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垂直
风力发电机
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垂直式风力发电机的设计作 者 姓 名：XXX指 导 教 师：XXX 单 位 名 称：机械工程与自动化专 业 名 称：机械工程及自动化X X 大 学2017年6月The design of wind turbines with vertical axisby XXXSupervisor: XXXXXX UniversityJune 201X- 4 -毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：垂直式风力发电机的设计设计(论文)的基本内容：1、确定风力发电机的总体设计方案，完成总图设计；2、完成零部件的计算，完成二维图的设计和绘制；3、完成设计说明的编制；4、翻译相关外文资料毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容学生接受毕业设计（论文）题目日期第周指导教师签字：年月日xi毕业设计（论文） 摘要 摘 要风能是一种取之不尽,无任何污染的可再生能源。地球上的风能资源极其丰富，据专家估计，仅1%的地面风力就能满足全世界对能源的需求。风力发电和太阳能发电一样，最初是为了解决应急电源和边远地区供电而开发出来的产品，因而在最初发展并不是很快。同时由于水平轴风力发电机的特性，小型风力发电在相当长的时间里未得到较好的发展。本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案，本系统主要面向沿海高层建筑或边远地区不便于大规模供电的用户。经过查阅大量文献资料结合必要的理论计算，系统采用四片型叶片构成H型达里厄风力机，利用永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能，经过电力电子电路对蓄电池进行充电。文中对主要支撑件和传动件进行了必要的结构校核，对所用的两个角接触球轴承进行了使用寿命校核。最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象，设计风力发电系统主要零部件，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。关键词： 垂直式；风力发电机；达里厄；CLARK Y翼型 毕业设计（论文） Abstract AbstractWind energy is an inexhaustible renewable energy without any pollution. Earths wind energy resources are extremely rich, according to experts estimate that only 1% of the ground wind will be able to meet the worlds energy needs.Wind power, like solar power, was originally developed to solve emergency power and remote areas of power supply, and thus in the initial development is not very fast. At the same time due to the characteristics of horizontal axis wind turbines, small wind power for a long period of time did not get better development.This paper introduces a small vertical shaft wind power system design, the system is mainly for coastal high-rise buildings or remote areas is not easy to large-scale power supply users. After the access to a large number of literatures combined with the necessary theoretical calculations, the system uses four-piece blade to form the H-type Dali wind turbine, the use of permanent magnet direct drive synchronous generator mechanical energy into electricity, through the power electronic circuit to charge the battery. The main support and transmission parts of the necessary structural verification, the use of the two angular contact ball bearings were used to check the life. Finally, the vertical axis wind turbine and permanent magnet direct drive generator as the main object, the design of wind power system main parts, and briefly introduce its control circuit, select the battery model.Keywords: Vertical; Wind Turbines; Dalire; CLARK Y airfoil毕业设计（论文） 目录 目录任务书i摘 要iiAbstractiii第1章 绪论11.1设计小型风力发电机的依据和意义11.2国内外风力发电现状与发展趋势21.3本次毕业设计的设计背景与应用意义4第2章 小型风力机设计制造的基本理论52.1 风力发电机的分类52.1.1 按风轮轴的安装形式分52.1.2 按风力发电机的功率分52.1.3 按风通过风轮及塔架的先后次序分52.1.4 按额定叶尖速度比分52.2 水平轴风力发电机的概述62.2.1 水平轴风力发电机的结构组成62.2.2 水平轴风力发电机各组成部分概述72.3 垂直轴风力发电机的概述102.3.1 垂直轴风力发电机的结构组成102.3.2 垂直轴风力发电机的各组成部分概述112.4 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机的比较132.4.1 结构特点及组成的比较132.4.2 风能利用率的比较132.4.3 环保方面的比较14第3章 小型风力发电机的总体方案确定153.1风力机的选择153.2 垂直轴风力机空气动力学163.2.1 风能利用率183.2.2 Cp-功率特性曲线183.2.3 贝茨极限193.2.4 叶尖速比193.2.5 风力机的各项参数计算203.3 叶片选型213.3.1 叶片实度223.3.2 叶片形状及材料24第四章 电气设备设计254.1 基本原理254.1.1 法拉第电磁感应原理254.1.2 相位角及功率因数254.2 转化装置264.1.1发电机的分类及设计类型选择264.2.2 直驱式永磁同步发电机264.2.2 电气系统电路设计28第5章 增速器设计295.1 材料、种类选择295.2 传动比分配和模式确定295.3 按齿面接触强度设计295.4 按齿根弯曲强度计算315.5 比较结果和确定32第6章其他部件的选择及设计346.1 拉索的选择及受力计算346.2 蓄电池和选型356.2.1 蓄电池的种类及工作基本原理356.2.2 蓄电池选型356.3箱体的设计366.3.1 箱体的外形设计366.3.2 箱体的防锈与密封36第7章 结论37致谢38参考文献39附录A 英文翻译40毕业设计（论文） 第1章 绪论第1章 绪论1.1设计小型风力发电机的依据和意义随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。