風力發(fā)電機認識報告 風力發(fā)電機概述 風電機組傳動系統(tǒng) 偏航系統(tǒng) 變槳系統(tǒng) 4 1 2 3 目錄 主要部件 風力機主要部件 按風輪結(jié)構(gòu)劃分 垂直軸風力機 風輪圍繞一個垂直軸進行旋轉(zhuǎn) 水平軸風力機 葉片圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)平面與風向垂直 風力發(fā)電機分類 按照風輪與塔架相對位置劃分 順風式風力機 風輪在塔架的下風位置旋轉(zhuǎn)的風力機 能夠自動對準風向 不需要調(diào)向裝置 缺點 空氣流先通過塔架然后再流向風輪 會造成塔影效應 風力機性能降低 以空氣流向作為參考 風輪在塔架前迎風旋轉(zhuǎn)的風力機為逆風式風力機 需要調(diào)風裝置 使風輪迎風面正對風向 逆風式風力機 風力發(fā)電機分類 葉片固定在輪轂上 槳距角不變 風力機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的失速性能 當風速超過額定風速時 在葉片后端將形成邊界層分離 使升力系數(shù)下降 阻力系數(shù)增加 從而限制了機組功率的進一步增加 結(jié)構(gòu)簡單 不能保證功率恒定 并且由于阻力增大 導致葉片和塔架等部件承受的載荷相應增大 定槳距風力機 按功率調(diào)節(jié)方式劃分 定槳距與變槳距 優(yōu)點 缺點 風力發(fā)電機分類 葉片和輪轂不是固定連接 葉片槳距角可調(diào) 在超過額定風速范圍時 通過增大葉片槳距角 使攻角減小 以改變?nèi)~片升力與阻力的比例 達到限制風輪功率的目的 使機組能夠在額定功率附近輸出電能 變槳距風力機 高于額定風速區(qū)域可以獲得穩(wěn)定的功率輸出 需要變槳距調(diào)節(jié)機構(gòu) 設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜 優(yōu)點 缺點 目前的大型兆瓦級風電機組普遍采用變槳距控制技術(shù) 風力發(fā)電機分類 水平軸風力機構(gòu)造 傳動系統(tǒng)用來連接風輪與發(fā)電機 將風輪產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機 同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變換 圖為一種目前風電機組較多采用的帶齒輪箱風電機組的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 包括風輪主軸 低速軸 主軸軸承 增速齒輪箱 高速軸 齒輪箱輸出軸 聯(lián)軸器 及機械剎車制動裝置等部件 作用在風輪上的各種氣動載荷和重力載荷通過主機架及偏航系統(tǒng)傳遞給塔架 風力機組傳動系統(tǒng) 3 1主軸 主軸是風力發(fā)電機組的重要零件之一 用來支持旋轉(zhuǎn)的機械零件 主軸 目前 主軸軸承主要有圓錐滾子軸承 調(diào)心滾子軸承 2 3列圓柱滾子軸承等形式 為使軸承有更長的使用壽命和更強的承載能力 往往采用多列滾子軸承排布 主軸起支承輪轂及葉片 傳遞扭矩到增速器的作用 主軸軸承主要承受徑向力 其性能的好壞不僅對傳遞效率有影響 而且也決定了主傳動鏈的維護成本 所以要求具有良好的調(diào)心性能 抗振性能和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性 主軸軸承 齒輪箱是風電機組傳動系統(tǒng)中的主要部件 需要承受來自風輪的載荷 同時要承受齒輪傳動過程產(chǎn)生的各種載荷 需要根據(jù)機組總體布局設(shè)計要求 為風輪主軸 齒輪傳動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)中的其他構(gòu)件提供可靠的支撐與連接 同時將載荷平穩(wěn)傳遞到主機架 由于要求的增速比往往很大 風電齒輪箱通常需要多級齒輪傳動 大型風電機組的增速齒輪箱的典型設(shè)計 多采用行星齒輪與定軸齒輪組成混合輪系的傳動方案 結(jié)構(gòu)形式 