直驱式水平轴讲义风力发电机
直驱式永磁同步风力发电机概述
直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。
永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。
一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。
现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。
永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。
与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。
（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。
（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。
（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。
（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。
（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。
（7）永磁体存在退磁的可能。
目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。
2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。
风力发电机整体结构PPT课件
b.桩位偏差合格（1/3D） c.桩头清理（油污，砼碎块）
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2．2．钢筋检验 a．出厂合格证 b．复检合格证明 c．.钢筋机械连接抗 拉试验合格证明 d．表面清理
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2．3．基础环的检验和固定
a．基础环合格证明，外观检查
b．基本尺寸的现场检验（L法兰）
风力发电机机组对基础的所产生的载荷主要 应考虑机组自重Q和倾覆力矩Mn
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7．REpower对风机基础的具体要求 混凝土和钢筋用量（如图）
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8．预埋管
布置保护电缆，但同时对基础结构 不利，施工时布置均匀相互间留有间 距，尽量减少对基础结构的影响。
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预埋管
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3．基础设计满足以下两个条件
3．1．要求作用于地基上的载荷不超 过地基的容许应力，保证地基有足够 的安全储备
3．2．控制基础的沉降，使其不超过 地基容许变形值
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4．风电机组基础的种类
风力发电机基础均为钢筋混凝土独立基础， 根据风电场工程地质条件和地基承载力和风 机载荷的不同分为：天然重力基础和桩基础 （本风场选用桩基础）。
提供必要的锁紧力矩，以保障风 力发电机组的安全运行
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风机偏航系统的组成
偏航系统由风向标传感器、偏航轴承、 偏航驱动电机、偏航制动器、扭缆保护 装置等几个部分组成。
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风向标传感器
MM82风机有两个待加热的风速 计安装在气象塔上。气象塔被接 地并具有围绕风速计的雷电捕获 回路。
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解缆和扭缆保护装置
风力发电机分类及特点分析
齿轮箱
DFIG
电网
转子侧 变换器
网侧 变换器
双馈式变速恒频风力发电系统结构框图
电气工程与自动化学院
第三章 风力发电
3）运动部件少，由磨损等引起的 故障率很低，可靠性高。
4）采用全功率逆变器联网，并网、 解列方便。
5）采用全功率逆变器输出功率完 全可控，如果是永磁发电机则 可独立于电网运行。
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。 同时，为了提高发电效率， 发电机的极数非常大，通常 在100极左右，发电机的结构 变得非常复杂，体积庞大， 需要进行整机吊装维护。
风力发电机分类及特点
李少龙
第三章 风力发电
课件
2020/3/3
了解风力发电机的分类 双馈式和直驱式风力发电机介绍
电气工程与自动化学院
第三章
课件
按照风轮形式分类
风力发电
2020/3/3
（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。
直驱式风力发电系统大多都使用永磁同步发电机发电，无需励磁 控制，电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小。随着永磁 材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出 现，在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用 的越来越广泛。
风力发电讲义_第3章
本装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的
