风力发电机齿轮箱简介
摘要
随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高,对能源的需求越来越大，环境的破坏也渐趋严重，新能源的开发及利用是当今社会发展的必然趋势。风能作为一种清洁环保的绿色能源受到世界各国的青睐，而将风能转化为电能的装置--风力发电机的研究也是现在的一大热门主题。本文主要介绍了风力发电机传动系统的主要部分--齿轮箱，对其设计要求、结构类型、零部件进行了介绍，同时结合自身专业知识进对其工作环境、存在的失效故障问题进行了简单研究。
关键词：新能源；风力发电机；齿轮箱；工作环境；失效问题
ABSTRACT
With the rapid development of global economy and the increasing of human living standard, the demand for energy is more and more large, the destruction of the environment is also becoming more serious, thedevelopment of new energy and utilization is the inevitable trend of social development.Wind power as a kind of clean and environmental protection green energy is favored by countries around the world, and the device which changes wind energy into electrical energy--wind turbine, theresearch of it is now a hot topic. The paper mainly introduced the drive system of wind turbines--gearbox, the design requirements, structure types and main components of it are introduced. At the same time, according to the own professional knowledge,the work environment and the existing questionabout fault has been simply studied by according to the own professional knowledge.
Keywords：new energy sources;wind turbine;gear box;the work environment;the failure problems
1 绪论
随着科技进步和国民经济的日益发展，石油资源日益枯竭，而燃煤、核能等又存在大量环境污染和安全隐患，寻找新的可再生清洁能源、改善世界能源结构就成为了世界各国迫在眉睫的头等大事。风力发电作为可再生绿色能源，越来越受到世界各国的关注和重视，我国中长期规划明确支持“重点研究开发大型风力发电设备”，风电装置由此得到迅速发展。2009 年，全球风机装机容量已达159213MW，新增装机容量38312 MW，增长率为31.7%。中国则继续在世界风能发展中发挥领军作用，2009年新增装机容量达1.38×104MW，第四次实现超过1倍增长[1]。
随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高，对能源的需求越来越大。化石燃料是人类最早利用的能源之一。从18世纪开始，即随着英国产业革命的发生和发展，化石资源—最先是煤炭,然后是石油和天然气，就逐步替代柴草进入人类社会生活的各个方面，并有力地推动着社会生产力的发展。虽然到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，然而化石资源的有限和对环境的危害性，已经日益地威胁着人类社会的安全和发展。充足的能源、洁净的环境是经济持续发展的基础条件[2]。风能利用的最主要型式就是风力发电，风是风力发电的原动力，它是由于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。据理论计算全球大气中风能总的能量1017kw，而且是可再生的，估计大约有3.5×1012kw的蕴藏风能可以被开发利用，这个价值至少比世界上可利用的水能大10倍[3]。
风能清洁无污染是一种绿色能源，风取之不尽、用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产、制造和安装过程中需要消耗一定的化石能源,进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。
2 风电齿轮箱
2.1 风电齿轮箱简介
风力发电机组中的齿轮箱（简称风电齿轮箱）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。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
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（俗称主轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。也有将主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，
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，除了常规状态下机械性能外，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。对冬夏温差巨大的地区，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。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。
2.2 齿轮箱的设计要求
齿轮箱设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并且重量最轻。根据机组要求，采用CAD 优化设计，选用合理的设计参数，排定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置，等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。
2.2.1载荷要求
齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。为此要建立整个机组的动态仿真模型，对起动、运行、空转、停机、正常起动和紧急制动等各种工况进行模拟，针对不同的机型得出相应的动态功率曲线，利用专用的设计软件进行分析计算，求出零部件的设计载荷，并以此为依据，
风力发电机组载荷谱是齿轮箱设计计算的基础。载荷谱可通过实测得到，也可以按照JB/T10300标准计算确定。国际上通行的《风力机组认证规范》有相应的章节给出载荷谱计算公式，当按照实测载荷谱计算时，齿轮箱使用系数K A ＝1； 当无法得到载荷谱时，对于三叶片风力发电机组取K A =1.3。
风力发电机组增速箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，常用的标准是GB/T3480或DIN3990（等效采用ISO6336）中规定的齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。
2.2.2 效率要求
齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其他机件阻尼等。齿轮传动的效率可按下列公式（1）计算：
()1234=1ηηηηη???
