【正文】 hanism— Electric change propeller from transmission mechanism. Constructed based on threedimensional solid model CAXA, a sinusoidal motion law, the dynamic simulation results show the effectiveness of pitch and accuracy of model, further wind turbine pitch systems laid the foundation for optimal design. Second, for wind turbine yaw when the requirements for the design of the controller, change the previous cover type digital angle sensor for the absolute angle sensor, increasing the sensitivity of the system. Keyword: wind power。設(shè)計(jì)了一套新型變距傳動(dòng)機(jī)構(gòu) —— 電動(dòng)變槳距傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。與此同時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和裝備的研究開發(fā)也日益成為科技領(lǐng)域和企業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題項(xiàng)目之一。 本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主體 — 機(jī)械部分中的變槳系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究、分析。構(gòu)建了基于 CAXA 的三維實(shí)體模型，施以正弦運(yùn)動(dòng)律，其動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該變 槳模型建立的有效性和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步為風(fēng)力機(jī)變槳距系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 Pitch。因此，如何提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，獲取更多風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；?， 一直為學(xué)者及業(yè)界所關(guān)注。根據(jù)風(fēng)速大小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由 4 個(gè)動(dòng)態(tài)過程構(gòu)成，即啟動(dòng)、變速運(yùn)行、變槳距運(yùn)行和剎車。 20 世紀(jì) 80 年代開始建立示范風(fēng)電場(chǎng)。 2021 年 ，全球已有 48 個(gè)政府引入法規(guī)扶持風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。其中，陸上開發(fā)量為 600GW；海上開發(fā)量為 800GW。 1983年，山東引進(jìn) 3 臺(tái)丹麥 Vestas 55kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，開始了并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)和示范； 1986 年 5 月，山東榮成建成我國(guó)第一個(gè)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其次是新疆達(dá)坂城風(fēng)電場(chǎng)。截止到 2021年年底，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量累計(jì)達(dá)到 ，累計(jì)裝機(jī)容量為 。自 20 世紀(jì) 50 年代以后，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開始關(guān)注世界能源危機(jī)問題。 1． 2． 2 環(huán)境危機(jī) 在能源消耗急劇增長(zhǎng)，能源危機(jī)凸顯的同時(shí)，環(huán)境危機(jī)也出現(xiàn)了。到 2100 年，溫室效應(yīng)強(qiáng)度將相當(dāng)于把大蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX7 氣中 CO2 濃度提高到工業(yè)化社會(huì)以前 CO2 濃度的 3 倍，達(dá)到 5000 萬年前的 CO2 濃度水平。到 2021 年，世界溫室氣體的排放 量將達(dá)到最高，全球變暖帶來的影響不僅僅是更多的汗?jié)碁?zāi)害，還有海平面的上升。電能具有轉(zhuǎn)換和傳輸方便的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展不可替代的二次能源。相對(duì)于常規(guī)火力發(fā)電，更有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。 1． 2． 4 風(fēng)能開發(fā)利用 太陽(yáng)的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，同時(shí)，地球發(fā)生自轉(zhuǎn)，使空氣沿水 平方向運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。 50m 或更高處可開發(fā)利用的風(fēng)能 儲(chǔ)量為 2021GW。 12 世紀(jì)，風(fēng)車從中東傳入歐洲。 20 世紀(jì) 30 年代，丹麥、瑞典、蘇聯(lián)和美國(guó)應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù)，成功的研制 了一些小型風(fēng)電機(jī)組。美國(guó)在 1974 年開始實(shí)施聯(lián)邦風(fēng)能計(jì)劃， 20 世紀(jì) 80 年代成功開發(fā)了 100kW、 200 kW、 2021 kW、2500 kW、 6200 kW、 7200 kW 等 6 種風(fēng)電機(jī)組。 20 世紀(jì) 70 年代末 80 年代初，我國(guó)自主開發(fā)研制并批量生產(chǎn)了額定容量 10 kW 以下的小型風(fēng)電機(jī)組，解決了居住分散的農(nóng)牧民和島嶼居民的生產(chǎn)生活用電。經(jīng)過 30 年的努力，隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，風(fēng)電成本大幅度下降，每千瓦時(shí)風(fēng)電成本由 20 世紀(jì) 80 年代初的 20 美分下降到 2021 年的 4~6 美分。 2021 年全球大約生產(chǎn)了 2021 億度風(fēng)電電力，約占全球電力供應(yīng)的 1%。中國(guó)超過印度，成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國(guó)。美國(guó) 2021 年新增的風(fēng)電裝機(jī)也僅次于天然氣發(fā)電，位居第二。 2021年年初，根據(jù)技術(shù)發(fā)展 和能源需求的需要，歐盟又進(jìn)一步修訂了發(fā)展計(jì)劃，希望 2021年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 80GW；到 2020 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 180GW，發(fā)電量達(dá)到 3600億 kW美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)也提出了未來依靠風(fēng)電滿足國(guó)內(nèi) 20%電力需求的宏偉目標(biāo)。