风能发电是目前为止技术最为成熟，历史最为悠久的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，美国的Brush研制了第一台12kW的直流风力机。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)记录了早期的风力机发展史。1931年，苏联制造了一台100kW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100kW、直径24m的Andrea Enfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建造了一台200kW、直径24m的Gedser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。在德国，Hutter(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。由于石油价格突然上涨，美国开始建造一系列示范风力机组，如1975年的功率100kW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW1，如图1-1所示。 图1-1 Enercon的E-126型风力发电机我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24104km2。考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120104MW。目前我国风能资源开发利用的重点区域有内蒙古自治区、辽宁省、河北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、江苏省等，其中内蒙古自治区技术可开发量约为50104MW，居全国之首2如图1-2所示。图1-2 全年平均风能密度分布在国家可再生能源发展规划和风电装备国产化等相关政策的支持下，我过风电产业得到了快速发展，截止到今年中国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量13803.2MW，年同比增长124%；累计风电装机21581台，容量25805.3MW，年同比增长114%。台湾省当年新增风电装机37台，容量77.9MW；累计装机227台，容量436.05MW3。1.2国内外风力发电现状与发展趋势国际风力发电现状自20世纪80年代起,美国等西方国家开始研究并设计风力发电机设备,着手使用风能来发电,并切向着商业化而努力。在短短的时间内，美国的风电装置的数量得到飞速的提高,但由于一些原因，美国在1986年突然停止了对风力发电的优惠政策和鼓励政策,风电装机容量的增长势头出现放慢。相反在欧洲的一些国家却不断制定出了相对全面的包括利用风能等的开发新能源并利用的政策,使得欧洲的风电装置数量不断增加,所以在总体上,世界的风电装机容量还是处于一个增长的势头。由丹麦BTM咨询公司提供的数据,在19962001年中，每年装机容量平均都增长了约为32.6%。截止2001年底,全球累计总风力发电机容量已达到25 273 MW,而在短短的2001年，世界新增装机容量就为6 824 MW。如表1-1所示。表1-1 2001年世界累计风电装机容量前10的国家年份199920002001德国444061108730美国245026104250西班牙181028403550丹麦174023402460印度104012201460意大利280420700英国360430530荷兰430470520中国260340410希腊160270360全世界139321844925273从表1-1中，我们能发现，发电机容量最多的国家是德国, 2001年新增装机容量为2 620 MW,总量为8 730 MW,为世界之首;西班牙的新增发电机为710 MW,总量为3 550 MW,处于世界第三;丹麦是世界上制造风力发电设备水平比较发达的国家之一,它拥有世界上较为先进的风力发电机制造产业。除了这些,丹麦也大力发展自己国内的风力发电事业,使得丹麦的风力发电机新增了120 MW,总量为2 460 MW,处于世界的第四位;世界第五位的是印度，它是发展中国家风力发电事业最发达的国家,2001年一年中，新增了240 MW,总容量为1460 MW。70年代起，中国开始进行了并网型风力发电机的研究和开发设计。山东从1983年开始着手引进了3台丹麦Vestas55 kW的风力机组,进行了并网型风力发电机技术的试验。接着在1986和1989年在新疆的达坂城分别安装1台丹麦制造的Micon 100 kW和13台丹麦制造的Bonus150 kW风力发电机组,并且在内蒙古的朱日和装了5台美国制造的Windower 100 kW风力发电机组,从此开始了中国风电场的运行试验。2001年底,中国风电总发电机量为410 MW,处于世界第九。中国蕴藏着丰富的风能,据统计，可利用的风能约253亿kW,但是，由于技术原因，我国的风力资源还没有得到十分充分的利用与开发5。 “十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。至2006年，中国风电总容量已经达到2600兆瓦，成为继欧洲、美国和印度世界三巨头之后，发展风力发电的主要国家之一。2007年以来，中国的风电产业规模更是出现了暴发式增长态势。就2008年，中国新增的风力发电容量就有7190兆瓦，增长率108%，累计容量超过了13000兆瓦。山东、辽宁、内蒙古、广东、新疆等地区由于丰富风能资源，所以风电产业得以飞快的发展。中国风能等利用新能源而发电的行业有很宽广发展的前景，预计在未来的很长一段时间力，我国的风电产业将继续飞速发展，同时随着技术的逐渐成熟，盈利的能力也能逐步提高。随着中国风电发电的规模化和发电机的国产化，风电的成本问题将得到解决。所以风电慢慢变成许多投资者的投资目标。诸如风力发电场的建设、并网发电、风力发电设备的制造等许多领域将成为投资的目标，有良好的发展空间6。1.3本次毕业设计的设计背景与应用意义由于市场经济的快速发展与城市化的推广，城市、城郊的公共设施晚间灯箱指示越来越多，而其带电电线的星罗棋布，十分容易造成安全隐患。若应用低风速小功率风力发电蓄电供电，也就可消除不少不安全因素，同时又节能环保，减少城市用电负担。目前开始普及的风力发电路灯其风力发电实际检测均在风速3m/s才能启动，如上海地区正常情况下，风速2.32.5m/s的较多，因而也就造成了目前不少风光互补路灯不能充分利用低速风能，风力发电时间较短的情况。本课题来自于社会的需求，风力是一种清洁能源，是一种环保能源。相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪音等众多优点，具有更加广阔的市场应用前景，相信在不久的将来，垂直轴风力发电机将大有作为7。