《风电控制技术及应用》课件-4.风力发电机组传动系统和发电系统

风力发电技术风机机舱机座主要装置叶片叶轮轮毂传动系统机舱罩发电系统液压系统偏航系统控制系统塔架塔筒爬梯冷却系统中间平台基础防雷系统风机组成1、轮毂2、叶片3、主轴锁紧盘4、主轴轴承座5、齿轮箱风扇6、齿轮箱7、刹车夹8、刹车盘9、发电机10、测风桅杆18、变桨轴承17、整流罩16、机舱罩15、机座14、弹性支撑13、机舱柜12、航空灯11、机舱吊机风机组成风机组成风机组成机舱由机座和机舱罩组成，机座上安装各主要装置。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有通风装置等，底部与塔架相连。主要装置由传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统组成。传动系统传动系统主要是由主轴组件和齿轮箱组成，主要功能是将叶轮系统转速通过提升到发电机发电转速，由发电机通过机械能转化为电能，最后将电能输出。传动系统采用长轴双轴承支撑传动系统设计使得齿轮箱不承担转子重量和推力负荷，只承担扭矩，可靠性大大提高主轴和齿轮箱自动对中，齿轮箱悬挂于主轴齿轮箱工况最优，可长期可靠运行传动系统前轴承座后轴承座发电机齿轮箱主轴偏航系统主轴锁定盘机座联轴器涨紧套齿轮箱散热器支架传动系统由如下部件组成：主轴组件、齿轮箱、联轴器、主轴轴承、刹车盘、弹性支承；主轴组件包含主轴、主轴锁紧盘、主轴承座等，主轴组件作用为传递动能；涨紧套通过涨紧来使主轴与齿轮箱轴之间联连；联轴器，主要用于轴与轴之间的联接，并传递转矩。用联轴器联接的两根轴，只有在停机刹车后，经过拆卸才能将之分离；齿轮箱主要功能为提升叶轮系统传过来的转速来达到发电机发电所需的转速。传动系统主轴主轴锁紧盘1、主轴锁紧盘，安装在主轴大端，通过固定销插入锁紧盘的孔中，可使主轴相对于轴承座无法转动，达到锁紧叶轮作用。2、主轴前轴承及轴承座，用于固定支撑主轴转动。3、主轴起到各部件连接作用，固定安装在前后轴承座上，通过旋转传递扭矩给后面的齿轮箱。4、主轴后轴承及轴承座，用于固定支撑主轴转动。主轴前轴承主轴后轴承传动系统主轴锁紧盘主轴锁紧盘组件安装于主轴大端，配合主轴锁紧栓使用，用于锁紧主轴转动。图示中小孔用于安装锁紧盘到主轴上。图示中大孔用于配合主轴锁紧栓。衬套，嵌衬在锁紧盘里传动系统主轴锁紧栓主轴锁紧栓：锁紧栓安装在前轴承座的配合孔里，从孔前伸出与主轴锁紧盘上的孔配合，实现锁紧叶轮功能。限位销：穿过前轴承座的孔与锁紧栓的定位槽配合，可限制锁紧栓转动限位板：安装在内外挡板之间，用于限位锁紧螺母的松动锁定螺母：配合限位板使用，通过旋转实现主轴锁定栓锁紧和拔出锁定螺母限位销限位板限位销主轴锁紧盘传动系统轴承座内挡圈密封圈双列滚子轴承后轴承座锁紧螺母轴承端盖油封盖前轴承座后轴承座传动系统涨紧套作用：实现主轴与齿轮箱的柔性联接。