打滑扭矩為100kN.m並集強度試驗、疲勞試驗和打滑扭矩標定等功能於一體的扭矩限制器綜合測試試驗台,具體研究內容如下:(1)對扭矩限制器的結構特點和工作原理進行了介紹；基於風力發電機組對扭矩限制器的工作參數要求,採用靜態試驗,設計了扭矩限制器的標定方案；並對載入方式和扭矩測量方案進行了對比,擬定了採用擺動液壓缸作為動力源的載入方式和採用扭矩感測器進行扭矩測量的方案。(2)對試驗台機械系統進行總體設計,對載入機構、扭矩限制器夾具和以逆止器作為主要部分的負載機構進行了詳細設計；通過分析與計算,確定關鍵零部件型號和規格；完成試驗台機械繫統的三維建模；利用Workbench軟體對重要結構件進行靜力學有限元分析。(3)設計了與試驗台相配套的液壓控制系統,實現載入扭矩的輸入控制,為滿足快速打滑過程大流量的需求,液壓系統採用以蓄能器為主要油源,泵作為輔助油源的供油方案；並採用以插裝閥和三位四通換向閥組成的大流量換向系統來實現擺動缸正反轉控制；計算確定了液壓系統的各項參數,完成了液壓元器件的選型工作。(4)利用AMESim軟體對所設計的液壓系統進行建模模擬。通過模擬結果表明所設計的液壓系統可以滿足試驗台對載入時間的要求,也驗證了蓄能器容積是影響扭矩限制器打滑時間和卸載時間的主要因素,泵的排量對系統影響不大,驗證了液壓系統採用蓄能器作為主要油源的合理性。
2. 扭矩限制器的工作原理
扭矩限制器又稱安全離合器、安全聯軸器，常用於安裝在動力傳動的主、被動側之間，當發生過載故障時（扭矩超過設定值），扭矩限制器便會產生分離，從而有效保護了驅動機械（如電機、減速機、伺服馬達）以及負載，常見形式為：磨擦式扭矩限制器以及滾珠式扭矩限制器。
扭矩限制器的安裝結構形式有：軸-軸、軸-法蘭、軸-同步帶輪、軸-鏈輪、軸-齒輪、軸-帶輪等。
TGB扭矩限制器：
屬滾珠式扭矩限制器，內置精密滾珠機構，一旦產生過載，主、被動側之間產生分離，操作簡單，價格適中，應用范圍廣，有以下特點：
分離動作準確，精度高，對負載變化反映靈敏，即使在反復分離動作連續工作的情況下其分離扭矩精度都能保持在±10%以內；
多種規格可供選擇，從0.294N?m(0.03kgf?m)至7154N?m（730kgf?m）有58種規格可供選擇；
自動復位功能，消除過載後，重新啟動驅動機便可自動復位；
唯一位置復位功能，確保過載後的位置度或重復位置度；
扭矩簡單易調且易讀，只需旋動調整螺母，再通過刻度盤及扭矩指示器即可輕松的將脫開扭矩值調至設定值；
幾乎無傳動間隙，TGB08～16由於其特殊結構無任何傳動間隙；
配有標準的過載檢測感測器，通過使用交流或直流的TG感測器可在扭矩過載時輸出交流或直流電信號，可用於啟動報警裝置（如電鈴、指示燈），亦可用於瞬間關閉驅動機。
3. 扭力限制器的產品特性
扭矩限制器是一種機械式過載保護裝置，常用於安裝在動力傳動的驅動側和負載側之間，一旦 發生過載，傳遞扭矩超過設定值，便會產生脫開或打滑，從而使動力傳動的主、被動側分離，使機械設備免遭過載而引起的損壞。
摩擦式扭矩限制器特點：
1、當超載或機械故障而導致所需扭矩超過設定值時，它以打滑形式限制傳動系統所傳動的扭力，當過載情形消失後自行恢復聯結。這樣就防止了機械損壞，避免了昂貴的停機損失。扭力限制器採用彈簧負荷式摩擦塌搜表面，以螺帽或螺栓調整彈簧力，預設其滑動扭矩。
滾珠式扭力限制器（同步帶輪-軸）
又名：過載保護器·內置精密滾珠機構，當運行扭矩超過設定允許扭矩值時，主被動側之間迅速脫開，反應時間極短，安全可靠，脫開扭矩可調·同步帶輪與扭力限制器一體化組合·結構特點
1、 使用有專利權的有特殊彈性曲線困衫敬的碟形彈簧
2、 打滑力矩的設置精度高，重復精度高。
3、 無齒隙力矩傳遞
4、 連接法蘭帶滾珠軸承。
5、 打滑部件表面熱處理，工作壽命長。
