情境一任务一风力发电机组传动系统认知

《风电机组检测与维护》刘什么要发展风力发电？

（1）化石能源有限，发展风电有利于提高中国能源供应的安全性（2）风能储量大、广泛，发展风电是解决中国能源供应不足的有效途径（3）风电清洁，发展风电是减排温室气体排放的有效途径.(京都议定书签订后，CDM机制）（4）发展风电可以促进地区经济发展，并拉动机电制造业发展及解决就业。（如：丹麦）但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场2003年5月27日，欧洲风能协会和绿色和平组织的环境组在布鲁塞尔发布一项报告《风力12》，这个战略性蓝图勾画出目前价值70亿欧元的风能工业如何能在2020年增值为750亿欧元。到2020年，风力发电将在全球电力市场中占12%。全世界风力发电装机容量将达到12.31亿千瓦（123100万千瓦），创造1.79亿个就业机会，使发电成本降低40%，并累计减排二氧化碳1092.1万吨。长达52页的《风力12》研究报告详细论证了如何实现风力发电的美好前景。中国风能资源丰富国家气象局依据分布在中国各地10米高气象测风仪数据统计：－陆地约有2.53亿千瓦年电量5000亿千瓦时海上初步估计可开发约7.5亿千瓦合计约10亿千瓦（2004年全国电力总装机4.4亿千瓦）其中内蒙和新疆占中国风资源的约70－80％中国风资源分布风电项目箱式变电（升压）变电站超高压输电风机（降压）变电站用户不包含升压变电站的项目包含升压站的项目风电项目成本构成在中国，风电项目的固定资产投资构成比例国际大型风机的发展趋势

——技术水平不断提高风力发电单机容量由1980年的30千瓦上升到2005年的5兆瓦风特性叶轮机械电机并网风力极限疲劳振动控制材料制造￥叶片设计部件制造COE风机(知识)体系结构与边界条件CostofEnergy频率50Hz电压690V或其他功率因数>0.98噪音－叶尖速－转速材料强度控制能力运输安装部件共振耦合结构风力发电机组组成

兆瓦级的大型风力发电机组包括四个部分：叶轮机舱塔架基础叶片轮毂一.叶轮

叶轮又叫风轮，是获取风中能量的关键部件，由叶片和轮毂组成。分变桨距风轮和定桨距风轮。叶轮的作用是将风能转化为机械能。二.机舱小型风电机组：主要是发电机大型风电机组：齿轮箱、发电机、偏航、制动器联轴器、风速风向仪等主要部件。小机型风电机组：塔杆大型风电机组：钢结构，有锥形筒体和桁架式结构。三.塔架小型风电机组：用螺栓将底座固定于地面或其它地点。大型风电机组：钢筋混凝土结构，设置接地、排水系统

四.基础风力发电机组机舱内部简图吸收风能增加转速减小扭矩产生电能补偿轴向偏差风电机组主传动一.叶片数量：三只作用：机组吸收风能的部件主要材料：玻璃钢改变叶片迎角可实现功率调节——变桨系统叶片的工作位置：在90度迎角时现场照片车间照片风力发电机组的气动基础二维翼型气体流动情况上翼面静压值小于下翼面静压值，形成了升力、阻力、力矩等气动力。

A：叶片前缘B：叶片后缘

AB：翼弦，用t表示

α：冲角

δ：翼型厚度f：翼型的弯度叶片翼型几何定义C点：压力中心点R：叶片翼型剖面受到的合力Ry：垂直于来流方向的分力Rx：平行于来流方向的分力叶片受力分析Cl：升力系数Cd：阻力系数叶片升阻力系数与冲角的关系升阻力系数叶片的最大升阻比斜率=升力与阻力之比最大升阻比cotε=

