小型风力发电机的转速与功率控制

小型风力发电机的转 速与功率的控制
7.小型风力发电机的转速与功率的 控制
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可归纳为四种方式： � 1.定桨距失速； � 2.定桨距阻尼板； � 3.定桨距风轮偏侧； � 4.变桨距：a.利用离心惯性力； b.利用风压变桨距。 � 在现有产品中采用风轮偏侧和机械离心变桨两种方式比较 普遍。
7.1风轮偏侧式控制机构
图20
尾舵由尾杆和舵板组成。尾杆和舵板固定在一起，尾杆 前端与回转体之间用竖销铰链，如图21所示。相对于风 力发电机，风轮为前，尾舵为后，以俯视分左右，偏置的 回转中心在左侧，竖销设置成后倾角α，左倾角β。如图 所示尾舵的重力矩施加到竖销上将产生绕竖销的转矩，转 矩的大小取决尾舵的重力矩和α、β角的大小。在正常运 行状态（尾舵顺风，风轮正对风向），于竖销左侧设限位 挡块，为重力复位限速机构设置了初始方位角φ0调整尾舵重 力矩，α，β角使其产生的复位力矩与额定风速下风轮的 气动偏转力矩，回转重心的摩擦力矩相平衡。当超过额定 风速，风轮在增大的风力作用下，克服了尾舵在方位角φ0 时 的复位力矩，向一侧转动，偏离了风向，释放风能，限制 了风轮转速的增长。当风速降低时，尾舵的复位力矩大于 风轮的气动力矩，将风轮反弹回正对风位置。
图26
扭转桨叶的力矩大小与桨叶对桨轴的转动惯量、垂块的 质量、垂块质心距桨轴的距离、α角、风轮角速度有关。
图27是一种典型的飞杆变桨距机构。它包括启动弹簧1，同 步拉杆2，调速弹簧3，导向体4，风轮毂5，叶片法兰6，飞 杆7，叶片轴8，同步盘9。叶片安装在叶片法兰上，受飞杆 离心惯性力的作用，叶片法兰，叶片将绕叶片轴转动，通过 改变桨距角调节风力机转速和功率。
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为使风力发电机在额定风速及低于额定风速时风轮保持正 对风向，则应把弹簧的拉力调节到能够与风轮的气动力矩 相平衡。 平衡方程： ∑M=M气动－M弹簧±M摩擦=0 � 式中M气动 ——风压作用于风轮对回转中心的力矩； M弹簧——弹簧回复力矩，M弹簧=P·L ； � P——弹簧拉力； � L——弹力作用于回转中心的力臂； � M摩擦——机头回转摩擦力矩； �
图25 1.轮毂 2.弹性桨杆 3.滑块 4.飞杆 5.叶片
桨叶偏转的力矩： 式中I为桨叶对桨轴的转动惯量（kg m s2）； α1为桨叶质心所在平面与风轮旋转平面之间的夹角； m为飞杆质量（m=G/g，G为重量kg，g为9.8m/s2）； r为飞杆质心到桨轴的垂直距离（m） α2为飞杆质心所在平面与风轮旋转面之间的夹角； ω为风轮旋转角速度（rad/s） � 改变飞杆的质量、质心与桨杆距离和夹角α2可以调节机 构对桨叶的偏转力矩。调整弹性桨杆的扭转应力及应变转角 可以满足变桨距控制风轮的要求。实际运行结果表明采用这 种机构机组运行非常Байду номын сангаас稳，特别适合于负向主动失速控制。
如28图所示，桨叶气动压力和风压 中心距机械转轴的距离决定了桨叶 的偏转力矩。自如转动的桨叶通过 同步曲柄连杆机构与调速弹簧安装 在一起就构成了气压变桨距控制机 构。在额定风速下，计算出桨叶偏 转力矩，设计调速弹簧的工作压力 使其通过曲柄连杆机构与桨叶偏转 力矩相平衡。
图28
当风速增大，风压在桨叶上所产生的偏转力矩大于调速弹 簧预先设置的工作压力，桨叶向顺桨方向转过一定的角度 即减小迎角使风轮转速降低。当风速减小时，桨叶被弹回 原角度，保持正常的转速和功率输出。
7.2.1桨叶离心力螺旋槽变桨距机构
如图24所示。风轮旋转时，桨 叶连同带有螺旋槽的桨杆在离心 力的作用下，克服调速弹簧的弹 力向外周甩出，在甩出的同时沿 螺旋槽转动改变桨距。改变调速 弹簧的工作压力可以调整额定转 速，改变调速弹簧的刚度可以调 整转速和桨距角的对应关系。在 机构中设置同步机构，可以使各 桨叶的桨距角的变化保持一致。
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M复位 = G × L × sing × sin j
式中：G—尾舵重力 L—尾舵重心点到竖销距离 γ—竖销轴线与垂直线的夹角 j —复位机构在摆动平面内的方位角（以尾舵复位力矩为 零时尾杆所在位置为零度） 在额定风速时，在方位角φ0时，尾舵产生的复位力矩和额风 速时下风轮的气动偏转力矩以及回转重心的摩擦力矩要达到 平衡，此时α角和β角要协调好。在超过额定风速时，风轮 的气动偏转力矩较大，尾舵的复位力矩要与其平衡，此时尾 舵的复位力矩主要取决于α角的大小、尾舵的重力和尾舵重 心到竖销的距离。
7.2.3离心飞杆机械变桨距机构
这种结构的工作原理如图26所示，受 力分析运动图仅画出一个桨叶。桨叶 绕水平轴OX在OAB面内旋转，桨杆 用轴承安装在水平轴上，可以自如转 动，支杆r固接在桨杆A处，端部是垂 块G，垂块所在平面OAG与风轮旋转 平面（OAB）之间的夹角为α。当风 轮旋转时垂块的离心力可分解为：沿 ABG面的切向分力Fτ和平行于桨杆 的轴向分力Fc。切向分力Fτ使桨叶 绕桨杆轴线转动，加大迎角而进入失 速状态。
