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1、风力发电机概述风力发电机概述风电机组传动系统风电机组传动系统偏航系统偏航系统变桨系统变桨系统4123目录目录Text in here风轮风轮叶片叶片轮毂轮毂机舱机舱齿轮箱齿轮箱发电机发电机偏航偏航系统系统制动系统制动系统塔架塔架基础基础主要部件主要部件 风力机主要部件风力机主要部件按按风轮风轮结构结构划分划分 垂直轴垂直轴风力机风力机风轮围绕一个垂直轴进行旋转。风轮围绕一个垂直轴进行旋转。 水平轴风力机水平轴风力机叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。面与风向垂直。 风力发电机分类风力发电机分类 按照风轮与塔架相对按照风轮与塔架相对位置划分位置划分 顺风式风
2、力机顺风式风力机 风轮在塔架的下风位置旋转的风力机。能够自动对风轮在塔架的下风位置旋转的风力机。能够自动对准风向，不需要调向装置。缺点：空气流先通过准风向，不需要调向装置。缺点：空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，风力机塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，风力机性能降低。性能降低。 以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力机为逆风式风力机。需要调风装置，使风轮风力机为逆风式风力机。需要调风装置，使风轮迎风面正对风向。迎风面正对风向。逆风式风力机逆风式风力机 风力发电机分类风力发电机分类叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率叶片固定
3、在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。的进一步增加。结构简单结构简单不能保证功率恒定，并且由于阻力增大不能保证功率恒定，并且由于阻力增大, ,导致叶片导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大和塔架等部件承受的载荷相应增大定桨距定桨距风力机风力机按功率调节方式按功率调节方式划分划分:定桨距与变桨距定桨距与变桨距 优点优点:缺点缺点: 风力发
4、电机分类风力发电机分类叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。使机组能够在额定功率附近输出电能。变桨距变桨距风力机风力机高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出 需要变桨距调节机构，设备结构复杂。需要变桨距调节机构，设备结构复杂。优点优点:缺点缺点: 目前的大型兆瓦级风电机组普
5、遍采用变桨距控制技术目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术 风力发电机分类风力发电机分类 水平轴风力机构造水平轴风力机构造传动系统用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同传动系统用来连接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现转速的变换。时实现转速的变换。图为一种目前风电机组较多采用的带齿轮箱风电机组的传动系统结构示意图。图为一种目前风电机组较多采用的带齿轮箱风电机组的传动系统结构示意图。包括风轮主轴（低速轴）、主轴轴承、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）包括风轮主轴（低速轴）、主轴轴承、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）联轴器、及机械刹车制动装置等部
6、件。联轴器、及机械刹车制动装置等部件。作用在风轮上的各作用在风轮上的各种气动载荷和重力种气动载荷和重力载荷通过主机架及载荷通过主机架及偏航系统传递给塔偏航系统传递给塔架。架。 风力机组传动系统风力机组传动系统3.1主轴主轴 主轴是风力发电机组的重要零件之一，用来支持旋转的机械零件。主轴主轴 目前目前，主轴轴承主要有圆锥滚子轴承、调心滚子轴承，主轴轴承主要有圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、2-3 列圆柱滚列圆柱滚子轴承等形式，为使轴承有更长的使用寿命和更强的承载能力，往往子轴承等形式，为使轴承有更长的使用寿命和更强的承载能力，往往采用采用多多列列滚子轴承排布。滚子轴承排布。主轴起支承轮毂及叶片，传递
