第四章风力发电机组主要部件介绍发电机齿轮箱偏航系统刹车系统安全系统控制系统塔架与基础.pptx
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1、水平轴风力发电机的主要组成部分水平轴风力发电机的主要组成部分包括:风轮,发电机,塔架,对风包括:风轮,发电机,塔架,对风装置(尾舵),蓄能系统,逆变器装置(尾舵),蓄能系统,逆变器等,如图等,如图1 1风力发电机主要组成(水风力发电机主要组成(水平轴)。平轴)。图图1 1 风力发电机主要组成部分风力发电机主要组成部分大型大型风力发电机组成风力发电机组成 大型风力发电机组由两大部分组成:大型风力发电机组由两大部分组成:气动机械部分和电气部分。气动机气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴,其功能是驱动发电轮箱、高速轴,其功能是驱动发电
2、机转子,将风能转换为机械能。机转子,将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网,其功能子变频器、变压器和电网,其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。是将机械能转换为频率恒定的电能。单机容量从最初的数十千瓦发展到单机容量从最初的数十千瓦发展到最近进入市场的最近进入市场的MWMW级级机组;控制方机组;控制方式从单一定桨距失速控制向全桨叶式从单一定桨距失速控制向全桨叶变距和变速恒频发展,预计在最近变距和变速恒频发展,预计在最近的几年内将推出智能型风力发电机的几年内将推出智能型风力发电机组;组;运行可靠性从运行可靠性从2020世纪世纪8080
3、年代初年代初50%50%,提高到提高到98%98%以上,并且在风电场运行以上,并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。控制和远程控制。对于大型风力发电机,由于限制其对于大型风力发电机,由于限制其转速,风轮需要通过传动装置与发转速,风轮需要通过传动装置与发电机相连接。传动装置的增速比一电机相连接。传动装置的增速比一般为般为40405050。这样,可以降低发电。这样,可以降低发电机重量,从而降低成本。机重量,从而降低成本。发电机发电机 由于风速的不稳定性,发电机处于由于风速的不稳定性,发电机处于负载不稳定状态。无风时(或风速负载不稳定状态。无风时
4、(或风速达不到起动风速)处于停机状态,达不到起动风速)处于停机状态,风速不够时处于轻载状态,极端时风速不够时处于轻载状态,极端时发电机严重过载。所以风力发电机发电机严重过载。所以风力发电机的并网和脱网操作比其他类型的发的并网和脱网操作比其他类型的发电机要频繁许多。电机要频繁许多。由于风力发电条件的种种特殊性,由于风力发电条件的种种特殊性,对风力发电机也就有相应的一些特对风力发电机也就有相应的一些特殊要求:殊要求:1 1)发电机的外壳应为全封闭的;)发电机的外壳应为全封闭的;2 2)发电机外壳表面应带有散热筋;)发电机外壳表面应带有散热筋;3 3)发电机的绝缘等级选用)发电机的绝缘等级选用F F
5、级;级;4 4)发电机底部要有气压平衡孔,此)发电机底部要有气压平衡孔,此孔又能起到排出凝露水的作用;孔又能起到排出凝露水的作用;5 5)发电机振动要小,振速不超过)发电机振动要小,振速不超过2.8mm2.8mms s;噪声要低,一般要求;噪声要低,一般要求Lp85dBLp85dB 6 6)对安装在北方地区的发电机轴承)对安装在北方地区的发电机轴承润滑脂选用时要考虑到冬季的低温;润滑脂选用时要考虑到冬季的低温;7 7)发电机的外形尺寸要小,重量要)发电机的外形尺寸要小,重量要轻,以减小机舱的体积,减轻机舱轻,以减小机舱的体积,减轻机舱的重量;的重量;8 8)发电机端电压的波动一般为)发电机端电
6、压的波动一般为55;独立运行风力发电系统的发电机独立运行风力发电系统的发电机风力发电机所用的发电机可以是直风力发电机所用的发电机可以是直流发电机,也可以是交流发电机。流发电机,也可以是交流发电机。直流发电机直流发电机在结构上有永磁式和电励磁式两种在结构上有永磁式和电励磁式两种类型。类型。永磁式直流发电机利用永久磁铁来永磁式直流发电机利用永久磁铁来提供发电机所需的励磁磁通。电励提供发电机所需的励磁磁通。电励磁式直流发电机则是借助在励磁线磁式直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发圈内流过的电流产生磁通来提供发电机所需的励磁磁通,由于励磁绕电机所需的励磁磁通,由于励磁绕组与电枢绕组
7、连接方式的不同,分组与电枢绕组连接方式的不同,分为他励与并励为他励与并励(自励自励)两种型式。两种型式。图图2 2 永磁式直流发电机永磁式直流发电机图图3 3(a a)他励式直流发电机)他励式直流发电机 (b b)自励式直流发电机)自励式直流发电机直流电通常是在发电机内产生交流直流电通常是在发电机内产生交流电,然后通过电刷和集流环把交流电,然后通过电刷和集流环把交流电转变成直流电。现在有一个更常电转变成直流电。现在有一个更常用的方法,通过二极管,把交流发用的方法,通过二极管,把交流发电机产生的交流电变成直流电,它电机产生的交流电变成直流电,它无需电刷和集流环,从而可利用交无需电刷和集流环,从而
