小型風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與功率控制

小型風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與功率控制7.1風(fēng)輪偏側(cè)式控制機構(gòu)風(fēng)輪偏側(cè)有側(cè)向偏轉(zhuǎn)和上仰兩種運動方式。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γ1角度時,吹向風(fēng)輪的風(fēng)速降低為V1=V*cosγ1,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低比例為cosγ1/1，而功率減小的比例是cos3γ1/1。因此當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，要使風(fēng)力機的轉(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)電機正常運行俯視圖為使風(fēng)力發(fā)電機在額定風(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=P·L；P——彈簧拉力；L——彈力作用于回轉(zhuǎn)中心的力臂；M摩擦——機頭回轉(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)位的限速機構(gòu)圖20畫出了重力蓄能復(fù)位限速機構(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，α為后傾角，β為左傾角，角是復(fù)位機構(gòu)設(shè)置的初始安裝角。當(dāng)α，β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α角和β角之后，豎軸AB與oz形成夾角γ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：式中：G—尾舵重力L—尾舵重心點到豎銷距離γ—豎銷軸線與垂直線的夾角—復(fù)位機構(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α角和β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α角的大小、尾舵的重力和尾舵重心到豎銷的距離。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，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α，左傾角β。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α、β角的大小。在正常運行狀態(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)位限速機構(gòu)設(shè)置了初始方位角調(diào)整尾舵重力矩，α，β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。尾銷傾斜回轉(zhuǎn)中心偏置圖217.1.3風(fēng)輪偏置、尾舵調(diào)向、活絡(luò)舵板限速機構(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227.1.4尾舵調(diào)向、電動舵輪偏航限速機構(gòu)如圖23所示，正常運行狀態(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)力機的輸出功率。圖231風(fēng)輪，2發(fā)電機，3尾桿，4舵板，5舵輪7.2機械離心變槳距機構(gòu)

7.2.1槳葉離心力螺旋槽變槳距機構(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。在機構(gòu)中設(shè)置同步機構(gòu)，可以使各槳葉的槳距角的變化保持一致。圖247.2.2離心飛桿彈（柔）性變槳距機構(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251.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（kgms2）；α1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）α2為飛桿質(zhì)心所在平面與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面之間的夾角；ω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α2可以調(diào)節(jié)機構(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。實際運行結(jié)果表明采用這種機構(gòu)機組運行非常平穩(wěn)，特別適合于負(fù)向主動失速控制。7.2.3離心飛桿機械變槳距機構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的工作原理如圖26所示，受力分析運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α。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Fτ和平行于槳桿的軸向分力Fc。切向分力Fτ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、α角、風(fēng)輪角速度有關(guān)。

圖27是一種典型的飛桿變槳距機構(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構(gòu)與調(diào)速彈簧安裝在一起就構(gòu)