7、扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受主轴起支承轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承主要承受径向力，其性能的好坏不仅对传递效率有影响，而且也决定了主传动链径向力，其性能的好坏不仅对传递效率有影响，而且也决定了主传动链的维护成本，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能和运转平稳性。的维护成本，所以要求具有良好的调心性能、抗振性能和运转平稳性。主轴轴承主轴轴承齿轮箱是风电机组传动系统中的主要部件，需要承受来自风轮的载荷齿轮箱是风电机组传动系统中的主要部件，需要承受来自风轮的载荷，同时要承受齿轮传动过程产生的各种载荷。需要根据机组总体布局，同时要承受齿轮传动过程产生的各种载荷。需要根据机组总体布
8、局设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和传动系统中的其他构件提供设计要求，为风轮主轴、齿轮传动机构和传动系统中的其他构件提供可靠的支撑与连接，同时将载荷平稳传递到主机架。可靠的支撑与连接，同时将载荷平稳传递到主机架。由于要求的增速比往往很大，风电齿轮箱通由于要求的增速比往往很大，风电齿轮箱通常需要多级齿轮传动。大型风电机组的增速常需要多级齿轮传动。大型风电机组的增速齿轮箱的典型设计，多采用行星齿轮与定轴齿轮箱的典型设计，多采用行星齿轮与定轴齿轮组成混合轮系的传动方案。齿轮组成混合轮系的传动方案。 结构形式结构形式 风电机组齿轮箱风电机组齿轮箱 图为一种一级行星图为一种一级行星+ +两级定轴齿轮传
9、动的齿轮箱结构，低速轴为行两级定轴齿轮传动的齿轮箱结构，低速轴为行星齿轮传动后两级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配传动比，提星齿轮传动后两级为平行轴圆柱齿轮传动，可合理分配传动比，提高传动效率。高传动效率。 风电机组齿轮箱结构形式风电机组齿轮箱结构形式图为二级行星图为二级行星+ +平行轴齿轮传动的齿轮箱结构平行轴齿轮传动的齿轮箱结构风电机组齿轮箱结构形式风电机组齿轮箱结构形式有些齿轮箱采用多级行星轮系的传动形式，如图三级行星轮加一级平有些齿轮箱采用多级行星轮系的传动形式，如图三级行星轮加一级平行轴齿轮的传动结构。多级行星轮结构壳可以获得更加紧凑的结构，行轴齿轮的传动结构。多级行星轮结构壳可以获
10、得更加紧凑的结构，但也使齿轮箱的设计、制造与维护难度和成本大大增加。因此，齿轮但也使齿轮箱的设计、制造与维护难度和成本大大增加。因此，齿轮箱的设计和选型过程，应综合考虑设计要求、齿轮箱总体结构、制造箱的设计和选型过程，应综合考虑设计要求、齿轮箱总体结构、制造能力，以及与机组总体成本平衡等因素间的关系，尽可能选择相对合能力，以及与机组总体成本平衡等因素间的关系，尽可能选择相对合理的传动形式。理的传动形式。 风电机组齿轮箱结构形式风电机组齿轮箱结构形式 优点优点：发电机、齿轮箱等大部件易拆卸，可维护性较好；发电机、齿轮箱等大部件易拆卸，可维护性较好； 技术技术成熟，设计制造难度低，发电机由于极对数
11、小，结构简单，体积成熟，设计制造难度低，发电机由于极对数小，结构简单，体积小。小。 缺点缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱增速比高，存在齿轮磨损、传动系统结构复杂，齿轮箱增速比高，存在齿轮磨损、润滑油更换频繁、机械噪声、振动等问题。润滑油更换频繁、机械噪声、振动等问题。高传动比高传动比齿轮箱齿轮箱 高传动比齿轮箱高传动比齿轮箱直驱型直驱型优点优点：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高等问题，提高了运行：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高等问题，提高了运行可靠性，减少了传动链能量损失，能量利用率高，发电质量好。可靠性，减少了传动链能量损失，能量利用率高，发电质量好。缺点缺点：发电机极对数高，体积比较大
12、，结构复杂，同时增加了制造：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂，同时增加了制造难度与成本；需要全功率变频器，成本高，损耗大。难度与成本；需要全功率变频器，成本高，损耗大。 直接驱动型：直接驱动型：采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发电机低速采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发电机低速旋转。旋转。直驱型直驱型齿轮箱高速轴与发电机轴的连接构件一齿轮箱高速轴与发电机轴的连接构件一般采用柔性联轴器，以弥补机组运行过般采用柔性联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差，解决主传动链的轴程轴系的安装误差，解决主传动链的轴系不对中问题系不对中问题。同时，柔性联轴器还可同时，柔性联轴器还可以增加传动链