因此充分利用低速风能的垂直轴风力发电机的设计在提倡可持续发展的今天显得尤为重要。- 82 -毕业设计（论文） 第2章 小型风力机设计制造的基本理论第2章 小型风力机设计制造的基本理论2.1 风力发电机的分类2.1.1 按风轮轴的安装形式分(1) 水平轴风力发电机(HAWT) 风轮轴线的安装位置与水平面夹角不大于。其叶片翼形通常使用飞机翼形，它以类似螺旋桨式的叶片绕水平轴旋转。风轮的扫掠面与风向垂直，并随风向变化而迎风回转8。(2) 垂直轴风力发电机(VAWT) 风轮轴线的安装位置与水平面垂直。其叶片绕垂直轴旋转。(3) 倾斜轴风力发电机(IAWT) 风轮轴线的安装位置与水平面夹角为 (不包括)。它的应用范围较少。2.1.2 按风力发电机的功率分(1) 微型风力发电机 额定功率在 1000 W的风力发电机。(2) 小型风力发电机 额定功率在 1.0 10.0 kW的风力发电机。(3) 中型风力发电机 额定功率在10.0 100.0 kW 的风力发电机。(4) 大型风力发电机 额定功率在 100.0 kW 的风力发电机。2.1.3 按风通过风轮及塔架的先后次序分(1) 上风式风力发电机 使风先通过风轮再通过塔架的风力发电机。(2) 下风式风力发电机 使风先通过塔架再通过风轮的风力发电机。2.1.4 按额定叶尖速度比分(1) 高速风力发电机 额定叶尖尖速比 3的风力发电机。(2) 低速风力发电机 额定叶尖尖速比 kn(2) 柔塔的固有频率 kn n在之间(3) 甚柔塔的固有频率 40% 。前面已经提到了，虽然许多设计如此，但这种设计方法本身是有缺陷在其中的，这样计算所得的数据的正确性需要多多的推敲推敲。当然，风力发电厂的风力发电机都是根据实际测量得到的风速和实际风机输出功率去绘制出风的功率曲线图，虽然比起单单根据叶片的设计所得的数据来说，要正确许多，但是先繁琐不说，此法扯得风速，已经是经过风轮后，那些小于实际的风的风速，所以这样测量出来的数据比实际的应该要高些，应当需要修正。根据风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册的修正方法修正后，水平式的风能利用率要被削减大约30%-50% 。对于小型水平式的风力发电机的风能利用率，有关部门曾作过对于的风洞实验，实际测量出，其利用率大约在23%-29%。由于先前经常采用叶素理论来计算设计垂直式风力发电机的风能利用率，可以得出利用率比水平式差的结论，但是通过上海麟风风力发电设备有限公司的CFD模拟数据，垂直式风轮的风能利用率不比水平轴的低，国外也有机构通过实验证明，垂直式风力发电机的风能利用率在大于40% 。而且，在实际环境中，风向是时常发生改变的，水平式的风轮的迎风面不可能始终对着风，这就会引起了“对风损失”，而垂直式风轮则不存在这个问题，因此在考虑了对风损失之后，垂直式风轮的风能利用率可以超过水平式风轮。2.4.3 环保方面的比较虽然风力发电是清洁能源，能起到很好的环保作用，但是随着越来越多大型风电场的建立，一些由风力发电机引发的环保问题也凸显出来。这些问题主要体现在两个方面： 一是噪音问题，二是对当地生态环境的影响。高尖速比的水平轴风轮在高速运行状态下，叶片切割气流会产生很大的气动噪音，给人们的生活带来不便。不但如此，其产生的特殊声音频率还将吸引部分鸟类、蝙蝠等飞行类生物，致使它们惨死在风轮之下。这就是为什么近年来生态学家，尤其是鸟类学家反对风力发电的重要原因12。而低尖速比的垂直轴风力发电机就特别适合在城市中的公共设施、民宅等场所，它运行时基本不产生噪音气动，甚至达到了静音效果，因而有着更为广阔的应用范围。毕业设计（论文） 第3章 小型风力发电机的总体方案确定论第3章 小型风力发电机的总体方案确定3.1风力机的选择风力机的分类方法很多，其中按风力机主轴布置方向可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，水平轴风力机的旋转主轴与风向平行，如图3-1所示。水平轴风力机组有两个主要优势：1.实度较低，能量成本低；2.叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。图3-1 水平轴风力发电机垂直轴风力机的旋转主轴与风向垂直，如图3-2所示，垂直轴风力机设计简单，风轮无需对风，其优点有：1.可以接受任何风向的风，无需对风；2.齿轮箱和发电机可以安装在地面，检修维护方便。图3-2 垂直轴风力发电机按照桨叶受力方式分类可分为升力型风力机和阻力型风力机。升力型风力机利用叶片的升力带动旋转轴转动，从而转化风能为电能，这种风力机目前较为常见，大部分水平轴风力机都属于升力型风力机。目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高等优点，其叶尖速比通常在4以上，最大功率系数可达50%，如图3-3所示。阻力型风力机利用叶片上受到的阻力来驱动发电机发电，大部分阻力型风力机为垂直轴，目前较少，如图3-4所示。图3-3 升力型风力发电机图3-4 阻力型风力发电机垂直轴升力型风力机既有垂直轴风力机结构简单、维修方便等优点，又和升力型风力机一样具有较高转速，风能利用率有所提高。由于运行过程中受力比水平轴好得多，疲劳寿命要更长。综上，我们选择垂直式升力型风力发电机。3.2 垂直轴风力机空气动力学如图3-5所示建立平面坐标系，假定风速矢量为v，叶片端线速度矢量为u，叶片所在位置夹角为，则叶片的平均线速度为5 （3.1）在图3-5中，风速矢量v=（0，-V），叶片速度矢量u=（-Usin,Ucos），风对叶片的相对速度w=v+u，坐标运算后得w=（-Usin，-V+Ucos）。图3-5 垂直风力机动力原理相对风速的大小就是矢量w的模|w|，以表示w的单位矢量，表示u的单位矢量，则可以求出此时的攻角，攻角就是相对风速与叶片弦长所在直线的夹角，按照矢量计算可推得： （3.2）在风力的作用下，叶片在攻角时受到的升力和阻力可以按以下公式计算： （3.3） （3.4）将升力和阻力投影到风轮切方向： （3.5） （3.6）其中Flt为Fl在切向的分量；Fdt为Fd在切向的分量。叶片受力分解如图3-6所示6。图3-6 垂直风力机的叶素力学模型切向力的合力产生转矩使风轮转动，叶片在位置角为时产生的转矩为 （3.7） 3.2.1 风能利用率风能利用系数Cp是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不能完全转化为风轮机械能，其风能利用率Cp为7 （3.8）其中Pm为风力机输出的机械功率；Pw为风力机输入的风能。目前大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方计算得到的，一般在40%以上。由于之前一般都是利用叶素理论来计算垂直轴风力机的风能利用率，得出的结果不如水平轴，但是根据国外最新的实验表明垂直轴的风能利用率不低于40%8，再加上水平轴风力机受到风向变化的影响，而垂直轴风力机可以在任何风速角下工作，因此有理由相信垂直轴风力机的利用率能够超过水平轴。3.2.2 Cp-功率特性曲线风能利用系数Cp一般是变化的，它随着风速与风轮转速变化而变化，叶片尖端线速度与风速之比叫做叶尖速比（将在第3.2.4节具体说明），为了得到最佳的风能利用率，一般根据Cp-曲线来选择合适的叶尖速比，如图3-7所示。图3-7 Cp-曲线图从图3-7中看出，当叶尖速比达到7.5左右时风能利用系数最大，风能利用率最高，Cp值有一个最大值，实际风力机一般都达不到这么高的风能利用率，所以我们先初定叶尖速比在=6，风能利用率Cp=0.4时对风力机进行设计，具体的Cp-图还需根据具体的风力机叶片试验及攻角调整来确定。