小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速與功率的控制 7.小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率的 控制 可歸納為四種方式： 1.定槳距失速； 2.定槳距阻尼板； 3.定槳距風(fēng)輪偏側(cè) ； 4.變槳距 ： a.利用 離心慣性力 ； b.利用風(fēng)壓變槳距。 在現(xiàn)有產(chǎn)品中采用 風(fēng)輪偏側(cè) 和 機(jī)械離心變槳 兩種方式比較 普遍。 7.1風(fēng)輪偏側(cè)式控制機(jī)構(gòu) 風(fēng)輪偏側(cè)有 側(cè)向偏轉(zhuǎn) 和 上仰 兩 種運(yùn)動方式。圖 18畫出了風(fēng)向偏 折后風(fēng)速矢量的變化。當(dāng)風(fēng)輪偏 離風(fēng)向 1角度時 ,吹向風(fēng)輪的風(fēng) 速 降低為 V1=V*cos1,風(fēng)輪轉(zhuǎn) 速 降低比例為 cos1/1，而 功 率 減小的比例是 cos31/1。因 此當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，要使 風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率維持不變， 必須使風(fēng)輪偏側(cè)一定的角度。 圖 18 偏側(cè)角度的理論計算值如下表： 7.1.1風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)，尾舵調(diào)向，彈簧復(fù)位的限速 機(jī)構(gòu) 風(fēng)輪偏側(cè)常采用 偏置風(fēng) 輪 的結(jié)構(gòu)。如圖 19所示， 塔頂回轉(zhuǎn)中心與風(fēng)輪軸軸 線偏置一個距離 e，當(dāng)風(fēng) 壓施加到風(fēng)輪上會產(chǎn)生繞 回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動的力矩，此 力矩稱為氣動力矩。它的 大小與 風(fēng)壓大小 和 偏置距 離 有關(guān)。 圖 19 風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行俯視圖 為使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速及低于額定風(fēng)速時風(fēng)輪保持正 對風(fēng)向，則應(yīng)把彈簧的拉力調(diào)節(jié)到能夠與風(fēng)輪的氣動力矩 相平衡。 平衡方程： M=M氣動 M彈簧 M摩擦 =0 式中 M氣動 風(fēng)壓作用于風(fēng)輪對回轉(zhuǎn)中心的力矩； M彈簧 彈簧回復(fù)力矩， M彈簧 =PL ； P 彈簧拉力； L 彈力作用于回轉(zhuǎn)中心的力臂； M摩擦 機(jī)頭回轉(zhuǎn)摩擦力矩； 7.1.2風(fēng)輪偏置、尾舵調(diào)向并重力蓄能復(fù)位的 限速機(jī)構(gòu) 圖 20畫出了重力蓄能復(fù)位限速機(jī)構(gòu)的工作原理圖。在 o-x、 o-y、 oz坐標(biāo)系中， ox與風(fēng)輪軸重合， oy與風(fēng)輪盤面平行， z為 垂直坐標(biāo)軸。圖中 AB為豎銷， 為后傾角， 為左傾角， 角 是復(fù)位機(jī)構(gòu)設(shè)置的初始安裝角。當(dāng) ， 確定之后， 即確 定， 角是尾舵的自由穩(wěn)定位置，及尾舵重力矩在垂直于豎軸 的平面上的分力距為零的狀態(tài)。