【文章內(nèi)容簡介】 6） 直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電。此時即可實現(xiàn)為負載供電。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10. 15 8 第二章 風力機原理及其結(jié)構(gòu) 風力機經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類： ① 水平軸風力機，風倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風向平行； ② 垂直軸風力機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向。本系統(tǒng)中采用的是水平軸風力機。 風力機的氣動原理 風力發(fā)電機 組主要利用氣動升力的風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產(chǎn)生的一種力，如圖 21。 圖 21氣動升力圖 從圖可以看出，機翼翼型運動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū)，產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時也產(chǎn)生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動。 風力機的主要部件 水平軸風力機主要由風輪、塔架、對風裝置、齒輪箱組成，整體結(jié)構(gòu)如圖 2— 2所示： （ 1） 風輪：由 1~3 個葉片組成，這是吸收風能的主要部件。當風輪旋轉(zhuǎn)時，葉片受到離心力和氣動力的作 用，離心力對葉片是一個拉力，而氣動力使葉片彎曲。當風速高于風力機的設(shè)計風速時，為防止葉片損壞，需對風輪進行控制，控制風輪有三種方法： a，使風輪偏離主方向； b，改變?nèi)~片角度；利用擾流器，產(chǎn)生阻力，以降低風輪轉(zhuǎn)速。 （ 2） 塔架：為了讓風輪能在較高的風速中運行，需要塔架把風輪支撐起來。這時塔架需要承受兩個主要的載荷：一個是風力機的重力，向下壓在塔架上；另一個是阻力，使 圖 22 風力主要部結(jié)構(gòu)圖 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10. 15 9 塔架向風的下游方向彎曲。選擇塔架時要必須考慮其成本，根據(jù)實際情況而定。 （ 3） 對風裝置：自然界的風向及風速一直變 化，為了得到較高的風能利用率，應(yīng)使風能的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對準風向為此需要對風裝置。本論文只介紹小型風力機的對風裝置，如圖2— 4所示，利用尾舵控制對風。由尾翼帶東水平軸旋轉(zhuǎn)，是風輪總朝向風吹來的方向。 圖 24對風裝置 （ 4） 齒輪箱 由于風輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風力的大小經(jīng)常變化著，這又使得轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個齒輪箱，再加一個調(diào)速裝置使得轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后在連接到發(fā)電機上。齒輪箱的主要作用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，通過齒輪副的增速作用使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。在裝機是 應(yīng)使其與輪轂相連。為了增加齒輪箱的制動能力，在齒輪箱的輸入端或輸出端設(shè)置剎車裝置配合葉尖制動裝置實現(xiàn)聯(lián)合制動。 風力機的功率 風的動能和風速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風輪功率的計算。風力與速度平方成正比，所以風的功率與風度的三次方成正比。如果風速增加一倍，風的功率便會增加 8倍。 風輪從風中吸收的功率如下： 3pP C A v?? (2— 1) 2AR?? (2— 2) 式中： P 為輸出功率， pC 為風輪機的功率系數(shù)， ρ 為空氣密度， R 為風輪半徑， v 為風速。 眾所周知，如果接近風力機的空氣全部動能都被風力機全部吸收，那么風輪后的空氣就不動了，然而空氣當然不能完全停止，所以風力機的效率總是小于 1。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10. 15 10 第三章 電氣設(shè)計部分 發(fā)電機 在本論文討論的獨立風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用的是硅整流自勵 單 相交流發(fā)電機。 發(fā)電機 結(jié)構(gòu)、工作原理及電路圖 本論 文提出的系統(tǒng)采用蓄電池組為勵磁功供電，并在蓄電池組合勵磁繞組之間串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器。其電路圖如圖 3— 1所示。發(fā)電機的定子由定子鐵心和 定子繞組組成，定子繞組為單 相， Y型連接，放在定子鐵芯內(nèi)圓槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組（即勵磁繞組）和轉(zhuǎn)子軸組成，轉(zhuǎn)子鐵芯可做成凸極式或形，一般都用爪形磁極，轉(zhuǎn)子勵磁繞組的兩端接到滑環(huán)上，通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵磁電流。 