叶尖扰流器结构
风轮偏侧 原理：当风轮偏侧γ角时， V1=V*cosγ, n1=n*cosγ P1=P*cos3γ 因此当风速高于额定风速时，要使风力机的转速与功率维持 不变，必须使风轮偏侧一定的角度。 实例：
四种变桨方式
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图22
7.1.4尾舵调向、电动舵轮偏航限速机构
如图23所示，正常 运行状态由尾舵调向使 风轮正对风向。当超过 额定功率时超限而分流 的电能输入到电动舵 轮，电动舵轮旋转产生 拉力使风轮偏侧风向， 限制了风力机的输出功 率。
� 图23 1风轮，2发电机，3尾杆，4舵板，5舵轮
7.2机械离心变桨距机构
风轮偏侧有侧向偏转和上仰两 种运动方式。图18画出了风向偏 折后风速矢量的变化。当风轮偏 离风向γ1角度时,吹向风轮的风 速降低为V1=V*cosγ1,风轮转 速降低比例为 cosγ1/1，而功 率减小的比例是cos3γ1/1。因 此当风速高于额定风速时，要使 风力机的转速与功率维持不变， 必须使风轮偏侧一定的角度。
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尾销倾斜
回转中心偏置
图21
7.1.3风轮偏置、尾舵调向、活络舵板限速机 构
与7.1.2所述的结构不同之处在于尾杆与回转体固定，在尾 杆末端安装可以调节倾角的舵轴，舵板与舵轴之间为可以转 动的铰链连接，舵板以本身的重力保持下垂状态。如图22所 示。从俯视图可以看到风轮与尾杆轴线不平行，尾杆向左后 方有约10°夹角。设置这个角度是为了在额定风速下尾舵产 生的调向力矩与风轮的气动偏转力矩相平衡，使风力发电机 能输出额定功率。当风速再增大时风轮的气动偏转力矩大于 尾舵的调向力矩，风轮开始偏侧。通过调节舵板的重量和舵 轴的倾角可以改变风轮偏侧的起始风速和不同风速下风轮偏 侧的角度。
图27
结构中设置启动弹簧的目的是使桨叶在静止待机时具有较大 的安装桨距角，在风速小于3m/s之前风轮即可起动。
7.2.4 风压变桨距机构
利用风速风压的变化，在风速风压超过某限定值时，桨叶 绕自身桨轴转动，并随风压不同而偏转不同的桨距角。为 此，桨叶的机械转轴应安排在桨叶受到风压时能够产生顺风 向转动的力矩。
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图24
7.2.2离心飞杆弹（柔）性变桨距机构
按空气动力优化设计制作的桨 叶，其质心不在桨叶轴上，于风 轮旋转平面之外安装一个飞杆 （或重块）在桨杆上，桨杆做成 弹性构件固定到轮毂上，如图25 所示。当风轮旋转时位于旋转平 面之外的质量（含桨叶和飞杆等 ）在离心力的作用下，会使桨叶
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绕桨杆偏转，直至进入盘面内。
7.1.2风轮偏置、尾舵调向并重力蓄能复位的 限速机构
图20画出了重力蓄能复位限速机构的工作原理图。在o-x、 o-y、oz坐标系中，ox与风轮轴重合，oy与风轮盘面平行，z为 jo 垂直坐标轴。图中AB为竖销，α为后倾角，β为左倾角， 角 是复位机构设置的初始安装角。当α，β确定之后， 即确 jo 角是尾舵的自由稳定位置，及尾舵重力矩在垂直于竖轴 定， 的平面上的分力距为零的状态。如图20所示，当把尾舵摆动一 个角度，尾舵在抬高的同时产生了重力矩的切向分力矩，并且 随摆角的增大而加大，当尾杆从初始jo转至90°时复位力矩最 大，在工程实践中对尾舵的复位力矩有一个简便的算法，如图 示，设置α角和β角之后，竖轴AB与oz形成夹角γ和方位 o o j = 90 j 角 ，当 j = 0 ，复位力矩为零，当 时，复位力矩最 大，复位力矩来自尾舵的重力钜，可以写出如下计算式：
� 图18
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偏侧角度的理论计算值如下表：
7.1.1风轮偏转，尾舵调向，弹簧复位的限速 机构
风轮偏侧常采用偏置风 轮的结构。如图19所示， 塔顶回转中心与风轮轴轴 线偏置一个距离e，当风 压施加到风轮上会产生绕 回转中心转动的力矩，此 力矩称为气动力矩。它的 大小与风压大小和偏置距
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离有关。
图19 风力发电机正常运行俯视图
作用在每只桨叶上的空气动力合力可以粗略的按下式计算：
式中CL——升力系数； S——桨叶面积（m2）； ρ——空气质量密度ρ=0.125kgS2/m4 ω——风轮角速度rad/s R 2 +Rr0 +r0 2 rL = V——风速（m/s） 3 rL——风压中心与风轮旋转轴的距离，近似算法 R——风轮半径 r0——风轮空环半径（r0通常取0.2R） 风压中心到桨叶前缘的距离，据翼型参数确定，可近似的取 0.33C；如果设定了桨轴到前缘的距离，两距离之差乘以F桨叶 即可计算出额定风速、额定转速时的偏转力矩，进而计算出 大于额定风速时的偏转力矩及桨距角的变化值。