直驱式水平轴讲义风力发电机

直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。

永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。

一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。

现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。

永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。

与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。

（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。

（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。

（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。

（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。

（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

（7）永磁体存在退磁的可能。

目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。

2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。

直驱式风力发电机原理及发电机组概述二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。

下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。

使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。

不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。

近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。

低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。

近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。

采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。

永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。

下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。

外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。

本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱盘式风力发电机组的结构示意图。

第四讲风力发电机的结构与分类风力发电机是一种将风能转化为电能的设备。

其结构主要包括风轮、传动系统和发电机组成。

根据风轮的类型和形状不同，风力发电机可分为垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机两大类。

垂直轴风力发电机一般由多个垂直排列的叶片组成，风轮呈直立状态，因此也被称为直立式风力发电机。

其特点是风向变化时，无需对风轮进行调整，能够自动跟踪风向。

垂直轴风力发电机的结构相对简单，容易安装和维护，适用于各种风向的地区。

但由于叶片受风阻力较大，垂直轴风力发电机的效率相对较低，发电能力也较小。

水平轴风力发电机是目前应用较广泛的一种风力发电机。

其风轮呈水平放置状态，由三个或更多的叶片组成。

风向变化时，需要通过转动整个风力发电机来调整风轮朝向。

水平轴风力发电机的结构复杂，需要配备风向传感器和伺服系统来实现风向调整。

但由于叶片在运动过程中受风力影响较小，水平轴风力发电机具有较高的效率和发电能力。

根据风力发电机的功率大小，还可以将其分为小型风力发电机和大型风力发电机。

小型风力发电机一般功率在几千瓦到几十千瓦之间，适用于家庭、农村、岛屿等地区的独立供电。

大型风力发电机功率通常在数百千瓦到数百兆瓦之间，主要用于商业发电和集中式电网供电。

除了以上常见的结构和分类外，风力发电机还可以根据其叶片形状、叶片材料等因素进行细分。

例如，叶片形状可以分为直线型、弯曲型、扇形等。

不同的叶片形状对风力发电机的效率和风能捕捉能力有着重要影响。

叶片材料通常选用玻璃纤维增强塑料、复合材料等，以提高叶片的强度和耐腐蚀能力。

总而言之，风力发电机是一种将风能转化为电能的设备，其结构主要包括风轮、传动系统和发电机。

根据风轮的类型和形状不同，风力发电机可分为垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机。

根据功率大小，可将其分为小型风力发电机和大型风力发电机。

此外，还可以根据叶片形状、材料等因素进行进一步细分。

风力发电机的分类和结构多样化，能够适应不同环境和需求。

水平轴风力发电机技术原理水平轴风力发电机是一种利用天然风力产生电能的装置。

它由大型的水平轴和由叶轮组成的转子组成，能够将风能转化为机械能，进而驱动发电机产生电能。

水平轴风力发电机的技术原理包括以下几个方面。

首先，水平轴风力发电机是依靠风能的捕获。

当风经过设备时，转子上的叶轮设计可以将风能转化为转动能量。

叶轮通常由数片可调节角度的叶片组成，可以根据风速的变化进行调整，以实现最佳效率的捕获。

其次，转子的转动通过功率传输系统传递给发电机。

风能转换为转动能量后，通过齿轮或直接驱动发电机系统进行能量转化。

发电机可以将机械能转换为电能，并通过电缆输送到电网中进行供电。

此外，水平轴风力发电机还包括土建构造和电控系统。

土建构造主要是发电机的支架和基础，确保设备的稳定性和安全性。

电控系统则负责监测和控制整个发电过程，包括风速的监测和叶轮角度的调节，以及电能的输送和储存等。

水平轴风力发电机的应用是一项可持续发展的清洁能源解决方案。

它具有以下几个优点。

首先，水平轴风力发电机利用的是可再生能源，不会对环境产生污染。

与传统化石燃料发电相比，它减少了温室气体的排放，并且有助于保护大气环境和降低气候变化的影响。

其次，水平轴风力发电机可以灵活地布置在各种地形和地理环境中。

无论是在陆地上、海洋上还是离岸，都可以利用风能来产生电能。

这为发电站的选择提供了更多的可能性，使能源分布更加均衡。

此外，水平轴风力发电机的运维成本相对较低。

它的运行不依赖于燃料成本的波动，而是依赖于风能的充分利用。

同时，由于技术的不断进步和市场的扩大，水平轴风力发电机的制造成本也在逐渐降低。

需要注意的是，水平轴风力发电机的选择要考虑到环境特点、地理条件和震风等各种因素。

同时，根据实际需要确定合理的容量和数量，以最大程度地利用风能资源。

总之，水平轴风力发电机是一种应用广泛的清洁能源发电技术。

它通过风能转换为电能，不仅能满足能源需求，减少对传统化石燃料的依赖，还能保护环境，促进可持续发展。

水平轴风力发电机技术原理(一)
水平轴风力发电机技术原理
1. 引言
•简介水平轴风力发电机的基本原理和应用领域2. 风能转换
•解释风能转换的概念和重要性
•介绍风能转换的过程中涉及的关键组件
3. 叶轮设计与风能捕捉
•解释叶轮的作用和设计原理
•描述如何最大化风能的捕捉效率
4. 发电机转换
•介绍风能转换为电能的过程
•解释发电机转换的原理和关键技术
5. 转速控制与稳定性
•讨论转速控制的重要性和方法
•解释稳定性问题以及相关解决方案
6. 输电与储能
•说明发电后的输电过程和需要考虑的问题
•简要介绍风能发电的储能技术
7. 持续改进与新技术
•展望水平轴风力发电机技术的发展趋势
•介绍当前研究中的新技术和潜在突破点
8. 结论
•总结水平轴风力发电机技术原理的重点内容
•强调其在可再生能源领域的重要性和潜力
以上是一份关于水平轴风力发电机技术原理的文章。