距离, 从而产生一个偏心距。
相对的一侧安装一副弹簧, 一端系在与风轮构成一体的偏转体上,一端固定
在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力,使在设计风速内风轮偏转力矩小于或
等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时,风轮偏转力矩大于弹簧力矩,使风 轮向偏心距一侧水平或垂直旋转, 直到风轮受力力矩与弹簧力矩相平衡。
在遇到强风时, 可使风轮转到与风向相平行,以达到停转。
偏离主风向超速保护
第三章 风力机的基本理论与结构
第二节风力机的结构组成
(2) 利用气动阻力制动
叶尖扰流器是将叶片端部(约为 叶片总面积的十分之一) 设计成 可绕径向轴转动的活动部件。 正常运行时叶尖与其它部分方 向一致,并对输出扭矩起重要作 用。当风轮超速时, 叶尖可绕控 制轴转60°或90°, 从而产生空 气阻力, 对风轮起制动作用，叶 尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧 机构来完成,也可由伺服电机驱 动。
变桨距风力机的特点：
改善风力机的起动特性、发电机联网前的速度调节(减少联 网时的冲击电流) 、按发电机额定功率来限制转子气动功率以及 在事故情况下(电网故障、转子超速、振动等) 使风力发电机组安 全停车等。
第三章 风力机的基本理论与结构
第二节风力机的结构组成
三、 调向装置（对风装置）
下风向风力机的风轮能自然地对准风向,因此一般不需要进行调向控制， 上风向风力机则必须采用调向装置, 常用的有以下几种:
BS / R
B：叶片数；S：叶片的风向投影面积；R：旋转面半径
缺点：上风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。 （小型风力机采用尾舵，大型风力机偏航机构）
风力发电机组基础理论
西方国家意识到对化石能源的依赖性太强，各国政府开始重视其他替代能 源特别是可再生能源（环保压力）。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
蓬勃发展
能源危机后， 美国、丹麦、 瑞典、德国 下大决心开 发风能。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
风车
辗磨谷物、灌溉
？
风力发电机
发电
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程 第一次尝试
丹麦：1891年，Poul La Cour。
一战导致的石油价格的上涨， 推动了风机技术的迅速发展， 到1918年共有120台风力发电机 投入运行（功率10～35kW、风 轮直径最大达20m）。
1.3 风机的类型 3）变桨定速型（主动失速）
停机时刀尖朝前。
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 越来越庞大
但并不是越大越好，还要考虑当地风况和机组成本等因素
1、风力发电机组的入门知识
1.4 风力机的发展趋势 陆上——海上
要用较高的塔架以获取更好的风况 一般不大于3MW
风况较好，一般适用于3MW以上 风机，以节约基础成本
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1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
它是利用风能旋转的、最简单的捕风装置
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
1）历史记载的最早的风车出现在公元644年，在现在 的阿富汗一带，为垂直轴，用于辗磨谷物。
1、风力发电机组的入门知识
1.2 风机的发展历程
2）中国也很早开始利用风能，主要使用垂直轴风车。
直驱式水平轴风力发电机共18页
窦建中 6014
直驱式水平轴风力发电机
Direct Drive Wind Turbine
直驱式水平轴风力发电机
风力机转速都较低，小型风力机转速每分 钟最多几百转，大中型风力机转速约每分 钟几十转甚至十几转，在“机舱设备与塔 架”一节中介绍用齿轮箱增速来带动发电 机。 但齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易 损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、 在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁风力发电机基本结构图之二
直驱式水平轴风力发电机
ห้องสมุดไป่ตู้
直驱式水平轴风力发电机
为提高风力发电机的效率，直驱式风力 发电机都是应用在变速方式，通过变桨 调节转速以获得最大的风能利用系数。 但发电机不断变化的转速使得发出的交 流电频率不断变化，为了使发出的电能 输入电网，必须输出稳定的50Hz交流电， 这就需要交-直-交变流器把发电机输出的 电能转换为稳定的50Hz交流电。
直驱式水平轴风力发电机
机舱内有偏航装置、定子机架与转子主轴
直驱式水平轴风力发电机
把绕好线圈的定子安装在机座的机架 上，为显示转子结构将定子剖去一部 分，见下图
直驱式水平轴风力发电机
机座的机架上安装定子铁芯与三相绕组
直驱式水平轴风力发电机
把装有永久磁极的内转子安装在机座 的转轴上，见下图
直驱式水平轴风力发电机
安装有定子与永磁转子的机舱
直驱式水平轴风力发电机
把装有叶片的轮毂也安装在机座的转轴上， 并且与转子固定连接，风轮与转子同步旋 转，再安装好轮毂罩，见下图
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁风力发电机基本结构图之一
直驱式水平轴风力发电机
风力发电机组介绍
提高途径：提高风能利用率的主要途径包括优化风力发电机组的设计、改善风力发电机组的运 行状态以及提高风能资源的品质等。