式中1η——齿轮啮合摩擦损失的效率；
2η——轴承摩擦损失的效率；
3η——润滑油飞溅和搅油损失的效率；
——其他摩擦损失的效率。
4
风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率大于97%，是指在标准条件下应达到的指标。
对于采用滚动轴承支承且精确制造的闭式圆柱齿轮传动，每一级传动的效率可概略定为99%，一般情况下，风力发电机组齿轮箱的齿轮传动不超过三级。值得指出的是，随着传递载荷的减小，效率会有所下降，这是因为整个齿轮箱的空载损失，即润滑油飞溅和搅动时的能量损失、轴承的摩擦以及密封等的损失，在传递功率变化时几乎是不变的。
2.2.3 噪声级要求
风力发电增速箱的噪声标准为85dB（A）左右。噪声主要来自各传动件，故应采取相应降低噪声的措施：
1)适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；
2)提高轴和轴承的刚度；
3)合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。
齿轮箱安装时采取必要的减振措施，按规范找正，充分保证机组的联接刚度，将齿轮箱的机械振动控制在GB/T8543规定的C级之内。
2.2.4 可靠性要求
由于风力发电机的工作环境的限制，对其进行检测、维修耗费的成本很高，所以对于风力发电机而言，其齿轮箱的寿命必须达到要求，所以齿轮箱的可靠性也是一个重要的指标。
按照假定寿命最少20年的要求，视载荷谱所列载荷分布情况进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析、动力学分析等。分析方法除一般推荐的设计计算方法外，可采用模拟主机运行条件下进行零部件试验的方法。可靠性分析的步骤是: 在方案设计开始时进行可靠性初步分析，而在施工设计完成后再次进行详细的可靠性分析计算，其中包括精心选取可靠性好的结构和对重要的零部件以及整机进行可靠性估算。
2.3 齿轮箱的结构种类
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。下面将对几种常用的齿轮箱结构特点及其应用进行介绍：
1）两级平行轴斜齿传动，结构如图2.1所示，Bonus100kW风力机使用的齿轮箱，一般为焊接箱体，飞溅润滑，结构简单，成本低廉，维修方便，传递的功率小。由于传动比小，所以叶轮的转速较高。检查时注意油位及轴承是否正常，必须保证润滑充分及油的品质。
图2.1两级平行轴斜齿传动图2.2三级平行轴斜齿传动
2）三级平行轴斜齿传动，结构如图2.2所示，箱体特点为可做成剖分式结构和焊接结构；体积较大、加工容易、装配方便、便于检修、成本较低，多用于小功率机组。
3）一级斜齿二级分流三级人字齿平行轴传动，结构如图2.3所示，分别用斜齿、人字齿、分流结构让齿轮箱运行更加平稳安全，提高安全系数。齿轮箱结构复杂，维修装配困难，体积庞大。齿轮箱分两个部分，小箱体高速部分与大箱体低速部分。箱体特点：箱体一般为焊接结构，传递功率一般，传动比不大，人字齿加工困难，成本较高。
图2.3一级斜齿二级分流三级人字齿平行轴传动
4）一级行星两级平行轴斜齿传动，结构如图2.4所示，齿轮箱一般都为铸造箱体，箱体分为两个部分，行星齿箱部分与斜齿箱部分。箱体特点：体积小，传动比高，传递功率大，运行平稳，加工困难，成本较高。
图2.4一级行星两级平行轴斜齿传动图2.5三级平行轴斜齿传动
5）准行星齿轮箱，结构如图2.5所示，结构上这种箱体还是定轴轮系的齿轮箱，不是周转轮系。与行星轮系结构齿轮箱相比，它的大齿圈是旋转的，而行星轮系的大齿圈了固定的。箱体特点：体积小，传递功率一般，加工困难，装配困难。这样的齿轮箱有JF’750kW FLA800、FLB800型箱体。从实际运行来看，
国产的这种齿轮箱如果加工精度和强度达不到要求，特别容易出现齿轮箱故障，运行不稳定。
所以风电齿轮箱的选用需要根据实际需要来选定，在满足风力发电机载荷、效率、噪声、可靠性要求的同时，选择经济适用的齿轮箱也是一个重要的问题。
3 风电齿轮箱主要存在问题分析
风电齿轮箱存在的故障失效问题是由其工作环境引起的，所以在对失效问题进行分析的时候，首先应该对其工作环境进行考察，然后再根据具体的实际检测参数进行故障失效问题研究。这里主要对大型风力发电机进行研究分析。
3.1 风电齿轮箱的工作环境
风电机组的基本功能是利用叶轮旋转接收风能转换成机械能，通过风力发电传动系统使叶轮的转轴与发电机的转轴相连，完成机械能向电能转换，最后通过并网装置将发电机产生的电能馈送到电网。风电机组齿轮箱的实质是增速齿轮箱，旨在将风轮旋转速度通过增速机构提高到一个与标准感应电机相匹配的转速，即将仅为9～20转／分的风轮转速提高到1000～2200转／分。风电机组中
的齿轮箱工作在距地几十米高的高空，其恶劣的工作环境表现为：（1）长期工作在交变复杂载荷下：风电机组容量日益增大，随着轮毂高度增加，齿轮箱传动系统所承受的交变力变的更加复杂。由于不同风电场对气流的影响，会使风电机组齿轮箱传动系统经常出现超过其设计极限条件的情况，而且这种气流是不稳定的[4]。
（2）承受扭转冲击力：风电机组启动时，发电机由于惯性作用对来自齿轮箱高速端的动力产生阻碍，此瞬间齿轮箱承受来自叶轮的动力和发电机负载的阻力。
（3）承受较大疲劳冲击：机组的正常刹车和紧急刹车也对齿轮箱产生疲劳冲击，特别是在高负荷情况下的紧急停机。
（4）工作温度过低：在北方地区，冬季气温很低，一些风场极端最低气温达到-40℃以下，而风电机组的设计最低运行气温在-20℃，个别低温型风电机组最低可达-30℃，长时间在低温下运行，齿轮油因气温太低而变得粘稠，当采用飞
溅润滑时，箱内某些润滑部位无法得到充分润滑[5]。
（5）要求大传动比，结构复杂，级数多，行星轮增速风电齿轮箱在结构形式上是一种多级行星传动机构,是一种大传动比、大功率的增速传动装置，风轮转
速较低，额定转速一般不超过20r／min ，发电机的额定转速一般为1500或1800 r／min，因此大型风电增速齿轮箱的速比一般在75～100左右。
（6）风电齿轮箱的体积和重量对机组其他部件的载荷、成本等都有重要影响，因而设法减小其结构和减轻重量显得尤为重要。但结构尺寸与可靠性的矛盾，往往使风电齿轮箱设计陷入两难境地。
3.2 风电齿轮箱的存在的问题
由于大型风力发电机长期工作在交变复杂载荷下、承受扭转冲击力、承受较大疲劳冲击、工作温度过低、传动比大、结构与可靠性矛盾，使得当前大型风力发电机齿轮箱主要存在以下问题：
（1）风电齿轮箱齿轮断齿或点蚀情况严重，轴承过早损坏。风力发电机在其发电转化过程中，叶片的速度是根据风速的变化而不断变化的，由于风轮锁紧产生的巨大应力会使齿轮产生严重失效，由于漏油情况的存在轴承也会过早损坏。
