风力发电机各部件的选择

三、风力发电机各部件的选择

风力发电机的主要部件由叶片、齿轮箱、发电机、塔架及其他部件组成。

(一)叶片的选择

1．叶片的结构

风轮是由1～3个叶片组成，它是风力发电机从风中吸收能量的部件。叶片一般采用非金属材料制成，叶片常见的结构有如下四种形式。

1)实心木质叶片。

2)使用管子作受力梁，用泡沫材料、轻木或其他材料作中间填料，并在表面包玻璃钢。

3)叶片由管梁、金属肋条和蒙皮组成。

4)叶片由管梁和具有气动外型的玻璃钢蒙皮做成。

2．叶片的材料

叶片是由加强玻璃塑料(GRP)、木头和木板、碳纤维强化塑料(CFRP)、钢和铝构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其他特性。对于大型风力发电机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。世界上大多数大型风力发电机的叶片是由GRP制成的。这些叶片大部分是用手工把聚酯树脂敷层，和通常制造船壳、园艺、游戏设施及世界范围内消费品的方法一样。其过程需要很高的技术水平才能得到理想的结果，并且如果人们对重量不太关心的话，比如对于长度小于20m的叶片，设计也不复杂。玻璃纤维要较精确地放置，如果把它放在预浸片材中，则使用高性能树脂，如控制环氧树脂比例，并在高温下加工处理。当今，出现了简单的手工铺放聚酯，为GRP叶片提供了降低成本的途径。常见的叶轮及叶片如图3-8所示。

图3-8　常见的叶轮及叶片

3．风轮叶片的功率调节方式

叶片工作的条件十分恶劣，它要承受高温、暴风雨(雪)、雷电、盐雾、阵(飓)风、严寒、沙尘暴等的袭击。由于处于高空，在旋转过程中，叶片要受重力变化的影响以及由于地形变化引起的气流扰动影响，因此叶片的受力变化十分复杂。当风力达到风力发电机组的设计额定风速时，在风轮上就要采取措施以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。风力发电机组在达到运行的条件时应并入电网运行，随着风速的增加和降低，发电功率将发生变化;机组所有状态都被控制系统监视着，一旦某个状况超过计算机程序中的预先设定值，机组将停止运行或紧急停机。机组的运行过程为:达到启动风速开始启动，达到切入风速并网，达到额定功率时将进行调节(如失速方法或变桨距方法)，当达到停机(切出)风速时，机组将停止运行，直到风速回到停机风速以下，机组再恢复运行。无论是变桨距还是失速功率，都是通过叶片上升阻力的变化以达到发电输出功率稳定而不超过设定功率的目的，从而保证机组不受损害。机组不应长期在超功率下运行。两种功率调节方式比较见表3-5。

表3-5　两种功率调节方式比较

续表

(二)齿轮箱的选择

1．齿轮箱的作用

风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故而也将齿轮箱称为增速箱。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称“大轴”)与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动(定浆距风轮)或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向、变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，且常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如，对构件材料的要求，除了常规状态下力学性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性;应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击;保证充分的润滑条件，等等。对冬、夏温差较大的地区，要配置合适的加热和冷却装置，还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。

2．常见的齿轮箱结构

常见的齿轮箱结构有三种。

1)二级斜齿。

2)一级行星，二级平行轴结构。

3)斜齿加行星轮结构。

不同形式的风力发电机组有不一样的要求，齿轮箱的布置形式以及结构也因此而异。在风电界水平轴风力发电机组用固定平行轴齿轮传动和行星齿轮传动最为常见。

3．齿轮箱的润滑

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。为此，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，配备可靠的润滑系统，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑，其中强制润滑较为多见。润滑系统的线路是电动齿轮泵从油箱将油液经滤油器输送到齿轮箱的润滑管路，对各部分的齿轮和传动件进行润滑，管路上装有各种监控装置，确保齿轮箱在运转当中不会出现断油。

(三)发电机的选择

发电机分直流发电机和交流发电机两种。

直流发电机从机理上也可分为两种。一种是永磁直流发电机，它的定子磁极是永磁体，转子绕组在磁场中转动产生的电流经换向器、碳刷输出直流电，电压分别为12V、24V、36V等，这种直流发电机常用在微、小型风力发电机上。另一种大、中型直流发电机其定子磁极是由几组镶嵌在定子槽内的绕组通入直流电形成的，直流电输出与前者相同。图3-9是定子直流励磁的直流发电机。

