第七章 风力发电机组传动系统

风力发电机组传动、偏航、 控制系统等
风力发电机组 传动系统
传动系统
定义:将风轮吸收的风能以机械的方式传送到 发电机的中间装置。
一.传动链布局形式 二.传动零部件组成
传动系统
传动系统包括主轴、联轴器、齿轮箱、制动器和过载安全保护 器等。
传动链的布局形式
传统的风力发电机采用齿轮增速装置， 按主轴轴承的支撑方式风力发电机组传动 的形式可以分为“两点式”、“四点式” 、“三点式”、“主轴齿轮箱集成式”、 “直驱式”、“半直驱式”。
2）齿轮箱可靠性要求高，维护不变。 体积较大、重量大、结构相对复杂、造 价较高
传动链布局形式—直驱式
直驱式：直驱永磁风力 发电机组的发电机机轴 直接连接到风轮上，转 子的转速随风速而改变， 其交流电的频率也随之 变化，经过大功率电力 电子变流器，将频率不 定的交流电整流成直流 电，再逆变成与电网同 频率的交流电输出。
风力发电机组 偏航系统
偏航系统
风力机的偏航系统：也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变 化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。
小微型风力机—尾舵对风：尾翼装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角 度。为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。
中小型风机—舵轮对风：工作原理：当风向变化时，位于风轮后面两舵 轮（其旋转平面与风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系 统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。
传动链布局形式—半直驱式
半直驱式：采用了一级行星齿轮传动 和适当增速比，把行星齿轮副与发电 机集成在一起，构成了发电机单元。
采用单级变速装置以提高发电机 转速，同时配以多级永磁同步发电机。 介于直驱和双馈之间，齿轮箱的调速 没有双馈的高，发电机也由双馈的绕 线式变为永磁同步式。
发电机单元的主轴承与轮毂直接 相连接，发电机单元经过大功率电力 电子变换器，将频率不定的交流电整 流成直流电，再逆变成与电网同频率 的交流电输出。
传动链布局形式—直驱式
优点： 1）传动系统减少，提高了机组的可靠性，降低了噪声； 2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率； 3）利用变速恒频技术，可以进行无功功率补偿。
缺点： 采用的多级低速永磁同步发电机，发电机直径大，制造成本高； 随着机组设计容量的增大，给发电机设计、加工制造带来困难； 定子绕组绝缘等级要求较高； 采用全容量逆变装置，变流器设备投资大，增加控制系统成本； 由于结构简化，是机舱重心前倾，设计和控制上难道加大。
双轴承配置好处：
1）主轴轴承承受了大部分复杂的风力载荷；
2）除扭矩外，基本上没有其他载荷会传递到传动链的齿轮箱里，齿轮箱 设计便利；
缺点：
传动链较长，除主轴长度外，还要考虑主轴与齿轮箱连接的联轴器的长 度。在小功率的风力发电机中，这种配置比较常见。在大功率的风力发电 机中，过长的传动链则意味着更大的体积以及更高的制造成本。
齿轮箱传动比小，并与 发电机集成，结构紧凑
传动系统
二. 传动链组成 传动链主要由主轴总成、偏航总成、齿轮
箱、联轴器、发电机和机座组成。
传动系统
MY1.5s/se风力发电机组
１、主轴总成
主轴总成结构图
传动系统
主轴锁紧装置
传动系统
主轴
材料： 42CrMo（常温）：超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性较好，无
偏航系统的功能
偏航控制系统主要有三个功能： 正常运行时自动对风：当机舱偏离风向一定角度时，
控制系统发出向左或者向右调向的指令，机舱开始对风， 直至达到允许的范围内，自动对风停止；
绕揽时自动解缆：当机舱向同一方向累计偏转达到一 定的角度时，系统控制停机，或者此时报告扭揽故障，机 组自动停机，等待工作人员来手动解缆；
传动链的布局形式-两点式
两点式：主轴用两个轴承支座支撑，其中靠近轮毂的轴承作为固定端，另一 个轴承作为浮动端。
优点： 1. 让主轴及其轴承承受风轮的大