（2）由于风电机组齿轮箱工作环境恶劣，所承受的载荷情况非常复杂。因而目前对复杂载荷下的齿轮箱数据收集还是空白，对风电机组在使用过程中经常出现的瞬间载荷、制动载荷、极限载荷等的处理有些情况下完全凭经验估算。此外，在设计计算过程中性积累损伤理论不能真实反映实际破坏情况，这将导致设计计算基础的不合理。
（3）随着现代制造业的发展，轴承材料性能和制造精度的不断提高，原有的轴承寿命计算理论难以满足现代风电机组齿轮箱轴承计算的要求。国际著名轴承公司提出的新轴承寿命计算方法的相关资料一般较少公开，而国内对轴承寿命究还处于初级阶段。
4 总结
风能作为清洁环保的新能源，其利用效率的关键在于风力发电机的转换利用效率，本文对风力发电机的齿轮箱进行了介绍。
对风电齿轮箱的设计要求：载荷要求、效率要求、噪声要求、可靠性等进行了分析；对风电齿轮箱的几种结构形式及其特点进行了简单的介绍；同时根据大型风力发电机的使用要求，对其恶劣的工作环境进行了分析；最后在分析其工况的基础上对其主要存在的三大问题进行了总结。
所以本文后续还应该对三大问题的解决方法进行深入的研究分析，使对风电齿轮箱的理解更加全面，为风电齿轮箱的设计、选型、失效问题研究提供必要的理论知识。
参考文献：
[1]China Wind Energy Association.Installed capacity statistics of China’s wind power 2009[R].Beijing ：CWEA ，2010
[2]戴慧珠，陈默子，王伟胜，王晓蓉. 中国风电发展现状及有关技术服务[J]. 中国电力,2005,1(38):11-14
[3] 王梦.对我国开发利用风力发电的思考[J].中国国土资源经济，2009(2).
[4] 何玉林，王磊，杜静等.海浪作用下的风力发电机组总体性能仿真. 重庆大学学报.2011.34(3)18-24
[5] 招妙妍，风电齿轮箱高速轴故障处理与分析[J].设备管理与维修，2011，1(09):16-17
桨距 螺旋桨的桨叶都与旋转平面有一个倾角。 假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。 同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为浆距。显然，桨叶的角度越大，浆距也越大，角度与旋转平面角度为0，浆距也为0。 这个“距”，就是桨叶旋转形成的螺旋的螺距。 桨距指的是直升机的旋翼或固定翼的螺旋桨旋转一周360 度，向上或向前行走的距离（理论上的）。就好比一个螺丝钉，您拧一圈后，能够拧入的长度。桨距越大前进的距离就越大，反之越小！然而要测量实际桨距的大小是比较困难的，所以一般固定翼飞机使用桨距不变的螺旋桨上都会标明其直径和桨距的大小（单位以英寸居多），以便于和合适的发动机配套使用。绝大多数的固定桨距的直升机桨一般是专为某一级别的飞机定制的，所以只标明直径。可变桨距直升机可以非常容易的通过测量桨叶的攻角（迎风角度）大小来体现桨距的大小，和变化幅度。 l 定桨距失速调节型风力发电机组 定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69 ，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/ 小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。 失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。 2 变桨距调节型风力发电机组 变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“， 直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。 随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 OptitiP 技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。 变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 3 主动失速调节型风力发电机组
第四章变浆距双馈型风力发电机组的结构和原理 概述：变浆距风力发电机是在定浆距风力发电机成功运用的基础上发展起来的机型，它的桨叶角度可以调节，以达到最佳的叶尖速比，使得风力机的风能利用率大大提高。变浆距风机相对于定浆距风机的优势是十分明显的，当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，可以使功率输出保持稳定。在风力发电机启动时需要较大的气动扭矩，也需要通过变浆系统的动作以获得足够的气动转矩。其实风机设计人员最初设计的风力发电机都是倾向于变浆距的，但是由于技术条件有限，控制系统、变浆系统不成熟，在极端条件下往往不能满足风力发电机的安全运行条件。所以变浆距风机在很长一段时间里得不到发展。 经过定浆距风机的运行实践，设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态有了更深入的了解，变浆距风机的先天优势重新进入设计人员的视线，变浆距风机的设计重新被重视起来，当前的变浆距风力发电机已经成为市场的主流，目前投入商业运行的变浆距双馈型机组有很多，但其结构和原理大同小异，其中丹麦维斯塔斯的V90系列应用较为广泛，市场占有率较高，结构也很典型。这一章将以Vestas的V90-1.8/2.0MW风机为例来学习变浆距双馈型机组的结构和原理。 4.1维斯塔斯V90-1.8/2.0MW风机的特点 维斯塔斯是进入中国市场的第一家风机供应商，拥有20%的全球市场份额，是世界风能解决方案的领先供应商。已在全球六大洲66个国家和地区安装了43,000多台风机。维斯塔斯拥有中国最大的风力发电制造厂，生产发电机、叶片、机舱、轮毂和控制系统。已经在中国三个不同的省份拥有五家风机制造工厂。维斯塔斯V80/V90-1.8/2.0MW风机是维斯塔斯公司目前的主力机型，属于桨距调节的上风向风机，配有主动偏航和三叶片风轮。V90-1.8/2.0MW风机采用了先进的叶片设计和技术，其叶片的重量与V80-2.0MW风机叶片的重量相同，但叶片的扫掠面积增加了27%。其机舱采用的是V80的设计，但齿轮箱和传动系统都有所改进，能够承受来自转子的更大的负荷。因此，V80和V90风机的主要构