图3-9　定子直流励磁的直流发电机

1—轴;2—风扇;3—基座;4—电枢;5—主磁极;6—刷架; 7—换向器;8—接线板;9—出线盒;10—换向极;11—端盖

更为广泛的是交流发电机，交流发电机按不同的励磁方式分为很多种。

交流发电机主要有三相和单相交流发电机，两相交流发电机极少。

交流发电机是从定子绕组输出交流电。交流发电机的转子是旋转磁极，转子绕组通以直流电形成磁极，形成磁极的过程称为励磁，交流发电机的励磁方式有多种。图3-10是励磁机励磁的交流发电机(也称“无刷交流发电机”)的结构示意图。

图3-10　励磁机励磁的交流发电机

1—轴;2—轴承;3—端盖;4—发电机定子;5—发电机转子;6—发电机风扇; 7—励磁机定子;8—励磁机转子;9—励磁机端盖;10—轴承;11—励磁机风扇

下面主要介绍交流发电机的分类和常用的交流发电机。

1．交流发电机的分类

交流发电机有同步、异步、自动调频、永磁、有刷和无刷交流发电机等。

(1)同步交流发电机

当发电机转子被外动力(如风力发电机、水轮机、汽轮机等)拖动转动并对转子绕组通以励磁直流时，转动的转子与定子之间的气隙中就产生旋转磁场，它按正弦规律变化，称做主磁场。当主磁场切割定子绕组时，在定子的绕组中便产生正弦交流电动势。当发电机带上负载时，在定子绕组中通过的电流也在气隙中产生旋转磁场，称定子磁场或电枢磁场。所谓同步发电机，就是电枢磁场的旋转速度与主磁场的旋转速度始终保持相同，即始终同步的发电机。电枢磁场的旋转速度称做同步转速n。

式中　nD——同步发电机转速，r/min;

　f——同步发电机交流电动势频率，Hz;

　P——同步发电机极对数。

(2)异步交流发电机

异步交流发电机只要频率接近电网频率就可以并网，但当频率低于电网频率时，异步发电机成了电动机，由电网的电力驱动发电机转动，此种现象称为逆功率，异步发电机并网应安装逆功率切换装置。

(3)自动调频交流发电机

自动调频交流发电机就是在转子上安装一套电子装置来变化转子的电磁极，使在任何转速下发出的电都能得到恒定的频率。这套电子装置虽然价格较高，但使调速装置大大简化，所以这种调频发电机在风力发电机的应用中得到重视。

(4)永磁交流发电机

永磁交流发电机就是用永磁体作发电机的磁极的交流发电机。在世界上，一些工业发达国家早已开始研究采用永磁体作发电机的磁极，这样可以省去转子绕组、励磁机、整流装置或转子绕组、碳刷、换向器、励磁用电源及节省电能。但目前都限于微、小型发电机，电压大部分在220V以内。

(5)有刷交流发电机

有刷交流发电机就是利用碳刷、滑环将转子绕组所需励磁的直流电供给转子绕组的交流发电机。励磁用的直流电可以是发电机本身3次谐波绕组的交流电，也可以是电网交流电经整流、调整后供给。

(6)无刷交流发电机

无刷交流发电机就是转子所需要的励磁直流电由励磁机转子发出的交流电经硅二极管整流后供给的。励磁机安装在主发电机之后，励磁机转子与主发电机转子同轴，并且整流装置也都固定在轴上，从而省去了碳刷、滑环，故称无刷交流发电机，也称励磁机发电机。

2．常用交流发电机

(1)有刷励磁交流发电机

1)晶闸管直接可控励磁。就是将交流发电机发出的交流电通过晶闸管整流，并经碳刷、滑环送给主发电机的转子励磁。当发电机开始运转时，转子没有建立起磁坊，交流发电机不能发电，需另有直流电源励磁。一旦发电机发电，便可使用晶闸管直接可控励磁而切断起励用直流电源。励磁电流大小的调整是利用晶闸管导通角的调整来控制的。晶闸管直接可控励磁的磁电原理图如图3-11所示。