3.2.3 贝茨极限风能利用系数缩短能达到的最大值就是贝茨极限，德国空气动力学家Albert Betz提出贝茨极限后,直到今天还没有人能设计出超过这个极限的风力机，该极限不是由于设计不足造成的，而是因为流管不得不在致动盘上游膨胀，使得自由流速比在圆盘处小，贝茨极限由一下微分方程得出9： （3.9）式中a为气流诱导因子。解微分方程可知当a=1/3时，Cp最大，求得最大Cp=0.953。3.2.4 叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至8。在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。叶尖速比计算公式为 （3.10）3.2.5 风力机的各项参数计算1. 风力机有效功率：风力机有效功率可由下式求出：式中： 风能利用系数，最大值是贝兹极限59.3%；空气密度，；A风轮的扫掠面积，；V风速，m/s。就本设计而言：取叶片数为4，叶尖速比=5，取，=1.25，V=8m/s。2.风轮扫掠面积S及风轮直径D的设计(1)风力机功率的计算发电机发出的功率为500W，其中要经过联轴器，增速机构，发电机，取联轴器效率为0.99，滚动轴承效率为0.99，闭式齿轮效率为0.97，发电机效率为0.71。故： (2)风轮的扫掠面积S的确定风力机有效功率 ，故风轮扫掠面积S为： 式中 P为风力机实际获得总功率，W；为空气密度，kg/m3；取标准值1.25 kg/m3；S为风轮的扫风面积，m2；v为上游风速，m/s。(3)风轮直径D的确定以上结果表明：通过风功率为1384.02W的风力机组，扫掠面积为4.325 m2，在风速为8m/s的情况下发电功率为500W。风轮高度与直径的比值为风轮的高径比，应该在输出相同功率时叶片制造费用最低的条件下，选择高径比，研究表明，高径比为1附近时相同的材料扫风面积最大，其中H为风轮高度，D为风轮直径。求出风轮扫掠面积A后，便可计算出风轮直径： 由得到H=2.2m，D=2.0m，产生的扫掠面积基本上能符合要求.风力机转矩：（4）风轮转速n 的计算及增速比i 的确定由可再生能源及其发电技术表3.15与表3.16取尖速比为5，叶片数为4。风轮转速:角速度=线速度/半径 (5-1) = 8 m/s/ 1m = 8 rad/s 转速=角速度/ 2 (5-2) = 1.4 r/s = 84.3 r/min故增速比 3.3 叶片选型叶片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性，其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有这直接影响，因此叶片是风力机的重要部件。叶片的设计目标主要有：1. 良好的空气动力外形；2. 可靠地结构强度；3. 合理的叶片刚度；4. 良好的结构动力学特性和启动稳定性；5. 耐腐蚀、方便维修；6. 满足以上目标前提下，尽可能减轻叶片重量，降低成本。根据目前市场上同类型产品中广泛采用的风轮类型，故决定选用经过大量风洞实验和长期实践应用都被认为较为理想的CLARK Y翼型为剖面翼型、通过直径为6mm不锈钢棒两头均以螺纹方式将翼型叶片与连接器相连，构成的4叶H型风轮为本次风机结构。3.3.1 叶片实度风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。垂直轴风力机的叶片实度计算公式为： （3.12）升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长，N为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，为实度比。合理选取实度比的原则是在保证风轮气动特性的条件下，力求使制造叶片的费用最低。为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求： 1. 升力系数斜度大；2. 阻力系数小；3. 阻力系数与零升角对称。为了实际安装面积等的需求，风机整体尺寸不宜过大，通过多次迭代计算，确定风轮扫掠直径为2m，叶片的弦长为0.25m。3.5风机输出转矩的计算根据CLARK-Y翼型升力与阻力系数与迎角的关系曲线图，如图3-7所示：图3-7 CLARK-Y翼型升力与阻力系数与迎角的关系曲线因为风轮的连续工作性，使得其在某一微小时间内总有一片叶片处于最佳迎角，所以最佳迎角13时所获风动能最大，即就是风轮输出的最大转矩。如图3-8所示。由公式 (3-2) (3-3) (3-4)式中: 空气密度，1.205 kg/m3 R风轮扫掠半径，m S单个叶片受风面积，m2 M叶片接受风能后形成的转矩，N*m N叶片接受的风能功率，W解得：当风速为2.50m/s时，M = 1.6656 N*m 当风速为3.00m/s时，M = 2.3982 N*m 当风速为3.55m/s时，M = 3.3582N*m 当风速为4.26m/s时，M = 4.8360 N*m 3.3.2 叶片形状及材料1.叶片螺栓受力处采用杉木，其余有尺寸标注的用Balsa木（轻木）填充，剩下的为泡沫材料填充，外蒙用E-玻璃纤维进行3D编织而成的玻璃纤维蒙皮。2.选择直径在厘米以上、树干通直且外观无缺陷的杉木新伐原木。3.对杉木沿径向方向下料。4.将下料后的杉木径切成适当规格的毛坯板，并烘干至含水率低于。 5.通过目测，选择直纹理、材质均匀、年轮宽度小于且分部均匀、外观无生长缺陷和加工缺陷的毛坯板作为待加工件。毕业设计（论文） 第4章 电气设备设计第四章 电气设备设计4.1 基本原理4.1.1 法拉第电磁感应原理磁通量的变化将产生感应电动势，闭合电路的一部分导线切割磁感线将产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应，之后许多科学家试图解释这一现象，1831年8月，法拉第认为感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。法拉第电磁感应定律可用以下公式表示： （4.1）其中：e为感应电动势，N为线圈匝数，为磁通量变化量。导线切割磁感线产生的感应电动势可用以下公式表示： （4.2）其中B为磁感应强度，L为导线长度,v为导线切割速度。4.1.2 相位角及功率因数瞬时电压及瞬时电流由以下公式得到： （4.3） （4.4）其中Um为电压最大值，Im为电流最大值，是瞬时电压与瞬时电流的夹角。瞬时功率为： （4.5）在一个周期内对瞬时功率积分获得平均功率： （4.6）对于三相电流，每相电流等于的线圈电流，实际产生的功率为： （4.7）式中即为功率因数。4.2 转化装置4.1.1发电机的分类及设计类型选择发电机分为直流发电机和交流发电机两大类。直流发电机又分为有刷直流发电机与无刷直流发电机。虽然对于微小型风力发电机来说，因其功率、电压输出较小，使得其经常被采用，但根据本次毕业设计的实际应用场合上看，并不适宜用此类发电机。原因有：直流发电机由于有换向器、碳刷等额外结构与组成部件，使其结构相对复杂且较易发生故障。再加上有刷直流发电机还需定期不间断地跟换碳刷，以及无刷直流发电机成本昂贵。使得无形当中提高了设计与日常维护的成本，缩短了维护周期，增大了维护人员等的相应支出，这些无论从使用方便性与经济性等方面上讲，对于应用在室外公共场所的垂直轴风力发电机的推广和发展，显然是不利的。交流发电机又分为同步发电机与异步发电机。异步发电机是指异步电机处于发电的工作状态，从其激励方式有电网电源励磁发电(他励)和利用本身剩磁的并联电容自励发电(自励)两种情况。