变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真 刘 军,何玉林,李 俊,黄 文 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030) 摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。 关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制 收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。 0 引言 风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。 本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。 1 基本的变速变桨距控制策略 如图1所示,在转速 转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开 始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时 改变相同的角度[7 8] 。在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需 对整个风电机组额定点进行重新选取。 图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system 从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风 82 第35卷 第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011
目录 引言 (2) 一、风力发电机组简介 (2) 风力发电机原理 (2) 风力发电机组结构 (3) 二、风力发电机组传动系统 (5) 风力发电机组齿轮箱的概况 (5) 风力发电机组中的联轴器 (10) 三、风力发电机组的分类特点 (11) 垂直轴风力发电机组 (11) 水平轴风力发电机组 (12) 直驱型风力发电机 (12) 双馈式风力发电机 (12) 四、风力发电控制系统简述 (13) 风电控制系统基本功能 (13) 五、参考文献 (13)
风力发电机组传动系统设计 引言 随着科技的不断进步，社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注，在一定程度上，风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在大力提倡。 一、风力发电机组简介 风力发电机原理 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护
风力发电机液压变桨系统简介 全球投入商业运行的兆瓦级以上风力发电机均采用了变桨距技术，变桨距控制与变频技术相配合，提高了风力发电机的发电效率和电能质量，使风力发电机在各种工况下都能够获得最佳的性能，减少风力对风机的冲击，它与变频控制一起构成了兆瓦级变速恒频风力发电机的核心技术。液压变桨系统具有单位体积小、重量轻、动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。本文将对液压变桨系统进行简要的介绍。 风机变桨调节的两种工况 风机的变桨作业大致可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止（紧急停止）状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的。当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。液压系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的。 液压变桨系统 液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。 液压变桨系统的结构 变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。 图1 控制原理图 液压变桨执行机构的简化原理图如图2所示，它由油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置组成，图中仅画出其中的一套变桨装置。
变浆距风力发电机组的控制系统 【摘要】风能作为一种可再生能源受到全球越来越多的关注，本文就变桨距风力发电机组的控制系统进行了分析，发现采用新型控制系统后，保持了发电机功率的稳定输出，减少了风机不稳定功率对电网的影响。 【关键词】额定功率；变距控制；速度控制；功率控制 21世纪，风力发电机组的可靠性已经不是问题。与定桨距风力发电机组相比，变桨距风力发电机组具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。所以变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较明显。 1变桨距风力发电机组的控制系统 新型变桨距控制系统框图如图1所示。 在发电机并入电网前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。 2变距控制 变距控制系统是一个随动系统，其控制过程如图2所示。 变桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号控制比例阀，驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。 3速度控制 变桨距风力发电机组的速度控制包括两个部分，即：速度控制A和B。 3.1速度控制A（发电机脱网状态） 转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。控制器也用于在同步转速时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min内持续1s发电机将切入电网。发电机转速通过主轴上的感应传感器测量，每个周期信号被送到微处理器作进一步的处理，以产生新的控制信号。 3.2速度控制B（发电机并网状态） 发电机并入电网后，速度控制系统B起作用。速度控制系统B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值是1560r/min，相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%，节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。 如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。在风速信号输入端没有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应。 与速度控制器A的结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节。这一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速趋于0。 4功率控制 为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，新型的变桨距风力发电机组采用了RCC技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，