当涨紧套的安装紧固螺栓紧固时，涨紧套的内圈和外圈相互夹紧，内圈为楔形，楔形向里走时，使被夹紧件（Hub）与涨紧套的内外圈越来越紧，从而把坚固螺栓的紧固力转化为涨紧套与被夹紧件（Hub）的正压力，实现联连。联轴器高速轴制动器联轴器：连接齿轮箱与发电机之间，在外载变化的情况下起到保护齿轮箱和发电机的作用；高速轴制动器：在液压站提供压力的情况下制动制动住联轴器制动盘，起到尽快降低叶轮转速使风机尽快停止运行。传动系统传动系统散热器弹性支撑齿轮箱齿轮箱位于主轴与发电机之间，把主轴的低速能转化为高速能后传递给发电机。齿轮箱上部有散热器，用来冷却过热的齿轮油。齿轮箱的左右通过弹性支撑固定安装在机座上。齿轮箱弹性支撑传动系统环境条件恶劣：风大、砂尘、盐雾、潮湿、高温、严寒工作条件复杂：风速风向多变、强阵风、高空无人值守要求高可靠性、高效率、高安全性要求工作寿命长：二十年（175200小时）输入输出速比大，加工制造要求高齿轮箱安装于主机架内，位于机舱中部偏叶轮，重量约占机舱重量的1/2前端通过主轴与风轮相连，后端通过联轴器与发电机相连风作用到叶片上，驱使风轮旋转。旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动并将动能输入齿轮副。经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。传动系统行星齿轮副直齿圆柱齿轮副斜齿圆柱齿轮副传动系统平行轴传动轮系主动轮被动轮传动系统中一般指太阳轮）或者行星轮绕着自身的轴线行星轮系是只具有一系杆（风电齿轮箱中自转，另一方面行星个自由度的轮系，一个原动件即可确定执行件的运动。原动件通常为中心轮（风电齿轮箱一般指行星架），即与行星轮直接接触的中心轮或系杆作为原动件带动行星齿轮，一方面轮又随着系杆（行星架）绕一固定轴线回转。传动系统一级行星+两级平行轴传动系统两级行星+一级平行轴传动系统一级复合行星+一级平行轴传动系统差动三级行星+一级平行轴传动系统两级行星传动传动系统1、箱体：齿轮箱箱体由球墨铸铁制成。它具有抗扭曲功能，并通过模塑成形而具有良好的噪声情况和温度变化特性。同时具有抗低温的性能。箱体上已准备有足够多的运输吊环、观察和装配盖板。另外还有检查油位的油位计，用于换油的放油塞和箱体通风的放气塞。2、齿零件：齿轮箱带齿零件除内齿圈外其余都经过渗碳处理。所有齿轮都要经过磨削。通过高精度齿轮降低了齿轮箱的噪声级并确保齿轮箱的运行安全。行星齿轮箱的内齿圈均由调质钢制成。齿轮通过过盈配合与轴连接。这种连接方式可以以更安全的方式传递扭矩。3、轴承：所有轴均通过滚动轴承支承。滚动轴承的润滑是通过压力润滑进行润滑的。高速端轴承始终受传感器监控。4、轴封：齿轮箱采用全迷宫密封方式。确保润滑油不会从迷宫式密封装置中溢出。

