第二节 风力发电机原理

1、教学课题风力发电机原理课题类型新授课时安排2上课时间2013年3月22日教学目标1.理解并掌握风力机的基本结构特征；2.理解并掌握风力发电机能量转换过程。教学重点风力机的基本结构特征教学难点风力发电机能量转换过程辅助资源复习引入教学手段教学过程师生互动活动设计一、风力发电机的基本结构风力发电机组必须保证其在各种风况、气候和电网条件能够长期安全运行，并取得最大的年发电量和最低的发电成本，但是风的速度和方向是不断变化的，风力发电机组各个零部件也随时承受着交变载荷。因此，各零部件的疲劳强度是影响机组寿命的主要因素，风力发电机组对材料、结构、工艺和控制策略都提出了很高的要求。因此，风力发电机组的结构比

2、较复杂。本系统配置的风力发电机为450W永磁风力发电机：主要由风轮、永磁发电机、回转体、尾翼、塔杆组成。如图所示。图3-1-1 风力发电机结构图（一）风轮风轮由叶片和轮毂等部件组成，是获取风能并将其转换成机械能的关键部件。叶片是具有空气动力学外形，在气流推动下产生力距使风轮能绕其轴转动的主要构件；轮毂是能固定叶片位置，并能将叶片组件安装在风轮轴上的装置。三叶片风轮的受力平衡好，轮毂简单，风轮的动态载荷小，由于稳定性好，在高叶尖速比运行时有较高的风能利用系数，在并网型风力发电机组上得到广泛应用，本系统风力发电机也采用三叶片风轮结构。（二）发电机1发电机的种类：小型风力发电机所用的发电机，可以是直

3、流发电机，也可以是交流发电机。目前，小型风力发电机用大部分是三相交流发电机。由于产生磁场的形式不同，三相交流发电机有永磁式和励磁式，它们所产生的三相交流电都是要通过整流二极管整流后输出直流电，为便于安装和维修，现在很多小型风力发电机，采用交流发电机时，将整流器安装在控制器中。交流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速发电性能好等优点。尤其是对周围无线电设备的干扰要比直流发电机小得多，因此适合小型风力发电机使用。2发电机的构造：交流发电机主要由转子、定子、机壳和硅整流器组成。转子：转子做成犬齿交错形的磁极。永磁式发电机转子磁极由永久磁铁制成。励磁式发电机的转子磁极由两块低碳钢

4、制成，在磁极内侧空腔内装有励磁线圈绕组，当通过励磁电流时，便可产生三相交流电。定子：定子是由铁芯和定子线圈组成，铁芯由硅钢片制成，在铁芯槽内绕有三组线圈，按星形法连接，发电机工作时线圈内便产生三相交流电。机壳：机壳是交流发电机的外壳，由金属制成，它包括壳体和前后端盖。如果将整流器装在发电机中，装有整流器的端盖也叫整流端盖。整流器：整流器由六个硅整流二极管组成桥式全波整流线路，它的作用是将三相交流转变成直流，可以很方便地将将它储存在蓄电池，现在，很多生产厂家采用整体封装的整流桥模块，简化是电路、提高了可靠性，降低了成本。3发电机的功率 ：发电机的额定功率是指发电机在额定转速下输出的功率，由于风速

5、不是一个稳定值，因而发电机转速会随风速而变化，因此输出功率也会随风速变化，当风速低于设计风速时，发电机的实际输出功率将达不到额定值；，当风速高于设计风速时，实际输出功率将高于额定值。当然，由于风力发电机的限速和调速装置及发电机本身设计参数的限制，发电机的输出功率不会无限增大，只能在某一范围内变动。(三) 回转体回转体是小型风力发电机的重要部件之一，其作用是支撑安装发电机、风轮和尾翼调速机构等，并保证上述工作部件按照各自的工作特点随着风速、风向的变化在机架上端自由回转，小型风力发电机回转体的结构和安装方式种类各异。其中，偏心并尾式回转体目前在我国应用比较广泛，其结构要素可归纳如下：见图3-1-2

6、所示。图3-1-2 偏心并尾式回转体结构图1风轮的仰角：为了提高风轮的工作性能，在回转体上平面与水平面间设计有510度的夹角。发电机安装在回转体上平面，这样发电机轴有一个510度的仰角，从而提高了风轮工作的稳定性和可靠性。2风轮轴与回转体中心偏心距：风轮轴与回转中心偏心距是小型风力发电机调速机构准确调速的重要结构参数，当风速达到限速时，此偏心距能准确地产生一个追使风轮扭转的力矩，使风轮立即开始侧偏调整，如果风速继续增大，风轮扭转力矩也增大，风轮继续侧偏，直至达到限速停车有极限位置。3尾翼后倾角和侧偏角：尾翼与回转体上的尾翼连接耳通过销轴联结，而此销轴在安装时即有一个设计好的空间后倾角和侧偏角，

