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风力发电机小知识风是由于空气的流动而产生的，风具有一定的质量和速度，因而它具备产生能量的基本要素。由于风能是随机性的，风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节(转速、电压、频率)、停机、故障保护(超速、振动、过负荷等)以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及其控制设备的组合，典型的风力发电系统如图1所示。 储能装置监测显示装置 风能量转换装置（风力发电机组）电能负荷控制装置备用电源图1典型的风力发电系统图风轮的作用风轮是吸收风的能量并将其转换成机械能的部件。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风的能量转变成机械能，风越大，风轮接受风的能量也越大，风轮转得就越快。风力发电机原理漆包铜线绕成线圈，用永久磁铁产生磁场，线圈在磁场中旋转，切割磁力线产生电动势，线圈转得越快，切割磁力线的速度就越高，产生的电压也越高，对外电路提供的功率就越大，线圈和磁铁相对旋转的动力来源于风轮，通过风轮和发电机就可以将风的能量转变成电能。控制器的作用控制器的作用主要有：蓄电池电压充至125%后风力发电机自动停机、电压降至108%后风力发电机自动恢复工作、风大自动卸载、蓄电池损害保护、蓄电池脱节保护、短路保护、蓄电池反接保护等保护功能。A、发电机发出的是三相交流电，给直流电瓶充电需要直流电，通过整流管将交流变直流（整流）给电瓶充电。B、铅酸蓄电瓶充满电后，继续大电流充电，就造成电瓶过充电，电瓶充满后过充造成电瓶液的损耗、极板变形，严重影响电瓶使用寿命。C、铅酸蓄电瓶对外放电到其70%的额定容量时，应立即停止对外放电，否则过度放电，将导致极板弯曲，板栅损坏，活性物质脱落，造成电瓶容量不可恢复的减退，甚至导致电瓶失效。D、电瓶充满后，风力发电机发出的电不能提供给电瓶，控制系统断开充电线路，这时风力发电机发出的电没有了去路，发电机失去了负载，发电机的阻力变得很小，这时发电机的转速就会成倍升高，若遇到强风，发电机转速就会迅速升高，叶轮越转越快，造成飞车。因此，必须给发电机提供一负载来泄荷，通常泄荷是由电阻来承担，将发电机发出的电能通过泄荷电阻转化成热能消耗掉。逆变器的作用储存在电瓶中的直流电，只能供给直流电器工作，如直流灯泡等，而家用电器基本上都是交流电器，电压是交流220伏的，因此，要将电瓶的低压直流电转化成220伏的交流电（直流转变成交流，这个过程称为逆变），这个任务就由逆变器来完成。风力发电机组设计的总体参数一、风轮叶片数一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即4-7 左右，叶片数一般取23。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。二、风轮直径风轮直径可用下行公式进行估算式中P风力发电机组设计（额定）风况输出电功率（kW）：空气密度，一般取标准大气状态；（kg/m3）V1设计风速（风轮中心高度）（m / s）：D风轮直径（m）：发电机效率：传动效率：Cp 风能利用系数。在计算时，一般应取额定风速下的Cp值。三、设计风速风轮设计风速（又称额定风速）是一个非常重要的参数，直接影响到风力发电机组的尺寸和成本。设计风速取决于安装风力发电机组地区的风能资源。风能资源既要考虑到平均风速的大小，又要考虑风速的频度。知道了平均风速和频度，就可以确定风速V1的大小，如可以按全年获得最大能量为原则来确定设计风速。也有人提出以单位投资获得最大能量为原则来选取设计风速。四、尖速比风轮的尖速比是风轮的叶尖速度和设计风速之比。尖速比是风力发电机组的一个重要设计参数，通常在风力发电机组总体设计时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。对于特定的风轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力发电机组的类型、叶尖的形状和电机传动系统的参数来确定的。不同的尖速比意味所选用或设计的风轮实度具有不同的数值。设计要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。