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风力发电机结构与运作原理介绍综述目录TOC\o"1-2"\h\u15946风力发电机结构与运作原理介绍综述 141681.1结构介绍 13938(1)风轮 24743(2)调速或限速装置 210414(3)调向装置 225769(4)发电装置 224025(5)动力的传递装置 212690(6)塔架 2257211.2风力发电机的原理 2158091.1.1主要基本原理介绍 3100851.1.2电力学原理的介绍 81.1结构介绍机组部分作为风力发电机主要结构,本文以水平方向受力的机组为例,介绍风力发电的基本原理。水平轴风力发电机组,如图1-1所示。图1-1风力发电机组的结构(1)风轮风轮是获取风能的装置,由叶片和轮毂构成,轮毂将叶片获取的动力通过轮轴传送给配电装置,轮毂也是控制叶片俯仰角的地方。(2)调速或限速装置当风力过大时,需要根据风力传感器的传感结果进行转速的调整,以此保证输出的功率平稳,一般通过控制轮毂方向或者其他风阻装置。(3)调向装置该装置有两个目的,其一可以用来调速,其二可以在风流量较小时,将中心对准风向。(4)发电装置发电机的原理是电磁感应,将风力通过齿轮转动转化为电流,一般可以分为交流和直流两种,其中交流又分为同步和异步。(5)动力的传递装置动力的传递装置通常采用的形式为齿轮传动,其主要的形式如下:高速传动轴和齿轮;低速传动轴和齿轮;制动装置等。(6)塔架塔架除了作为整个装置的地盘和支持,还要承受侧向风的压力。1.2风力发电机的原理众所周知,风力发电原理简单来讲就是风流动产生的动能通过电磁感应产生电流。基本结构与原理如图1-2所示,风与风扇叶片接触产生转动,叶片再带动与其相连的升速齿轮箱带动发电机转动形成电流,由于电流不是恒定的,它必须进入整流器进行整流,多余的能量储存在电池中,剩余的电量传输到逆变器变成交流电供用电器使用。图1-2系统简略结构示意图1.1.1主要基本原理介绍(1)计算风产生的动能根据流体力学基本原理,气体产生动能在单位时间之内的计算公式如下所示:(1)对上述公式进行相关变量的解释,其中:产生气体的在单位时间内质量为m,单位为kg;气体速度用v表示,单位为m/s。以下计算均为在单位时间内进行计算。空气经过面积S所产生的空气体积为V,因此可得:(2)(3)对上述公式进行相关变量的解释,其中:空气密度用来表示,它的单位是。截面所通过气体流动产生的动能如下所示:(4)即风产生的动能的计算公式。(2)贝兹理论风接触叶片的理想情况为没有能量损耗,且垂直于叶片平面。因此可以假设不存在轮毂,且叶片数量无限大,这样就不会有存在摩擦阻力,这是德国的空气动力学家第一个创立的该理论,被称为贝兹理论。现分析气流通过上述理想风轮的情况,如图1-2所示。图1-3流过风轮的气流图图中:是进入风扇前的风速;是经过风扇风速;是出风扇的风速;为进入风扇前风流截面;为出风扇后风流截面。假设空气是不可压缩的,由连续条件可得:(5)显然,风进入风扇轮受阻力影响,因此。根据动量定理可以计算出垂直叶轮平面的风力:(6)故风轮吸收的功率为:(7)在进、出叶轮整个过程中动能消耗如下所示:(8)令式(7)等于式(8):(9)上述结果代入式(6)、式(7),进而能够得到的是风轮受到的力和它所产生的功率:(10)(11)微分计算式(11)两侧:(12)设定,从而,在式(11)中代入上述结果,解得最大功率:(13)式13等式两侧同时除以E:(14)经过资料查询与计算可以得到上述结果是理论极值。从而我们可以得出结论风力机可使风力系数通常不大于0.593,所以可以得出它的实际输出功率如下所示:(15)(3)风力机的特性系数①风能利用系数风能利用系数实际转化为动能的风能系数。(16)式中:P-风力机实际获取的输出轴功率,W;-空气密度,;-上游的风速,;S-风轮的扫风面积,。②叶尖速比叶尖速比可以用来衡量不一样的风速带来的不同风轮运转形,计算公式如下。(17)式中:n-风轮的转速,;-风轮角速度,;R―风轮半径,m。