7、由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，当风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小，尾翼重力作用下的恢复力矩迫使尾翼回到原来的位置，使风轮迎风。（四）调向机构由于风力发电机是靠风的能量发电的，而风轮捕获风能的大小与风轮的垂直迎风面积成正比，也就是说，对于某一个风轮，当它垂直风向时（正面迎风）捕获的风能就多，而当它不是正面迎风时，所捕获的风能相对就少，当风轮与风向平行时，就捕获不到风能。所以，风力发电机必须设置调向机构，使风轮最大程度地保持迎风的状态 ，以获取尽可能多的风能，从而输出较大的电能，对于小型风力发电机来说，一般采用“尾翼调向”。尾翼主要用在小

8、型风力发电机上，由尾翼梁、尾翼板等组成，一般安装在发电机后面，并与主风轮回转面垂直，其调向原理是：风力发电机工作时，尾翼板始终顺着风向，也就是与风向平行，这是由尾翼梁的长度和尾翼板的顺风面积决定的，当风向偏转时尾翼板所受风压作用而产生的力矩足以使机头转动，从而使风轮处在迎风位置。如图3-1-3所示。 图3-1-3 尾翼的形状图（五）塔架为了让风轮在地面上较高的风速带中运行，需要用塔架把风轮支撑起来，这时，塔架承受两个载荷：一个是风力发电机的重力，向下压在塔架上；一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。塔架所用材料是木杆或铁管，也可以采用钢材作成的桁架结构，小型风力发电机百瓦级的大多采用空心、立柱

9、拉索式见图3-1-4a，千瓦级的采用空心立柱式，也有采用桁架式见图3-1-4b。图3-1-4 风机塔架示意图四、实训内容及步骤1熟悉风力发电机的机构及装配工艺。2按风力发电机的配置清单清点零部件，小型风力发电机包括：风力发电机主体，三叶轮彀，三片扇叶，叶片螺丝，及法兰盘螺丝。3风力发电机安装步骤：（1）从包装箱内取出轮毂，如图3-1-5所示。 （2）从包装箱内取出叶片，如图3-1-6所示。（3）用配件叶片螺丝把叶片与轮毂连接紧固好，如图3-1-7所示。（4）从包装箱内取出风机，如图3-1-8所示。（5）将出线套的一端拧出并将电缆三相线与风机三相线连接好，如图3-1-9所示。（6）接好线后把出线

10、螺套拧紧，如图3-1-10所示。（7）将电缆线一端穿出塔杆，如图3-1-11所示。 （8）用配件法兰盘螺丝将塔杆与风机法兰盘连接，如图3-1-12所示。（9）将装好叶片的轮毂装在电机轴上，如图3-1-13所示。 （10）用配件螺母弹垫圈将轮毂拧紧，如图3-1-14所示。（11）从包装箱内取出前罩，如图3-1-15所示。 （12）将前罩上压入轮毂（注意要均匀用力），如图3-1-16所示。 （13）安装完成，塔杆立起风机运转，如图3-1-17所示。 图3-1-5 从包装箱内取出轮毂 图3-1-6 从包装箱内取出叶片 图3-1-7用配件叶片螺丝把叶片与轮毂连接紧固好 图3-1-8 从包装箱内取出风机

11、 图3-1-9 将出线套的一端拧出并将电缆 图3-1-10 接好线后把出线螺套拧紧三相线与风机三相线连接好。 图3-1-11 将电缆线一端穿出塔杆 图3-1-12 用配件法兰盘螺丝将塔杆与风机法兰盘连接好 图3-1-13 将装好叶片的轮毂装在电机轴上 图3-1-14 用配件螺母弹垫圈将轮毂拧紧 图3-1-15 从包装箱内取出前罩 图3-1-16 将前罩上压入轮毂（注意要均匀用力） 图3-1-17 安装完成，塔杆立起风机运转4塔杆立起后连接风力发电机输出至交流电压表，开启控制屏总电源，开启工业轴流风机，调节变频器输出，观察风力发电机是否运行正常。二、风力发电机能量转换过程1.风力发电机原理概述2

12、.定桨距风力发电机定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。3.变桨距风力发电机变桨距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。