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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(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，α為后傾角，β為左傾角， 角 是復(fù)位機(jī)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(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(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(jī)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）； 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(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。實際運行結(jié)果表明采用這 種機(jī)構(gòu)機(jī)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(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(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）； ρ——空氣質(zhì)量密度ρ=0.125kgS2/m4 ω——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。,,,,,,