（农业电气化与自动化专业论文）300w风力发电机自动限速安全机构的试验研究.pdf

摘要 风力发电由于其自身的优点己引起人们的广泛关注，使风力发电技术在能源短 缺的今天具有重大的研究价值。但自然界的风每时每刻都在变化，风的这种随机性 和不稳定性就给风能的利用带来了许多问题。如果风力发电机无自动保护装置，当 超过可用风速范围后，会发生强风吹毁叶片、发电机转速过快而烧毁等一系列故障。 针对此问题，本文对3 0 0 w 风力发电机的自动限速安全机构进行了一定的理论 分析和实验研究，提出了一套当风力超过可用风速时使风力发电机调向9 0 。以避开 主风向而限制其风轮转速的研究方案。根据限速方案所研究的内容为：首先，确定 限速的控制参数为发电机的输出电压，通过发电机实验台实验测得发电机输出特性 与转速的关系。然后根据风力发电机自动控制系统的理论设计，完成电气控制柜的 实物制作。其次，进行风力发电机调向时最大阻力矩的计算，以选择合适的调向设 备。最后，对风力发电机自动限速安全机构进行实验调试，通过实验验证其调向限 速性能。 通过实验研究，其实验结果表明自动限速效果良好。整套机构成本低、运行安 全、性能可靠，对延长风力发电机的使用寿命具有十分重要的意义，并为大中垒风 力发电机的自动限速安全机构提供了研究基础。 7 关键词：风力发电机；限速安全机构；调向系统 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo na u t o m a t i c r e s t r i c t i n ga n ds a f e t y m e c h a n i s mo ft h e3 0 0 ww i n dt u r b i n e a b s t r a c t w i n dt u r b i n eh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n b yh u m a nb e i n gb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s ，w h i c hm a k et h ew i n dt u r b i n et e c h n o l o g yl a r g e l ys i g n i f i c a n tt o d a y b u tt h e w i n di sc h a n g i n ge 、7 c r yt i m e s oi t sr a n d o m n e s sa n di n s t a b i l i t yb r i n gm a n y q u e s t i o n st o t h eu s eo fw i n de n e r g y w h e nt h ew i n ds p e e d s u r p a s s e st h ea v a i l a b l es c o p e ，i ft h e r ei sn o t a u t o 。p r o t e c t i n gm e c h a n i s mo nt h ew i n dt u r b i n e ，t h eg a l ec a r ld e s t r o yt h eb l a d e sa n dt h e g e n e r a t o r i nv i e wo ft h i sq u e s t i o n ，t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c ha u t o m a t i cr e s t r i c t i n ga n d s a f e t y m e c h a n i s mo ft h e30 0 ww i n dt u r b i n e ，a n dg i v e sam e t h o da f t e ras e r i e so ft h e o r e t i c a l a n a l 3 7 s i s ，w h i c hc a nr e s t r i c tt h ew i n dr o t o rr o t a t i o n a ls p e e db ym a k i n gt h ew i n dt u r b i n e r e v o h r e9 0 。t oa v o i dt h es t r o n gw i n d f i r s t l y , t h ep a p e r g i v e st h ec o n t r o l l e dp a r a m e t e rb v t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ) , 0 1 1t h er e l a t i o no fg e n e r a t o ro u t p u tc h a r a c t e r sa n dr o t o rs p e e d a n di tn e e d st of i n i s ht h ed e s i g no fa u t o - c o n t r o l l