变桨距风力发电机组的运行状态 从空气动力学角度考虑。当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的角度，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。同时，风力机在启动过程中也需要通过变距来获得足够的启动转矩。 变桨距风力发电机组根据边距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。 1）启动状态变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直接到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短，冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。 为了使控制过程比较简单，早期的变桨距风力发电机在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所设定的变桨距速度，将节距角向0°方向打开，直到发电机转速上升到同步转速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较。当转速超过同步转速时，桨叶节距就迎风面积小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。 2）欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态下运行。与转速控制道理相同，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。 3）额定功率状态当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入
风力发电技术与风电场工程 第三章练习题及答案 一、填空题 1、并网型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。 2、并网型风力发电机组的整体结构分为叶轮、机舱、塔架、和基础等几大部分。 3、机舱内布置的传动系统，由主轴、齿轮箱、联轴器和发电机等构成。 4、机舱底座是机组主驱动链和偏航机构固定的基础，并能将载荷传递到塔架上去。 5、铸造底座一般采用球墨铸铁制造，铸件尺寸稳定，吸振性和低温型较好。 6、整流罩是置于轮毂前面的罩子，其作用是整流，减小轮毂的阻力和保护轮毂中的设备。 7、风电机组的基础通常为钢筋混凝土结构，并且根据当地地质情况设计成不同的形式。基础周围还要设置预防雷击的接地系统。 8、塔架的基本形式有桁架式塔架和圆筒式塔架两大类。桁架式塔架优点为制造简单，成本低，运输方便，缺点为通向塔顶的上下梯子不好安排，塔架过于敞开，维护人员上下不安全。塔筒式塔架优点是美观大方，塔身封闭，风电机组维护时上下塔架安全可靠。 9、塔架高度主要依据风轮直径确定。 10、风电机组的基础主要按照塔架的载荷和机组所在地的气候环境条件，结合高层建筑建设规范建造。 11、风力发电机组的机械传动系统包括轮毂、主轴、齿轮箱、制动器、联轴器以及安全装置等。 12、齿轮箱的作用是传递扭矩和提供转速，通过两到三级渐开线圆柱齿轮增速传动得以实现，一般常采用行星齿轮或行星加平行轴齿轮组合传动结构。 13、齿轮箱输出轴（高速轴）通过柔性联轴器与发电机轴连接。 14、联轴器通过绝缘构件阻止发电机磁化齿轮箱内的齿轮和轴承等钢制零件，避免这些零件发生电腐蚀现象。联轴器上还设置有扭矩限制装置用以保护传动轴系，防止过载运行。 15、偏航系统功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。 16、机舱的偏航运动是由偏航齿轮装置自动执行的，它是根据风向仪提供的风向信号，由控制系统发出指令，通过传动机构使机舱旋转，让风轮始终处于迎风位置。 17、风向标是偏航系统的传感器。 18、偏航轴承有滚动轴承和滑动轴承两种，大型机组大多采用滚动轴承。 19、变桨机构中配置蓄电池的作用是以防电网突然掉电或电信号突然中断的紧急情况下，使得风电机组能够安全平稳地实现变桨。 20、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。 21、制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部分。
1.变桨系统与风机主控通讯的部件是？（6.0分） A.变桨控制器 B.变桨驱动器 C.变桨电机 D.备用电源 我的答案：A√答对 2.变桨系统的驱动执行机构是？（6.0分） A.变桨控制器 B.变桨驱动器 C.变桨电机 D.备用电源 我的答案：C√答对 3.变桨系统调节桨叶的主要作用是什么？（6.0分） A.调节风机机头对风 B.使风机跟踪最大风能 C.解除扭揽 D.将风能变换成电能 我的答案：B√答对 4.风电变桨系统是用于调节风机的那个部位？（6.0分） A.A桨叶
C.机舱 D.塔筒 我的答案：A√答对 5.下列哪个部件不属于变桨系统？（ 6.0分） A.变桨电机 B.轴控柜 C.限位开关 D.轴承润滑泵 我的答案：D√答对 1.变桨电机有以下哪几种形式？（8.0分）） A.永磁电机 B.感应电机 C.直流电机 D.直线电机 我的答案：ABC√答对 2.用于变桨系统温湿度控制的设备有？（8.0分）） A.温控开关 B.湿控开关 C.加热器
我的答案：AB×答错 3.按动力类型分类变桨系统有以下哪几种？（8.0分）） A.电磁型 B.液压型 C.电动型 D.蒸汽型 我的答案：BC√答对 4.变桨系统的备用电源主要有哪几种形式？（8.0分）） A.超级电容 B.铅酸蓄电池 C.飞轮储能 D.锂离子电池 我的答案：ABD√答对 5.变桨系统电磁兼容防护的主要形式有哪几种？（8.0分）） A.加热器 B.雷击浪涌保护器 C.电抗器和滤波器 D.接地防护 我的答案：BC×答错
1.变桨系统的供电电压是400VAC（6.0分） 我的答案：正确√答对 2.变桨系统是安装在风机的机舱中（6.0分） 我的答案：错误√答对 3.变桨系统不会高原上使用（6.0分） 我的答案：错误√答对 4.安全链中的任何一个环节故障都会导致整个系统保护（6.0分） 我的答案：正确√答对 5.在感应电机、直流电机、永磁电机三种电机中，永磁同步电机的功率密度最高（ 6.0分） 我的答案：正确√答对