8、可利用交流电机的低速特性比直流电机好的流电机的低速特性比直流电机好的优点。优点。交流发电机交流发电机永磁式发电机永磁式发电机永磁发电机的特点永磁发电机的特点 永磁发电机转子上无励磁绕组,因永磁发电机转子上无励磁绕组,因此不存在励磁绕组铜损耗,比同容此不存在励磁绕组铜损耗,比同容量的电励磁式发电机效率高;转子量的电励磁式发电机效率高;转子上没有滑环,运转时更安全可靠;上没有滑环,运转时更安全可靠;永磁发电机的重量轻永磁发电机的重量轻,体积小,体积小,制造工艺简单。因此在小型及微制造工艺简单。因此在小型及微型风力发电机中被广泛采用,永型风力发电机中被广泛采用,永磁发电机的缺点是电压调节性能磁发电机
9、的缺点是电压调节性能差。差。图图4 4 凸极式永磁发电机结构图与爪极式电机转子结构凸极式永磁发电机结构图与爪极式电机转子结构硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机的定子由定硅整流自励交流发电机的定子由定子铁芯和定子绕组组成,定子绕组子铁芯和定子绕组组成,定子绕组为三组,为三组,Y Y形连接,放在定子铁芯内形连接,放在定子铁芯内圆槽内,转子由转子铁芯、转子绕圆槽内,转子由转子铁芯、转子绕组(即励磁绕组组(即励磁绕组)、滑环和转子轴组、滑环和转子轴组成。成。转子铁芯可做成凸极式或爪形,转转子铁芯可做成凸极式或爪形,转子励磁绕组的两端接到滑环上,通子励磁绕组的两端接到滑环上,通
10、过与滑环接触的电刷与硅整流器的过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连,从而获得直流励直流输出端相连,从而获得直流励磁电流。磁电流。图图5 5 硅整流自励交流发电机及励磁调节器电路原理硅整流自励交流发电机及励磁调节器电路原理交流电是交流发电机中的绕组通过交流电是交流发电机中的绕组通过交变磁极产生的,产生的交流电由交变磁极产生的,产生的交流电由导线输送。交流电的频率由发电机导线输送。交流电的频率由发电机转速决定。对于小型风力发电机,转速决定。对于小型风力发电机,为了保持风轮转速恒定,就必须使为了保持风轮转速恒定,就必须使用叶片控制结构。用叶片控制结构。产产生生交交流流电电的的电电机机有有同同
11、步步发发电电机机和和感感应应电电机机两两种种。采采用用同同步步发发电电机机时时,产产生生的的交交流流电电的的频频率率和和电电压压要要与与电电网网相相同同,这这就就增增加加了了控控制制系系统统的的复复杂杂性性,同同时时增增加加了了风风力力机机的的成成本本。在在大大型型风风力力发发电电机机上上,通通常常采采用用同同步电机。步电机。现在,人们正在研制风力发电机的现在,人们正在研制风力发电机的专用电机,发电机的转速可变,但专用电机,发电机的转速可变,但发电的频率不变,因而不需要常转发电的频率不变,因而不需要常转速叶片控制系统。速叶片控制系统。其它得到固定频率交流电的方法是其它得到固定频率交流电的方法是
12、先产生直流电,然后通过逆变器,先产生直流电,然后通过逆变器,将直流电变成交流电。将直流电变成交流电。因此,交流发电机发的电可提供给因此,交流发电机发的电可提供给蓄电池和其他需要直流电的电器。蓄电池和其他需要直流电的电器。当发电机发出的电压较低时,可先当发电机发出的电压较低时,可先让交流电通过一个变压器,提高电让交流电通过一个变压器,提高电压,然后再变成直流电。当风力机压,然后再变成直流电。当风力机到负载的距离较大时;这样做可以到负载的距离较大时;这样做可以减小线路损失。减小线路损失。在线路的另一端,另一个变压器在线路的另一端,另一个变压器可将高电压降至所需电压。这时,可将高电压降至所需电压。这
13、时,交流电转变成直流电。在此过程交流电转变成直流电。在此过程中能量损失不大。中能量损失不大。发电机多为低转速永磁同步电机,发电机多为低转速永磁同步电机,永磁材料选用稀土材料,使发电机永磁材料选用稀土材料,使发电机的效率达到的效率达到0.750.75以上。以上。齿轮箱齿轮箱风力发电机组中的齿轮箱是一个重风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件,其主要功能是将风要的机械部件,其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低,远达不到发电机风轮的转速很低,远达不到发电机发电的要求,必须通过齿轮箱齿