i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fr e l a t e d t h e o r i e s s e c o n d l yi tn e e d st oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fy a wt oc h o o s ea p p r o p r i a t e e q u i p m e n t s a tl a s t ，t h ew i n dt u r b i n e sa u t o m a t i cr e s t r i c t i n ga n ds a f e t ym e c h a n i s mi s d e s i g n e d ，a ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do na n di t sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ea u t o m a t i cr e s t r i c t i n g a n ds a f e t ym e c h a n i s mi sb e a e r t h ew h o l em e c h a n i s mi sc h e a p ，s a f ea n dr e l i a b l e t h e r ei sa s i g n i f i c a n tm e a n i n gt o p r o l o n gt h es e r v i c el i f eo ft h ew i n dt u r b i n e s a n di ta l s op r o v i d e st h er e s e a r c hf o u n d a t i o n t oa u t o m a t i cr e s t r i c t i n ga n ds a f e t ym e c h a n i s mo nt h el a r g e rw i n dt u r b i n e k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n e ，r e s t r i c t i n ga n d s a f e t ym e c h a n i s m ，y a ws y s t e m d ir e c t e db y ：p r o f g u oy o n g a p pi ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：l us h a n s h a n ( a g r i c u l t t l r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n ) ( c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 插图和附表清单 图1中国风电累计装机容量情况2 图2 偏向式4 图3 气动阻力式4 图43 0 0 w 风力发电机结构示意图6 图5 叶片7 图6自动限速方案8 图7 实验工作原理框图1 0 图8发电机实验台实验的照片1 0 图9 负载为电阻时3 0 0 w 发电机输出功率和效率与转速关系曲线1 2 图1 0负载为蓄电池时3 0 0 w 发电机输出功率和效率与转速关系曲线1 2 图1 1负载为蓄电池时3 0 0 w 发电机输出电压与转速关系曲线1 3 图1 2自动控制系统工作原理框图1 3 图1 3自动控制系统电气原理图1 4 图1 4电气控制柜实物照片1 6 图1 5 叶轮轮毂示意图。1 9 图1 6 风力发电机调向俯视图2 5 图1 7 风轮受力分析俯视图2 5 图1 8 直流调速稳压电源接线图2 9 图1 93 0 0 w 风力发电机限速安全机构结构简图3 0 图2 0自动限速安全机构的实验台照片3 1 表1 器件消耗电能表1 7 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 雏鲥趟 日 期： 宣竺i ：笸：鱼 导师指导研究生学位论文的承诺 本人承诺：我的研究生盔生业所呈交的学位论文是在 我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现任岗位职务 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相 指导教师签名： 日 期：立12 ：! ：量 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书、 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手 论文作者签名：兰琵啦 指导教师签名： 日。 期：生雩： ：竺 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。从 全球能源消耗来看，8 7 的能源来自化石燃料( 煤炭、石油、天然气) ，6 来自核电， 其余7 来自可再生能源。