风轮的空气动力学的研究停止运作时的风轮叶片受力研究轮毂和叶片是风力涡轮机中风轮的两个组成要素。通常情况下应该注意,安装过程中,需要叶片以自身的轴线为基准进行角度的旋转,并且要求风力发电机旋转平面与各叶片弦呈一定角度。下图显示了风力涡轮机启动时的受力分析图。风力发电机的轴线与风向一致(保持这一位置由倾斜系统控制,在本文件中不作讨论)。当空气在V处通过风力发电机时,在叶片I和II上产生空气动力F和F′。空气动力F和F′发生在叶片I和II。F和F′是沿流动方向的FX和FX′(拖曳力)和垂直于流动方向的FY和FY′(升力)。通过超压作用于涡轮机,而升力FY和FY′对风轮机的中心线施加扭矩,使其旋转。图1-4风力机启动时的受力情况(2)风轮在转动情况下叶片的受力假设理想情况下,风轮机在给定的风速下以角速度v均匀旋转时,垂直于风轮机旋转平面并位于离旋转轴中心一定距离的叶片元件(叶片元件)的一小部分被作为测试对象。该叶片元件相对于气流的速度是风速ν和该叶片元件绕轮毂的线性轴向速度的矢量和。如图1-5所示,此时桨叶与该叶片元的攻角是与翼弦的夹角。图1-5旋转桨叶的气流速度及受力情况在理想条件下,风速垂直于风机的旋转平面ν,均匀旋转的叶片的角速度由位于离旋转轴中心r距离的小截面(单位叶片)的角速度来研究,单位叶片的相对速度为风速ν叶片围绕轮毂的轴向速度的向量和。如图1-5所示,叶片和叶片元件之间的攻角就是和弦之间的角度。1.1.2电力学原理的介绍发电机的原理简介硅整流自励磁单相交流发电机广泛应用在家用风力涡轮机上。其中,励磁电流由电池提供能量,励磁控制器串联在电池和励磁线圈之间。交流发电机定子由一个定子铁芯和一个定子绕组组成。定子绕组是一个单相Y型绕组,安装在定子铁芯内的环形槽中。转子由一个转子铁芯、一个转子绕组和一个转子轴组成。转子铁芯则是采用凸形或爪子形磁极。转子励磁绕组的两个端与一个接触环相连,该接触环通过与接触环接触的电刷与硅基板的直流输出相连接,并相应地接收直流激励电流。独立的小型风力涡轮机的叶片通常有一个固定的间距。随着风速的逐渐变化,风轮机的旋转速度也在逐渐变化,与风轮机相连的发电机的旋转速度也在渐渐变化。这导致了硅整流器的直流电压和发电机的励磁电流的变化,以及励磁场的变化,从而导致发电机输出电压的变化。这将导致发电机输出电压的巨大变化。这增加了发电机输出电压的波动。很明显,如果负载中的电压波动没有得到控制,就会使供电质量恶化,更甚至会损坏电气设备。电池也可用于自主风力发电系统,在该系统中,电压波动会使电池过量充电并缩短其使用寿命。发电机原理图如图1-6所示。图1-6风力发电机原理图励磁调节器的工作原理励磁调节器的作用是使发电机自动调节励磁电流(即励磁磁通),以抵消风速变化对发电机端电压的影响。图1-7励磁调节器原理图低速状态下,发电机电压不满足标准电压要求,此时V1闭合,此时电阻R2被短路,电流增大;当转速过大时,V1断开,此时电流流过电阻R2,使得电流变小,从而实现电压的稳定。当可以接收的风过少时,电磁感应机可能会从蓄电池组索取功能,以维持电容状态,这样可能会烧坏电路。因此需要在两者之间设置逆流继电器。正常工作时,逆流继电器的开关I2关闭,当无风时I2开启。阻断电流倒流。该原理的发电机的好处是可以随风调节电流电压的大小,可以减少对蓄电池等的损伤。整流原理整流的目的是转化直流电为交流电供用电器稳定使用,当前使用最流行的整流电路是单相桥式的整流电路。基本组成为:四个单项二极管和一个电阻,如图1-8所示。图1-8单相桥式全波整流电路图通过U2的正负极电势差的改变来实现电流的交变。具体原理是电流顺时针由高电势流向低电势的时候,形成D1→R1→D3→b的电流通路。逆时针的情况下,电流由b经D2→RL→D4→形成通路。无论顺时针还是逆时针都会在电阻RL上形成一个负载电压,且方向是相反的,因此会形成交变电流。逆变原理逆变器是由逆变原理制成的,它

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