风能利用率：风能利用率越高发电效率越高 转换效率：发电机组的转换效率越高发电效率越高 运行稳定性：机组运行稳定性越高发电效率越稳定 维护保养：定期维护保养机组确保发电效率保持较高水平
PRT FOUR
定义：风力发电机 组在正常运行条件 下允许的最大输出 功率
单位：千瓦（kW）
影响因素：风速、 风向、风能利用 率等
意义：衡量风力发电 机组性能的重要指标 也是风力发电站设计 的重要依据
风能利用率：风能利用率是指风力发电机组利用风能的效率通常用百分比表示。
影响因素：风能利用率受到多种因素的影响如风速、风向、风力发电机组的设计和运行状态等。
作用：支撑机舱和叶片吸收机 组振动保持机组稳定运行
材质：通常采用钢材或混凝土 等材料
高度：根据风速和风向的不同 而有所差异一般较高
定义：用于控制风力发电机组运行的系统 功能：保证风力发电机组安全、稳定、高效地运行 组成：控制器、传感器、执行器等 重要性：是风力发电机组的重要组成部分直接影响其性能和可靠性
预防性维护：通过定期更换易损件、检查关键部件等方式预防潜在故障的发生延长风力发电机组的使用寿命
PRT SIX
风能资源丰富大型风力发电机组有利于提高能源利用效率 技术进步推动大型化发展如材料科学、制造工艺等方面的突破 降低度电成本提高市场竞争力 适应未来能源需求助力碳中和目标实现
全球海上风电 装机容量持续
,
汇报人：
CONTENTS
PRT ONE
直驱式风力发电机原理及发电机组概述
直驱式风力发电机原理及发电机组概述二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。
下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。
使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。
不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。
近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。
低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。
近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。
采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。
永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。
下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。
其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。
外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。
本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。
盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱盘式风力发电机组的结构示意图。
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直驱式水平轴风力发电机
把装有叶片的轮毂也安装在机座的转轴上， 并且与转子固定连接，风轮与转子同步旋 转，再安装好轮毂罩，见下图
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁风力发电机基本结构图之一
直驱式水平轴风力发电机
这就是一个直驱式永磁风力发电机的基本 结构， 下图是该风力发电机的另一个角度的视图。
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁风力发电机基本结构图之二
直驱式水平轴风力发电机
直驱式水平轴风力发电机
为提高风力发电机的效率，直驱式风力 发电机都是应用在变速方式，通过变桨 调节转速以获得最大的风能利用系数。 但发电机不断变化的转速使得发出的交 流电频率不断变化，为了使发出的电能 输入电网，必须输出稳定的50Hz交流电， 这就需要交-直-交变流器把发电机输出的 电能转换为稳定的50Hz交流电。
直驱式水平轴风力发电机
直驱式水平轴风力发电机
Direct Drive Wind Turbine
直驱式水平轴风力发电机
风力机转速都较低，小型风力机转速每分 钟最多几百转，大中型风力机转速约每分 钟几十转甚至十几转，在“机舱设备与塔 架”一节中介绍用齿轮箱增速来带动发电 机。 但齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易 损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、 在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。
直驱式水平轴风力发电机
机舱内有偏航装置、定子机架绕好线圈的定子安装在机座的机架 上，为显示转子结构将定子剖去一部 分，见下图
直驱式水平轴风力发电机
机座的机架上安装定子铁芯与三相绕组
直驱式水平轴风力发电机
把装有永久磁极的内转子安装在机座 的转轴上，见下图
直驱式水平轴风力发电机
直驱式水平轴风力发电机
直驱式风力机没有齿轮箱，故机舱内主要设 备就是发电机了，直驱式发电机由于极数很 多，直径较大。模型采用标准的内转子结构， 是内转子直驱风力发电机，是径向气隙磁通。 在定子铁芯上嵌有三相绕组，发电机是固定 在机座的机架上。
直驱式水平轴风力发电机
下图展示了机舱内的基础设施，用来安装发 电机的机座通过偏航轴承安装在塔架上，机 座通过偏航电机推动旋转。机座上有用来固 定发电机定子的机架，有安装发电机转子与 风轮的转轴。
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