随着经济的快速增长和社会的全面进步，能源消耗越来越 大，储量却越来越少。人们开始认识到无限制的开采煤炭、石油、天然气等化石能 源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约1 3 0 0 亿吨，年消耗量约3 5 亿吨，预计 今后2 5 年中平均年消耗量将达5 0 亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量 也不会超过2 0 0 0 亿吨，石油资源将在四五十年后也将枯竭。另外，除了人们早先 认识到的烟尘、s 0 ：等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到c 0 ：等温室 气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响n ，。由此看出，不断增 长的能源消耗所造成的环境污染与安全问题已成为人类社会发展的突出矛盾。 为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生的、无污 染的替代能源。风能就是这样一种能源，它实际上是太阳能的转化形式，取之不尽、 用之不竭，分布广泛，总量约为2 0 0 亿千瓦，大约是世界总能耗的3 倍心，。尤其风 能在转换过程中，只是降低了气流速度，不存在常规能源和核电的污染问题。风电 场还具有占地少、周期短、规模灵活等优点。因此，许多国家把发展风力发电作为 改善能源结构、减少环境污染和保护生态平衡的一种措施，并纳入国家发展计划啪。 积极发展风能等可再生资源，对增加能源供应，调整能源结构，缓解环境污染，保 障能源安全，促进经济发展，建设和谐社会都起到重要的作用。 1 1国内外风力发电的历史与现状 1 1 1 国外风力发电的历史与现状 1 9 世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机，并于1 8 9 1 年建成了世界第一座风 力发电站，。到2 0 世纪5 0 年代中期，丹麦已有成千个农场利用风能来提供照明和 无线电所需的电力。在2 0 世纪7 0 年代后，由于常规能源的有限性及其供应的不稳 定性，风能利用问题受到各国的重视，相继建立了由国家资助的研究机构和试验场 地，制订了大规模的风能开发计划，并已取得了很大成就嘲。 目前，全球已有五十多个国家正积极促进风能事业的发展。单机容量5 0 0 k w 、 6 0 0 k w 、7 5 0 k w 的风电机组已达到批量商业化生产的水平，并成为当前世界风力发电 的主力机型，兆瓦级的机组也已开发出来投入试运行。现在欧盟国家不仅拥有全世 界最大的风电装机容量，而且拥有全世界最先进的风电技术和全世界最领先的生产 能力。已在近海区域安装了中等容量的风力机，并计划在深海区域建立兆瓦级海上 风电场，。最近全球风能协会( g w e c ) 公布的数据显示：2 0 0 7 年，世界新增风电装 机容量为2 0 0 7 3 g w ，累积风电装机容量色达9 4 11 2 g w ，比2 0 0 6 年增长2 7 。世界 23 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 风电累计装机容量居前五位的国家依次是：德国、美国、西班牙、印度、中国m 。 1 1 2国内风力发电的历史与现状 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富，陆地上可开发利用的风能资源达2 5 3 亿千瓦嘲，居世界各国的前列。东部沿海、内蒙、甘肃、黑龙江、吉林都是我国的 风能最佳区，。东部沿海还具有丰富的海上风能资源，海上风电场将是未来重要的 能源基地。 我国对现代风力发电技术的开发利用起源于2 0 世纪7 0 年代初，经过3 0 多年的发 展，无论在科学研究、设计制造还是试验、示范、应用推广等方面均有了很大的进 步和提高，并取得了明显的经济效益和社会效益n ，。特别是我国自行研制和开发的 小型风力发电机组，运行平稳、质量可靠，用寿命在1 5 年以上，这些机组具有较宽 的工作范围，而且经济性好，成本低，价格便宜，在我国边远的农村、牧区及沿海 岛屿等许多地区广泛适用。除满足国内用户需要外，还出口到蒙古、印尼、日本等 国家“町。大型风力发电机的研制也取得了令人鼓舞的进展，目前已基本掌握了2 0 0 - - 6 0 0 k w 大型风力发电组的制造技术，主要零部件国内都能自己制造。， 从1 9 8 6 年第一个示范风场在山东荣成并网发电“”到2 0 0 7 年底全国共建成1 5 8 个风电场n 司。目前，我国风电事业已从2 0 0 4 年前的缓慢增长阶段，进入大规模开发、 超常规发展的新阶段。2 0 0 7 年，我国风电装机投产3 4 0 万千瓦，比过去2 0 多年的 累计总和还要多。按照2 0 0 7 年8 月公布的可再生能源中长期发展规划，到2 0 1 0 年，我国风电总装机容量将达到5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年将达到3 0 0 0 万千瓦。从目前 的发展态势看，几年之后，我国有望超过目前风电装机规模第一的德国，成为世界 风电第一大国n 钉。 