风力发电机结构介绍 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。风力发电机组结构示意图如下。 1、叶片 2、变浆轴承 3、主轴 4、机舱吊 5、齿轮箱 6、高速轴制动器 7、发电机 8、轴流风机 9、机座 10、滑环 11、偏航轴承 12、偏航驱动 13、轮毂系统 各主要组成部分功能简述如下 （1）叶片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。由叶片、轮毂、变桨系统组成。每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。叶片配备雷电保护系统。风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。 （2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。 （3）齿轮箱齿轮箱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。 （4）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。明阳se
机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。 （5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。 （6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。 （7）底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。 se型风电机组主要技术参数如下： （1）机组： 机组额定功率：1500kw 机组起动风速：3m/s 机组停机风速： 25m/s 机组额定风速： m/s （2）叶轮： 叶轮直径： 叶轮扫掠面积：5316m2 叶轮速度： 叶轮倾角： 5o 叶片长度： 叶片材质：玻璃纤维增强树脂 （3）齿轮箱： 齿轮箱额定功率：1663kw 齿轮箱转速比： （4）发电机： 发电机额定功率：1550kw
风力发电技术与风电场工程 第五章练习题 习题答案 一、填空题 1、风力发电机组机械传动系统是指将风轮获得的空气动力以机械方式传递到发电机的整个轴系及其组成部分，由主轴、齿轮箱、联轴器、制动器和过载安全保护装置等组成。 2、传统的采用齿轮箱增速的风力发电机组传动系统形式按照主轴轴承的支撑方式，以及主轴与齿轮箱的相对位置来区分，主要有两点式、三点式、一点式和内置式四种。 3、直驱型风力发电机组的发电机分为外转子和内转子两种形式。 4、半直驱指采用比传统机组齿轮增速比较小的齿轮增速装置，使发电机的技术减少，从而缩小发电机的尺寸，便于运输和吊装。 5、主轴支撑风轮并将风轮的扭矩传递给齿轮箱，将轴向推力、气动弯矩传递给底座。 6、作用在主轴的载荷除了与风轮传来的外载荷有关外，还与风轮（主轴）的支撑形式的相对位置有关。 7、联轴器用于连接两传动轴，一般由两个半联轴节及连接件组成。 8、联轴器除了能传递所需的转矩外，还应具有补偿两轴线的相对位移或位置偏差，从而减小振动与噪声以及保护机器等性能。 9、常用的联轴器有刚性联轴器和弹性联轴器两种。 10、主轴与齿轮箱输入轴（低速轴）连接处应用刚性联轴器，在发电机与齿轮箱输出轴（高速轴）连接处应采用弹性联轴器。 11、机组制动包括机械制动、气动制动和发电机制动。 12、在风力发电机组中，最常用的机械制动器为液压盘式制动器。 13、常见的轮齿失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形等。 14、在标准条件下齿轮箱的机械效率应达到大于97%。 15、齿轮箱的润滑方式有飞溅式、压力强制润滑式或混合式。 16、为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。 17、齿轮箱第一次换油应在首次投入运行500小时后进行，齿轮箱应每半年检修一次。 18、齿轮箱常见的故障有齿轮损伤、轴承损坏、断轴和油温高等。 19、齿轮箱油温最高不应超过80℃，不同轴承间的温差不得超过15℃。 20、偏航系统有被动偏航系统和主动偏航系统两种。 21、机舱可以两个方向旋转，旋转方向由接近开关进行检测。 22、偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压装置等部件组成。 23、目前变桨系统执行机构主要有液压变桨距和电动变桨距两种，按其控制方式可分为统一变桨和独立变桨两种。 24、目前变桨距机组大多采用三个桨叶统一控制的方式，即三个桨叶变换是一致
随着国家新能源发展战略的提出和实施，我国风电产业进入跨越式发展的阶段。本文从分析我国风力发电的现状出发，在总结分析风力发电技术发展的基础上，对我国风电发展过程中存在的主要问题进行了探讨分析，提出了相关建议。 关键词：风力发电；现状；技术发展 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛，但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术发展，对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。 1我国风力发电的现状 2005年2月，我国国家立法机关通过了《可再生能源法》，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。2009年12月，我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，把应对气和变化纳入经济社会发展规划，大力发展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。 随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛发展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。 我国自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位[1,2]。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，预计2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。 从技术发展上来说，我国风电企业经过“引进技术—消化吸收—自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5WM容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及，标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新，加强风电核心技术攻关，尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。 2风力发电的技术发展 风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。 2.1风力发电机组机型及容量的发展 现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年即
