风力发电技术讲座四 风力发电机组2.pdf

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技术讲座!"#"$%&’""()!*+(,-./001234567789:;%<<=风力发电技术讲座!四"风力发电机组!4"姚兴佳!王士荣!董丽萍!沈阳工业大学风能技术研究所"辽宁沈阳>>004@#中图分类号#AB1>.文献标识码#&文章编号#>1C>DE4F4!4001$0.D0>04D0."调速装置自然界的风速经常变化(风轮的转速随风速的增大而变快"发电机的输出电压)频率)功率也增加*当风轮的转速超过额定值时"有可能影响机组的使用寿命"甚至造成设备的毁坏(为使风轮能以一定的转速稳定地工作"风力发电机上设有调速装置(调速装置是在风速大于设计额定风速时才起作用"因此"又被称为限速装置(当风速增至停机风速时"调速装置能使风轮顺桨%风向与风轮旋转平面平行#停机(国内外研制了许多风力机的调速装置"归纳起来"就其调速原理大体上可分为@类+减少风轮迎风面积*改变叶片翼型攻角值*利用空气在风轮圆周切线方向的阻力限制风轮转速(">#减少风轮迎风面积图!侧翼装置调速原理示意图靠升力旋转的风轮正常工作时"风轮旋转平则变成了椭圆形(尽管风速增大了"可是迎风面面与风向垂直"其迎风面积等于叶片旋转时所扫积减少了"风轮的转速并没增加(风速再增大"风掠的圆形面积!(当风速变大超过额定风速时"为轮可能偏转到%J#的位置"迎风面积就更小了(当了不让风轮超速旋转"可减少风轮的迎风面积"风速逐渐减少时"在弹簧的拉力作用下"风轮又使垂直于风向的迎风面由圆形变为椭圆形"或缩恢复到%I#!%H#的位置(小圆形的直径"下面列举.种方法(#偏心装置!侧翼装置图4所示"风轮轴线与机头座回转体的转向如图>所示"在风轮后面向一侧伸出一支侧轴的轴线有一定的偏心距"另一侧亦设弹簧(当翼"翼柄平行地面和风轮旋转面"另一侧配有弹风速超过额定风速后"风作用在风轮上的正面压簧(当风速大于额定风速"风通过对侧翼压力而力的合力对转向轴的力矩克服弹簧的拉力"风轮产生的对旋转轴的力矩"大于弹簧拉力对旋转轴偏转到%I#的位置"迎风面积呈椭圆形*风再大"的力矩时"风轮开始偏移"由%H#位置到%I#位置"风轮偏转到%J#的位置(风速减小时"又依次恢复若偏转角度为""处于%I#位置的风轮的迎风面积到%I#!%H#的位置(收稿日期#400ED01D0E作者简介#姚兴佳%>F.FD$G男"教授"博士研究生导师"长期从事风能利用技术的研究工作"国家&51@’项目主持人"是享受国务院政府特殊津贴的专家(>?4 可再生能源!""#$%!总第&!’期"技术讲座位力矩#当风速变小时#它依次回位!+-"!!*-"!!)-"$尾舵如此安装#就相当于一个重心能上下变动的配重#用它们位置高度的变化#代替弹簧拉力的作用$"缩小风轮圆形迎风面积图.所示#叶片用铰链安装在风轮轴上#并借助弹簧的压力保持其设计位置$当风速超过额定值时#作用在叶片上的正面压力加大#克服了弹簧的作用力#使叶片由实线位置变到虚线位置#风轮扫掠面积缩小了#转速不再增加%当风速变小时#在弹簧力的作用下#叶片由虚线位置恢复到实线位置$图!偏心装置调速原理示意图图!所示是风轮向侧向偏转的#按同一原理#亦可设计成向上偏转式的$如图(所示$图$缩小风轮圆形迎风面积利用减少风轮迎风面积的调速方法#多用于&./0以下的微型&小型及中型风力机上$!!"