万千 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 o 7 一中国风电累计装机容量1 2 1 5 3 圉 麓l 5 9 1 6 么网 圈罗 黝圈 7 2 5 9 9 缵 黪铲 ， 。4 0 4 6 8 5 6 7 墨。赢。围 么禳然震黧甓覆嚣戮鬟笼簇震薹熙兹躺 2 0 012 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 2 0 0 72 0 0 8 图1中国风电累计装机容量情况 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 1 2 风力发电机限速安全机构的发展现状 1 2 1 风轮吸收的功率 自然界的风很复杂，几乎每时每刻都在发生变化，风的变化对风能开发利用有 直接影响。风轮从风源中吸收的功率为； p = c c j 口y 3c o s 式中：七由空气密度和风轮扫略面积决定的系数； c 。风能利用系数，由叶片形状、数量、浆矩等决定； 矿风速； 3 风轮法线方向与风向的夹角。 对于确定的风力发电机来说，叶片形状、大小、数目、桨距等都是一定的，因 此可认为七和c 。是常数。由此可见，风轮从风源中吸收的功率主要是受风速和风向 的影响。 ( 1 ) 当风向一定时，由于p 芘矿3 ，风速大一倍，则风轮吸收的功率将大八倍。 在遇到强风时，风力发电机的转速和功率将急剧变化，这对叶片、发电机等设备的 损害极大。所以当风速超过其可用风速范围时，必须启动防止超速的保护装置来限 制风轮转速或使风轮停转。 ( 2 ) 当风速一定时，p 越大风轮吸收的功率越小。若d = 0 。，即风轮扫略面垂 直于风向时，风轮吸收的功率最大，充分利用风能；若p = 9 0 。时，即风轮扫略面平 行于风向时，风轮吸收的功率为零。所以在风速过大时，可以通过使风力发电机调 向的方式达到限速的目的。 1 2 2 风力发电机的限速安全机构 风轮转速和功率随着风速的提高而增加，风速过高会导致风轮转速过快和发电 机超负荷，危及风力发电机的安全运行。限速安全机构就是在风速过大时限制风轮 转速和发电机的输出功率，提高风力发电机运行的安全性和可靠性。它因形式的不 同，分为定桨距式限速安全机构和变桨距式酿速安全机构。 1 2 2 1定桨距式限速安全机构 定桨距是指叶片固定在轮毂上，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。 为了避免强风时风轮超速甚至叶片被吹毁，常采用的定桨距式限速安全机构有：偏 向式、气动阻力式、阻尼板式、阻力叶片式、空心叶片式等等。 偏向式限速安全机构是采用使整个风轮水平或是垂直转角的办法，偏离主风 向，减少迎风面积，达到超速保护的目的，如图2 所示n 埘。这种机构结构简单、维 4 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 护方便、成本低，一般风力机制造厂家都愿意采用这种限速方式。正确选择弹簧的 拉力和侧翼面积的大小是影响限速精确性的重要因素，通常要经过多次、反复的实 验来确定m ，；而且在经过长时间的使用后，弹簧易发生变形，使限速安全机构不再 可靠，需要定时更换弹簧。 图2 偏向式 气动阻力式限速安全机构是把叶尖设计成可绕控制轴转动的活动部件，在风轮 超速时，叶尖可绕控制轴转6 0 。或9 0 。，从而产生空气阻力，对风轮起制动作用倌， 如图3 所示。它的旋转可由弹簧、液压系统或伺服电机来驱动。但这种机构不能使 叶片完全停止下来，而是使风轮转速限定在允许的范围内，作为制动系统的辅助机 ， 构。 - - - nfpf if j u 图3 气动阻力式 1 2 2 2 变桨距式限速安全机构 变桨距是在定桨距的基础上加装桨距调整环节，风轮叶片的安装角能随风速的 变化而变化。它能改变叶片的气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善“。常 采用的变桨距式限速安全机构有：离心式、气力式、液压式、电动式等。 离心式限速安全机构是利用桨叶或安装在风轮上的配重所受的离心力进行控 制。当风轮转速随风速的增大而增加时，配重受离心力的作用压缩弹簧，致使桨距 改变，直至处于平衡状态n ，。因离心式具有结构简单、便于安装、造价低廉的优点， 成为小型变桨距风力发电机上应用最普遍的限速装置。 液压式限速安全机构是通过微机指令使电磁阀打开，变桨距液压油缸动作，拉 动叶片向叶片安装角增大的方向转动一定角度，使叶片接受风能减少维持风轮运转 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 在额定转速范围内n 们。其优点是动力大，工作平稳，易于控制。目前风力发电市场 上的大型风力发电机尤其是2 m w 以上的多采用液压式。 1 3 研究的主要内容和意义 1 3 1研究的主要内容 本文主要针对3 0 0 w 风力发电机的自动限速安全机构，从控制方案、工作原理、 实验验证等方面进行深入分析和研究，主要内容包括： ( 1 ) 广泛参考国内外风力发电相关技术文献，全面了解风力发电发展的历史 与现状，尤其在风力发电机限速控制方面，掌握风力发电技术发展趋势，明确课题 任务。 ( 2 ) 了解和掌握3 0 0 w 风力发电机的工作原理和结构，提出风力发电机的自动 限速方案。 ( 3 ) 选择发电机的输出电压作为限速的控制参数，通过实验台实验，得出不 同转速下发电机输出电压与转速的关系。根据控制参数进行自动控制系统的详细设 计，其中主要包括控制系统原理的设计、电气元件的选择、电气控制柜的制作，并 对自动控制系统工作时的功耗进行计算。 ( 4 ) 计算3 0 0 w 风力发电机调向时的最大阻力矩，并按照此数值选择合适的调 向设备，主要包括电动机和减速机的选择。 ( 5 ) 对实验设备和器件进行组装、调试，通过实验进一步验证自动限速安全 机构是否达到设计要求，给出结论，总结其优点与不足。 1 3 2 研究的意义 本课题属内蒙古农业大学博士科研启动基金项目“2 k w 低转速永磁发电机及其 刹车装置的研制 中的一部分。 能源短缺及环境污染问题的日益严重，使得风力发电越来越受到世界各国的重 视。其中风力发电机的自动限速安全机构非常关键，它能够在超过可用风速范围时 限制风轮转速和发电机的输出功率，对提高风力发电机运行的安全性和可靠性，延 长使用寿命，加速风力发电机的普及和应用都具有十分重要的意义。 2 风力发电机自动限速方案 2 1 风力发电机的结构“， 风力发电是指风轮在风力的作用下旋转，通过风轮轴带动发电机发电的过程。 它是把风的动能转变为风轮轴的机械能，再由机械能转变为电能。风力发电机的结 构如图4 所示，包括风轮、发电机、配重、联接底板、回转体、限速安全机构、塔 6 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 架。除此之外，普通离网型风力发电机还应有尾翼、刹车装置、储能装置和逆变器 等。其中限速安全机构前面已经介绍，这里不再重复。 厂 一i 一i 一 4 6 7 1 风轮2 发电机3 配重4 联接底板5 回转体6 限速安全机构7 塔架 图43 0 0 w 风力发电机结构示意图 2 1 1风轮 风轮是集风装置，其作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能， 它主要由叶片和轮毂两部分组成。 一般风力发电机的风轮有2 或3 个叶片，设计优良的叶片可获得大的升力和小 的阻力。本设计中的风轮采用3 叶片，翼型为n a c a 6 3 4 1 2 型修型翼型，由玻璃纤维、 樟松等轻质材料制成，如图5 所示。 轮毂是用来连接叶片与风轮转轴的固定部件，它将来自叶片的载荷传递到风轮 内蕞古农业大学硕士学位论文 的支撑结构上 田5 叶片 212 发电机 发电机是将风轮旋转的机械能转变为电能的设备。小型风力发电机一般采用风 轮与发电机直接连接，太型风力发电机为限制其转速，风轮需通过传动装置与发电 机连接。 本设计采用的发电机为包头市电机厂生产的f d 25 - 0 3 t 型永磁同步发电机， 额定功率3 0 0 w ，额定电压2 8 v ，额定转速4 0 0r m i n 。同步发电机与直流发电机相 比，其优点是效率高，低转速下比直流发电机发出的电能多，能适应比较宽的风速 范围。而永磁式发电机的优点是省去了励磁绕组、集电环与电刷，从而使发电机具 有结构简单、维护方便、电机结构紧凑、体积小、效率高、功率质量比大的特点m 1 。 2 13 塔架 塔架是风力发电机的支撑机构，它能将风轮支撑到较好地捕获风能的高度。一 般采用由角钢或圊钢组成的桁架结构。 2 1 4 尾翼 尾翼能使风力发电机的风轮随时都迎着风向，最大限度地获取风能。尾翼一般 都设在风轮的尾端，处在风轮的尾流区里。 2 1 5 刹车装置 刹车装置是由一个钢制刹车盘和一个或多个与其相互作用的摩擦片或刹车钳 组成，通过刹车盘与摩擦片或刹车钳之间的瘴擦阻力来实现风机的停转。 8 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 2 1 6 储能装置 风力发电机发出的电能一般不能直接用在电器上，而是先储存起来。蓄电池是 风力发电机采用的最为普遍的储能装置，即把风力发电机发出的电能先储存在蓄电 池内，再向直流电器供电或转变为交流电向交流电器供电。 2 1 7 逆变器 逆变器是将直流电转变为交流电的装置。 2 2 自动限速方案 自动限速安全机构主要由自动控制系统和调向系统组成。自动控制系统用来判 断风力发电机是否需要调向，如需调向则通知调向系统。调向系统用来执行风力发 电机的调向动作。 自动限速机构 图6 自动限速方案 当风轮遇到强风而导致转速过快使发电机输出电压超过规定值时，自动控制系 统能够自动、迅速接通调向系统，使风力发电机在水平方向上旋转9 0 。，以避开主 风向达到风轮减速或停转的目的。调向完成后，自动控制系统各电气元件能够自动 复位，以备下次调向限速。 3自动控制系统的设计 3 1发电机输出特性与转速关系的实验研究 3 1 1控制参数 根据风力机械标准汇编中安全机构的规定：对于不小于i k w 的风力机，安 全机构应能限制风轮最大工作转速不超过1 2 5 额定转速；对于小于i k w 的风力机， 安全机构应能限制风轮最大工作转速不超过1 5 0 额定转速嘲。