图3-11　晶闸管直接可控励磁电原理图

1—发电机转子;2—发电机定子绕组;3—发电机定子;4—自动电压调节器

这种励磁方式体积小、重量轻、调压精度高、励磁损失小，但在短路时没有短路维持电流，尚需加电流复励或短路电流维持装置。

2)三次谐波励磁是在发电机定子槽中附加一组谐波绕组，将谐波功率利用起来供给发电机励磁。当负载电流流经电枢绕组时所产生的三次谐波与主磁极所产生的三次谐波是同相位:两者叠加后互相增强，从而使谐波绕组中感应的三次谐波电动势也将增大，使励磁电流增大，从而使发电机电压升高，这就能在一定程度上补偿发电机在感性负载下由于电枢反应造成的端电压下降，起到电压自动调节的作用。

三次谐波励磁的优点是结构简单，造价低，静、动态性能都较好。缺点是并网的稳定性较差，易产生振荡及三次谐波引起的波形畸变而增大中线电流。图3-12所示为晶闸管可控三次谐波励磁主电路电原理图，图中V1～V6及VT1和VT2组成测量、比较及控制电路。

图3-12　晶闸管可控分流三次谐波励磁主电路电原理图

1—发电机定子;2—发电机定子绕组;3—发电机转子绕组;4—三次谐波绕组

当输出电压降低时，单结晶体管把取自前级VT1的电压降低的信号经单结晶体管输出给晶闸管KV1的控制级，使其导通角增大，从而增加了发电机转子的励磁电流，发电机电压升高，反之电压降低。

3)电抗移相相复励。电抗移相相复励如图3-13所示。图3-13中T为相复励变压器，有两个电源绕组:其一是电压绕组T1，是经电抗器XK由发电机输出端电压供电，其电流落后于端电压，并且与端电压成线性关系;其二是电流绕组T2，它与发电机定子绕组串联，直接由发电机定子绕组电流供电。当然这要在发电机带负载的情况下才能有电，所以它反映了发电机负载电流的变化。

图3-13　电抗移相相复励电原理图

1—发电机定子;2—发电机定子绕组;3—发电机转子绕组

此外还有一个输出绕组T3，T3绕组的电流取决于发电机的电压和电流并且与它们的相位有关，T3绕组的电压、电流是受T1和T2的影响，其经V1～V6整流后再经碳刷和滑环给发电机转子励磁。当发电机负载为纯电感性时，发电机电流与电抗器后的电流同相位，合成电流最大，复励电流的增加抵消了cosφ等于0的感性无功负载的去磁反应，使发电机输出电压稳定。当发电机的负载为纯阻性时，电抗器后的电流落后于发电机负载电流约90°，那么在T3上所得到的合成电流为最小，这样在cosφ等于1的纯电阻性负载下，经V1～V6整流后的电流也小，使发电机升高的电压又回落，从而保证发电机有稳定的输出电压。整个励磁调整过程使发电机在功率因数cosφ为0～1的范围内保持恒定的输出电压，实现电压自动调解。R2是电压输出的手动可变电阻，当手动可变电阻阻值调节变小时，经R1和R2分流变大，供给转子励磁电流变小，发电机输出电压降低，反之电压升高。这种励磁方式可靠、稳定，过载能力强，静、动态性能较好，能调节无功功率。其缺点是太笨重，起励性和温度补偿性能差。

此外，还有比绕组电抗分流励磁、自并激晶闸管可控励磁等。

(2)无刷励磁交流发电机

该发电机由主发电机和其同轴的一个交流励磁发电机组成。交流励磁发电机转子输出交流电经两级管整流后直接供给主发电机励磁。由于主发电机转子与励磁机转子同轴，所以将整流部件也同时固定在轴上形成统一的转动体，省去了碳刷、滑环，故称无刷励磁。