改变叶片翼型攻角值前已述及#叶片升力与翼型攻角值有着密切的关系$改变翼型攻角的基本方法’当风速达到一图"仰头调速定量值后#设法使叶片绕叶片长度方向的转动轴!尾翼升降装置回转某一角度#改变了攻角#值%当然#也同时改上述!种调速装置都使用了弹簧#然而#弹变了叶片安装角$值$风速再变大#而叶片升力簧暴露于大气中很容易锈蚀#因此可使用配重或却不再增加%甚至随叶片阻力的增大#可使风轮转使用能产生回位力矩的尾舵来代替弹簧!图%"$速降低$利用改变叶片翼型攻角值的调速方法#常被称作变桨距调速法$一般风轮上的叶片有!种安装形式’一种是叶片可绕其长度方向的轴线转动#这种风轮称为变桨距风轮%另一种是叶片与轮毂是固定连接的#叶片不能绕叶柄轴线转动#这种风轮称为定桨距风轮$下面介绍改变叶片攻角值进行调速的(种方法$%配重!飞球"与弹簧配合装置图#尾翼升降调速原理示意图当风轮转速达到额定值时#如果风速再增大#利用尾翼升降进行调速的基本结构是将尾风轮转速再加快#配重!飞球"的离心力将克服弹翼与机头的连接转轴向后倾斜一个角度$当风轮簧的作用力#向外移动#这时曲柄将拉动叶片轴位置处于!)"!!*"!!+"时#尾舵绕其转轴向风轮!柄"转动#改变叶片横截面的弦与风的夹角!攻靠拢#它的相对高度发生了变化#从,向看#对应角"#升力系数随之减少#升力不再增大#风轮的转为!)-"!!*-"!!+-"$尾舵重心提高了#产生了回速也就不再增加$当风速减小时#在弹簧的作用&"( 技术讲座!"#"$%&’""()!*+(,-./001234567789:;%<<=下!配重与叶片又都恢复到原来的状态"图1#$液压变桨距调速是当代大型风力发电机调速的方式之一$图5是美国ABCDE型大型风力发电机变桨距调速装置$它由小液压油缸驱动小齿条!使与其啮合的齿轮转动!与齿轮同轴的大圆锥齿轮再通过小圆锥齿轮来实现叶片变桨距调速$液压油通过旋转接头送至4个小液压油缸$液压油缸及齿轮是微机控制变桨距调速的执行机构$!F"利用空气在风轮圆周切线方向的阻力图!配重与弹簧配合的调速装置示意图当风速超过额定风速时!设法增加空气在风!叶片重量与弹簧配合装置轮圆周切线方向对叶片的阻力!以抵消叶片升力的再增值!从而使风轮转速不再提高$下面介绍4种装置$#阻力翼图"叶片重量与弹簧配合调速装置图@所示为两叶片风力发电机的风轮!在轮毂上有两个平行的孔!用来安装叶片的叶柄$叶图$阻力翼调速原理示意图柄上制出螺旋槽!与孔内的滑键配合$当风速超图G所示!在风轮轮毂上焊有4个支臂!4块过额定值时!风轮转速加快!叶片在离心力的作弧板’阻力翼(铰接在支臂上!与弹簧构成了一个用下!克服压缩弹簧的作用力向外甩出$由于叶风载系统$当风轮转速超过额定转速时!弧板的离柄螺旋槽与滑键的制约!叶片在外甩的同时!发心力超过了弹簧的拉力!向外甩出!使回转面积增生偏转!攻角改变!升力系数下降!风轮转速不再大!风轮受到的空气阻力也变大!限制其转速的增增加$当风速变小!在弹簧力的作用下!叶片又缩加)当风速变小时!在弹簧的作用下!弧板又恢复回到原来位置$这种调速装置曾被称作离心%螺到了原来的位置$旋槽式调速机构$!阻尼板图1和图@两种调速装置多用于中&小型风力发电机上$"变桨距调速装置图%&阻尼板调速原理示意图图>E所示!在叶片尖端铰接着带弹簧的阻尼板’也称扰流器#!在额定风速内!