第四讲 风力发电机的结构与分类

（7）调速装置 风速是变化的，风轮的转速也会随 风速的变化而变化。为使风轮运转在所 需要的额定转速下的装置称为调速装置。 当风速超过停机风速时，调速装置 会使风力发电机停机。调速装置只在额 定风速以上时调速。 目前世界各国所采用的调速装置主 要有以下几种。
①可变桨距调速装置。变桨距调速装置是现代 风力掣电机主要调速方式之一。在图2-4中，微机发 出指令让叶片增大安装角以减少由于风速增大使叶 片转速加快的趋势，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，维持风轮运转在额定转 速范围内。当风速减小时，微机指令的动作与上述 相反，减小叶片的安装角以使叶片接受风能增加， 维持风轮转速在额定转速的范围内。变桨距调速装 置也有多种形式，上述为液压变桨距调速装置，变 桨距调速装置还有一种由调速电机来驱动的。这种 由调速电机驱动的变桨距调速也是当代风力发电机 主要的调速方式之一。
②定桨距叶尖失速控制调速装置。定桨距叶尖 失速控制调速装置是当代风力发电机常采用的主要 调速方式之一。定桨距就是叶片的安装角是固定的， 也就是叶片固定在轮毂上不能转动。在叶尖上有一 段叶片是可以转动的，在额定风速下叶尖上可动的 一段叶片与叶片保持一致，当风速超过额定风速时， 可动叶尖在液压或机械动力的驱动下，转一定角度， 使可动叶尖失速对风形成阻力，风愈大则转的角度 愈大对风的阻力也愈大，从而保持叶片运转在额定 风速下。当风速减小时上面的过程正好相反。当风 速达到停机风速时，可动叶尖对风轮运转完全形成 阻力，致使风轮停止转动，也称空气动力制动或刹 车。
按风轮轴安装形式分类，可分为： 水平轴风力发电机。 垂直轴风力发电机。
4、2水平轴风力发电机的结构
水平轴风力发电机是目前世界各国 最为成功的一种形式，而生产垂直轴风 力发电机的国家很少，虽然垂直轴风力 发电机一些优点但垂直轴风力发电机效 率低、需重启设备。 水平轴风力发电机主要由风轮、风轮轴、 低速联轴器、增速器、高速轴联轴器、 发电机、塔架、调速装置、调向装置、 制动器等组成。
由于叶片在转动中，距转动中心不 同半径的线速度也不同，接受风能也不 同。为了叶片各部接受风能大体一致， 叶片往往做成从叶根至叶尖是渐缩的， 并且扭转一定角度，这种叶片称扭曲叶 片。现代大、中型风力发电机都采用扭 曲叶片。 叶片安装在轮毂上，有些调速装置 就安装在轮毂内。如图(2-4)(b)
（2）增速器
由于风轮的转速低而发电机转 速高，为匹配发电机，要在低速的 风轮轴与高速的发电机轴之间接一 个增速器。增速器就是一个使转速 提高的变速器。增速器的增速比i是 发电机额定转数nD与风轮额定转数n 的比，即i=nD／n。
（3）联轴器
增速器与发电机之间用联轴器连接，为 了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计 在一起。风轮轴与增速器之间也有用联轴器 的，称低速联轴器。如图(2-4)(a)中4和9。 （4）制动器 制动器是使风力发电机停止运转的装置， 也称刹车。制动器有手制动器、电磁制动器 和液压制动器。当采用电磁制动器时，需有 外电源；当采用液压制动器时，除需外电源 外，还需泵站、电磁阀、液压油缸及管路
（8）调向装置
调向装置就是使风轮正常运转时一 直使风轮对准风向的装置。风力发电机 的调向有很多种形式，总的说来有五种 形式：尾舱调向、侧风轮调向、下风向 调向及调向电机(伺服电机)调向和液压 驱动调向。
第四讲 风力发电机的结构与 分类
栗文义
4、1 风力发电机的分类 风力发电机分类按照不同的标准有不同 的分类方法： 按风力机的功率分类，可分为： 微型风力发电机，其额定功率为50~100W。 小型风力发电机，其额定功率为1~10KW。 机，其额定功率为100KW以上。
⑤扭头、仰头调速装置。扭头、调 速装置就是把风轮和机舱与转盘偏心布 置，当风速超过额定风速时风时风轮和 机舱能绕转盘偏离风向一定角度从而减 小叶片迎风面积以达到调速的目得。超 过额定风速愈大则风轮偏离风向愈大， 使风轮保持在额定转速范围内。图2—6 是扭头调速，图2—7是仰头调速。