在同样直径下，高速风力发电机组比低速风力发电机组成本要低，由阵风引起的动负载影响亦要小一些。另外，高速风力发电机组运行时的轴向推力比静止时大。高速风力发电机组的起动转矩小，起动风速大，因此要求选择最佳的弦长和扭角分布。如果采用变桨距的风轮叶片，那么在风轮起动时，变距角要调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。当确定了风力发电机组尖速比范围之后，要根据风轮设计风速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后再用公式= R/V进行尖速比的计算，确定其设计参数。五、实度风轮的实度是指风轮的叶片面积之和与风轮扫掠面积之比。实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。对风力提水机，因为需要转矩大，因此风轮实度取得大；对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度取得小。自起动风力发电机组的实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在5%20%这一范围。实度的大小的确定要考虑以下两个重要因素：（1）风轮的力矩特性，特别是起动力矩：（2）风轮的转动惯用量及电机传动系统特性决定。六、翼型及其升阻比翼型的选取对风力发电机组的效率十分重要。翼型的升力/ 阻力比（L / D ）值愈高则风力发电机组的效率愈高。同时要考虑翼型的失速特性，避免由于失速而产生的瞬间抖动现象。七、其他（一）风轮中心离地高度。是指风轮中心离安装处地面高度。（二）风轮锥角。风轮锥角是叶片相对于和旋转轴垂直平面的倾斜度。锥角的作用是：在风轮运行状态下离心力起卸荷作用，以减少气动力引起的叶片弯曲应力和防止叶片梢部与塔架碰撞。（三）风轮仰角。风轮仰角是风轮相对于和旋转轴平行平面的倾斜度，倾角的作用主要是减少和防止叶片梢部与塔架碰撞面。小型交流永磁风力发电机设计特点小型风力发电机及其发电机（2）1引言人们曾使用过直流发电机、电磁式交流发电机、爪极式发电机、磁阻式发电机以及感应子式发电机等用于小型风能发电装置。随着永磁材料的技术发展，永磁材料磁能积大大提高，目前主要使用永磁发电机。该类电机不论从电气性能上，还是在安全可靠性上讲，都优于前几类发电机。由于该类发电机的应用场所与一般发电机不同，其技术要求有其特殊性，在性能上又必须与风力机有良好的匹配，因此，就该类发电机中的几个问题进行一些分析、探讨。2技术要求图1为小型风能发电装置的原理图，风驱动风轮旋转，将风能转为机械能，风轮带动发电机旋转，将机械能转化为电能，整流后输出。该类发电机的设计，首先要选择发电机的型式和整流线路；确定计算的整流功率，额定功率、电压、转速等。对它的主要技术要求为：逆变器交流电压卸荷器风力发电机控制器直流电压蓄电池 负载图1小型风能发电装置的原理图(1)额定输出功率PN(W)；(2)额定输出电压(直流)UN(V)；(3)额定转速NN(rmin);(4)发电机效率();(5)起动阻转矩TN(N.m)；(6)在65额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压；(7)在150额定转速下，发电机在额定电压下应能过载运行2min；(8)发电机在空载情况下，应能承受2倍额定转速，历时2min，转子结构应不发生损坏及有害变形；(9)发电机应能防雨雪，防沙及防雷。除此之外，还应符合一般电机的绝缘、耐压、机械强度等技术要求。技术要求中(5)、(6)、(7)、(8)是风力发电机的特殊要求，下面将分别进行分析。3电磁负荷的选择近代电机制造的实践和电机长期运行的经验大致给出了设计电机的线负荷As和磁负荷B的范围。当As和B的乘积相同时，则As和B之间的比值决定着发电机的不同参数，力能指标和质量。当B大而As小时发电机为富铁型，而当As大而B小时发电机为富铜型。电机电负荷的大小以电机绕组的电流密度j(Amm2)及线负荷As(A/cm)来衡量，电负荷越大，铜损越大。对于小功率的风力发电机，一般为低压大电流。特别是1kW以下发电机大多采用24、36V或48V(整流后的直流)，这种电机的额定电流较大。对于1至10kW的小功率发电机，也不能取过高的额定输出电压。因为该类发电机主要采用蓄电池储能，电压高，必须用更多的蓄电池，提高了整机的成本，一般客户难以接受。总之，小功率风力发电机线负荷比较高，属富铜型发电机，电机的铜损大，约占电机总损耗的70左右，这是客观情况。