本设计中3 0 0 w 风力 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 发电机采用风轮与发电机直驱式连接，即风轮与发电机之间无增速箱，所以风轮转 速与发电机转速相同。要实现限制风轮最大工作转速不超过1 5 0 额定转速，只要限 制发电机最大工作转速不超过1 5 0 额定转速即可。但考虑到发电机转速控制不容易 实现，所以选择发电机输出电压作为控制参数。 风速越大风轮旋转越快，从而带动发电机转速也越快，其输出电压也就越大。 要想限制发电机最大工作转速不超过1 5 0 额定转速，即可通过限制此时发电机的输 出电压来实现。 3 1 2 实验仪器及设备 ( 1 ) 精密型滑差电机调速装置 型号：l d 2 b - 1 1 ，测量范围o 1 6 0 0 r m i n ，生产厂家：中国农牧业机械鉴定站 研制。 ( 2 ) 电磁调速电动机 型号：y c t 2 2 5 - 4 a ，额定转矩：6 9 1 n m ，调速范围：1 2 5 1 2 5 0 r m i n ，绝缘等 级：b 级，激磁电压：8 0 v ，激磁电流：1 9 1 a ，生产厂家：中国农牧业机械鉴定站 研制。 ( 3 ) 转矩转速传感器 型号：z j 型，额定转矩：l o k g m ，齿数：1 2 0 ，精度：l 级，转速范围：o 4 0 0 r m i n ，轴温系数：- 0 0 3 ，标定系数：1 5 7 2 ( 环境温度2 5 。c ) ，生产厂家： 上海良标智能终端股份有限公司。 ( 4 ) 微机型转矩转速记录仪 型号：z j y w ，生产厂家：中国农牧业机械鉴定站研制。 ( 5 ) 三相硅整流电桥 用来将发电机发出的三相交流电整流成单相直流电，生产厂家：内蒙古农业大 学电工实验室。 ( 6 ) 滑动变阻器 若干，生产厂家：中国上海艾镇五金厂。 ( 7 ) 蓄电池 共2 块，容量：1 6 0 a h ，生产厂家：哈尔滨企鹅蓄电池厂。 ( 8 ) 数字万用表 共3 块，用来测量电压和电流，生产厂家：深圳华谊仪表有限公司。 ( 9 ) 导线 若干。 0 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 313 实验工作原理 田7 实验i 作理框目 发电机输出特性与转速关系实验的工作原理如图7 所示。采用滑差电机调速装 置和电磁调速电动机来调整转速，通过转矩转速传感器对输出转矩和转速进行实时 测试，并通过转矩转速电录仪记录结果，即得到被测发电机的转矩和转速值。同时， 用电压表测量发电机的输出电压并记录。发电机的输出端接三相硅整流电桥，交流 电经三相硅整流电桥整流后变为直流电供给负载，用电压表和电流表测负载两端的 电压和通过它的电流并记录。发电机实验台实验的照片如图8 所示。 圈8 发电机实验台实验的月片 314 实验分析与结论 根据风力机械标准汇编中风力发电机组用发电机负载特性曲线的测定中规 覆搿。囊f 爵一懿 蕊 内蒙古农业大学硕士学位论文 11 定：发电机分别在6 5 、8 0 、1 0 0 、1 2 5 、1 5 0 额定转速下，用直接负载法( 电阻 负载) 测定此时发电机的输出功率和发电机的实测效率，额定转速以下时，保持输 出电压为额定值，额定转速以上保持额定功率时的电阻不变，以转速为横坐标，效 率和输出功率为纵坐标做出关系曲线，2 k w 及以上的发电机不做1 5 0 额定转速实验 脚。保持额定功率时的电阻不变，主要考虑了蓄电池是风力发电系统的一个不变的 负载。同时，这种测试方法也考虑了蓄电池容性稳压作用的局限性，即当发电机的 输出功率大于额定功率时，发电机的实际输出电压大于发电机的额定电压啪，。 本设计除了在以上规定的转速外，还增加了测点，即发电机在6 0 、6 5 、7 0 、 8 0 、9 0 、1 0 0 、1 1 0 、1 2 0 、1 2 5 、1 3 0 、1 4 0 、1 5 0 额定转速下，分别测出当 负载为电阻和蓄电池时发电机的输出特性与转速的关系，并作它们的关系曲线。重 点测出当负载为蓄电池时不同转速下发电机输出电压与转速的关系，做出关系曲 线，为风力发电机的限速研究提供参数依据。 3 1 4 1输出功率和效率的计算 出= u i & 入= n 拧 气出= 入7 7 由( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) 得： u l 1 1 = n n 式中：出输出功率，w ； p 输a - - 输入功率，w ； u 一负载电压，y ； ，一负载电流，a ； 一一扭矩，n m ； ”一一转速，r a d s ； 7 7 一效率。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 3 1 4 2 曲线绘制 ( 1 ) 负载为电阻时发电机输出功率和效率与转速关系曲线 对3 0 0 w 发电机实验台测试实验数据进行处理，获得稳定转速下输出功率和效 率与转速的对应关系。实验数据见附表1 ，输出功率和效率与转速关系曲线如图9 所示。 