進口的義大利產Deserti Meccanica扭力限制器汪慎產品特性較好，我接觸過。部件上面都鋼印了產品標志和物料代碼，美觀又放心。
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4. 電動機過載保護設計
多年研究軟起動器，發現軟起動器對電動機的過載保護有些簡單化，雖然說是反時限保護，但實際是採用定時分段的辦法，有時誤動作，有時燒電動機。對於電動機斷續過載保護時由於電動機早已過熱，那麼它的過載能力已經減小，對於冷態的電動機來說，它的過載能力要比熱態的電動機過載能力大的多。如果要真正反應電動機的過載能力又能對電動機起到過載保護就必需通過熱積分，採用熱記憶功能。這樣才能保正系統的可靠性和保護的靈敏性。
1.1 兩種典型的數學模型
軟起動器對電動機具有控制、保護、監測等功能，對電動機的熱過載保護採用的反時限保護特性有多種數學模型，其中典型的有兩類：
（1）等I2t的時間電流特性
（2）IEC 60255-3[1]推薦的數學模型
以上式中： Ir — 電流整定值
I — 實際電流值
t — 動作時間（s）
K — 表徵特性的常數
α— 函數指數
1.2 脫扣器的控制方式
脫扣器的控制方式可採用：
（1）積分法
以兩種典型的數學模型為例，分別求積分值：
設定K1或K2的動作值，控制動作時間t。
（2）查表法
設定I—t對照表，根據當前I控制動作時間t。
但是在實際運行中兩種方法均存在弊端。如用積分法上述的兩類數學模型都可能造成在低於動作值時仍能誤動作；如用查表法在通常電流不斷變化的情況下，很難合理的控制過載脫扣的延時時間。
為了較好的解決低壓斷路器的智能控制器中長延時脫扣器的延時控制，本文試圖按熱保護的基本原理進行分析和探討。
2 熱保護的基本要求
根據熱平衡關系，電氣設備的發熱應等於散熱與蓄熱之和，即
（1）
式中：P — 發熱功率；
Kr— 散熱系數；
S — 散熱表面積；
τ— 溫升；
c — 比熱；
G — 發熱體重量；
t — 時間。
微分方程的解為：
過載保護元件應在小於被保護電氣設備溫升允許值的設置值動作，斷開電路。
3 按熱平衡原理整定過載長延時脫扣
4 動作值和熱時間常數的計算
4.1 動作值
按電動機起動器和斷路器的要求，k2應分別小於1.2和1.3，為同時滿足這兩種要求，並留有裕度，可取k2=1.1～1.15。
由式（11）可取
K=k22T（12）
以K作為式（6）或（7）的截止值，當A≥K時控制器動作，實現長延時保護功能。
式（9）和（10）可轉換為：
4.2 熱時間常數的計算
在已知任意—N值下要求的tr值，即可計算T。
4.3 延時時間的計算
按式（13）計算在不同過載電流下的延時時間，並考慮電流測量誤差的影響，計算結果見表1（計算時取T=642s）。
5 動作值的測量和計算
為測量智能脫扣器實態通電時的A值，可以採用數值積分的方法等間隔的測量電流和計算A值並與K值比較。
設測量間隔為Δt,並且初始溫升為0，由式（6）和（7）
上列各式中N可以為變數。
逐次計算，逐次與k比較，直至Ax≥k時控制器動作。則
……
在有輔助電源的情況下，A值逐漸遞減，直至軟起動器重新起動，A值又開始遞增；或輔助電源斷開，A值清零。
為防止過載脫扣後，軟起動器在短時內的再接通並在短時內再分斷，可設置一定的恢復時間，以保證在恢復時間內，軟起動器不得起動。
6 測量誤差分析
對式（8）微分：
對應表1中的計算值tr，在表2中列出p和f的相應值。
表2 與表1中計算值tr對應的p和f值
表2的誤差傳遞系數f的估算值與表1的計算結果基本相符。
由表1及表2可以看出在較低過載倍數下由電流測量誤差所引起的延時時間誤差較大。
7 保護特性的斜率調節
7.1 建立數學模型
為了滿足不同的配合需要，現在有的製造廠提供了改變長延時保護特性斜率的調節功能[2]或參照IEC 60255標准提供了不同數學模型的保護特性。為了實現保護特性的斜率調節，本文推薦兩種數學模型並用的方案。