13、的系统阻尼，减少振动的以增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。传递。联轴器必须有大于等于联轴器必须有大于等于100 M的阻抗，并的阻抗，并且承受且承受2 kV 的电压。这将防止寄生电流通的电压。这将防止寄生电流通过联轴器从发电机转子流向齿轮箱，这可能过联轴器从发电机转子流向齿轮箱，这可能带给齿轮箱极大的危害。带给齿轮箱极大的危害。联轴器联轴器一、根据风向的变化，偏航操作装置按系统控制单元一、根据风向的变化，偏航操作装置按系统控制单元发出指令，使风轮处于迎风状态，以提高风力发电机发出指令，使风轮处于迎风状态，以提高风力发电机组的发电效率。组的发电效率。二、同时还应提供必要的锁紧力矩，以保证机组的
14、安二、同时还应提供必要的锁紧力矩，以保证机组的安全运行和停机状态的需要全运行和停机状态的需要。偏航系统功能偏航系统功能偏航系统构成偏航系统构成风力发电机组的偏航风力发电机组的偏航系统主要由风向标、系统主要由风向标、偏航轴承、偏航驱动偏航轴承、偏航驱动器、偏航制动器、偏器、偏航制动器、偏航计数器、润滑泵、航计数器、润滑泵、偏航位置传感器组成。偏航位置传感器组成。偏航系统偏航系统风向标风向标风向标目的：风向标目的：n 风向风向风向标是偏航系统风向信号的采集装置，正常工作时能根据风向的风向标是偏航系统风向信号的采集装置，正常工作时能根据风向的变化传递不同的电压信号给主控，主控通过接收到的电压信号的不
15、变化传递不同的电压信号给主控，主控通过接收到的电压信号的不同能够分析外界风向情况，然后通过比较，决定是否发出偏航指令。同能够分析外界风向情况，然后通过比较，决定是否发出偏航指令。为了减少突变风对风机偏航系统的影响，主控接收的一分钟内的平为了减少突变风对风机偏航系统的影响，主控接收的一分钟内的平均风向。均风向。偏航系统相关部件偏航系统相关部件 偏航驱动部件一般由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安偏航驱动部件一般由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安装在主机架上。装在主机架上。 根据传动比要求，偏航减速器通常需根据传动比要求，偏航减速器通常需要采用要采用3
16、-43-4级行星轮传动方案，继承了行星级行星轮传动方案，继承了行星齿轮传动平稳的优点。齿轮传动平稳的优点。 偏航驱动装置偏航驱动装置偏航驱动电动机一般选用偏航驱动电动机一般选用转速较高体积小的电动机转速较高体积小的电动机但由于偏航驱动所要求的但由于偏航驱动所要求的输出转速又很低，多采用输出转速又很低，多采用多级行星轮系传动，以实多级行星轮系传动，以实现大速比、紧凑型传动的现大速比、紧凑型传动的要求，以满足偏航动作要要求，以满足偏航动作要求。求。偏航驱动电机偏航驱动电机偏航减速器偏航减速器偏航系统相关部件偏航系统相关部件偏航制动装置偏航制动装置 风机机械液压系统对偏航风机机械液压系统对偏航刹车的
17、控制，偏航系统未刹车的控制，偏航系统未工作时刹车片全部抱闸，工作时刹车片全部抱闸， 机舱不转动；机舱不转动； 机舱对风机舱对风偏航时，所有刹车片半松偏航时，所有刹车片半松开，设置足够的阻尼，保开，设置足够的阻尼，保持机舱平稳偏航。持机舱平稳偏航。 自动自动解缆时，偏航刹车片全松解缆时，偏航刹车片全松开。开。偏航系统相关部件偏航系统相关部件P130-23风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，
18、电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，针的偏航命令，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，通过安通过安装在驱动部件上的小齿轮与大齿圈啮合，带动主机架和机舱旋转使装在驱动部件上的小齿轮与大齿圈啮合，带动主机架和机舱旋转使风轮对准风向。风轮对准风向。工作原理工作原理偏航系统工作原理偏航系统工作原理禁止偏航条件禁止偏航条件以下情况不会自动偏航以下情况不会自动偏航 产生偏航故障；产生偏航故障； 偏航解缆动作；偏航解缆动作； 风机处于维护模式；风机处于维护模式； 30s 30s平均风速平均风速 2.5m/s2.5m/s； 紧急停机过程；紧急停机过程； 发生液压故障；发生液压故障； 禁止偏航条件禁止偏航条