14、轮发电的要求,必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,故也将风力副的增速作用来实现,故也将风力发电机组中的齿轮箱称为增速箱。发电机组中的齿轮箱称为增速箱。由于机组安装在高山、荒野、海滩、由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处,受无规律的变向变海岛等风口处,受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击,载荷的风力作用以及强阵风的冲击,常年经受酷暑、严寒大的温差影响,常年经受酷暑、严寒大的温差影响,加之所处自然环境交通不便,齿轮加之所处自然环境交通不便,齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内,一旦箱安装在塔顶的狭小空间内,一旦出现故障,修复非常困难。出现故障,修复非常困难。所以对其可靠性和使用寿命都提
15、出所以对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如,了比一般机械高得多的要求。例如,对构件材料的要求,除常规状态下对构件材料的要求,除常规状态下机械性能外,还应该具有低温状态机械性能外,还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性;下抗冷脆性等特性;应保证齿轮箱平稳工作,防止振动应保证齿轮箱平稳工作,防止振动和冲击;保证充分的润滑条件等等。和冲击;保证充分的润滑条件等等。对冬夏温差巨大的地区,要配置合对冬夏温差巨大的地区,要配置合适的加热和冷却装置。适的加热和冷却装置。齿轮箱的设计齿轮箱的设计齿轮箱的设计必须保证在满足可靠齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下,使结构简性和预期寿
16、命的前提下,使结构简化并重量最轻。化并重量最轻。根据机组要求,选用合理的设计参根据机组要求,选用合理的设计参数,拟定最佳传动方案,选择稳定数,拟定最佳传动方案,选择稳定可靠的构件和具有良好力学特性以可靠的构件和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料,配备完整充分的润滑、冷的材料,配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置等等,是设计齿却系统和监控装置等等,是设计齿轮箱的必要前提条件。轮箱的必要前提条件。设计要求设计要求齿轮箱作为传递动力的部件,在运齿轮箱作为传递动力的部件,在运行期间同时承受动、静载荷。其动行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风
17、轮、发电机的特载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。阻尼值以及发电机的外部工作条件。风力发电机组齿轮箱的主要承载零风力发电机组齿轮箱的主要承载零件是齿轮,其轮齿的失效形式主要件是齿轮,其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落,故是轮齿折断和齿面点蚀、剥落,故各种标准和规范都要求对齿轮的承各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算,进行齿根弯载能力进行分析计算,进行齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算,曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算,对轮齿进行极限状态分析。对轮齿进行极限状态分析。效率效率齿轮箱的效率
18、可通过功率损失计算齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合,轴承摩擦,润滑要包括齿轮啮合,轴承摩擦,润滑油飞溅和搅拌损失等。油飞溅和搅拌损失等。噪声级噪声级噪声主要来自各传动件,风力发电机齿噪声主要来自各传动件,风力发电机齿轮箱的噪声标准为轮箱的噪声标准为8585分贝左右。分贝左右。降噪措施:降噪措施:1.1.适当提高齿轮精度,进行齿形修缘,适当提高齿轮精度,进行齿形修缘,增加啮合重合度;增加啮合重合度;2.2.提高轴和轴承的刚度;提高轴和轴承的刚度;3.3.合理布置轴系和轮系传动,避免发生合理布置轴系和轮系传动,避免发生共振。共
19、振。图图6 6 常用风力发电机组齿轮箱的形式常用风力发电机组齿轮箱的形式 图图7 7 常用风力发电机组齿轮箱的形式常用风力发电机组齿轮箱的形式图图8 8 常用风力发电机组齿轮箱的形式常用风力发电机组齿轮箱的形式图图9 9 两级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱两级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱齿轮箱的主要零部件一、箱体一、箱体 箱体是齿轮箱的重要部件,它箱体是齿轮箱的重要部件,它承受来自风轮的作用力和齿轮传承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须具有动时产生的反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作足够的刚性去承受力和力矩的作用,防止变形,保证传动质量。用,防止变形,保证传动质量。箱体的设计