当风速超过停机风速时，风轮顺桨，机舱与风 向垂直，停机。牵拉在尾舵梁上的弹簧在风轮顺桨 时自锁，开机时需人工调回。扭头调速是沿用最久 的行之有效的调速方式之一，其结构简单，易于制 造，成本低，至今还用在中型20kW以下及微小型风 力发电机的调速上。 仰头调速装置常用在微小型风力发电机的调速 上。仰头调速装置也是将风轮和机舱与塔架的铰接 轴偏心布置，当风轮在额定风速下运转时弹簧拉力 与风轮机舱对铰接轴的力矩相平衡，当风速大于额 定风速时风轮克服弹簧拉力而仰头调速。仰头调速 机理与扭头调速机理相同、仅是方向不同。
在额定风速下向圆弧板的离心力与 弹簧的拉力平衡并保持与风轮一起转动 叫对空气阻力最小的位置。当风速超过 额定风速时，风轮转速增加，圆弧板离 心力增大，使其克服弹簧拉力向外张开 造成空气阻力使风轮转速保持在额定转 速的范围内。当风速减小时，圆弧板离 心力减小，靠弹簧的拉力的圆弧板以拉 了回来，减小空气阻力，使风轮机在额 定转速范围内。
（1）风轮 叶片安装在轮毂上称作风轮， 它包括叶片、轮毂等。风轮是风力 发电机接受风能的部件。现代的风 力发电机的叶片数，常为1-4枚叶片， 常用的是2枚或3枚叶片。由于叶片 是风力发电机接受风能的部件，所 以叶片的扭曲、翼型的各种参数及 叶片结构都直接影响叶片接受风能 的效率和叶片的寿命。
叶片尖端在风轮转动中所形成圆的 直径称风轮直径，亦称叶片直径。 叶片又可分为变桨距叶片和固定桨 距叶尖可变桨距或叶尖有阻尼器两种叶 片，其作用都是为了调速。 从叶片结构上又可分为木制叶片、 铝合金挤压成型的等弦长叶片、钢制叶 片、钢纵梁玻璃钢叶片、玻璃钢叶片等。
③离心飞球调速装置。离心飞球调速装置是风 力发电机最早的变桨距调速装置。现代风力发电已 很少采用。离心飞球调速装置最典型结构是绞接在 轮毂上的飞球随风轮转动而转动，在额定风速下， 飞球的离心力与弹簧压力相平衡；当风速超过额定 风速时，风轮转速加快，飞球离心力增大，克服弹 簧压力向外伸开，飞球另一端拐轴就驱动大齿轮转 功。并驱动与其啮合的小齿轮转动，而小齿轮轴正 是叶片可变桨距的轴，因此叶片向其安装角增大的 方向转动，使叶片向减少迎风面，保持风轮运转在 额定转速范围内。当风速减小 时，飞球调速过程恰 好相反。离心飞球调速装置还有很多种结构形式， 可以控制整个叶片变桨距，也可以利用飞球离心力 控制叶片锥角以改变叶片迎风面来调速。
等。
（5）发电机 叶片接受风能而转动最终传给发电机，发电机 是将风能最终转变成电能的设备。 风力发电机土常用的发电机有四种： ①直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。直 流电压12，24，36V等。中型风力发电机也有用直 流发电机的 ②永磁发电机，常用在小型风力发电机上，电压一 般为115，127V等，有直流也有交流。永磁交流发 电机在中、大型风力发电机上尚未得到使用，主要 有些技术问题还未解决。现在我国已经发明了交流 电压440／240V的高效永磁交流发电机，可以做成 多极低转速，特别适合风力发电机。
④空气动力调速装置。空气动力调速装 置的机理是在叶尖上或叶片中部安装一块阻 尼板，在额定风速下，阻尼板随风轮运转的 离心力与弹簧的拉力平衡并保持与风轮转动 中受空气阻力最小的位置。当风速超过额定 风速时，阻尼板由于离心力的作用而张开并 对空气形成阻力使风轮转速保持在额定转速 的范围内。空气动力调速形式有很多。定桨 距叫 尖失速控制调速也属空气动力调速之一。 图2-5是Wlnd-Charger空气动力调速装置，它 是用两个圆弧板铰接在与叫片相垂直的短臂 上，短臂与轮毂焊在一起。
③同步交流发电机，它的电枢磁场与主 磁场同步旋转，同步转速nD=60f／p。 ④异步交流发电机，它的电枢磁场与主 磁场不同步旋转，其转速比同步转速略 低。当并网时转速应提高。
（6）塔架 塔架是支撑风力发电机的支架。塔 架有型钢桁架结构的，有圆锥型钢管和 钢筋混凝土的等三种形式。同时塔架又 分为硬塔，柔塔，甚柔塔。硬塔的固有 频率大于Kn，其中K为叶片数，n为风轮 转数；柔塔的固有频率在Kn和n之间； 甚柔塔的固有频率小于n。 为防止钢制塔架生锈，往往对钢制 塔架热镀锌。