19、件通过改变风机的桨叶角度通过改变风机的桨叶角度来调节风力发电机的功率来调节风力发电机的功率以适应随时变化的风速。以适应随时变化的风速。保障风机机组安全停机保障风机机组安全停机在额定风速以下时，桨叶全开，在额定风速以下时，桨叶全开，最大限度捕获风能；额定风速之最大限度捕获风能；额定风速之上时，根据主控器指令调节叶片上时，根据主控器指令调节叶片角度，保证机组的输出功率。角度，保证机组的输出功率。超过安全风速时或故障停机、超过安全风速时或故障停机、紧急情况下，旋转桨叶到安全紧急情况下，旋转桨叶到安全位置，保护风力发电机组，实位置，保护风力发电机组，实现安全停车功能。现安全停车功能。变桨系统变桨系统功
20、能功能变桨系统变桨系统变桨系统相关部件变桨系统相关部件 变桨轴承安装在轮毂上，变桨轴承安装在轮毂上，通过外圈螺栓把紧。通过外圈螺栓把紧。其内齿圈与变桨驱动其内齿圈与变桨驱动装置啮合运动，并与装置啮合运动，并与叶片联接。叶片联接。外圈外圈内圈内圈变桨轴承变桨轴承变桨驱动装置通过螺柱变桨驱动装置通过螺柱与轮毂连接。与轮毂连接。变桨齿轮箱前的小齿轮变桨齿轮箱前的小齿轮与变桨轴承内圈啮合，与变桨轴承内圈啮合，并要保证啮合间隙。并要保证啮合间隙。间隙由加工精度保证，间隙由加工精度保证，无法调整。无法调整。变桨驱动电机变桨驱动电机变桨齿轮箱变桨齿轮箱安装位置安装位置变桨驱动装置变桨驱动装置当风机正常停机，
21、在风电机组断开电网前先当风机正常停机，在风电机组断开电网前先将叶片顺桨到将叶片顺桨到8989，利用叶片的气动刹车将，利用叶片的气动刹车将叶轮转速降低至功率为叶轮转速降低至功率为0 0。当风机紧急停机。当风机紧急停机时，时，叶片会顺桨到叶片会顺桨到91限位置限位置，最后风机采，最后风机采用机械刹车系统使叶轮停止转动。用机械刹车系统使叶轮停止转动。此外还需要一个冗余限位开关（用于此外还需要一个冗余限位开关（用于95限限位），在主限位开关（用于位），在主限位开关（用于91限位）失效限位）失效时确保变桨电机的安全制动。时确保变桨电机的安全制动。91限位开关限位开关95限位开关限位开关限位开关限位开关绝
22、对式编码器绝对式编码器特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。切除后位置信息不会丢失。因此，测位置多采用绝对编码器，抗干扰特性强、数据的可靠性大。因此，测位置多采用绝对编码器，抗干扰特性强、数据的可靠性大。增量式编码器增量式编码器偏转角度偏转角度发电机转速发电机转速编码器编码器 雷电保护爪主要由三部分组成，按照安装顺序从上到下雷电保护爪主要由三部分组成，按照安装顺序从上到下依次是垫片压板，碳纤维刷和集电爪。依次是垫片压板，碳纤维刷和集电爪。雷电保护装置雷电保护装置 雷电保护装置在变桨装置中的具体位置
23、见右雷电保护装置在变桨装置中的具体位置见右图，在大齿圈下方偏左一个螺栓孔的位置装图，在大齿圈下方偏左一个螺栓孔的位置装第一个保护爪，然后第一个保护爪，然后120120度等分安装另外两度等分安装另外两个雷电保护爪。个雷电保护爪。工作原理工作原理 雷电保护装置可以有效的将作用在轮毂和叶片上的电流通过集电爪导到地面，雷电保护装置可以有效的将作用在轮毂和叶片上的电流通过集电爪导到地面，避免雷击使风机线路损坏。炭纤维刷是为了补偿静电的不平衡，雷击通过风机避免雷击使风机线路损坏。炭纤维刷是为了补偿静电的不平衡，雷击通过风机的金属部分传导。的金属部分传导。安装位置安装位置雷电保护装置雷电保护装置风向风向顺桨
24、位置顺桨位置变桨电机变桨电机工作位置工作位置90度的调节范围度的调节范围当风速发生变化时，通过变桨驱动电机带动变桨轴承转动，从而改变叶片对风向当风速发生变化时，通过变桨驱动电机带动变桨轴承转动，从而改变叶片对风向地迎角，使叶片保持最佳的迎风状态，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在地迎角，使叶片保持最佳的迎风状态，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在叶片上的扭矩和功率的目的。叶片上的扭矩和功率的目的。 变桨系统的工作原理变桨系统的工作原理将该叶片的角度值反馈至将该叶片的角度值反馈至主控系统主控系统1机组主控系统通过滑环机组主控系统通过滑环传输控制指令传输控制指令将变桨命令分配至将变桨命令分配至三个轴柜三个轴柜轴柜通过各自独立轴柜通过各自独立的整流装置同步变的整流装置同步变换直流来驱动电机换直流来驱动电机通过减速齿轮箱传递扭矩通过减速齿轮箱传递扭矩至变桨齿轮带动每个叶片至变桨齿轮带动每个叶片旋转至精确的角度旋转至精确的角度2435变桨系统的工作流程变桨系统的工作流程