如圖 20所示，當(dāng)把尾舵擺動一 個角度，尾舵在抬高的同時產(chǎn)生了重力矩的切向分力矩，并且 隨擺角的增大而加大，當(dāng)尾桿從初始 轉(zhuǎn)至 90 時復(fù)位力矩最 大，在工程實踐中對尾舵的復(fù)位力矩有一個簡便的算法，如圖 示，設(shè)置 角和 角之后，豎軸 AB與 oz形成夾角 和方位 角 ，當(dāng) ，復(fù)位力矩為零，當(dāng) 時，復(fù)位力矩最 大，復(fù)位力矩來自尾舵的重力鉅，可以寫出如下計算式： oj oj oj oj o0=j o90=jj 式中： G 尾舵重力 L 尾舵重心點到豎銷距離 豎銷軸線與垂直線的夾角 復(fù)位機(jī)構(gòu)在擺動平面內(nèi)的方位角（以尾舵復(fù)位力矩為 零時尾桿所在位置為零度） 在額定風(fēng)速時，在方位角 時，尾舵產(chǎn)生的復(fù)位力矩和額風(fēng) 速時下風(fēng)輪的氣動偏轉(zhuǎn)力矩以及回轉(zhuǎn)重心的摩擦力矩要達(dá)到 平衡，此時 角和 角要協(xié)調(diào)好。在超過額定風(fēng)速時，風(fēng)輪 的氣動偏轉(zhuǎn)力矩較大，尾舵的復(fù)位力矩要與其平衡，此時尾 舵的復(fù)位力矩主要取決于 角的大小、尾舵的重力和尾舵重 心到豎銷的距離。 M G L s i n s i n= 鬃 ?復(fù) 位 j o o 圖 20 尾舵由尾桿和舵板組成 。 尾桿和舵板固定在一起 ， 尾桿 前端與回轉(zhuǎn)體之間用豎銷鉸鏈 ， 如圖 21所示 。 相對于風(fēng) 力發(fā)電機(jī) ， 風(fēng)輪為前 ， 尾舵為后 ， 以俯視分左右 ， 偏置的 回轉(zhuǎn)中心在左側(cè) ， 豎銷設(shè)置成后傾角 ， 左傾角 。 如圖 所示尾舵的重力矩施加到豎銷上將產(chǎn)生繞豎銷的轉(zhuǎn)矩 ， 轉(zhuǎn) 矩的大小取決尾舵的重力矩和 、 角的大小 。 在正常運(yùn) 行狀態(tài) （ 尾舵順風(fēng) ， 風(fēng)輪正對風(fēng)向 ） ， 于豎銷左側(cè)設(shè)限位 擋塊 ， 為重力復(fù)位限速機(jī)構(gòu)設(shè)置了初始方位角 調(diào)整尾舵重 力矩 ， ， 角使其產(chǎn)生的復(fù)位力矩與額定風(fēng)速下風(fēng)輪的 氣動偏轉(zhuǎn)力矩 ， 回轉(zhuǎn)重心的摩擦力矩相平衡 。 當(dāng)超過額定 風(fēng)速 ， 風(fēng)輪在增大的風(fēng)力作用下 ， 克服了尾舵在方位角 時 的復(fù)位力矩 ， 向一側(cè)轉(zhuǎn)動 ， 偏離了風(fēng)向 ， 釋放風(fēng)能 ， 限制 了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增長 。 當(dāng)風(fēng)速降低時 ， 尾舵的復(fù)位力矩大于 風(fēng)輪的氣動力矩 ， 將風(fēng)輪反彈回正對風(fēng)位置 。 o o 尾銷傾斜 回轉(zhuǎn)中心偏置 圖 21 7.1.3風(fēng)輪偏置、尾舵調(diào)向、活絡(luò)舵板限速機(jī) 構(gòu) 與 7.1.2所述的結(jié)構(gòu)不同之處在于 尾桿與回轉(zhuǎn)體固定 ，在尾 桿末端安裝 可以調(diào)節(jié)傾角的舵軸 ， 舵板與舵軸 之間為可以轉(zhuǎn) 動的 鉸鏈連接 ， 舵板 以本身的重力 保持下垂?fàn)顟B(tài) 。如圖 22所 示。從俯視圖可以看到風(fēng)輪與尾桿軸線不平行，尾桿向左后 方有約 10 夾角。設(shè)置這個角度是為了在額定風(fēng)速下尾舵產(chǎn) 生的調(diào)向力矩與風(fēng)輪的氣動偏轉(zhuǎn)力矩相平衡，使風(fēng)力發(fā)電機(jī) 能輸出額定功率。當(dāng)風(fēng)速再增大時風(fēng)輪的氣動偏轉(zhuǎn)力矩大于 尾舵的調(diào)向力矩，風(fēng)輪開始偏側(cè)。通過調(diào)節(jié)舵板的重量和舵 軸的傾角可以改變風(fēng)輪偏側(cè)的起始風(fēng)速和不同風(fēng)速下風(fēng)輪偏 側(cè)的角度。 