弹簧的拉力使阻尼板靠在叶片尖端面上)当风速变大!风轮转速超过额定值时!作用在阻尼板上的离心力克服弹簧图#液压驱动变桨距调速装置的拉力!使阻尼板向外张开!扰动气流!增加了风>?. 可再生能源!""#$%!总第&!’期"文献导阅轮的转动阻力#限制风轮转速的增大$当风速变功率较大的风力发电机#也有应用电磁制动小#阻尼板又回靠在叶尖端面上$器和液压制动器的$当采用电磁制动器时#需有外功率较大的风力机#有的将扰流器设置在距电源(当采用液压制动器时#除了需要外电源#还叶尖&)*的长度段内#在风轮未超速旋转时#阻需油泵’电磁阀’液压油缸和管路等$尼板面与叶片表面贴合着#无阻碍作用$阻尼板#传动装置的张开可以靠风轮转动的离心力#也可根据风轮风力发电机的传动装置包括增速器与联轴器转速信号由液压传动系统或机械传动系统使阻等$通常#风轮的转速低于发电机转子需要的转尼装置动作$前者称为被动式#后者称为主动式$速#所以要增速!有的微型风力发电机不设增速器!%"定桨距失速控制调速装置而直接连接"$增速器与发电机之间用联轴器连这是通过改变叶片翼型攻角值或利用空气接#为了少占用空间#往往将联轴器与制动器设计在风轮圆周切线方向阻力的限速装置$在叶片尖在一起$风轮轴与增速器之间也有用联轴器的#称部装有一段变桨距叶片或在叶尖设有阻尼板#利低速联轴器$用增大它们与气流之间的阻力而限制风轮的转$发电机速#称谓失速控制$此限速装置在功率较大的定发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电桨距风力发电机上有较多的应用$能的设备$风力发电常用的发电机有%种$"制动器!&"直流发电机制动器是使风力发电机停止运转的装置!也常用在微’小型风力发电机上$直流电压为称刹车系统"$对于微型和小型风力发电机#可采&!#!%#*#-等$中型风力发电机上也有采用直流用如图&&所示的刹车机构$发电机的$!!"永磁发电机常用在小型风力发电机上#中’大型风力发电机上一般不用#其电压为&&(#&!.-等#有交流也有直流$最近我国发明了交流电压%%"-/!%"-的高效永磁交流发电机#可以制成多极低转速#比较适合风力发电机用$!*"同步交流发电机图!!小型风力发电机刹车机构它的电枢磁场与主磁场同步旋转#同步转速图&&!+"是手动停车#向下拉刹车绳#则制012#"3/4$动刹车带将刹车鼓紧紧地抱住而实现停车$图!%"异步交流发电机&&!,"是自动停车#当风速超过限定的最大风速异步交流发电机的电枢磁场与主磁场不同时#此时刹车风板被大风有力地推动!如图中箭步旋转#其转速略比同步转速低$当并网时它的头所示方向"#从而带动了刹车杠杆#杠杆则拉转速应提高$动刹车绳向下#并使制动刹车带紧紧抱住刹车交流发电机与直流发电机相比#具有体积小’鼓而实现自动停车$刹车风板面积的大小与限重量轻’结构简单’低速发电性能好’对周围的无定的最大风速值之间的配合关系可通过试验来线电设备干扰少等优点#因此#在独立运行的小容确定$量发电系统中#较多地采用永磁式或自励式交流在中型和大型风力发电机中#有采用叶尖气发电机$对于在并网运行的中大型发电系统中#普动刹车和机械式刹车组成的制动系统$叶尖气动遍采用同步发电机或异步发电机$!连载待续"刹车原理如%扰流器&中所述$机械式刹车一般由液压供油系统’制动闸卡钳和制动盘组成#需要停车时#由液压驱动的卡钳动作将制动盘卡住#使风力机停止转动$&"(