风力发电机组传动系统设计实习报告Word格式文档下载.docx
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风力发电机组传动系统设计
引言
随着科技的不断进步，社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。
现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注，在一定程度上，风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。
风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；
我国也在西部地区大力提倡。
一、风力发电机组简介
1.1风力发电机原理
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
每一部分都很重要，各部分功能为：
叶片用来接受风力并通过机头转为电能；
尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；
转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；
机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
1.2风力发电机组结构
风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。
该机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。
风力发电机组结构示意图如下。
各主要组成部分功能简述如下：
（1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。
叶轮的转动是风作用在叶片上产生的升力导致。
由叶片、轮毂、变桨系统组成。
每个叶片有一套独立的变桨机构，主动对叶片进行调节。
叶片配备雷电保护系统。
风机维护时，叶轮可通过锁定销进行锁定。
（2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。
（3）发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。
明阳1.5s/se机组采用是带滑环三相双馈异步发电机。
转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±
30%范围内调节。
风力发电机工作过程简图
（4）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。
同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。
偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、偏航液压回路等几个部分组成。
（5）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。
轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。
（6）塔架塔架的作用是将风轮及整个传动链支撑在离地面65m或80m高度，使风轮能捕获更多的能量。
塔架内部有爬梯，带有安全导轨，以供工作人员上下使用，通过它可以到达各连接法兰下方的平台及机舱，还可以选配助力器，使人员上下更加轻松。
（7）基础如同建筑的基础，风力发电机组基础的主体也是埋在地面以下的，由钢筋和混凝土组成，其中嵌入了基础段。
基础段露出混凝土上表面约600mm,焊有法兰，用于与下段塔筒进行连接。
二、风力发电机组传动系统
传动系统是风力发电机组很重要的部件，其功能是传递机械能，并最终将机械能转换成电能，主要由主轴及其支撑、齿轮箱、发电机等部件组成。
2.1风力发电机组齿轮箱的概况
风力发电机组的增速齿轮箱是一个重要的机械部件。
其主要功能就是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机。
风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称为增速箱。
根据机组的总体布置要求，有时将风轮轮毂直接相连的传动轴（即主轴）和齿轮箱的输入轴合为一体，其轴端形式是法兰盘连接结构。
也有将主轴和齿轮箱分别布置，其间利用张紧装置和连轴节连接的结构。
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮增速箱、行星增速箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；
按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；
按照传动的布置形式可分为展开式、风流式、同轴式及混合式等。
（1）基本参数
（2）结构特点
1.主轴内置于齿轮箱的内部。
不需要现场主轴对中;
主轴轴承采用稀油润滑,效果更好；
大大减小了机舱的体积。
2.采用两极行星、一级平行轴机构传动。
提高了速比，降低了齿轮箱的体积。
3.采用先进的润滑与冷却系统，使每个润滑点都可以得到充分的润滑，确保了齿轮箱的使用寿命。
（3）齿轮箱的作用及工作过程
齿轮箱的作用：
将风轮的动能传递给发电机,并使其得到相应的转速。
齿轮箱的工作过程：