（1）基本數學模型
經對比分析我們可以以式（7）作為基本保護特性的基本數學模型。
（2）用於斜率調節的數學模型
可選用國家標准GB 14598.7（等同IEC 60255-3）推薦的數學模型用於斜率調節。根據GB 14598.7：
（16）
式中：N=I/Ir
指數α可選
K為常數
現以三種斜率的保護特性為例：
● A型反時限
tr=K/（N0.02-1） （17）
● B型反時限
tr=K/（N-1） （18）
● C型反時限
tr=K/（N4-1） （19）
K值可根據保護要求設定，或參照前述基本保護特性NIr（如N=2或N=6）對應的時間tr設定。
7.2 動作值的測量和控制
將式（17）、（18）、（19）變換為
A=t（N0.02-1） （20）
A=t（N-1） （21）
A=t（N4-1） （22）
在實際運行中可每經過一個等間隔Δt進行一次累加，逐次計算A值，逐次與K值比較，直至達到設定值K值，求出延時時間tr。
以式（21）為例，設
對應式（20）和（22）可以採用同樣方法進行計算和控制。
但是應用此方法計算有兩個問題需要解決：
（1）設定N的閾值
通常在K的設定值范圍，在N=1.05的條件下，計算值tr很可能小於1h，不能滿足軟起動器要求。為了防止在1.05Ir及以下的誤脫扣，需設定閾值,如設定Nd=1.15，當N≤Nd時可仍按基本數學模型控制和計算。
（2）閾值上下數學模型的轉換
如在N>Nd時，按式（20）～（22）的數學模型進行計算和控制。
現舉例說明如下
● 保護特性取式（21），設定K=13.5
根據式（12）計算T值，取k2=1.15
T=13.5/1.152=10.2
在N≤Nd時按前面第4節所述方法進行計算和控制。
在N>Nd時按式（21）的數學模型進行計算，如果在尚未達到動作值時電流又下降使N≤Nd，並且當前A值為Ay。則此後需按基本數學模型累加計算A值：
（24）
…………
式中初始值Ay為原數學模型下保留的A值。以下按前面第4節所述方法進行計算和控制。
如果此後又回復N>Nd條件，應重新按式（21）的數學模型計算和控制。在反復轉換數學模型時不需改變K值和當前的A值。
● 保護特性取式（22），設定K=1200
根據式（12）計算T值，取k2=1.15
T=1200/1.152=907.4
在N≤Nd時按前面第4節所述方法進行計算和控制。
在N>Nd時按式（22）的數學模型進行計算，如果在尚未達到動作值電流又下降至N≤Nd，並且當前A值為Ay。則需按式（24）計算A值。
如果此後又回復N>Nd條件，應重新按式（22）的數學模型計算和控制。在反復轉換數學模型時不需改變K值和當前A值。
7.3 誤差分析
對式（16）微分
式（19）、（20）和（21）三種數學模型時間相對誤差與電流相對誤差之間的傳遞系數計算值見表3。
表3 三種數學模型時間相對誤差與電流相對誤差之間的傳遞系數計算值
由表3中可見，當α=0.02和α=1時在Nr≥1.5的情況下，要滿足延時時間的誤差不超過±10%的要求並不困難；但是在α=4時，因特性曲線斜率值大，要達到同樣的指標是有一定難度的，即使電流測量誤差為±2%，再考慮K的控制誤差和數值化整等因素，延時時間的誤差也可能大於±10%。
8 結束語
本文提出的一套利用數值積分法解決反時限保護特性的實時測量和控制方法，既可比較合理、方便的提供多種保護特性，又可較好的解決負載不斷變化情況下的熱記憶問題，還有助於提高長延時控制單元的抗干擾能力。
由於在實時控制中，微處理器在很短時間內無法完成一些函數的復雜數學運算，本文中的一些計算公式和參數在工程計算中需要進行了變換和處理，在CMC系列軟起動器中得到了應用，通過實際運行達到了理想的效果。
5. 為防止起重機超載應裝設什麼限制器