風電機組齒輪箱 圖為一種一級行星 兩級定軸齒輪傳動的齒輪箱結(jié)構(gòu) 低速軸為行星齒輪傳動后兩級為平行軸圓柱齒輪傳動 可合理分配傳動比 提高傳動效率 風電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)形式 圖為二級行星 平行軸齒輪傳動的齒輪箱結(jié)構(gòu) 風電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)形式 有些齒輪箱采用多級行星輪系的傳動形式 如圖三級行星輪加一級平行軸齒輪的傳動結(jié)構(gòu) 多級行星輪結(jié)構(gòu)殼可以獲得更加緊湊的結(jié)構(gòu) 但也使齒輪箱的設(shè)計 制造與維護難度和成本大大增加 因此 齒輪箱的設(shè)計和選型過程 應綜合考慮設(shè)計要求 齒輪箱總體結(jié)構(gòu) 制造能力 以及與機組總體成本平衡等因素間的關(guān)系 盡可能選擇相對合理的傳動形式 風電機組齒輪箱結(jié)構(gòu)形式 優(yōu)點 發(fā)電機 齒輪箱等大部件易拆卸 可維護性較好 技術(shù)成熟 設(shè)計制造難度低 發(fā)電機由于極對數(shù)小 結(jié)構(gòu)簡單 體積小 缺點 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜 齒輪箱增速比高 存在齒輪磨損 潤滑油更換頻繁 機械噪聲 振動等問題 高傳動比齒輪箱 高傳動比齒輪箱 直驅(qū)型 優(yōu)點 沒有了齒輪箱所帶來的噪聲 故障率高等問題 提高了運行可靠性 減少了傳動鏈能量損失 能量利用率高 發(fā)電質(zhì)量好 缺點 發(fā)電機極對數(shù)高 體積比較大 結(jié)構(gòu)復雜 同時增加了制造難度與成本 需要全功率變頻器 成本高 損耗大 直接驅(qū)動型 采用多級同步風力發(fā)電機 讓風輪直接帶動發(fā)電機低速旋轉(zhuǎn) 直驅(qū)型 齒輪箱高速軸與發(fā)電機軸的連接構(gòu)件一般采用柔性聯(lián)軸器 以彌補機組運行過程軸系的安裝誤差 解決主傳動鏈的軸系不對中問題 同時 柔性聯(lián)軸器還可以增加傳動鏈的系統(tǒng)阻尼 減少振動的傳遞 聯(lián)軸器必須有大于等于100M 的阻抗 并且承受2kV的電壓 這將防止寄生電流通過聯(lián)軸器從發(fā)電機轉(zhuǎn)子流向齒輪箱 這可能帶給齒輪箱極大的危害 聯(lián)軸器 一 根據(jù)風向的變化 偏航操作裝置按系統(tǒng)控制單元發(fā)出指令 使風輪處于迎風狀態(tài) 以提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率 二 同時還應提供必要的鎖緊力矩 以保證機組的安全運行和停機狀態(tài)的需要 偏航系統(tǒng)功能 偏航系統(tǒng)構(gòu)成 風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)主要由風向標 偏航軸承 偏航驅(qū)動器 偏航制動器 偏航計數(shù)器 潤滑泵 偏航位置傳感器組成 偏航系統(tǒng) 風向標 風向標目的 風向 風向標是偏航系統(tǒng)風向信號的采集裝置 正常工作時能根據(jù)風向的變化傳遞不同的電壓信號給主控 主控通過接收到的電壓信號的不同能夠分析外界風向情況 然后通過比較 決定是否發(fā)出偏航指令 為了減少突變風對風機偏航系統(tǒng)的影響 主控接收的一分鐘內(nèi)的平均風向 偏航系統(tǒng)相關(guān)部件 偏航驅(qū)動部件一般由電動機 大速比減速機和開式齒輪傳動副組成 通過法蘭連接安裝在主機架上 根據(jù)傳動比要求 偏航減速器通常需要采用3 4級行星輪傳動方案 繼承了行星齒輪傳動平穩(wěn)的優(yōu)點 偏航驅(qū)動裝置 偏航驅(qū)動電動機一般選用轉(zhuǎn)速較高體積小的電動機但由于偏航驅(qū)動所要求的輸出轉(zhuǎn)速又很低 多采用多級行星輪系傳動 以實現(xiàn)大速比 緊湊型傳動的要求 以滿足偏航動作要求 偏航驅(qū)動電機 偏航減速器 