迷宫式密封装置后端附装了V型密封圈，避免杂质和水进入。传动系统空心轴结构：与轮毂内滑环相连接法兰盘前端加轴承和齿轮箱后方固定的方式，使得各级传动轴在转动的过程中空心轴保持不转动。空心轴中：动力电缆和控制电缆。给轮毂中的电机和控制柜提供电源和控制信号用以实现对变浆系统的控制。传动系统轮齿受力后，齿面接触处将产生循环变化的接触应力，在接触应力反复作用下，轮齿表层或次表层出现不规则的细线状疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果，使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，称为齿面疲劳点蚀，简称为点蚀。它可分为早期点蚀和破坏性点蚀。提高齿面硬度和润滑油的粘度，采用正角度变位传动等，可减缓或防止点蚀产生。传动系统互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损现象称为胶合。胶合有冷胶合和热胶合之分。减小模数、降低齿高、采用角度变位齿轮以减小滑动系数，提高齿面硬度，采用抗胶合能力强的润滑油(极压油)等，均可减缓或防止齿面胶合。传动系统齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。此外还具有如下的性能：1）减小摩擦和磨损，具有高的承载能力，防止胶合。吸收冲击和振动。防止疲劳点蚀。冷却、防锈、抗腐蚀。齿轮箱一般采用飞溅润滑+加压润滑方式，此种方式可以起到更好的润滑作用。采用合成润滑油（PAO（聚α烯烃），PAG（聚醚）），它在极低温度状况下具有较好的流动性；在高温时的化学稳定性好并可抑制黏度较低。传动系统润滑系统必须保证对齿轮箱内的运动部件的强制润滑，对油液的过滤和散热。润滑系统由电动泵、过滤装置、机械泵、油风冷却器、压力传感器、连接管路等组成。电机油泵过滤网（粗滤、精滤）泵单元冷却器单元分配器以及管路传动系统电动泵、机械泵同时向系统供油，润滑油经滤油器过滤后到温控阀，该温控阀根据润滑油的温度自动控制润滑油的流向。当油温低于45℃时，润滑油直接进入齿轮箱；当油温高于45℃时，温控阀开始动作，润滑油经冷却器冷却后再进入到齿轮箱。在齿轮箱的入口和油泵的出口均装有压力传感器用于检测润滑油的压力。润滑系统必须有安全阀，以防止压力过高对系统元件造成损坏。润滑系统必须考虑能够随时排除系统中的气泡，气泡对齿轮箱会造成损坏。润滑系统的冷却器要有足够的散热能力，同时风扇要有足够的空气流量将舱室内的热空气排出舱室外。最高允许齿轮油温度为+80°C。水冷风冷传动系统高速轴电机侧轴承进油温度高速轴叶片侧轴承油池温度2025-6-1833液位开关用途：齿轮箱的正常运转需要足够的润滑油，当润滑油减少到一定程度时，会造成齿轮箱润滑不足，进而引起齿轮、轴承失效。液位开关的作用就是当齿轮箱内润滑油减少到一定程度时，液位开关断开，齿轮箱停机，从而达到保护齿轮箱的目的。液位开关传动系统工作原理：目前风电齿轮箱上用的液位开关一般为浮球式液位开关。当齿轮箱油池的润滑油液位降低时，液位开关内的浮球随液位降低而下降，浮球内部的环形磁铁和液位开关内导杆的干簧管的相对位置改变。磁铁接近磁簧开关中心时，磁簧开关闭合，状态为ON。磁铁远离磁簧开关中心时，磁簧开关断开，状态为OFF。开关线传动系统液位计用途：齿轮箱正常运行需要特定的油量，油量过多则会导致齿轮箱存在漏油的风险，油量过少则会导致齿轮箱的润滑不足。液位计的用途就是观察齿轮箱润滑油的液位，在初次加油以及后续运维的时候给操作者提供直观的液位。工作原理：液位计的上下两头都装有螺纹，通过螺纹（中空）与箱体构成连通器。通过液位计的玻璃可以直观地看到齿轮箱内部的液位。液位计传动系统发电机发电机依靠转子对定子的相对运动来发电。三相交流发电机发电原理：假设三相交流发电机，定子铁芯的内圆均匀分布着6个槽，嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈，分别称之为A相线圈、B相线圈、C相线圈。当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。实际的三相交流发电机定子铁芯上有多个槽多个三相绕组按规律均匀的分布在槽中。发电机比如转子有3对磁极，旋转一周磁场将循环3个周期，每旋转120度磁场变化1个周期。在定子铁芯内圆周有18个嵌线槽。