通过研究表明，异步发电机的起动、并网很方便且便于自动控制，价格低，运行可靠，维修便利，运行效率也较高，在早期风力发电的并网机组上基本采用此类发电机，可对于本次毕业设计独立运行这一设计应用背景来看，一般均采用同步发电机。同步发电机根据气隙磁场较成熟的建立方式可分为通过绕组通电进行励磁的电励磁与永磁体本身产生磁场的永磁励磁。同样，从实际应用出发，不需外加能量即可建立磁场，结构十分简单。综合前面的各方面比较、叙述，以及在开题报告中所预计达到的目标，从而得出本次毕业设计的发电机类型为小功率永磁同步发电机。4.2.2 直驱式永磁同步发电机永磁同步发电机适合离网型风力发电系统采用，由于发电机转子直接由风轮驱动，因此不需要安装升速齿轮箱，这样避免了齿轮箱产生的损耗、噪声以及材料的磨损等问题。目前普遍使用的永磁同步发电机主要有FD系列和YF系列，按照功率和转速选择发电机，经过查阅中国电器工程大典第九卷-电机工程P617表5.5-2 ，现选择发电机型号为FD-500，其基本参数如表4.1所示。表4-1 FD-500W发电机数据项目符号数值输入电压U14V输入有效功率P100W效率65%额定相电压14V相数m3额定相电流7.14A额定转速1500 r/min机壳外直径D140mm发电机壳长度H110mm轴伸出长度L550mm轴径d25mm图4-1 FD-500W发电机4.2.2 电气系统电路设计图4-1 系统电力控制图永磁直驱同步发电机转子输出三相交流电经过不控整流电路整流后对蓄电池进行充电，电子调压电路的功能除了对蓄电池充电的控制外，还负责多余电能的卸荷。12V蓄电池接boost电路进行升压，升压后电压为24V，整个系统对外供电电压也为24V。光电编码器的额定电压是5V，因此在电路中加入R1与R2进行分压限流。毕业设计（论文） 第5章 增速器设计第5章 增速器设计由前面的章节可知，需求的增速比i=1500/84.3=17.8 ,在这增速比下，我们只需选择最普通简单的二级圆柱齿轮增速箱就可以了，不需要选择行星齿轮等比较难的增速箱。已知，输出功率P=80V，大齿轮的转速n1=84.3r/min ,小齿轮的转速n2=1500r/min，齿速比 u=4.2，传动比i=17.8，由风轮驱动，工作寿命暂定10年（设每年工作365天），转向不变。由于驱动是由风力，速度不高，故选用7级精度（GB 1009588）。5.1 材料、种类选择由书机械设计 濮良贵等主编表10-1 选择大齿轮材料为40Cr （调质），硬度为 280HBS ，小齿轮材料为45刚（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS16。考虑到现实的应用场合，需要箱体长度较小，而且为了风轮轴和电机轴能更方便的布置，故选用同轴式的圆柱齿轮增速器。5.2 传动比分配和模式确定在传动比分配中，同轴式圆柱齿轮增速器的两级传动比常取i1=i2 。所以i1=i24.2所以设计低速轴的大齿轮 =84，设计高速轴的小齿轮=20.5.3 按齿面接触强度设计由设计计算公式 (5-3)确定公式中的各计算数值1.试选择载荷系数K=1.32.计算小齿轮的传递的转矩 (5-4)3.由表10-7选取齿宽系数 4.由表10-6查的材料的弹性影响系数5.由图10-21d按齿面硬度查得大齿轮的接触疲劳强度极限；小齿轮的解除疲劳强度极限。6.由下式计算应力循环次数 (5-5) (5-6)7.由图10-19取解除疲劳寿命系数 8.计算解除疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1，由下式的 (5-7) (5-8)9.试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。 (5-9)暂定d=100mm10.计算圆周速度v (5-10) 11.计算齿宽b (5-11)12.计算齿宽和齿高之比模数 齿高 (5-12)13.计算载荷系数根据，7级精度，由机设图10-8 查得动载系数Kv=1.15。直齿轮， 。由表10-2查得使用系数=1。由表10-4用插值法查的7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。 由=2.67，查图10-13得1.7，故载荷系数 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由下式得 (5-13)14.计算模数m (5-14)5.4 按齿根弯曲强度计算由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为 (5-15)确定公式内的各计算数值1.由图10-20c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限。 2.由机设图10-18取弯曲疲劳寿命系数, 。 3.计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，有 (5-16) (5-17)4.计算载荷系数K (5-18)5.查取齿形系数由表10-5 查得。 6.查取应力校正系数由表10-5 查得。 7.计算大小齿轮的并加以比较 (5-19) (5-20)小齿轮的数值大。8.设计计算 (5-21)5.5 比较结果和确定对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，综合考虑各项因素后，决定取模数5并近圆整为标准值m=5mm，按接触强度算的的分度圆直径= 100mm 算出小齿轮齿数 。大齿轮齿数 。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。计算分度圆直径 计算中心距 计算齿轮宽度 取 毕业设计（论文） 第6章 其他部件的选择及设计第6章其他部件的选择及设计6.1 拉索的选择及受力计算考虑到不同地区的环境因素千差万别，有些地区可能需要用到拉索加强结构稳定性，塔架的稳定方式有很多，有拉杆式、拉索式、桁架式等，而拉索式凭借其简单的结构、低廉的价格及安装简易等特点被广泛应用于各种塔架的固定。塔架用三条拉索固定与地面，每根拉索在水平面投影的夹角为120，与塔架夹角为60，拉索布置如图5-7所示。图5-7 拉索的布置按最不利原则，风速方向与y轴平行，受力如图5-8所示。图5-8 单根拉索受力分析由图5-8可得到下式：查机械设计手册起重机部分可得如表5.4所示。表5.4 拉索力学性能钢丝绳公称直径d/mm材料近似质量钢丝公称抗拉强度/MPa钢丝绳最小破断拉力/KN2钢芯钢丝绳1.55kg/100m14702.11钢丝绳数据目前市场上能够买得到的钢绳成品有许多， 67类钢丝绳直径为2mm钢丝绳可以满足我们设计需求，在地面准确位置固定地脚螺栓钢筋，钢筋端部弯成环状与钢丝绳套环连接。6.2 蓄电池和选型6.2.1 蓄电池的种类及工作基本原理电化学电池是一种把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低电压直流电能的装置，蓄电池分为酸性电池和碱性电池两大类，酸性电池也称铅酸电池，其电解质为硫酸，负极为Pb，正极为PbO2。铅酸蓄电池广泛应用于各个行业，电池价格便宜，为镉镍蓄电池的1/6；高倍率放电性能良好，可用于引擎启动，多用于汽车发动机的启动；电池电压在使用蓄电池中最高，可达到2.2V且易于浮充使用，没有“记忆”效应。鉴于以上优点，本次设计我们采用铅酸蓄电池来作为储能原件13。6.2.2 蓄电池选型沈阳松下蓄电池有限公司生产的LC-P12100ST型蓄电池满足我们的设计要求，基本参数如表5.5所示。 表5.5蓄电池参数松下蓄电池100AH电池类型阀控密闭铅酸蓄电池使用产品UPS容量100AH电压12V其他特征407173210mm6.3箱体的设计箱体主要用于安装发电机等重要部件，使这些部件免受风雨的侵蚀，要求能够防锈密封。