无刷励磁的电压调整是靠励磁机定子绕组的励磁电流大小来调整的。可以在主发电机输出端取样、放大，送至触发器中，使触发器按主发电机的电压要求去触发晶闸管，用控制晶闸管的导通角来变化交流励磁机定子绕组的励磁电流。励磁机定子绕组的励磁电流又控制励磁机转子所发交流电的电压和电流，而励磁机转子所发的交流电经硅两极管整流后直接为主发电机转子励磁，这样就控制了主发电机转子励磁的电压和电流，实现了主发电机电压的自动调整。无刷励磁的方式很多，这里主要介绍三次谐波无刷励磁。图3-14是三次谐波晶闸管可控自动调压电原理图。

图3-14　三次谐波晶闸管可控自动调压电原理图

1—发电机定子绕组;2—发电机定子;3—发电机转子;4—发电机转子励磁绕组;5—励磁机转子绕组;6—励磁机定子励磁绕组;7—三次谐波绕组

图3-14中变压器有两个绕组，星接输出为取样，亦称测量比较，其输出电压正比于发电机输出电压，经整流后给直流放大器VT1。VT1放大后由发射极输出给单结晶体管VT2作小晶闸管KV1的移相触发，小晶闸管KV1再触发大晶闸管KV2，作V15～V20整流后的分流。变压器角接的绕组经V7～V12整流及C4、R12、C5滤波和KV3稳压后作电路的直流电源。

当取样电压较高时，KV2的导通角大，分流大，给励磁机定子励磁电流越小，使励磁机转子交流电压下降，供给主发电机转子的励磁电流减少，使主发电机定子绕组交流电压下降;反之，KV2分流小，供给励磁机定子励磁的电流增大，励磁机转子电流增大，主发电机转子励磁电流增大，使主发电机定子绕组输出交流电压升高，这样的调整过程使主发电机能保持恒定的电压输出。

R3、R4、KV4、KV5组成取样桥，也称比较桥，是对称的桥，从桥中心输出直流信号送至VT1放大，这时VT1相当一个可变电阻，取样桥的输出加在它cd极上，直接控制VT1的基极电流。当VT1的Icd也上升，电流增大，相当于可变电阻变小，C2充电加快，使单结晶体管VT2脉冲前移。相反，则脉冲后移，达到移相触发的目的。V13、V14是接在VT2的发射极与晶闸管的阳级之间的两极管，它起到触发脉冲与晶闸管同步的作用。

无刷励磁还有很多种形式，如直接可控励磁、相复励励磁、三次谐波励磁，三次谐波复励等。

交流发电机设计除励磁方式设计外，还有很多需要设计及计算的项目。比如发电机的功率、效率、定子齿、定子轭、转子齿、转子轭、气隙、定子槽、转子槽、定子绕组、匝数、绕组导线等。同时还要解决散热方式，对散热面积、流道等进行计算。还要对转子轴进行强度、刚度的计算，选择硅钢片等大量计算、设计工作。

(四)塔架的选择

1．塔架的功用

1)支撑风力发电机的机械部件、发电系统，承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力。

2)具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括启动和停机的周期性变化、塔影效应，吸收机组振动。

2．塔架的结构

塔架(见图3-15)主要有塔筒状和桁架式两种结构。

图3-15　风力发电机组塔架

(1)塔筒状塔架

国外引进及国产机组绝大多数采用塔筒式结构。这种结构的优点是刚性好，在冬季人员登塔较安全，连接部分的螺栓与桁架式塔相比要少得多，维护工作量少，便于安装和调试。

(2)桁架式塔架

桁架式是采用类似电力塔的结构形式。这种结构风阻小，便于运输。但组装复杂，工作量大，冬季爬塔条件恶劣。

3．塔架与地基的连接

(1)地脚螺栓连接

塔架底法兰螺孔有良好的精度，地脚螺栓强度要高。

(2)地基环

加工短段塔架放入地基，采用法兰对法兰的连接。

4．塔架的选型原则

风力发电机的塔架除了要支撑风力发电机的重量，还要承受吹向风力发电机和塔架的风压以及风力发电机运行中的动载荷。它的刚度和风力发电机的振动有密切关系。小型风力发电机塔杆为了增加抗弯矩的能力，可以用拉线来加强。中、大型风力发电机塔杆为了运输方便，可以将钢管分成几段。一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力发电机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力发电机上，其优点是造价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风力发电机的叶片产生很大的紊流。