偏航系統(tǒng)相關(guān)部件 偏航制動裝置 風機機械液壓系統(tǒng)對偏航剎車的控制 偏航系統(tǒng)未工作時剎車片全部抱閘 機艙不轉(zhuǎn)動 機艙對風偏航時 所有剎車片半松開 設(shè)置足夠的阻尼 保持機艙平穩(wěn)偏航 自動解纜時 偏航剎車片全松開 偏航系統(tǒng)相關(guān)部件 P130 23 風向標作為感應元件將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機的控制回路的處理器里 經(jīng)過比較后處理器給偏航電機發(fā)出順時針或逆時針的偏航命令 電機轉(zhuǎn)速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后 通過安裝在驅(qū)動部件上的小齒輪與大齒圈嚙合 帶動主機架和機艙旋轉(zhuǎn)使風輪對準風向 工作原理 偏航系統(tǒng)工作原理 禁止偏航條件 以下情況不會自動偏航 產(chǎn)生偏航故障 偏航解纜動作 風機處于維護模式 30s平均風速 2 5m s 緊急停機過程 發(fā)生液壓故障 禁止偏航條件 通過改變風機的槳葉角度來調(diào)節(jié)風力發(fā)電機的功率以適應隨時變化的風速 保障風機機組安全停機 在額定風速以下時 槳葉全開 最大限度捕獲風能 額定風速之上時 根據(jù)主控器指令調(diào)節(jié)葉片角度 保證機組的輸出功率 超過安全風速時或故障停機 緊急情況下 旋轉(zhuǎn)槳葉到安全位置 保護風力發(fā)電機組 實現(xiàn)安全停車功能 調(diào)節(jié)功率 氣動剎車 變槳系統(tǒng)功能 變槳系統(tǒng) 變槳系統(tǒng)相關(guān)部件 變槳軸承安裝在輪轂上 通過外圈螺栓把緊 其內(nèi)齒圈與變槳驅(qū)動裝置嚙合運動 并與葉片聯(lián)接 外圈 內(nèi)圈 變槳軸承 變槳驅(qū)動裝置通過螺柱與輪轂連接 變槳齒輪箱前的小齒輪與變槳軸承內(nèi)圈嚙合 并要保證嚙合間隙 間隙由加工精度保證 無法調(diào)整 變槳驅(qū)動電機 變槳齒輪箱 安裝位置 變槳驅(qū)動裝置 當風機正常停機 在風電機組斷開電網(wǎng)前先將葉片順槳到89 利用葉片的氣動剎車將葉輪轉(zhuǎn)速降低至功率為0 當風機緊急停機時 葉片會順槳到91 限位置 最后風機采用機械剎車系統(tǒng)使葉輪停止轉(zhuǎn)動 此外還需要一個冗余限位開關(guān) 用于95 限位 在主限位開關(guān) 用于91 限位 失效時確保變槳電機的安全制動 91 限位開關(guān) 95 限位開關(guān) 限位開關(guān) 絕對式編碼器 特點是 可以直接讀出角度坐標的絕對值 沒有累積誤差 電源切除后位置信息不會丟失 因此 測位置多采用絕對編碼器 抗干擾特性強 數(shù)據(jù)的可靠性大 增量式編碼器 偏轉(zhuǎn)角度 發(fā)電機轉(zhuǎn)速 編碼器 雷電保護爪主要由三部分組成 按照安裝順序從上到下依次是墊片壓板 碳纖維刷和集電爪 雷電保護裝置 雷電保護裝置在變槳裝置中的具體位置見右圖 在大齒圈下方偏左一個螺栓孔的位置裝第一個保護爪 然后120度等分安裝另外兩個雷電保護爪 工作原理 雷電保護裝置可以有效的將作用在輪轂和葉片上的電流通過集電爪導到地面 避免雷擊使風機線路損壞 炭纖維刷是為了補償靜電的不平衡 雷擊通過風機的金屬部分傳導 安裝位置 雷電保護裝置 風向 順槳位置 變槳電機 工作位置 90度的調(diào)節(jié)范圍 當風速發(fā)生變化時 通過變槳驅(qū)動電機帶動變槳軸承轉(zhuǎn)動 從而改變?nèi)~片對風向地迎角 使葉片保持最佳的迎風狀態(tài) 由此控制葉片的升力 以達到控制作用在葉片上的扭矩和功率的目的 變槳系統(tǒng)的工作原理 將該葉片的角度值反饋至主控系統(tǒng) 工作流程 1 機組主控系統(tǒng)通過滑環(huán)傳輸控制指令 將變槳命令分配至三個軸柜 軸柜通過各自獨立的整流裝置同步變換直流來驅(qū)動電機 通過減速齒輪箱傳遞扭矩至變槳齒輪帶動每個葉片旋轉(zhuǎn)至精確的角度 2 4 3 5 變槳系統(tǒng)的工作流程 Thankyou