文章采用markdown格式，用标题副标题的形式展示相关原理。

通过使用列点的
方式，逐步深入解释了风力发电的原理、风能转换、叶轮设计、发电
机转换、转速控制、输电与储能以及持续改进与新技术等方面的内容。

文章的目的是全面介绍水平轴风力发电机技术原理，帮助读者了解其
基本原理和应用领域。

直驱式永磁同步风力发电机控制与运行概述一、直驱式永磁同步风力发电机运行区间根据风力机的功率特性把风速划分为5个区间：①风速低于切入风速；②风速在切入风速和额定转速之间；③风速超过风轮额定转速，发电机组运行在恒转速区；④风速继续增大到切出风速以下，发电机运行在恒功率区；⑤风速大于切出风速。

风力发电机组运行区域如图7-1所示。

图7-1 风力发电机组运行区域（1）停机模式。

风力机在风速小于切入风速或大于切出风速时，风能转化效率为零，称为停机模式。

当风速低于风力机的切入风速时，其产生的功率很小甚至低于内部消耗的功率，因此处于停机模式，此时叶片处于完全顺风状态，风力机的机械制动器处于开启状态；当风速超过风力机的切出风速时，为了保护风力机的安全，叶片被调至完全顺桨状态，风力机转速也下降为零，风力机将被锁定进入停机模式。

其他3个风速区间是风力发电机的正常运行状态，为了捕获到更多的风能，同时保证发电机组的安全运行，在不同的风速阶段对桨距角采用了不同的控制策略。

（2）最佳叶尖速比运行区。

即第②区间，即图7-1的AB区间。

当风速超过切入风速时，风力发电机组开始作为发电机运行。

此时要调节桨距角到最佳值使风能利用系数C恒定为最大值，以保证风力发电机组运行在最大功率点跟踪状p态。

（3）恒转速运行区间。

即第③区间，即图7-1的BC区间。

为了保证风力发电机组的安全稳定运行，一般都会根据风力发电机组的特性设定一个额定风速点对应图7-1中B点的速度，这个额定风速点应小于发电机的额定转速。

当风力机转速超过额定风速点时，随着风速的继续增大，要调节桨距角使Cp值减小，以保证风力发电机组进入恒转速区间。

但此时发电机的功率随风速的增加而增加，但仍然在额定功率以下。

（4）恒功率运行区间。

即第④区间，即图7-1中的CD段。

当风速继续增大，不仅发电机转速到达其额定值，同时发电机的输出功率也到达额定功率。

此时如果仍然按照最大风能捕获的控制策略将会使发电机的输入功率大于输出功率，发电机组将会导致“飞车”而使整个机组脱网。

风力发电机组的分类及各自特点风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分――它将风能转换为机械能；发电机部分――它将机械能转换为电能。

根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征，再加上它们的不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。

(1) 如依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为：“水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置；“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。

(2) 按照桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机”。

(3) 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机；叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。

大型风力发电机可由1、2 或者3 片叶片构成。

叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。

而如果叶片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。

目前 3 叶片风电机是主流。

从美学角度上看，3 叶片的风电机看上去较为平衡和美观。

(4) 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向（即在塔架的前面迎风旋转）和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。

上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。

而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。

但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。

(5) 按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。

有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。

而直驱型风机则另辟蹊径，配合采用了多项先进技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴，使风机发出的电能同样能并网输出。

直驱式风力发电机概述直驱式风力发电机概述Direct-Drive Wind Generator Overview二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。

图1是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。

图1--齿轮箱增速的水平轴风力发电机组使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。

不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。

近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。

低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，目前风力机用的直驱式发电机主要采用多极构造，有多极内转子结构与多极外转子结构等，只是要求在结构上更轻巧一些。

近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。

采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。

永磁直驱式发电机在结构上主要有轴式结构与盘式结构两种，轴式结构的磁场方向为径向气隙磁通，又分为内转子、外转子等；盘式结构的磁场方向为轴向气隙磁通，又分为中间转子、中间定子、多盘式等；近年来新型的双凸极发电机与开关磁阻发电机也在永磁直驱式发电机得到应用，新型的横向定子磁通永磁发电机正在研发推广中。

图2是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

其结构与水轮发电机相似，定子上有三相绕组，转子则由多个永久磁铁组成凸极结构，有关具体结构见“永磁内转子直驱式风力发电机组”课件。

图2--内转子直驱式风力发电机组外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由固定在外磁軛内圆面上的多个永久磁铁组成内凸极结构，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。

3.0MW直驱式风力发电机组简介直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。

直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。

其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等（如图1.1 所示）。

1.1 直驱型风力发电机总体设计方案直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下[1]：1（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；2（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；3（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；4（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；5（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；6（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；7（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

2 直驱风力发电机组变桨特性叙述直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，叶片在运行期间，它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。

因此，在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。

在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力。

这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。

对于变桨距调节后对的功率特性的影响等等问题，这里我们将对机组叶片上的气动性能进行分析，从而进一步的了解变桨后，对风力发电机组的性能影响2.1 不同变桨角度下的特性根据叶素理论，当一个叶素在流畅中运动时，叶素的上表面是负压力（吸力）；下表面是正压力。