2021 年新增裝機(jī)容量超過 100%，累計(jì)裝機(jī)容量超過 。 2021 年新增裝機(jī)容量超過印度，成為亞洲第一、世界第四、風(fēng)電裝機(jī)容量超千萬千瓦的風(fēng)電大國(guó)。《開再生能源法》頒布后，風(fēng)電整機(jī)制造企業(yè)已超過 40 家。經(jīng)過“十五”期間的自主研究和技術(shù)引進(jìn)，我國(guó)已基本掌握了以雙饋發(fā)電機(jī)為代表的變速恒 頻 風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)，研制成功兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。 近幾年，風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)之間的兼并、重組、收購(gòu)愈演愈烈。 1． 4． 2 水 平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)成為主流 水平軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)軸較短，在大型風(fēng)電機(jī)組上更顯出經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，使水平軸風(fēng)電機(jī)組成為世界風(fēng)電發(fā)展的主流機(jī)型，并占到95％以上的市場(chǎng)份額。 近年來，海上風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)進(jìn)一 步加快了大容量風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展， 2021 年底世界上已運(yùn)行的最大風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)到 6MW，風(fēng)輪直徑達(dá)到 127m。 1． 4． 4 變槳變速功率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛采用 their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX由于變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有載荷控制平穩(wěn)、安全和高效等優(yōu)點(diǎn)，近年在大型風(fēng)電機(jī)組上得到 了廣泛采用。 2MW 以上的風(fēng)電機(jī)組大多采用三個(gè)獨(dú)立的電控調(diào)槳機(jī)構(gòu)，通過三組變速電機(jī)和減速箱對(duì)槳葉分別進(jìn)行閉環(huán)控制。目前，歐洲正在開發(fā)10MW 的雙饋異步發(fā)電型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組。 1． 4． 6 直驅(qū)式、全功率變流技術(shù)得到迅速發(fā)展 無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機(jī)組故障，可有效提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和壽命，減少維護(hù)成本，因而得到了市場(chǎng)的青睞。我國(guó)新疆金風(fēng)科技有限公司與德國(guó) Vensys 公司合作研制的 1。其他如：廣西銀河艾邁迪、航天萬源、濰坊瑞其能、包頭匯全稀土、江西麥德公司、山東魯能等制造企業(yè)也開發(fā)研制了直驅(qū)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX13 風(fēng)電機(jī)組。至 150％的額定轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)能的利用范圍。 1． 4． 7 大型風(fēng)電機(jī)組關(guān)健部件的性 能日益提高 隨著風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，各部件的性能指標(biāo)都有了提高，國(guó)外己研發(fā)出 3000V12021V 的風(fēng)力發(fā)電專用高壓發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)效率進(jìn)一步提高；高壓三電平變流器的應(yīng)用大大減少了功率器件的損耗，使逆變效率達(dá)到 98％以上；某些公司還對(duì)槳葉及變槳距系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如德國(guó) ENERCON 公司在改進(jìn)槳葉后使葉片的 Cp 值達(dá)到了 以上。我國(guó)在某些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件、鑄鍛件等領(lǐng)域已經(jīng)具有優(yōu)勢(shì)，不僅能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，而且已經(jīng)向國(guó)際市場(chǎng)供貨。為了減少重力和保持頻率，則需要降低葉片的重量。 為了增加葉片的個(gè)剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長(zhǎng)度大于 50 米的葉片上將廣泛使用強(qiáng)化碳纖維材料。 為了減少葉片和整機(jī)上的疲勞負(fù)荷，可控制的尾緣小葉可能被逐步引入葉片市場(chǎng)。在風(fēng)電場(chǎng)選址，特別是選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的應(yīng)用軟件。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機(jī)組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，電網(wǎng)對(duì)其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運(yùn)行（ fault ridethrough)，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，也就是說，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定低電壓穿越 (lowvoltage ridethrough)能力。 1． 5 小結(jié) 隨著能源危機(jī)程度的加深，世界各國(guó)都在加大風(fēng)能利用和開發(fā)，尤其是我國(guó)能源耗費(fèi)相對(duì)較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。從能量轉(zhuǎn)換角度看，此類設(shè)備大致包括 21所示的幾個(gè)功能單元。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風(fēng)輪軸驅(qū)動(dòng)與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。同時(shí)，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX17 （ 4）控制與安全系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要功能可分為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動(dòng)控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時(shí)又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時(shí)能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。