探究大型风力发电机组变桨后备电源管理系统设计 摘要：当今我国风力发电技术变得愈加成熟，在大型风力发电机组变桨系统当中，为了保障整个系统的安全性与可靠性，通常都要配置变桨后备电源，这就需 要做好后备电源管理系统设计工作，提高风力发电机组运行的有效性。基于此， 本文首先提出蓄电池在变桨控制系统中的应用，进而从软硬件两个方面提出后备 电源管理系统设计。 关键词：大型风力发电机组；后备电源；管理系统；变桨；设计 引言 工业的不断发展，虽然经济有所提升，但是资源、能源紧缺问题却愈加严重。为了能够实现可持续发展道路的战略，加强可再生能源的研究与研究已经成为了 必然趋势，降低对传统能源的依赖性。风力发电是继火力发电、水利发电的又一 大发展体系，是当今电力领域研究的热点话题。风力发电技术作为当今能源领域 的新研究方向，已经从最初的几十千瓦逐渐升到了兆瓦级。但总体上来说，我国 风力发展技术还有很大的发展空间，特别是对于大型风力发电机组变桨问题来说，为了保证风力发电系统运行安全，需要全面加强后备电源管理工作，因此加强后 备电源管理系统设计尤为重要。 1蓄电池在变桨控制系统中的应用原理 结合能量守恒的原理，在能源转化当中，会在数量、时间、物质形态产生一 定差异。储能技术就是一种能量转化的“中介”，通过能量存储与释放，从而提高 能量转化与应用的灵活性。蓄电池作为化学储能的一种，具有易存储、易运输的 优势，在当今风电领域中的应用十分广泛。 为了可以提高大型风力发电系统的可靠性，变桨控制系统电源通常要设置备 用方案。后备电源主要是起到了紧急收浆的作用。如果大型风力发电机组产生了 故障问题，一组蓄电池可以为紧急变桨控制提供动力，在直流母线上并联电池组，之后统一安装到变频器上，在风电机正常运行当中，只需要通过浮点来保持电压 即可，假如在运行当中因为故障断电，系统会自动将直流电传输给变频器，变频 器通电之后即可实现相应功能，带动伺服电机运行实现收浆。 2硬件系统设计 2.1电源电路设计 （1）电池组串充电源 电源作为风电机的重要驱动装置，保证电源运行质量可以确保设备运行效率 以及运行安全性。这就需要保证电源电路设计的科学性。大部分电源管理系统都 是采用了4节电池组串充方法，电压为52VDC，因此主要的电源电路中需要融入 +52V电源电路。在实践应用当中需要采用MC34063芯片，包含了DC/DC变换器 各种功能，由单片机统一控制电路。 （2）其他电源 +15V电源，电路由MC34063芯片产生+15V电源，相比+52V电源，+15V电 源主要是采用了MC34063降压变换器形式；+5V电源，主要是采用了稳压块 7808芯片，之后通过+15V电源转化而来；+12V电源当中，主要是通过VOLTREG7812稳压块来实现相关功能，由+15V电源驱动。运行稳压7812模块过 程中，输入电源要比输出电源更大一些，通常为2V以上。 2.2 LED显示系统 LED驱动系统应用DIP-8开关和单片机I/O输出端口连接，个女警单片机实际
第五章风力发电机组的液压系统和刹车 风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在定桨距风力发电机组中，液压系统的主要任务是执行风力发电机组的气动刹车和机械刹车；在变桨距风力发电机组中，液压系统主要控制变距机构，实现风力发电机组的转速控制、功率控制，同时也控制机械刹车机构。 第一节定桨距风力发电机组的刹车机构 一、气动刹车机构 气动刹车机构是由安装在叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳与叶片根部的液压油缸的活塞杆相联接构成的。扰流器的结构（气动刹车结构）如图5-1 所示。当风力发电机组正常运行时，在液压力的作用下，叶尖扰流器与叶片主体部分精密地合为一体，组成完整的叶片。当风力发电机组需要脱网停机时，液压油缸失去压力，扰流器在离心力的作用下释放并旋转80°-9 0°形成阻尼板，由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力发电机组在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即为叶片空气动力刹车。叶尖扰流器是风力发电机组的 主要制动器，每次制动时都是它起主要作用。 在叶轮旋转时，作用在扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离叶片主体转动到制动位置；而液压力的释放，不论是由于控制系统是正常指令，还是液压系统的故障引起，都将导致扰流器展开而使叶轮停止运行。因此，空气动力刹车是一种失效保护装置，它使整个风力发电机组的制动系统具有很高的可靠性。 二、机构刹车机构 图5-2为机构刹车机构由安装在低速轴或高速轴上的刹车圆盘与布置在四周的液压夹钳构成。液压夹钳固定，刹车圆盘随轴一起转动。刹车夹钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制动夹钳打开。机械刹车的预压弹簧制动力，一般要求在额定负载下脱网时能够保证风力发电机组安全停机。但在正常停机的情况下，液压力并不是完全释放，即在制动过程中只作用了一部分弹簧力。为此，在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器，以保证在制动过程中不完全提供弹簧的制动力。
风力发电机变桨系统 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。 变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成