圖 31 串聯(lián)勵磁調(diào)節(jié)器 獨立運行的小型風電機組的風力機葉片多數(shù)是固定槳距的，當風力變化時風力機轉(zhuǎn)速隨之變化，與風力機 相連的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也隨之變化，因而發(fā)電機的出口電壓也會產(chǎn)生波動，這將導(dǎo)致硅整流器輸出的直流電壓及發(fā)電機勵磁電流的變化，并造成勵磁磁場的變化，這樣又造成發(fā)電機出口電壓的波動。這種連鎖反應(yīng)是的發(fā)電機的出口電壓的波動范圍不斷增加。顯而易見，如果電壓的波動得不到控制，在向負載供電的情況下，將會影響供電質(zhì)量，甚至損壞用電設(shè)備。此外獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)都帶有蓄電池組，電壓的波動會導(dǎo)致蓄電池組湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10. 15 11 的過充電，從而降低蓄電池組的使用壽命。 為了消除發(fā)電機輸出端電壓的波動，該硅整流交流發(fā)電機配有勵磁調(diào)節(jié)器，如圖所示，勵磁調(diào)節(jié)器由 電壓繼電器 V電流繼電器 I逆流繼電器 I2 及其所控制的動斷觸電 VI1和動合觸電 I2以及電阻 R2等組成。 勵磁調(diào)節(jié)器的工作原理 勵磁調(diào)節(jié)器的作用是使發(fā)電機能自動調(diào)節(jié)其勵磁電流（即勵磁磁通）的大小，來抵消因風速變化而導(dǎo)致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化對發(fā)電機端電壓的影響。 當發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低，發(fā)電機端電壓低于額定值時，電壓繼電器 V1不動作，其動斷觸點V1 閉合，硅整流器輸出端電壓直接施加在勵磁繞組上，發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài)；當風速加大，發(fā)電機轉(zhuǎn)速增高，發(fā)電機端電壓高于額定電壓時，動斷觸電 V1 斷開，勵磁回路中被串入了電阻 R2，勵磁電流及磁通隨之減小，發(fā)電機輸出端電壓隨之下降；當發(fā)電機電壓降至額定值時，觸點 V1 重新閉合，發(fā)電機恢復(fù)到正常勵磁狀態(tài)。電壓繼電器工作時發(fā)電機端電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 2所示。 圖 32發(fā)電機端電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān) 系 風力發(fā)電機組運行時，當用戶投入的 負載過多時，可能出現(xiàn)負載電流過大超過額定值的狀況，如果不加以控制，使發(fā)電機過負荷運行，會對發(fā)電機的使用壽命有較大的影響，甚至損壞發(fā)電機的定子繞組。電流繼電器的作用是為了抑制發(fā)電機過負荷運行。電流繼電器I1的動斷觸點 I1串接在發(fā)電機的勵磁回路中，發(fā)電機輸出的負荷電流則通過電流繼電器的繞組；當發(fā)電機的輸出電流低于額定值時，繼電器不工作，動斷觸點 I1閉合，發(fā)電機屬于正常勵磁狀態(tài)；當發(fā)電機輸出電流高于額定值時，動斷觸點 I1斷開，電阻 R2被串入勵磁回路，勵磁電流減小，從而降低了發(fā)電機輸出端的電壓，并減小了負載電流。電 流繼電器工作時，發(fā)電機負載電流與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 3— 3所示。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10. 15 12 圖 33發(fā)電機負載電流與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系 為了防止無風或風速太低時，蓄電池組向發(fā)電機勵磁繞組送電，及蓄電池組由充電運行變?yōu)榉错懛烹姞顟B(tài)，這不僅會消耗蓄電池組所儲電能，還可能燒毀勵磁繞組，因此在勵磁調(diào)節(jié)器裝置內(nèi)，還裝有逆流繼電器 I2。發(fā)電機正常工作時，逆流繼電器的電壓線圈及電流線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的吸力是動合觸點 I2 閉合；當風速太低，發(fā)電機端電壓低于蓄電池組電壓時，繼電器電流線圈瞬間流過反向電流，此電流產(chǎn)生的磁場與電壓線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生的 磁場作用相反，而電壓線圈內(nèi)流過的電流由于發(fā)電機電壓下降也減小了，由其產(chǎn)生的磁場也減弱了，故由電壓線圈及電流線圈內(nèi)電流所產(chǎn)生的總磁場的吸力減弱，是的動合觸點I2斷開，從而斷開了蓄電池想發(fā)電機勵磁繞組送電的回路。 采用勵磁調(diào)節(jié)器的硅整流交流發(fā)電機，與永磁發(fā)電機比較，其特點是能隨風速變化自動調(diào)節(jié)輸出端電壓，防止產(chǎn)生對蓄電池組過充電，延長蓄電池組的使用壽命；同時還實現(xiàn)了對發(fā)電機的過負荷保護，但由于勵磁調(diào)節(jié)器的動斷、動合觸點動作頻繁，需對出頭材質(zhì)及斷弧性能做適當?shù)奶幚?。而且用該交流發(fā)電機進行發(fā)電時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須達 到在該轉(zhuǎn)速下的電壓時才能對蓄電池組充電。 整流部分