兩者的相互作用，使機(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)輪的輸出功率為 ?1 1 1PM? （ 11） 式中 P1—— 風(fēng)輪的輸出功率，單位為 W； M1—— 風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N 主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔??？刂葡到y(tǒng)的功能是過程控制和安全保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)隨時(shí)對(duì)輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。 當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)來風(fēng)方向。 小結(jié) 本章主要從不同的角度分析 了 風(fēng)電機(jī)組的功能構(gòu)成以及風(fēng)電機(jī)組的工作原理。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)組性能指標(biāo)的主要因素。 3． 2 總體設(shè)計(jì) 風(fēng)電機(jī)組是比較復(fù)雜的機(jī)電裝備 ， 且要求較好的性價(jià)比 。 以下簡(jiǎn)要介紹風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與大致步驟 : （ 1）風(fēng)電 機(jī)組總體設(shè)計(jì)方案 1 ）總體氣動(dòng)布局方案設(shè)計(jì) 隨著風(fēng)電機(jī) 組單機(jī)功率的增大，系統(tǒng)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)逐漸成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)重要方面。同時(shí)需要對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件布置、承載形式和傳力路線進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計(jì)分離面和接口形式，以便明確劃分各部件設(shè)計(jì)界面，保證總體設(shè)計(jì)的質(zhì)量。最重要的載荷產(chǎn)生于 風(fēng)輪及其葉片，且風(fēng)輪上的任何載荷都會(huì)對(duì)其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 6）各部件和子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 根據(jù)整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案，開展包括對(duì)各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)及附件的選擇等設(shè)計(jì)工作。 總體設(shè)計(jì)階段將解決全局性的重大問題，必須精心和慎重的進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的 理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有的重大反復(fù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤和延期。 1）動(dòng)載荷問題 作用于風(fēng)輪葉片上的周期性氣動(dòng)和機(jī)械載荷會(huì)引起葉片等構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)， 而此響應(yīng)反饋于外部氣動(dòng)負(fù)荷。實(shí)際上，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等零部件的設(shè)計(jì)都必須考慮振動(dòng)問題。風(fēng)輪的動(dòng)力不穩(wěn)定性，包括變距 /揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距 /擺振不穩(wěn)定性及揮舞 /擺振不穩(wěn)定性等。 為保證風(fēng)電機(jī)組有較高的可利用率，在總體設(shè)計(jì)階段，對(duì)重要零部件和系統(tǒng)應(yīng)規(guī)定可靠性量化指標(biāo)的要求，可以采用串聯(lián)模型法，確定有關(guān)零部件的可靠性定量要求。 3． 3 風(fēng)電機(jī)組零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）風(fēng)電機(jī)組部件結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)確定的總體氣動(dòng)布局、總體技術(shù)參 數(shù)、設(shè)計(jì)載荷以及風(fēng)電機(jī)組的初步結(jié)構(gòu)方案 ，開展子系統(tǒng)和部件具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 （ 3）零部件強(qiáng)度與剛度分析 1）結(jié)構(gòu)的極限 強(qiáng)度設(shè)計(jì) 極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是在極端載荷作用下，保證構(gòu)件的應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力，避免發(fā)生靜載破壞。 3）結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 疲勞破壞是影響承受交變載荷構(gòu)件的設(shè)計(jì)壽命的主要失效形式之一。設(shè)計(jì)中需要解決設(shè)備總體和零部件的裝配、加工等具體技術(shù)問題，提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)文件，形成設(shè)備制造工程的基礎(chǔ)。 基于樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，應(yīng)進(jìn)一步完善和修改原設(shè)計(jì)，形成批量生產(chǎn)的工程竣工設(shè)計(jì)。隨著社會(huì)對(duì)能源的急劇需求，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的單機(jī)容量已發(fā)展到兆瓦級(jí)機(jī)組，控制方式從基本的定槳距失速型控制轉(zhuǎn)向變槳距控制，但與國(guó)際水平還有一定差距。從今后的發(fā)展趨勢(shì)來看，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將會(huì)普遍采用變槳距技術(shù)。我們基于一種新型的變距驅(qū)動(dòng)一電作動(dòng)筒變槳的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。備用電源是在電網(wǎng)或滑環(huán)故障，外部電源無法直接為變槳距系統(tǒng)供電時(shí)，通過電源切換電路，將備用電源接入到變槳控制柜，使其能夠?yàn)樽儤嘞到y(tǒng)提供動(dòng)力和控制用電，保證葉片能夠安全、快速的回到順槳位。 得出理想情況下氣流與葉片角的關(guān)系 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） their owncdsvlpa,mxukgf.()ybTqCzjSAX27 ????? （ 3） 1ta n vvI ur ?? ? ?? sinv I? ? 其中， I 為傾角， ? 為攻角，