圖 22 7.1.4尾舵調(diào)向、電動舵輪偏航限速機(jī)構(gòu) 如圖 23所示， 正常 運(yùn)行 狀態(tài)由 尾舵調(diào)向 使 風(fēng)輪正對風(fēng)向。當(dāng) 超過 額定功率 時超限而分流 的電能輸入到電動舵 輪， 電動舵輪旋轉(zhuǎn) 產(chǎn)生 拉力使風(fēng)輪偏側(cè)風(fēng)向， 限制了風(fēng)力機(jī)的輸出功 率。 圖 23 1風(fēng)輪， 2發(fā)電機(jī)， 3尾桿， 4舵板， 5舵輪 7.2機(jī)械離心變槳距機(jī)構(gòu) 7.2.1槳葉離心力螺旋槽變槳距機(jī)構(gòu) 如圖 24所示。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時， 槳 葉 連同 帶有螺旋槽的槳桿 在離心 力的作用下，克服調(diào)速彈簧的彈 力向外周甩出，在甩出的同時 沿 螺旋槽轉(zhuǎn)動改變槳距 。改變調(diào)速 彈簧的工作 壓力 可以調(diào)整 額定轉(zhuǎn) 速 ，改變調(diào)速彈簧的 剛度 可以調(diào) 整 轉(zhuǎn)速和槳距角的對應(yīng)關(guān)系 。在 機(jī)構(gòu)中設(shè)置 同步機(jī)構(gòu) ，可以使各 槳葉的槳距角的變化保持一致。 圖 24 7.2.2離心飛桿彈（柔）性變槳距機(jī)構(gòu) 按空氣動力優(yōu)化設(shè)計制作的槳 葉，其質(zhì)心不在槳葉軸上，于風(fēng) 輪旋轉(zhuǎn)平面之外安裝一個 飛桿 （或重塊） 在槳桿上，槳桿做成 彈性構(gòu)件固定到輪轂上，如圖 25 所示。當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時位于旋轉(zhuǎn)平 面之外的質(zhì)量（含槳葉和飛桿等 ）在離心力的作用下，會使槳葉 繞槳桿偏轉(zhuǎn)，直至進(jìn)入盤面內(nèi)。 圖 25 1.輪轂 2.彈性槳桿 3.滑塊 4.飛桿 5.葉片 槳葉偏轉(zhuǎn)的力矩： 式中 I為槳葉對槳軸的轉(zhuǎn)動慣量（ kg m s2）； 1為槳葉質(zhì)心所在平面與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角； m為飛桿質(zhì)量（ m=G/g， G為重量 kg， g為 9.8m/s2）； r為飛桿質(zhì)心到槳軸的垂直距離（ m） 2為飛桿質(zhì)心所在平面與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面之間的夾角； 為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度（ rad/s） 改變飛桿的質(zhì)量、質(zhì)心與槳桿距離和夾角 2可以調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)對槳葉的偏轉(zhuǎn)力矩。調(diào)整彈性槳桿的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及應(yīng)變轉(zhuǎn)角 可以滿足變槳距控制風(fēng)輪的要求。實際運(yùn)行結(jié)果表明采用這 種機(jī)構(gòu)機(jī)組運(yùn)行非常平穩(wěn)，特別適合于負(fù)向主動失速控制。 7.2.3離心飛桿機(jī)械變槳距機(jī)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的工作原理如圖 26所示，受 力分析運(yùn)動圖僅畫出一個槳葉。槳葉 繞水平軸 OX在 OAB面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，槳桿 用軸承安裝在水平軸上，可以自如轉(zhuǎn) 動，支桿 r固接在槳桿 A處，端部是垂 塊 G，垂塊所在平面 OAG與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn) 平面（ OAB）之間的夾角為 。