箱体要有一定的重量才能防止让整个系统重心比较低，起到稳定的作用。6.3.1 箱体的外形设计本系统的箱体主要以长方体形为主，箱体一侧开一矩形门，方便蓄电池的安装与检修，为了防止箱体被大风倾覆，在箱体底部用地脚螺栓与地面固定。6.3.2 箱体的防锈与密封防锈：箱体材料为铸铁，在户外工作环境中难免会受到水和空气的锈蚀，锈蚀后的箱体不仅密封性降低，而且强度也受到影响，因此，必须对箱体进行防锈处理。防锈处理的最简单方法是在箱壁上喷涂防锈漆。防锈漆有油性的和水性的两种，油性防锈漆在材料表面形成油性物质，去除难，现在一般很少采用，水性防锈漆使用方便、价格低廉，但是具有一定毒性。密封：光电耦合器、发电机等都是比较容易受损的部件，如果箱体密封不严，一些雨水等具有锈蚀作用的物质进入箱体将影响到他们的正常工作。箱体的密封方法很多，有垫密封、胶密封、填料密封等等。垫密封操作简单，广泛应用于管道、压力容器及各种壳体结合面密封中，密封垫常用材料有橡胶、皮革、石棉、纸等等。本次设计采用异丁橡胶密封垫，其渗透泄露较小。毕业设计（论文） 第7章 结论第7章 结论通过此次毕业设计，使我受益匪浅，在将大学期间所学专业基础知识都全面检验一遍的同时更开阔了我的知识面，对我日后的学习和工作都将有很大的帮助。本文满足设计要求，根据设计题目主要是完成对立式振动离心机的总体结构及零部件的结构设计。本文在参照各文献后做出了垂直轴风力机的一个总体设计方案，此系统能够在较小风速下启动发电，能够满足一般家庭的供电，与传统水平轴风力发电机相比，风能利用率更高，起动风速低，噪音少，应用前景广阔。整个设计过程包括风力机叶片的设计、传动系统的设计及塔架的设计等。由于时间以及所学知识的局限性，本设计从整体上来说，还存在很多需要改进的地方。比如，增速器的外壳太过于笨重，增速器两根轴之间的定位肋板固定困难，需要在增速器外壳中间打工艺孔，虽然能解决这个问题，但安装增加了难度，外观也受到了影响对此恳请老师给予批评指正，我将在以后的工作中吸取教训。通过这次设计，使我的综合考虑问题的能力得到了提高，而且通过综合的运用机械知识，使自己的专业水平得到了很大的进步。毕业设计（论文） 致谢致谢在本次设计过程中，遇到了许多的困难，在我的导师XXX老师悉心指导下，终于完成了本次设计。X老师渊博的知识，敏锐的思维，严谨的治学态度，执着的敬业精神，高瞻远瞩的目光，务实的工作态度，平易近人的品格，让我由衷的敬佩，也为我以后的生活工作起到了极大的推进作用，在此，我谨向X老师表示最衷心的感谢和最美好的祝愿！我也要感谢我宿舍的另外4名同学，是他们，在我在一个难关卡住时，给我鼓励，给我帮助，让我感到集体的力量，并给了我许多的帮助。最后感谢各位评阅老师的评阅与指导！毕业设计（论文） 参考文献参考文献1 苏绍禹风力发电机设计与运行维护(M)北京：中国电力出版社，2002，79-822 刘万琨，张志英，李银凤，赵萍风能与风力发电技术(M)北京：化学工业出版社，2006，91-953 王承煦风力发电实用技术(M)北京：金盾出版社，1999，11-304 施鹏飞风力机的理论与设计(M)北京：机械工业出版社，1987，32-44 5 杨慧杰户用小型风力发电系统的研制D 北京:北京工业大学， 2007，8-116 李贵桃等全力打造如东风电基地J 金山下半月，2010(4)7 蒋超奇，严强水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究D上海电力，2007，163-1658 闻邦椿，机械设计手册机械工业出版社，20049卞祥垂直轴风力发电机组主轴的动力疲劳研究D.上海:上海大学，2010.42-4510哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学（I）（第六版）M北京：高等教育出版社，2002 ，90-11111齐丽丽等 国际风力发电的现状及展望J. 辽宁气象，2003,9(8) 6-712 邢钢小型风力发电机组的动态设计与计算M能源技术，2005.26(5)，189-191毕业设计（论文） 附录A附录A 英文翻译一种新型俯仰角控制的风力发电系统的设计，建模与实现尹秀星，林永刚浙江大学流体动力传动与控制国家重点实验室，浙江杭州浙大路38号；3100272014年4月14日收到，2015年3月16日接受，2015年4月10日上传摘要：文章提出了一种新颖的俯仰角控制系统，将平滑输出功率和传动系转矩波动用于风力发电机。该系统的特征在于外部开放控制回路，为增强直接俯仰运动和内在的水力机械位置控制回路提供了益处和无传感器俯仰控制。提供了务实的设计程序，而且几个关键的设计参数被确定或优化。这种音调的建模，稳定性分析和动态特性还提出了控制系统。通过比较实验结果，验证了该系统在功率和扭矩条件下的效率有效性。2015年爱思唯尔有限公司保留所有权利。关键词：风力发电机；俯仰角控制系统；水力机械位置控制回路；系统建模；稳定性分析；动态特性1、背景介绍浆距角控制系统通常用于大型风力发电机，以保持捕获的风力接近额定值高于额定风速，带来的好处是更好的控制灵活性和电源质量。这样的系统也可以减轻结构及风荷载，保护风力发电机在强阵风期间的疲劳损伤。因此，这些系统对风力发电的调节有直接的影响，对变桨距风力发电机具有重要意义。此外，高性能和可靠性先进的音高控制系统可以满足日益严格的性能要求，由现代涡轮机规定的要求，必不可少的提升风能技术的竞争力。这些系统基本上有两种类型：机电和液压。对于机电式，可以通过使用电动机来实现俯仰动作。这个系统已经在文献中得到广泛的研究系统设计，动态特性分析，双重闭环控制，直接转矩调节控制，自适应俯仰控制和模糊逻辑俯仰控制。 虽然，系统结构相对紧凑和准确，稳定性和功率质量可能相对较低。对于液压俯仰系统，通常使用值控制液压缸来通过滑块-曲柄机构产生最终俯仰作用。该系统的最新研究主要包括俯仰控制策略，可靠性评估，系统建模和独立俯仰控制。Chiang等人开发了一种变速泵控制液压变桨控制系统和自适应模糊变桨控制器。然而，尽管在文献中有这样的各种控制方法，但是没有提供对该系统的充分详细的动态分析。 虽然液压变桨控制系统在高功率/质量比和相对高的可靠性方面可能是有利的，但是由于使用滑块-曲柄机构，该系统的控制精度相对较差。本文的主要贡献是一种新颖的俯仰角度控制系统和详细的分析方法，如设计程序，系统建模，稳定性和动态分析。通过整合上述两种基本不同的工作机制，这种新颖的系统在克服其众所周知的实际性能限制的同时，具有两种类型的优点。通过在所提出的系统中使用液压马达可以提高传统机电桨距系统的功率/质量比，其中电动机用于控制，而不是在机电系统。通过结合旋转液压伺服而不是滑块 - 曲柄机构，新型系统中可以显着提高常规液压式的俯仰控制精度。这是因为产生的桨距角与液压伺服系统的角位移成正比，可以通过伺服中的内部水力机械位置闭环来精确控制。因此，这种新颖的系统不仅具有紧凑性，高功率/质量比，更高的可靠性和良好的控制精度等优点，而且还可以与传统的间距相比具有更好精度的中型或大型风力发电机系统。因此，这种显着的性能改进使得所提出的俯仰控制系统成为工业应用的一个有希望的选择。2、文章说明如图1所示，由数字电动机，液压伺服机构和安装在机舱中的变速齿轮组组成的新型变桨控制系统是具有内部反馈闭环的集成电液位置伺服系统。 数字电动机作为将数字俯仰控制命令发送到液压伺服系统的转换器。 齿轮组用于将液压伺服的高轴转速调整到相对较低的桨距率。液压伺服机构包括阀芯式旋转阀，螺杆和螺母组合以及旋转执行机构。来自数字电动机的旋转运动打开阀门并将来自恒定液压动力源的油流输送到该致动器，该致动器的运动通过螺杆和螺母组合被反馈并从输入运动中减去，以便中止阀门并关闭这个循环。