小型风力发电机的转速与功率控制.ppt

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,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,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1角度时,吹向风轮的风 速降低为V1=V*cos1,风轮转 速降低比例为 cos1/1，而功 率减小的比例是cos31/1。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。,图18,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 离有关。,图19 风力发电机正常运行俯视图,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=PL ； 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；,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 垂直坐标轴。图中AB为竖销，为后倾角，为左倾角， 角 是复位机构设置的初始安装角。当，确定之后， 即确 定， 角是尾舵的自由稳定位置，及尾舵重力矩在垂直于竖轴 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 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，设置角和角之后，竖轴AB与oz形成夹角和方位 角 ，当 ，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：,式中：G尾舵重力 L尾舵重心点到竖销距离 竖销轴线与垂直线的夹角 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 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，此时角和角要协调好。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角的大小、尾舵的重力和尾舵重 心到竖销的距离。,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，左倾角。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、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 调整尾舵重 力矩，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 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。,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 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。,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 绕桨杆偏转，直至进入盘面内。,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）； 1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） 2为飞杆质心所在平面与风轮旋转面之间的夹角； 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2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平稳，特别适合于负向主动失速控制。,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。当风 轮旋转时垂块的离心力可分解为：沿 ABG面的切向分力F和平行于桨杆 的轴向分力Fc。切向分力F使桨叶 绕桨杆轴线转动，加大迎角而进入失 速状态。,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、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。,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。,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。,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）； 空气质量密度=0.125k