當(dāng)風(fēng) 輪旋轉(zhuǎn)時垂塊的離心力可分解為：沿 ABG面的切向分力 F和平行于槳桿 的軸向分力 Fc。切向分力 F使槳葉 繞槳桿軸線轉(zhuǎn)動，加大迎角而進(jìn)入失 速狀態(tài)。 圖 26 扭轉(zhuǎn)槳葉的力矩大小與槳葉對槳軸的轉(zhuǎn)動慣量、垂塊的 質(zhì)量、垂塊質(zhì)心距槳軸的距離、 角、風(fēng)輪角速度有關(guān)。 圖 27是一種典型的飛桿變槳距機(jī)構(gòu)。它包括啟動彈簧 1，同 步拉桿 2，調(diào)速彈簧 3，導(dǎo)向體 4，風(fēng)輪轂 5，葉片法蘭 6，飛 桿 7，葉片軸 8，同步盤 9。葉片安裝在葉片法蘭上，受飛桿 離心慣性力的作用，葉片法蘭，葉片將繞葉片軸轉(zhuǎn)動，通過 改變槳距角調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和功率。 圖 27 結(jié)構(gòu)中設(shè)置啟動彈簧的目的是使槳葉在靜止待機(jī)時具有較大 的安裝槳距角，在風(fēng)速小于 3m/s之前風(fēng)輪即可起動。 7.2.4風(fēng)壓變槳距機(jī)構(gòu) 利用風(fēng)速風(fēng)壓的變化，在風(fēng)速風(fēng)壓超過某限定值時，槳葉 繞自身槳軸轉(zhuǎn)動，并隨風(fēng)壓不同而偏轉(zhuǎn)不同的槳距角。為 此，槳葉的機(jī)械轉(zhuǎn)軸應(yīng)安排在槳葉受到風(fēng)壓時能夠產(chǎn)生順風(fēng) 向轉(zhuǎn)動的力矩。 如 28圖所示， 槳葉氣動壓力和風(fēng)壓 中心距機(jī)械轉(zhuǎn)軸的距離決定了槳葉 的偏轉(zhuǎn)力矩。 自如轉(zhuǎn)動的槳葉通過 同步曲柄連桿機(jī)構(gòu)與調(diào)速彈簧安裝 在一起就構(gòu)成了氣壓變槳距控制機(jī) 構(gòu)。在額定風(fēng)速下，計算出槳葉偏 轉(zhuǎn)力矩，設(shè)計調(diào)速彈簧的工作壓力 使其通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與槳葉偏轉(zhuǎn) 力矩相平衡。 圖 28 當(dāng)風(fēng)速增大，風(fēng)壓在槳葉上所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩大于調(diào)速彈 簧預(yù)先設(shè)置的工作壓力，槳葉向順槳方向轉(zhuǎn)過一定的角度 即減小迎角使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)風(fēng)速減小時，槳葉被彈回 原角度，保持正常的轉(zhuǎn)速和功率輸出。 作用在每只槳葉上的空氣動力合力可以粗略的按下式計算： 式中 CL 升力系數(shù)； S 槳葉面積（ m2）； 空氣質(zhì)量密度 =0.125kgS2/m4 風(fēng)輪角速度 rad/s V 風(fēng)速（ m/s） rL 風(fēng)壓中心與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸的距離，近似算法 R 風(fēng)輪半徑 r0 風(fēng)輪空環(huán)半徑（ r0通常取 0.2R） 風(fēng)壓中心到槳葉前緣的距離，據(jù)翼型參數(shù)確定，可近似的取 0.33C；如果設(shè)定了槳軸到前緣的距離，兩距離之差乘以 F槳葉 即可計算出額定風(fēng)速、額定轉(zhuǎn)速時的偏轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)而計算出 大于額定風(fēng)速時的偏轉(zhuǎn)力矩及槳距角的變化值。 22 00 L R +R r +rr= 3