Cl/

Cd叶片系数与阻力系数的关系风电机组对叶片的要求比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。

叶片技术发展——材料木制叶片及布蒙皮叶片

钢梁玻璃纤维蒙皮叶片

铝合金等弦长挤压成型叶片

玻璃钢复合叶片

碳纤维复合叶片

叶片技术发展——尺寸叶片技术发展——数量三叶片外形美观性轮毂所受力和力矩空气动力平衡性噪声振动价格双叶片单叶片风轮几何参数叶片数直径轮毂中心高扫掠面积锥角仰角偏航角实度风轮物理参数风轮转速Ω尖速比风能利用系数扭矩M，二.轮毂主要零部件：滑环雷电保护爪轮毂罩楔形盘导流帽加油嘴分隔壁变桨电机滑环变桨控制柜轮毂（铸钢件）变桨轴承各种限位开关、撞块等功能：固定叶片，连接齿轮箱。叶片受力后，带动轮毂顺时针旋转，即将风能转化为机械能。轮毂变桨电机轮毂罩分隔壁导流帽轮毂主要结构轮毂变桨控制柜变桨限位撞块变桨接近开关缓冲器极限工作位置开关极限工作位置撞块齿轮箱叶轮发电机低转速需要高转速将低转速的动能转化为高转速的动能三齿轮箱装配位置风电机组中齿轮箱的特点环境条件恶劣：风大、砂尘、盐雾、潮湿、高温、严寒工作条件复杂：风速风向多变、强阵风、高空无人值守要求高可靠性、高效率、高安全性要求工作寿命长：二十年（175200小时）输入输出速比大加工制造要求高风电机组中齿轮箱的结构原理传动比：为获取更多风能希望风轮直径大些，又受叶尖速度过大的制约；为减轻发电机重量又希望发电机转速再高些。

——通常在50～100左右。齿轮：使用寿命长和高可靠性要求；运转平稳、振动小、噪音低的要求

——要采用硬齿面斜齿轮传动。远程监控配置：高空、无人值守

——必须有远程监控配置，如设置转速、油温等传感器。风电机组齿轮箱结构行星机构行星机构的几种应用方式行星减速机构结构特点主轴内置于齿轮箱的内部，不需要现场主轴对中；主轴轴承采用稀油润滑，效果更好；采用两极行星、一级平行轴机构传动，提高了速比，降低了齿轮箱的体积；采用先进的润滑与冷却系统，使每个润滑点都可以得到充分的润滑，确保了齿轮箱的使用寿命。齿轮箱的减噪装置齿轮箱的重量约占机舱重量的1/2，而且当风机运转时，齿轮箱会产生振动。为减小振动对其它部件的不利影响，齿轮箱与主机架之间增加了减振元件。齿轮箱上的附件1.转子锁（叶轮锁）：

数量：一套位置：齿轮箱的前端作用：锁定风轮，确保机组处于安全状态。控制方式：手动2.雷电保护装置：数量：三组位置：齿轮箱前端连接轮毂处作用：将叶轮上的电流传导到齿轮箱的机体上，再通过接地线将电流倒入大地，以保护机组。控制方式：不需控制3.加热器：数量：六个（两组，每组一个备用）位置：齿轮箱的前部和后部作用：当齿轮箱工作环境温度较低时，加热器对齿轮箱润滑油进行加热，以确保齿轮箱内部的润滑油保持在一定的粘度范围。控制方式：系统自动控制4.Pt100（温度传感器）：数量：三个（油温、轴承各一个，备用一个）位置：齿轮箱后部右侧和上方作用：监控油温和高速端轴承温度，确保机组的安全控制方式：系统自动控制5.液位传感器：数量：一组位置：齿轮箱左后方作用：监控对齿轮箱内部润滑油的油位，当油位低于系统设定值时，系统会自动发出报警。通过观油窗可以观察润滑油的状态（如颜色、油位高度、油质等情况）。控制方式：不需控制6.空气过滤器：数量：一个位置：齿轮箱上部作用：它可以保证齿轮箱内部的压力稳定，防止外部杂质进入齿轮箱内部控制方式：不需控制油冷系统齿轮箱的冷却、润滑——油冷系统功能：为齿轮箱润滑冷却齿轮油加热齿轮油主要部件：齿轮箱油冷泵、过滤器温度传感器油冷风扇、加热器连接管路及单向阀过滤器有两级滤网：精滤和粗滤润滑冷却系统对齿轮和轴承的保护作用：减小摩擦和磨损，具有更高的承载能力，防止胶合。吸收冲击和振动。防止疲劳点蚀。冷却、防锈、抗腐蚀。