此外，发电机的输出功率是随风速增加而增加的，如图2所示。发电机功率提高，发热增加，但随着风速增加，散热条件大大改善，因此，对于该类发电机不应格守一般电机选取As的标准，可选取较高As值，既需要又允许。例如一般小功率电机As为60至80A/cm；而该类发电机的As可取为100至150A/cm；而采用高效喷油冷却的航空发电机As可达300Acm左右。因此As的选择要综合考虑电机损耗、效率、散热和应用场合，取得一合理数值。图2风力发电机的输出特性和最大功率的决定磁负荷B的选择，可完全依照电机理论的一般原则，这里不再赘叙。4定子4.1定子齿槽基于该类发电机的电负荷较高，铜损大，在设计发电机时，在保证足够的机械强度及磁通密度允许的情况下，应尽量减少齿宽和轭厚，以扩大槽面积，增大定子绕组导线面积，降低铜耗，提高发电机的效率。这一点不是每个厂家都考虑到的。往往由于定子绕组导线较细，在发电机初始运行时可以达到设计要求。发电机运行2至3小时后，温升急骤上升，输出功率也迅速下降，从而使额定输出功率达不到要求。4.2定子绕组小功率风力发电机的技术要求(5)中引入了发电机起动阻转矩的概念，这是因为小型风能发电装置一般转速在几十至几百转，为了减少环节，降低成本和提高可靠性，该装置的风轮直接耦合在发电机轴上。这就要求尽量减小由发电机齿槽效应产生的阻转矩，使得风轮在风速较低时(2至3m/s)，能够迅速起动，尽快发电。为此，国标GB10760.189提出了要求，见下表。 功率（W） 300 500 1000 2000 3000 5000 10K 20K最大起动阻转矩(Nm) 0.5 1.0 1.5 2.5 3.0 4.5 7.5 13 从电机的理论上讲，采用定子斜槽，转子斜极及定子分数槽绕组都可以降低齿槽效应引起的阻转矩，满足技术要求。但是实践证明分数槽绕组是降低阻转矩的最有效办法。采用定子斜槽，工艺上比较容易实现，但效果不明显，而且如果斜槽距离太大，发电机的电气性能会受影响；采用转子斜极，将转子磁钢、磁极扭到合理的尺寸，工艺上难度较大，而效果也不明显；因此，大多采用分数槽绕组。分数槽绕组：每极每相槽数q=Zs/2mp=a c/d每极槽数Q=Zs/2p=A C/D式中：Zs为定子槽数；m不绕组相数；p为发电机极对数；A、a为整数；c/d、C/D为不可约分的分数。理论和实践证明，D越大，发电机的起动阻转矩越小5。此外，随着q值的增加，负序阻抗减小，漏抗降低，这是我们希望的。但是同时，过份增大q值，发电机抑制高次谐波的能力降低，又是该避免的。因此，只要满足国标规定的阻转矩大小要求，不是q值越大越好。我们计算和实际测试了几种发电机的转矩，从中可以判定齿极配合的情况，见图3。 图3阻转矩与槽数关系5转子小型风能发电装置的风轮转速每分钟为几十至几百转，其发电机转子直接耦合在风轮上。风轮转速决定了发电机为多极低速发电机；转子一般采用铁氧体和钕铁硼磁钢，切向结构；转子结构必须牢固，能经受风速急骤变化的冲击，而不发生破坏、损伤和变形。这正如技术要求(7)、(8)中明确指出的。转子的问题将专文讨论。6特性6.1直流输出电压该发电机输出交流电压整流后向蓄电池充电。国标规定，其整流后的电压应比标准12V蓄电池高2V，即发电机输出电压为14V，28V，42V，56V。但实践证明，该规定对于风力资源非常丰富的地区是可行的，而对于风力资源一般，但可以利用的地区是偏低的，有人曾在江苏内湖围网养殖地区，用输出42V(直流)的发电机接在二只串联蓄电池上(24V)效果很好，并没有出现严重问题。因此，设计发电机时，应该了解风力机使用地区的风源情况，一般应高于4V以上，以便充分利用可贵的风力资源。6.2输出特性输出功率P与转速n的关系是一般发电机不要求的，而对于这类发电机是重要的。图2为DYF600型发电机的实测特性。由于特定的要求，风力机对发电机要求在低风速时能够发电，而在额定风速以上输出特性尽量软一些。因此设计发电机时应尽量使磁路饱合些，不致因风力机的经常超速，而发电机输出功率急骤上升，造成对充电器、逆变器的过大冲击和发电机的过热，从而损坏。6.3风力机特性与发电机输出特性的匹配(1)风力机起动后，要求发电机尽快发电，即在低风速范围内能捕获风能。这正如技术要求(6)所要求的，发电机的起动阻转矩尽量小些，使风力机尽早切入运转。(2)希望发电机P=f(n)在额定点前为二次抛物线关系，以利用发电机与风力机的匹配，获取最佳风能，如图4所示。P=f(n)发电机输出特性；T=f(n)风力和转矩特性图4风力机特性与发电机特性匹配曲线