风力发电机齿轮箱简介 摘要 随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高,对能源的需求越来越大，环境的破坏也渐趋严重，新能源的开发及利用是当今社会发展的必然趋势。风能作为一种清洁环保的绿色能源受到世界各国的青睐，而将风能转化为电能的装置--风力发电机的研究也是现在的一大热门主题。本文主要介绍了风力发电机传动系统的主要部分--齿轮箱，对其设计要求、结构类型、零部件进行了介绍，同时结合自身专业知识进对其工作环境、存在的失效故障问题进行了简单研究。 关键词：新能源；风力发电机；齿轮箱；工作环境；失效问题 ABSTRACT With the rapid development of global economy and the increasing of human living standard, the demand for energy is more and more large, the destruction of the environment is also becoming more serious, thedevelopment of new energy and utilization is the inevitable trend of social development.Wind power as a kind of clean and environmental protection green energy is favored by countries around the world, and the device which changes wind energy into electrical energy--wind turbine, theresearch of it is now a hot topic. The paper mainly introduced the drive system of wind turbines--gearbox, the design requirements, structure types and main components of it are introduced. At the same time, according to the own professional knowledge,the work environment and the existing questionabout fault has been simply studied by according to the own professional knowledge. Keywords：new energy sources;wind turbine;gear box;the work environment;the failure problems
风力发电机变桨系统 摘要：变浆系统是风力发电机的重要组成部分，本文围绕风力发电机变浆系统的构成、作用、控制逻辑、保护种类和常见故障分析等进行论述。 关键词：变桨系统；构成；作用；保护种类；故障分析 1 综述 变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都要有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。 风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。 变桨系统有时需要由备用电池供电进行变桨操作（比如变桨系统的主电源供电失效后），因此变桨系统必须配备备用电池以确保机组发生严重故障或重大事故的情况下可以安全停机（叶片顺桨到91度限位位置）。此外还需要一个冗余限位开关（用于95度限位），在主限位开关（用于91度限位）失效时确保变桨电机的安全制动。 由于机组故障或其他原因而导致备用电源长期没有使用时，风机主控就需要检查备用电池的状态和备用电池供电变桨操作功能的正常性。 每个变桨驱动系统都配有一个绝对值编码器安装在电机的非驱动端（电机尾部），还配有一个冗余的绝对值编码器安装在叶片根部变桨轴承内齿旁，它通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动记录变桨角度。 风机主控接收所有编码器的信号，而变桨系统只应用电机尾部编码器的信号，只有当电机尾部编码器失效时风机主控才会控制变桨系统应用冗余编码器的信号。 2 变浆系统的作用 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。 3 主要部件组成
风力发电机组机械传动系统 1、 主轴是风轮的转轴，支撑风轮并将风轮的【扭矩】传递给齿轮箱， 将【轴向推力】和【气动弯矩】传递给底座。 2、 计算主轴直径常用【3n p d A 】，其中P 指的是【主轴传递的功率】，n 为【主轴的转速】，A 指的是与材料有关的系数，常取105-115。 3、 常用的主轴材料有【42CrMoA 】和【34CrNiMo6】。 4、 主轴的毛坯是【锻件】，经过反复锻打改善金属的【纤维组织】以 提高承载能力。 5、 主轴精加工后各台阶过渡段均为光亮【无刀痕】的圆角，以防止 【应力集中】发生。 6、 联轴器用于连接两传动轴，一般由两个【半联轴节】及【连接件】 组成。 7、 传统的采用齿轮箱增速的风力发电机组传动形式按【主轴轴承的 支撑】方式，分为【一点式】、【两点式】、【三点式】和【内置式】。 8、 三点式布置的机组，齿轮箱除了主轴传递的扭矩外，还要承受平 衡风轮重力等形成的【支反力】。 9、 膜片式联轴器的补偿范围为轴向小于【4mm 】，角向小于【1°】， 径向小于【6mm 】. 10、 对于标准联轴器而言，选用时主要确定联轴器【类型】和【型 号】。 11、 高弹性联轴器性能要求中，最大许用转矩为额定转矩的【3】 倍以上，必须具有【100Ω】以上的绝缘电阻，并能承受【2】kV
的电压。 12、膜片式联轴器的补偿原件是具有弹性的金属片，材料为 【1Cr18Ni9】，可补偿【轴向】、【径向】和【角向】的偏差。13、对于膜片式联轴器，当轴向的安装偏差接近1.4mm，角向偏差 接近0.25°时，径向的安装偏差就不能超过【2.4mm】。 14、在兆瓦级机组上髙速轴端应用较多的联轴器有【膜片式联轴 器】和【连杆式联轴器】。 15、连杆式联轴器利用【过载保护套】，当传递扭矩超过一定数值 时可自动打滑，保护轴系免受损伤，并可自动复位工作。连杆式联轴器利用连杆的绞接和橡胶及关节形非金属复合材料的可变形性补偿轴向、径向和角向偏差。 16、对于联轴器的耐压要求主要取决于发电机的【漏电】和【感应 电压】。 17、连杆式联轴器只能【单向】传递转矩，不适用与双向运转。 18、盘式制动器按制动钳的结构形式分为【固定钳式】和【浮动钳 式】两种。【浮动钳式】又分【滑动钳式】和【摆动钳式】两种。 19、风电机组必须有【一】套或多套制动装置能在任何运行条件下 使轴系静止或空转。机组制动包括【机械制动】、【气动制动】和【发电机制动】。 20、制动器按制动块的驱动方式可分为【气动】、【液压】、【电磁】 等形式；按制动块的工作状态可分为【常闭式】和【常开式】两种形式。