因此，这种运动在液压伺服系统中自动创建一个内在的水力机械位置控制回路。旋转执行器的尺寸可以处理预期的俯仰载荷，并具有足够大的液压固有频率以满足整体响应要求。通常，液压轴向柱塞马达可用作旋转致动器。图1.俯仰控制系统的示意图。该俯仰控制系统的重要特征如下。（a） 俯仰角控制可以最终通过具有高有效载荷能力和高功率重量比的旋转液压致动器而不是其它桨距系统中的电动机或液压缸实现。因此，相对较高的桨距控制精度和功率/质量比使得该系统适合于大型风力发电机组。（b） 内在的水力机械闭合控制回路使得该系统能够避免测量或反馈俯仰角信号的必要性，因此无需传感器的俯仰控制，而在其他俯仰系统中始终使用各种传感器或换能器。（c） 紧凑的结构和集成设计使得这种俯仰系统适合于单独的俯仰控制。（d） 该系统可以由主机直接控制，而无需使用附加的控制器或传感器，这显示了成本效益的潜力。（e） 与其他常规桨距系统相比，新型变桨控制系统在外部开环中具有内部水力机械位置控制回路，因此具有更宽的俯仰速率范围和更低的维护成本。3、系统设计3.1 间距负载首先介绍俯仰载荷的计算，因为它是系统设计的重要前提。 这种载荷主要来自空气动力学，重力和动态相互作用。 特别地，由叶片离心力产生的惯性矩是与俯仰动作相关联的负载的主要来源，并且将详细讨论如下。如图2所示，旋转平面与轴o-x对齐并垂直于纸张表面。 俯仰轴线穿过每个叶片横截面的重心并位于旋转平面内。叶片横截面的第一主轴位于该对称气翼的弦线上。 在相同原点O处建立两个坐标系。参考框架（x，y）以它们之间的间距角b围绕框架（x1，y1）旋转。考虑从旋转轴线到半径r的叶片的增量部分，以及增量质量dm的点B。 作用在这一点上的增量离心力是 （1）并且半径rB可以表示为 （2）将等式（2）代入（1）得到 （3）风力转子的角速度；线段OB的长度；线ob与旋转平面之间的角度；俯仰轴与离心力d之间的角度；力dFc可以分解为一个分量dFn，垂直于叶片横截面和部件dFt平行于这个横截面 力dFt可以描述为： （4）由于离心力而产生的关于俯仰轴的惯性力矩是 （5）参考帧（x，y）中点B的坐标为 （6）将等式（6）代入（5）得到 (7)其中 0A;线段的长度 叶片材料的密度; 点B处的横截面积; 半径r的增量半径在叶片半径上积分方程得到 dsdr (8) 作用在叶片上的总惯性力矩; 转子的总半径; 该翼型部分的局部半径r的面积; 区域的惯性的乘积关于o-x和o-y的轴。 （9）转换参考点B（x1B，y1B）的坐标帧（x1，y1）到帧（x，y）产生 （10）将等式（10）代入（9）得到 （11）关于x1和o-y1主轴的面积ds的惯量乘积为零 区域关于轴0-的惯性矩; 区域 关于the 的惯性矩; （14）其中c - 翼型弦长;h - 机翼厚度;D - 风机转子直径。将等式（13）代入（8）得到 （15）图2.离心力。将叶片划分成一组跨度方向的叶片部分给出了方程的另一种表达式： （16）叶片的增量半径。设计的实际俯仰载荷可以通过考虑俯仰承载效率来近似估计 （17）3.2齿轮比液压伺服机构的轴通过传动比为i的齿轮组联接到叶片根部。 可以根据3.1节中给出的实际俯仰载荷Tp来合理计算俯仰传动比。因此，伺服侧的扭矩平衡方程为：由液压伺服产生的扭矩;液压伺服的质量惯性矩;叶片围绕其纵向轴线的质量力矩;液压伺服轴的转速;俯仰率角速度 跟俯仰率 的关系是： (19)将等式（19）代入（18）得到 (20)我们希望该伺服器以输出转矩最小化的最佳齿轮比工作。 该最佳比率可以通过对等式（20）进行微分来确定，并将结果设置为零。 (21)求解方程（21）得到： (22)俯仰速率上升的时间导数可以表示为 (23)将等式（23）代入（22）得到 (24)最佳比例必须满足限制最大俯仰速率的实际约束。 (25)最佳齿轮传动比; 液压伺服轴速度的最大值和最小值; 俯仰速率的最大值和最小值; 俯仰速率达到其最大值所需的时间。因此，可以从等式（24）和（25）获得最佳桨距变速比。3.3 液压伺服体积位移和最大流量作为该液压伺服系统设计的两个重要参数。 这两个参数也可以根据3.2节中的计算参数来确定，例如液压伺服的扭矩和轴速度。旋转阀的流量为： (26)该阀的最大流量为： (27)从伺服器提取的功率是： (28)其中 旋转阀的流量; 旋转阀的最大流量; 从液压伺服器提取的功率; 与旋转阀相关的恒定系数; 旋转阀的线性滑阀位移; 恒定的供应压力; 液压油的质量密度; 负载压力。将方程（28）相对于进行微分，并将结果设为零。 Ps (29)综合方程（26），（27）和（29）得到： (30)从伺服中提取的最大功率发生在负载压力和流量获得等式（29）和（30）中的特定值的点。 液压伺服系统应能在最大功率点处理最大桨距负载。 从而， (31) (32)其中 体积位移;液压伺服在最大功率点的流量; 液压伺服在最大功率点的负载压力;将等式（29）代入（31）得到 (33)将等式（30）和（33）代入（32）得到 (34)因此，可以通过使用等式（33）和（34）来计算液压伺服的体积位移和最大流量。 实际上，两个参数的值应稍微增加，以补偿伺服中摩擦和泄漏引起的功率损耗。4. 系统建模与分析该系统的动态性能主要由水力机械位置控制回路控制。 因此，包括螺杆和螺母组合以及液压部分的该控制回路的详细地建模和分析如下。4.1 系统建模旋转阀的线性滑阀位移为： (35)该回路的液压部分可以看作是一个阀门控制的液压马达，可以通过以下转换功能来描述。 (36)其中 螺杆和螺母组合的螺距; 液压马达的旋转位移; 旋转阀的阀芯位移; 旋转阀的流量增益; 液压固有频率; 液压阻尼比。方程（35）和（36）是该位置控制回路的基本表示，并且可以通过使用图5中的框图来说明。 因此，开环传递函数是： (37)闭环传递函数为 (38) 该控制回路的速度增益; 拉普拉斯算子。 (39)公式（37）的分母中的空闲s表示一阶积分部分，使得该控制回路是类型1，具有零位置误差。 如图所示。 3，该内在位置控制回路是以单位反馈自动生成的。 因此，由于这种直接反馈闭环，可以实现该俯仰系统的无传感器位置控制。4.2 稳定性分析稳定性可能是这种俯仰系统最重要的特征。 这种环路动力学的分析通常集中在稳定性要求上。 Routh-Hurwitz稳定性标准用于确定该系统的稳定性。闭环传递函数的特征方程为： (40)图3.位置控制回路的框图。图4.位置控制回路的闭环频率响应。对方程（40）应用Routh-Hurwitz稳定性准则 (41)方程（41）表明该系统的稳定性与速度增益，液压固有频率和阻尼比直接相关。由于0.1和0.2的阻尼比是该系统的特征，所以速度增益总是被限制在液压固有频率的20-40。 这个基本结果为设计目的提供了经验法则。4.3 动态特性公式（38）中闭环传递函数的分母可以用线性和二次因子表示。 从而， (42)其中 断线频率的线性因子; 二次因子的固有频率或谐振频率; 二次因子或闭环阻尼比的液压阻尼比。可以通过将方程（38）与（42）进行比较来进行以下近似。 (43)如图4所示，闭环频率响应函数是该系统响应能力的量度。系统的闭环带宽大致等于频率响应从其低频值下降了3 dB的中断频率。该-3 dB带宽和谐振频率与本系统的瞬态响应速度直接相关。因此，当考虑方程时，该系统的动态响应可以由速度增益和液压固有频率主导。这两个参数的高值对于实现快速响应是期望的。然而，由方程表示的约束需要在选择这些参数时在稳定裕度和该系统的瞬态响应之间进行权衡。因此，提高该系统的动态和稳态性能的最佳方法是提高液压阻尼比的值。5.结果与讨论如图5所示，新型变桨控制系统已经在主要包括风力涡轮机模拟器，主机和所提出的桨距控制系统的实验装置中实现和测试。