风力发电机传动系统的设计doc - 图文(4)

2．从发电量因数的比较可以看出, 我国的发电量因数还不到世界的一半, 这就意味着我国风力发电机的安装量和发电量严重不成比例。

3．我国近海的风能资源比陆上丰富, 具有更高、更稳定的风速; 与陆上相比, 可提供的能量超过120%～140%以上, 故海上风力发电的发展在我国未来非常重要。但是, 我国的海上风电发展已慢于世界其他国家, 且在技术研发方面也有不小的差距。

1.3 本文研究的主要内容

风力发电机依据有无齿轮箱分为直驱式风力发电机和双馈式风力发电机以及介于二者之中的半直驱式风力发电机。而当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。

双馈式风力发电机，由于极对数小，因而结构比较简单，体积小，但是由于需要齿轮增速箱，因此传动系统结构比较复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。直驱风电机组的风轮直接驱动发电机转子旋转，不需要齿轮箱增速，从而提高了传动效率和可靠性，减少了故障点，但是直驱式机组的发电机极对数高，体积比较大，结构也复杂得多。

所以本文在基于对二者优缺点的对比中，取长补短进行对传动系统的优化设计，即对双馈式风力发电机的增速齿轮箱进行设计，使传动系统既具有双馈式的增速作用，又能够具备直驱式的高的传动效率。

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第2章 风力发电机组的组成和驱动结构型式

2.1 概述

风力发电机的功能是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。对风力发电机组的基本要求是在风电场所处的气候和环境条件下长期安全输送，以较低的成本获取最大的年度发电量。图2.1为风力发电设备示意。如图所示机械传动、偏航、液压、制动、发电机和控制等系统大部分都装在机舱内部，机舱外伸部分则是轮毂支撑的风轮。偏航系统直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，可随时根据风向变化调整迎风风向[3]。

图2.1 风力发电设备示意

风电机组的主要部件布置要使得机组在运行时，机头（机舱与风轮）中心与塔架中心相一致，整个机舱底部与塔架的连接应能抵御风轮对塔架造成的动力负载与疲劳负载作用。

机舱外壳是玻璃纤维和环氧树脂制造的机舱罩，具有低成本、重量轻、强度高的特点，能有效地防雨、防潮和抵御盐雾、风沙的侵蚀。

图2.2是上风向、三叶片、水平轴、变桨变速带齿轮箱的兆瓦级风电主流结构。风电机的风轮旋转产生的能量，通过轮毂、主轴、齿轮箱的高速轴和柔性联轴器送到发电机。之所以使用齿轮箱，是为了将风轮上的低转速高转矩能量，转换为用于发电机上的

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高转速低转矩的能量，这样就可以使用就结构较小的普通电机发电。

如果不使用齿轮增速箱，在很低的风轮转速下只能用一个技术较多的发电机，而用发电机转子的质量与转矩大小成正比例，这样的发电机将非常庞大和笨重。直驱式风力发电机就是没有齿轮增速箱，由风轮直接驱动发电机，亦称无齿轮箱风力发电机，如图2.3所示。

图2.2 风电机组的结构图 图2.3 直驱式风力发电机结构

2.2 风力发电机组的组成与结构

如图2.1所示，风力发电机组是由风轮、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、机舱、塔架和基础等组成。该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。其工作过程流程图如图2.4。

风 能 机械能 机械能 电能 风 轮 传动系统 风力发电

图2.4 风力发电机的工作过程

1．风轮

风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由2~3个叶片和轮毂组成，其主要功能就是将风能转换为机械能。普通风力机从审美观点看一般三叶片更令人满意。

叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。

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轮毂是风轮的枢纽，也是叶片的根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（是叶片做俯仰转动）的所在。

图2.5 轮 毂

2．传动系统

叶轮产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机,风力机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴器、制动器和安全过载保护装置等组成。齿轮用于增加叶轮转速,从20到50r/min增速到1000到1500r/min,驱动发动机。齿轮箱有两种:平行轴式和行星式。但有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。还有些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接连接发电机。

传动系统要按输出功率和最大扭矩载荷来设计。 3．偏航系统（对风装置）

偏航系统主要有两个作用：其一是风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；其二是提供必要的紧缩力矩，以保障风力发电机组的安全运行。

偏航系统工作原理：风向标作为感应元件，对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定旋转方向和偏航角度，风向标将风向变化用脉冲信号传递到偏航点击的控制回路的处理器里，经过偏航系统调节软件比较后处理给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，风机转速将通过同轴连结的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对准风向，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

4．液压和制动系统

液压系统的主要功能是向制动系统或液压、伺服变桨距控制系统的工作油缸提供压力油，由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀组成。

制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部分。 5．发电机

发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。齿轮箱高速轴和发电机轴通过柔性联轴器连接，发电机通过四个橡皮减震器与机舱底盘连接，这种结构可以有效地降

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低发电机噪声。风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组大多数时间内在较低风速下运行。

风力发电机系统包括发电机、变流器、水循环装置（水泵、水箱）或空冷装置。常见的发电机由异步发电机和同步发电机两种。

6．控制系统

控制系统利用微处理机，逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率，如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。

其主要任务是自动控制风电机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。主要包括控制和检测两部分。根据风电机组的结构和载荷状况、风况、变桨变速特点及其他外部条件，将组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式，人工停机方式和紧急停机方式。

7．机舱

机舱的布置应遵循以下原则： (1) 操作和维修方便。 (2) 功能效率要求高。

(3) 尽量保持机舱静平衡，使机舱的重心位于机舱的对称面内， …… 此处隐藏：1256字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……