12 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 5 0 0 4 5 0 4 0 0 功3 5 0 盔3 0 0 ，、2 5 0 w2 0 0 一1 5 0 1 0 0 5 0 o 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 转速( r p m ) 0 8 o 7 o 6 o 5 效 0 4 塞 o 3 0 2 0 1 o 图9 负载为电阻时3 0 0 w 发电机输出功率和效率与转速关系曲线 ( 2 ) 负载为蓄电池时发电机输出功率、效率和电压与转速关系曲线 对当负载为蓄电池时的实验台测试实验数据进行处理，获得稳定转速下发电机 输出功率、效率和交流侧电压与转速的对应关系。实验数据见附表2 ，输出功率和 效率与转速关系曲线如图1 0 所示，输出电压与转速关系曲线如图1 1 所示。 5 0 0 4 5 0 4 0 0 功3 5 0 忘3 0 0 ，、2 5 0 w2 0 0 一1 5 0 1 0 0 5 0 o 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 转速( r p m ) 0 8 0 7 o 6 o 5 鍪 o 3 0 2 0 1 o 图1 0 负载为蓄电池时3 0 0 w 发电机输出功率和效率与转速关系曲线 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 交 流 电 压 ，、 v 、- 一 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 转速( r p m ) 图1 1负载为蓄电池时3 0 0 w 发电机输出电压与转速关系曲线 3 1 4 3 实验结论 通过数据处理和分析可以得知发电机的性能良好，且由图1 1 可以看出发电机 的输出电压随着转速的增加而不断增大，当转速超过5 0 0 r m i n 后交流电压的增加 变得缓慢。针对本设计中3 0 0 w 永磁同步发电机，应使发电机转速在额定转速的1 5 0 时，即6 0 0 r m i n 时风力发电机自行启动限速安全机构，此时所对应的输出电压为 2 5 5 v 。 3 2 自动控制系统工作原理 自动控制系统是通过发电机输出电压的大小来控制调向系统是否动作的，在风 力发电机实际运行时，发电机输出电压的大小随风速的情况而不断变化，所以要对 此信号随时进行监控。图1 2 为自动控制系统工作原理框图。 延时2 图1 2自动控制系统工作原理框图 拍筋筋孔孔驾船盟毖龃驵加加 1 4 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 图1 3 为自动控制系统的电气原理图。 s b k t 3 f u l 图1 3 自动控制系统电气原理图 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 正常情况：当处于可用风速范围时，发电机输出电压未达到电压检测1 的设定 电压，自动控制系统器件不动作，风力发电机正常运行。 调向情况：当超过可用风速范围后，电压检测l 检测到电压信号过大而动作， 为避免阵风过大情况，l o s ，后再进行第二次检测。若l o s 后电压信号依然过大，电 压检测2 动作，通过时间继电器控制调向系统带动回转体使风力发电机调向9 0 。 调向完成后由于风轮转速变低而使发电机输出电压变小，当小到一定值时自动控制 系统器件均能自动复位，为下次调向限速做准备。 阵风情况：若遇到短时阵风过大的情况，郎电压检测1 动作，l o s 后风速却恢复 至 正常风速范围，电压检测2 无反应。此时不需要调向，自动控制系统器件复位， 为下次调向限速做准备。 3 3 各电气元件作用及选择 自动控制系统由各种功能不同的继电器组成。继电器主要用于控制与保护电路 或作信号转换用，当输入量变化到某一定时，继电器动作，其触点接通或断开控制 回路汹，。由于风力发电机多在高寒、多风等恶劣环境下运行，且动作频繁，所以要 求自动控制系统的器件有较强的适应能力。继电器不仅温度和湿度的应用范围广， 而且体积小、重量轻、精度高、寿命长、通用性强。 本文中的自动控制系统主要由两个过电压继电器、个中间继电器和三个时间 继电器组成。 3 3 1 过电压继电器 线圈在额定电压时，动铁心不产生吸合动作，只有当线圈电压高于其额定电压 的某一值时，动铁心才产生吸合动作的继电器称为过电压继电器。特点是线圈匝数 多、导线细、阻抗大。 过电压继电器型号为d j 一1 3 1 ，电压整定范围：1 5 - - 一6 0 v 。为了避免短时风速过 大的情况，采用两个过电压继电器。1 号过电压继电器随时监测发电机输出电压， 一旦超过设定值，1 号过电压继电器动作，接通或断开后继电路。隔段时间后，2 号过电压继电器再进行第二次检测。 3 3 2 中间继电器 能够将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大( 即增大触头容量) 的继 电器称为中间继电器。它实质上是一种电压继电器，特点是触点数目较多，容量较 大。 中间继电器型号为j z 7 - 4 4 ，电压为2 2 0 v 。中间继电器的两个输出信号端，一 ! ! 型垦j 茎皇垫皇塾堡堡妻兰她蝗墅里壅 个常开触点用来实现自锁，一个常开触点用来控制调向电机的停转。 333 时间继电器 从得到输入信号( 线圈的通电或断电) 开始，经过一定的延时后才输出信号( 触 点的闭合或断开) 的继电器称为时间继电器。