在120度机械角度里有6个槽，均匀分布A相、B相、C相3个线圈；另外两个120度里同样各自分布3个线圈。3个A相线圈串联起来即为整机的A相绕组，3个B相线圈串联起来即为整机的B相绕组，3个C相线圈串联起来即为整机的C相绕组，3个绕组的引出端为相线当转子匀速旋转时A、B、C相线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。发电机直驱同步发电机又叫低转速发电机，都是多极结构，采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。有多极内转子结构与多极外转子结构等。直驱式发电机在结构上主要有轴式结构与盘式结构两种。定子铁心定子绕组发电机转子发电机内转子发电机 外转子发电机 盘式发电机不管内转子还是外转子，转动的部分永远是磁极，定子为绕组，直驱风机没有集电环。发电机同步发电机原理：产生感应电动势风力机拖着发电机的转子以恒定转速n1相对于定子沿逆时针方向旋转；

安放于定子铁心槽内的导体与转子上的主磁极之间发生相对运动

；根据电磁感应定律可知，相对于磁极运动（即切割磁力线）的导体中将感应出电动势。导体感应电动势的方向可用右手定则判断

。发电机交流电机转速与频率的关系可用如下公式：n：电机转速，转/分钟

f：电源频率n=60f/pp：电机磁极对数我国规定标准电源频率为f=50周/秒，所以旋转磁场的转速的大小只与磁极对数有关，磁极对数多，旋转磁场的转数就低。当电动机的绕组为1对N,S极时，其旋转磁场和电源同步，为3000r/min。当绕组极对数为2时，旋转磁场为1500r/min。极对数为3，旋转磁场为1000r/min。但是电动机转子的转速总是落后于磁场同步转速的，如2对极的电动机实际转速约为1450r/min这就是为什么直驱的发电机级数高的原因发电机同步风力发电机并网方式恒速恒频同步风力发电机转子由直流电源提供励磁电流，调速齿轮箱控制发电机转子转速保持在同步转速，从而使发电机定子感应出恒定频率的电势和稳定的电压，并入电网。直驱永磁同步风力发电机转子采用磁通很密集的永磁定子绕组，发电机转子和风轮同轴转速较低，要求定子或转子绕组的极对数增加，因此绕组的体积增大，发电机体积较大。同时转子旋转速度不稳定，所以定子感应出的频率和电压都不稳定，因此需要一个网侧的变频器将其电压频率稳定后并网。发电机定子绕组输出电压的频率随转速变化。转子结构复杂，励磁消耗电功率。体积大、重量重，效率稍低。永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速，但全容量全控变流器成本高。永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。发电机风速不稳定风轮转速波动发电机转子转速变化 电的频率不断变化交流发电机输出频率稳定的电压 转子转速稳定=发电机旋转磁场转速稳定单极发电机输出电压频率为50Hz=内部旋转磁场的转速是50r/s;如果转子也是50r/s，则旋转磁场相对转子静止；转子转速为30r/s时，让转子产生20r/s的旋转磁场，转速相加就能产生50r/s的旋转磁场；转子转速为60r/s时，让转子产生10r/s的反方向旋转磁场，两者转速加起来也能产生50r/s的旋转磁场。需要发电机双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。发电机双馈异步发电机的特点：（1）和异步电机区别：异步电机通过定子从电网吸收励磁电流，本身无励磁绕组，而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组；异步电机无法改变功率因数；异步电机的转速随负荷变化而变化。（2）和同步机区别：双馈电机可以调节幅值、频率和相位；改变励磁频率，可以调节电机转速；改变励磁电流相位，可以调节发电机电势和电网电压向量的相对位置，改变了电机功率角，可以调节有功和无功。发电机双馈异步发电机的优点1)

通过改变转子励磁电流相位，实现输出功率因数的调整。通过改变转子励磁电流频率，转子可运行在变化的速度状态，实现变速恒频运行。通过改变转子励磁电流幅值，实现无功功率输出的大小。发电机变速恒频双馈发电机运行时电机转速与定、转子绕组电压频率关系的数学表达式：f1=p×nr/60±f2式中：

f1为定子电压频率；p为电机的极数；nr为双馈发电机的转速；f2为转子励磁电压频率。由上式可知，当转速nr发生变化 时，若调节f2变化，可使f1保持恒定不变，实现双馈发电机的变速恒频控制。发电机双馈异步发电机的并网方式双馈异步发电机转子由变频器中的IGBT模块将电网电流变流为转子绕组励磁，当转子转速和励磁旋转转速叠加达到发电机同步转速时，变频器控制定子绕组并网，如果从定子绕组的并网方式看来，双馈异步发电机更接近同步发电机。发电机双馈异步发电机运行的三种状态1）亚同步状态：转子转速n1低于发电机同步转速ns，此时变频器IGBT变流模块为转子绕组提供三相交流励磁，在转子绕组上产生一个转速为n2的与转子旋转方向相同的励磁旋转磁场，在此状态下变频器根据n1的变化实时改变n2，使n2+n1=ns。该状态下发电机只由定子绕组发出功率。P电磁=P机械+P转差 P上网=P电磁发电机2）