20、应按照风力发电机组动箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局,加工,装配,检查力传动的布局,加工,装配,检查以及维护等要求来进行。以及维护等要求来进行。应增设必要的加强筋。应增设必要的加强筋。筋的位置须筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相与引起箱体变形的作用力的方向相一致。一致。采用铸铁箱体可发挥其减振性,易采用铸铁箱体可发挥其减振性,易于切削加工等特点,适于批量生产。于切削加工等特点,适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应尽量避度铸铁。设计铸造箱体时应尽量避免壁厚突变,减小壁厚差,以免产免壁厚突变,减小壁厚差,以免产生缩孔和疏
21、松等缺陷。生缩孔和疏松等缺陷。为了减小齿轮箱传到机舱机座的振为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动,齿轮箱可安装在弹性减振器上。动,齿轮箱可安装在弹性减振器上。箱盖上还应设有透气罩、油标或油箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱,在箱体的合适部位要设的齿轮箱,在箱体的合适部位要设置进出油口和相关的液压件的安装置进出油口和相关的液压件的安装位置。位置。二、齿轮和轴二、齿轮和轴风力发电机组运转环境非常恶劣,风力发电机组运转环境
22、非常恶劣,受力情况复杂,要求所用的材料除受力情况复杂,要求所用的材料除了要满足机械强度条件外,还应满了要满足机械强度条件外,还应满足极端温差条件下所具有的材料特足极端温差条件下所具有的材料特性,如抗低温冷脆性、冷热温差影性,如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。响下的尺寸稳定性等等。对齿轮和轴类零件而言,由于其传对齿轮和轴类零件而言,由于其传递动力的作用而要求极为严格的选递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计,一般情况下不推荐材和结构设计,一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构,采用装配式拼装结构或焊接结构,齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内,
23、都采用整体锻造的形式。围内,都采用整体锻造的形式。当齿轮顶圆直径在当齿轮顶圆直径在2 2倍轴径以下时,倍轴径以下时,由于齿轮与轴之间的联接所限,常由于齿轮与轴之间的联接所限,常制成轴齿轮的形式。为了提高承载制成轴齿轮的形式。为了提高承载能力,齿轮一般都采用优质合金钢能力,齿轮一般都采用优质合金钢制造。制造。图图11 11 联轴器的安装位置联轴器的安装位置齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄,同时也能防止杂防止润滑油外泄,同时也能防止杂质进入箱体内。质进入箱体内。三、密封三、密封常用的密封分为非接触式密封和接常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。触式密
24、封两种。1 1非接触式密封非接触式密封 所有的非接触式所有的非接触式密封不会产生磨损,使用时间长。密封不会产生磨损,使用时间长。2 2接触式密封接触式密封 接触式密封使用的接触式密封使用的密封件应密封可靠、耐久、摩擦阻密封件应密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和装拆,应能随压力小、容易制造和装拆,应能随压力的升高而提高密封能力和有利于力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。自动补偿磨损。四、齿轮箱的润滑、冷却四、齿轮箱的润滑、冷却齿轮箱的润滑十分重要,良好的润齿轮箱的润滑十分重要,良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。护作用。为此,必须高度重视齿轮箱
25、的润滑为此,必须高度重视齿轮箱的润滑问题,严格按照规范保持润滑系统问题,严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑,一般以强制飞溅润滑或强制润滑,一般以强制润滑为多见。润滑为多见。偏航系统偏航系统偏航系统是为了在风向发生变化时,偏航系统是为了在风向发生变化时,通过控制系统的命令使叶轮对准主通过控制系统的命令使叶轮对准主风向。一般风机在机舱后部有两个风向。一般风机在机舱后部有两个互相独立的传感器互相独立的传感器(风速计和风向标风速计和风向标)。自然界的风,不论是速度还是方向,自然界的风,不论是速度还是方向,都经常发生变化。对于水平轴风力
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