风力涡轮机模拟器用于精确再现1.5兆瓦变速可变桨距风力发电机的给定风速曲线的动态和静态特性。该模拟器主要由速度控制的风力转子和目标计算机组成。包括机舱，小型涡轮机叶片和俯仰机构在内的风力发电机被构建以复制各种俯仰运动的实际效果。配备商业软件包GH Bladed的目标计算机被用于控制风力转子并模拟其他涡轮机子系统，如空气动力学，发电机和结构动力学。系统参数如俯仰角，风速，输出功率和扭矩反馈给主机。配备数字电机驱动器的主机和National Instruments Corporation的LabView软件被用于接收这些数据并将其显示在电脑屏幕上。图5，实验设置。通过使用LabView软件，在主机中设计了比例积分（PI）桨距角控制器，根据额定输出功率与实际值之间的误差生成俯仰控制命令。该PI俯仰角控制器可以表示为： (44) 俯仰控制指令; 输出功率及其额定值; 比例和积分增益。通过ZieglereNichols调谐方法调整和的增益，以确保令人满意的音调控制性能。所产生的桨距控制命令然后可以通过数字马达驱动器发送到桨距控制系统和风力涡轮机模拟器，并因此发生俯仰运动。在实践中，可以考虑以下方法来进一步促进俯仰角控制器和新型桨距控制系统的低成本工业实现。（a） 设计的俯仰角控制器可以通过使用低成本的可编程逻辑控制器（PLC）直接实现，该控制器由于相对较高而在工业上获得了广泛的应用。例如，控制器可以通过使用西门子S7-200系列PLC和Step7-Micro/WIN梯形图逻辑编程（LLP）封装进行合理编程。（b） 设计的PI俯仰角控制器可以很容易地在PLC中进行编程，因为PLC中总是存在预定义和自动调节的PI控制器模块。因此，可以显着降低编程时间和成本。（c） 俯仰角控制器和俯仰控制系统可以在工业风力发电机中进行设计和实现，而无需使用附加的PLC扩展模块，俯仰角度传感器和模数转换器，因为俯仰系统可以由数字电动机床控制并由内部水力控制机械闭合控制回路。 因此，新型桨距控制系统与其他常规桨距系统相比具有成本优势。（d） 俯仰角控制器可以集成到新的俯仰控制系统中，以避免使用长电缆，从而减轻外部干扰。 因此，总体俯仰控制系统可以被配置成单一紧凑的封装，以减小整个系统的尺寸，复杂性和成本。与传统的主要由液压缸和定向电液比例阀组成的液压变桨系统相比，这种新型变桨控制系统的实验结果。液压缸安装在曲柄摆动块上，由比例阀控制，以实现俯仰控制运动。在与所提出的俯仰控制系统的实验相同的操作条件下，通过使用上述PI俯仰角控制器来进行该常规俯仰系统的比较实验。主要实验参数总结在表1中。5.1俯仰角跟踪性能如图6所示。 对于所提出的新型变桨控制系统，平方响应的建立时间约为0.26s，而对于传统的桨距系统，建立时间约为0.43s。所提出的俯仰控制系统可以跟踪零稳定的平方俯仰控制指令 而常规系统在稳态下表现出显着的振荡。因此，与传统的音调系统相比，所提出的新颖的音调控制系统具有更高的动态响应和更好的稳态音调放电性能。图6，二次响应。如图7所示，所提出的新型变桨控制系统能够以更高的精度跟踪正弦参考俯仰角，而在使用常规桨距系统时，具有相当大的俯仰角跟踪误差和相位滞后。 因此，与常规系统相比，新型俯仰系统可以更好地跟踪双向俯仰角轨迹。图7，正弦反应。5.2输出功率平滑如图8（a）所示，用于比较实验的涡轮叶片跨度的10分钟有效风速数据组。 该速度曲线在轮毂高度处的平均值为18m/s。如图8（b）和（c）所示，当使用新的俯仰控制系统时，俯仰角在10度和20度之间变化，俯仰速率在0.4/s和0.7/s之间显着变化，而俯仰角变化 在常规情况下，在12和18度之间，俯仰速率在0.4/s和0.2/ s之间变化。 因此，新颖的俯仰控制系统具有更宽的俯仰速率范围，并且施加比常规俯仰系统更多的俯仰作用。为了更好地平滑输出功率波动，新型变桨控制系统的这种附加俯仰控制工作是必需的。在图8（d）和（e）中，输出功率在1.34 MW和1.7 MW之间变化很大，输出功率的变化率在传统的桨距系统施加时，在0.15 MW / s和0.15 MW / s之间显着波动，而输出功率功率可以保持在额定值1.5MW左右，并且可以通过使用新颖的俯仰控制系统来显着降低输出功率的变化率。这些比较结果清楚地表明，与传统的桨距系统相比，新的桨距控制系统能够以更高的效率完全平滑输出功率。如图8（f）所示，通过使用新颖的俯仰控制系统，输出功率的功率谱密度的幅度可以从大约15dB降低到30dB。因此，通过使用新的变桨控制系统，可以更好地抑制绕风轮额定转速（0.68Hz）的输出功率波动。与传统的俯仰系统相比，通过使用新的俯仰控制系统可以更好地保持额定输出功率。图8，输出功率平滑比较结果。5.3减速传动系转矩波动将图9（a）所示的风速曲线应用于风力涡轮机模拟器，以评估两个俯仰控制系统在平滑传动系转矩波动中。 该风速分布的平均值为20m/s，湍流强度为18。如图9（b）和（c）所示，从常规俯仰系统产生的俯仰角在12度和18度之间变化，俯仰速率在0.8/s和0.8/ s之间变化，而俯仰角 由所提出的新型音调控制系统产生的音调控制在10和20度之间显着变化，俯仰速率在1.8/s和1.8/s之间。 因此，所提出的新型变桨控制系统所产生的俯仰角对风速变化响应速度比传统桨距控制系统要快。通过使用所提出的新颖的俯仰控制系统可以产生额外的俯仰作用和增加的俯仰速率的活动。与传统的俯仰系统相比，可以采用由新型俯仰控制系统产生的这种额外的俯仰控制，以实现俯仰控制精度的提高和传动系转矩波动的更严格的规定。如图9（d）和（e）所示，当使用常规桨距系统，驱动系转矩在每单位1.34与单位0.8之间变动很大，扭矩变化率也在0.4 MNm/s和0.3 MNm/s之间变化，而驱动系转矩可以很好地维持在额定值附近，并且通过使用所提出的新型变桨控制系统可以显着降低其变化率。因此，新颖的桨距控制系统在减轻传动系转矩波动方面表现出比传统的桨距系统更有效和更好的动态稳定性。所提出的新型变桨控制系统可以进一步用于大型风力发电机，用于快速功率和转矩控制，以提高总体动力系统的稳定性并增加风力发电机的使用寿命。如图9（f）所示，通过使用新颖的俯仰控制系统，驱动系转矩的功率谱密度的幅度可以从大约-20dB到大约降低到40dB。该结果与图1中的结果一致。如图9（d）和（e）所示，并且意味着通过使用新颖的俯仰控制系统可以显着地减轻传动系转矩波动。因此，与传统的桨距系统相比，所提出的新型变桨控制系统可以更有效地和更精确地减小绕风轮额定转速（0.68Hz）的传动系转矩波动。图9.减轻传动系转矩波动的比较结果。6.结论现在，已经提出了一种新颖的俯仰角控制系统来平滑风力涡轮机的输出功率和传动系转矩波动。所提出的桨距控制系统在外部开放控制回路中工作，并且具有内部的液压-机械位置控制回路，可以提高俯仰角跟踪控制精度。已经提出了所提出的新型变桨控制系统的详细设计步骤，系统建模，动态特性和稳定性分析。这种新的变桨控制系统已经在一个实验装置中进行了测试。实验结果表明，与传统的桨距系统相比，所提出的桨距控制系统具有更快的响应和更好的俯仰角轨迹跟踪性能。与传统的俯仰系统相比，所提出的俯仰控制系统在平滑输出功率和传动系转矩波动方面也具有显着的改进。此外，所提出的新颖的桨距控制系统可能对于大型风力发电机具有相当高的效率和大的有效载荷能力。我们未来的研究将包括现场测试和理论和实用俯仰角控制策略的发展，以进一步提高所提出的系统对大型涡轮机输出功率和扭矩规定的控制性能。致谢这项工作得到了中国国家自然科学基金委创新研究组科学基金51221004，中国国家自然科学基金拨款号51275448及重点大学基础研究基金的部分支持。参考文献1 Boukhezzar B,Lupu L,Siguerdidjane.
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