油冷系统工作原理油冷泵通过△/Ｙ连接方法的转换，完成低速/高速的转换；当油温继续升高时，启动高速油冷泵的同时，启动油冷风扇，使油温达到更好的冷却效果。齿轮油温度大于5℃，风机运行

45℃以下，润滑效果大于45℃，小于55℃，油冷泵冷却效果大于55℃油冷风扇启动，小于50℃油冷风扇停止齿轮油温度高于75℃，则限制功率，高于80℃故障停机装配位置四.联轴器联轴器作用：作为一个柔性轴，它补偿齿轮箱输出轴和发电机转子的平行性偏差和角度误差。为了减少传动的振动，联轴器需要有振动和阻尼。阻抗：≥100M承受电压：2kV作用：这将防止寄生电流通过联轴器从发电机转子流向齿轮箱输出轴。制动器作用：制动器是一个液压动作的盘式制动器，用于机械刹车制动。五.制动器(机械刹车)制动器工作原理

制动器将作用于制动钳上的夹紧力转换成制动力矩施加在制动盘上，使制动盘停止转动或在停机状态下防止松动(停机制动)。1.应确保制动器已经工作过5-10次。2.用塞尺检测制动盘和闸垫之间间隙。制动器间隙检测

制动器具有自动闸瓦调整功能，也就是说当闸瓦磨损时不需要手动调整制动器。用标尺检查制动器衬垫的厚度，如果其磨损量超出5mm(闸瓦剩余厚度小于27mm)，则必须更换制动器闸垫。刹车系统位于齿轮箱高速端与低速端的比较（1）空气动力制动

——叶片受力自动停机（2）机械制动

——叶轮锁制动

——制动器制动制动系统六、典型风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统转子电流受控的异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统转子电流混合控制的异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统电励磁直驱同步风力发电机系统永磁直驱同步风力发电机系统混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统三相笼型异步风力发电机笼型异步风力发电机的内部结构定子铁心转子绕组（端环）机座转子铁心定子绕组风扇端盖笼型异步风力发电机的工作原理向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个旋转磁场。如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场作旋转运动。旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数目称为极数，用2P表示。旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决于电流的频率f和极对数P：

旋转磁场——同步转速笼型异步风力发电机的工作原理Sn1Nffne,

iT

f

产生电磁转矩T

定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1旋转

在转子导条中产生感应电动势e

e在转子绕组中产生感应电流i

i在磁场中产生电磁力f

若转子以转速n>n1,向n1的方向旋转

n是否会等于

n1？要产生T，必须n≠n1——异步机械能

→电能，是发电机转子转速大于定子旋转磁场转速，发电！笼型异步风力发电机的工作原理

转差率笼型异步发电机中转差率S与运行状态的关系?

把同步转速n1与转子转速n的差与同步转速n1的比值，称为转差率，用s表示，即

异步电机的特点之一是转子转速n和定子旋转磁场的同步转速n1不同。n＝(1－s)n1则转子转速n可表示为：笼型异步风力发电机的工作原理

异步电机的运行状态发电机状态电动机状态用转差率s可以表示异步电机的运行状态!n＞n1＞0s＜00＜n＜n10＜s＜101n10ns双馈异步风力发电机系统系统主回路构成：

双馈异步发电机＋交直交双向功率变换器双馈异步风力发电机（风冷）双馈异步风力发电机系统什么是双馈电机？所谓双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子绕组和转子绕组,一般将定子绕组接入电网,而接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按要求分别进行调节。双馈电机的特点：（1）和异步电机区别：异步电机是通过定子从电网吸收励磁电流,本身无励磁绕组,而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组;异步电机无法改变功率因数;异步电机的转速随负荷变化而变化。（2）和同步机区别：同步机励磁只可调节电流的幅值,因此只能对无功功率进行调节,而双馈电机可以调节幅值、频率和相位:改变励磁频率,可以调节电机转速;改变励磁电流相位,可以调节发电机电势和电网电压向量的相对位置,改变了电