风作用到叶片上，驱使风轮旋转。
旋转的风轮带动齿轮箱主轴转动并将动能输入齿轮副。
经过三级变速，齿轮副将输入的大扭矩、低转速动能转化成低扭矩、高转速的动能，通过联轴器传递给发电机。
发电机将输入的动能最终转化为电能并输送到电网。
（4）齿轮箱的结构原理
1>
.箱体部分
2>
.主轴
在风力发电机组中，主轴承担了支撑轮毂处传递过来的各种负载的作用，并将扭矩传递给齿轮箱，将轴向推力。
气动弯矩传递给机舱、塔架。
主轴的一端与轮毂联接，另一端通过收缩胀套与齿轮箱联接。
主轴参数如下所述：
·
材料：
锻件42CrMoA
屈服强度：
530MPa
抗拉强度：
750~950MPa
3>
.轴承、轴承座
轴承和轴承座主要是用来支承轴及轴上零件、保持轴的旋转精度和减少转轴与支承之间的摩擦和磨损，与齿轮箱两侧的弹性支撑一起构成三点式支撑。
风机有一轴间角，轴承在承受重力的同时还受到径向力的作用。
所以选择合适的轴承至关重要。
4>
齿轮副
1.齿轮箱增速部分由三级组成，两级行星齿轮和一级平行轴齿轮。
2.行星轮系和平行轴齿轮都采用斜齿轮传动：
传动平稳，噪音小，重合度比直齿轮大。
3.采用内啮合以便充分利用空间，而且输入轴和输出轴共线，所以机构尺寸非常紧凑。
4.轮系中均匀分布的几个行星轮共同承受载荷，行星轮公转产生的离心惯性力与齿廓啮合处的径向力相平衡，使受力状况较好，效率较高。
5.传动比的合理分配。
5>
一级行星双臂整体式行星架
双臂整体式行星架：
结构刚性较好，行星轮的轴承一般安装在行星轮内。
二级行星单臂式行星架:
6>
空心轴
法兰盘前端加轴承和齿轮箱后方固定的方式，使得各级传动轴在转动的过程中空心轴保持不转动。
空心轴中：
动力电缆和控制电缆。
给轮毂中的电机和控制柜提供电源和控制信号用以实现对变浆系统的控制。
2.2风力发电机组中的联轴器
（1）联轴器在风力发电机组中的安装位置
（2）联轴器的作用与原理
齿轮箱和发电机用一个柔性轴连接，在风机的操作期间，联轴器
补偿两平行性偏差和角度误差。
为了减少传动的振动，联轴器需要有振动和阻尼。
为了避免在偏差的情况下出现的扭转振动，联轴器也必须有相当的刚度。
联轴器必须有大于等于100M的阻抗，并且等承受2kV的电压。
这将防止寄生电流通过联轴器从发电机转子流向齿轮轴/齿轮箱，这可能带给齿轮箱极大的危害。
（3）联轴器的特点
联轴器的主体材料为优质合金钢。
每个连杆内均设有球形轴承和橡胶衬套，具有良好的轴向和角向偏差补偿能力，能同时达到给定的最大补偿值，且能有效的减少振动和噪音。
轴向补偿与角向补偿分别由不同关节轴承完成，相互之间没有干涉，所以轴向、角向与径向的偏差补偿能力能同时达到最大值。
传动轴的绝缘取决于连杆中的橡胶。
每个连杆中有两个带橡胶的关节轴承，可对电流绝缘两次。
三、风力发电机组的分类特点
3.1垂直轴风力发电机组
垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。
阻力型的气动力效率远小于升力型，故当今大型并网型垂直轴风力机的风轮全部为升力型。
升力型的风轮转矩由叶片的升力提供，是垂直轴风力发电机的主流，尤其是风轮像打蛋形的最流行，当这种风轮叶片的主导载荷是离心力时，叶片只有轴向力而没有弯矩，叶片结构最轻。
3.2水平轴风力发电机组
水平轴（风轮）风力发电机组，是指风轮轴线基本与地面平行安置在垂直地面的塔架上，是当前使用最广泛的机型。
水平轴风力发电机组还可分为上风向及下风向两种机型，上风向机组其风轮面对风向，安置在塔架前方。
上风向机组需要主动调向机构以保证风轮能随时对准风向。
下风向机组其风轮背对风向安置在塔架后方。
当前大型并网风力发电机几乎都是水平轴上风向型。
3.3直驱型风力发电机
直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
缺点是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。
3.4双馈式风力发电机
交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。
双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；
而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；
机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；
电刷和滑环间也存在机械磨损。
四、风力发电控制系统简述
风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。
现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能。
4.1、风电控制系统基本功能
（1）数据采集（DAS）功能：
包括采集电网、气象、机组参数，实现控制、报警、记录、曲线功能等；
（2）机组控制功能：
包括自动启动机组、并网控制、转速控制、功率控制、无功补偿控制、自动对风控制、解缆控制、自动脱网、安全停机控制等；
（3）远程监控系统功能：
包括机组参数、相关设备状态的监控，历史和实时曲线功能，机组运行状况的累计监测等。
五、参考文献
1.《风力发电系统的设计、运行与维护》叶杭冶编著
电子工业出版社
2.《风能与太阳能发电系统》MukundR.Patel著
姜齐荣张春明李虹译机械工业出版社
3.《风力发电机组的控制系统》叶冶杭编著机械工业出版社
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