它的延时方式分为通电延时和断电延 时两种伽。 时间继电器型号为j s l 4 p 电压为2 2 0 v 延时范围分9 9 s 和9 9 s 两种。且奉 设计采用的均为数字式时间继电器时间的设定非常方便，只需按动按钮即可实现。 l 号时间继电器延时范围为9 9 s ，控制第一次电压检测与第二次电压检测的间 隔时间t ，。r 、太大会因调向不及时造成强风对风机的损坏，f 、太小会造成调向电机的 频繁启动从而影响电机的使用寿命。f 时间的选取可根据不同地点、季节等情况具 体调整，这里暂取为l o s 。 2 号时间继电器延时范围为9 9 s ，控制调向电机的工作时间，：。，2 时间的长短要 根据实验情况进行调整。 3 号时间继电器延时范围为9 9 s ，用来实现遇到阵风情况不需要调向时自动控 制系统器件的复位。f ，的设定非常重要，如果设定不合适甚至能影响到整个系统的 实现问题。经过对自动控制系统的实验测试，这里取为2 5 s 。 3 34 其它器件 图1 4 为电气控制柜的实物照片。 盈l 电气控触柜实物照片 内蒙吉农业大学硕士学位论文1 7 除继电器外，电气控制柜还包括： ( 1 ) 指示灯：共3 个，用来显示控制系统各种工作状态。 ( 2 ) 按钮开关：必要时用于实现自动控制系统的手动复位功能。 ( 3 ) 熔断器：共2 个，用于线路的过载和短路保护。 ( 4 ) 接线端子排：便于控制柜内部可靠接线。 ( 5 ) 控制柜：便于器件集中到一起放入箱内，方便维护和检查。 3 4 耗能计算 风力发电机正常运行时，自动控制系统各电器元件均不工作，故不消耗电能； 只有在风速增大到需要调向时，各继电器和其它器件会在较短时间内工作而且只消 耗很小的电能，调向完成后自动控制系统各电器元件均可自动恢复到原初始状态。 通过说明书可查得主要电器元件消耗电能的大小，具体数值如表1 所示。 表1器件消耗电能表 自动控制系统中共有电压继电器2 个，中间继电器1 个，时间继电器3 个，风 力发电机调向时自动控制系统消耗电能为： p 1 2 + 3 + 1 5 3 = 9 5 ( 形) 4 调向系统的设计 要使风力发电机能够安全、顺利的调向，就要验证所选择的限速安全机构能否 满足设计和使用要求，即进行机械传动部分所受正力矩和阻力矩的计算和比较，保 证正力矩大于阻力矩。正力矩为调向系统的输出扭矩，阻力矩主要由机体惯性力 矩_ 、机体风压力矩和风轮风压力矩组成。 4 1 阻力矩的计算 4 1 1 机体惯性力矩的计算 m l2 i em 式中：，机体转动惯量( 堙所2 ) ； g 平均角加速度( ，s 2 ) 。 4 1 1 1 转动惯量的计算 1 8 3 0 0 w 风力发电机自动限速安全机构的实验研究 风力发电机的转动惯量i 的计算公式为渔气 i = ( 朋。r ? b l + 朋2 r ；b 2 + 历，尺；b + ) 式中：i t 一各零部件的重量，k g ； r 一各零部件对回转中心的重心距，m ； 召零部件个数。 由转动惯量的平行移轴定理憎町：刚体对某轴的转动惯量，等于刚体对通过其质 心且与该轴相平行的轴的转动惯量，加上刚体的质量与两轴间距离的平方之乘积。 即： i ：一i ：+ m d 2 式中：m 刚体质量，k g ； d 刚体质心到转轴的距离，m 。 ，共分为六部分，包括叶片转动惯量0 、轮毂转动惯量，：，、转轴转动惯量，” 发电机转动惯量，。，、配重转动惯量，和回转体旋转部分转动惯量，。 ( 1 ) 叶片转动惯量 叶片形状等效为梯形，长h 为l1 3 0 r a m ，下底边a 长为1 6 0 r a m ，上底边b 长为8 0 r a m 。 每个叶片质量为6 7 5 9 ，三片总质量m ，为2 0 2 5 k g 。质心在风轮旋转平面的中心，它 到回转轴的距离为4 5 0 m m 。 旋转时叶片可等效为一质量均匀分布的圆盘，它绕通过质心的纵轴方向转动惯 且二l 里0 ： 厶2 寺研，巧2 。专2 0 2 5 1 2 5 2 = 0 7 9 1 ( k g 肌2 ) 式中：m 。叶片的总质量，2 0 2 5 k g = l r ，风轮旋转半径的长度，1 2 5 m 。 绕回转轴的转动惯量为： ，= + 砌y 彬= 0 7 9 1 + 2 0 2 5 x0 4 5 2 ：- 1 2 0 11 ( k g m 2 ) 式中：d ，三个叶片的质心到回转轴的距离，0 4 5 m 。 ( 2 ) 轮毂转动惯量 轮毂由轮毂臂、外后壁圆盘、内后壁圆筒三部分组成，此三部分焊接在一起， 如图1 5 所示，且均由钢板制成，其密度为p = 7 8 5 x 1 0 3 k g m 3 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 9 1 轮觳臂2 外后壁圆盘3 内后壁圆筒 图1 5 叶轮轮毂示意图 轮毂臂 每片形状为矩形，长2 5 2 5 m m ，宽6 0 r a m ，厚度为6 m m ，安装角为3 0 。，质量为 7 1 3 6 9 ，轮毂臂总质量为2 1 4 0 8 9 。每片上还各有螺栓螺母6 套，质量为6 6 5 = 3 9 0 9 ， 轮毂臂上螺栓螺母总质量为3 x3 9 0 = 11 7 0 9 。 轮毂臂总质量：m ，l = 2 1 4 0 8 + 1 1 7