部分载荷，减少风轮载荷突变 对齿轮箱的影响； 2. 稳定性好。
缺点： 1. 轴系较长，增大了机舱的体积和
重量；
2. 机组功率越大，随着主轴直径和 长度的增大，机舱布置和吊装难 度也随着增大。
传动链的布局形式--主轴齿轮箱集成式
主轴齿轮箱集成式：该结构是将齿轮箱的第一轴直接作为主
轴使用 。
优点：
1）结构紧凑、重量轻；2）低速轴与齿 轮箱合为一体，机舱结构相对宽敞，齿 轮箱油直接对低速轴轴承进行润滑，免 去运行人员的维护任务
缺点：
1）齿轮箱直接承受来自叶轮的冲击载 荷，在刹车过程中齿轮箱也要承受较大 的载荷，对齿轮箱自身质量要求较高。
利用偏航齿圈齿的高低不
同而使得光信号不同来工
作，采集光信号并计数。
通过一左一右两个接近开 关采集的信号，控制系统
限位开关
控制机组偏航不超过680 度，防止线缆缠绕。
限位开关也是防止电缆缠绕而 设置的传感器，当机舱偏航旋 转圈数达到680度时，限位开 关发出信号，整个机组快速停 机。
电缆扭曲计数器
电缆用来将电流从风电机运载到塔下。但是 当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时， 电缆将越来越扭曲。因此风电机配备有电缆 扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解 开了。类似于所有风电机上的安全机构，系 统具有冗余。风电机还会配备有拉动开关， 在电缆扭曲太厉害时被激发。
明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力。 34CrNiMo6+QT（寒带）：合金钢，在钢中除含有铁、碳和少量的硅、锰、 磷、硫元素以外，还含有一定量的合金元素，如硅、锰、钼、镍、铬、 钒、钛、铌、硼、铅、稀土等其中的一种或几种。 制造：电炉，真空冶炼；加工方法：铸锭；锻造比： 最小3.5； 锻造精度：2级；严格执行GB/T17107-1997规定，对锻后毛坯进行热处理。
失速保护时偏离风向：当有特大强风发生时，机组自 动停机，释放叶尖，背风，以达到保护风轮免受损坏的目 的。
➢风力机的偏航控制系统
偏航系统是水平轴式风力发电机组必不可 少的组成系统之一，对风电机组利用风能起着 非常巨大的作用。风力发电机组的主动偏航系 统主要组成部分包括：偏航大齿圈、侧面轴承、 滑垫保持装置、上下及侧面滑动衬垫、偏航驱 动装置、偏航限位开关、接近开关、风速仪风 向标等等。
偏航系统实物图
侧面轴承
偏航驱 动装置
滑垫保 持装置
偏航大齿圈
侧面轴承
塔筒 偏航大齿圈 侧面轴承
侧面轴承：
共6个（前侧2个，后侧4个）。 有5个沉孔，用于放置定位销、 圆形弹簧和压板。
滑动衬垫：
特殊材料制作的圆形垫片，具有自润滑的功能，在滑动过程 中滑动垫片产生润滑物质，无需加注润滑油。
圆弹簧：
传动比i：100.48 额定功率P：1663kW 输入转速n: 17.4rpm
传动系统
齿轮箱内部结构图
其它类型齿轮箱
传动系统
传动方式：一级行星+两级平行
传动系统
多级行星差动轮系
传动系统
３、主轴制动（机械制动）
构成：一个钢制刹车圆盘和布置在其 四周的液压夹钳构成
安装：液压夹钳固定，圆盘安装在齿 轮箱的高速轴或低速轴上，并随 之一起转动。
风速风向仪
风电机组对风的测量是由风速风向仪来实现的。
偏航装置
风电机偏航装置用于将风电机转子转动到迎风 的方向（借助电动机转动机舱，以使转子叶片 调整风向的最佳切入角度）。偏航装置由电子 控制器操作，电子控制器可以通过风向标来探 知风向。通常，在风改变其方向时，风电机一 次只会偏转几度。值得注意的是，小功率级别 的风电机都是通过统一的偏航装置调整所有叶 片的角度，而最新的风电机大都是每个叶片设 置单独的偏航系统。
功能：停机和制动。 类型：盘式刹车。
原理：制动夹钳有一个预压的弹簧制动力，液压力通过油缸中的活塞将制 动钳夹打开。需要制动时，释放液压力，进而释放预压的弹簧制动力，压 制中间的钢制转动圆盘，使齿轮箱的高速或者低速轴制动。
传动系统
4、高速轴联轴器 将齿轮箱输出扭矩
及转速传递给发电机输 入端，并具有缓冲、减 振、力矩限制功能。
大中型风力机一电动的偏航系统：利用电动的偏航系统来调整风轮并使 其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行 星齿轮减速器，回转体大齿轮等。
1000kw风力机偏航机械系统
德国富兰德公司1000KW风力发电机（主动）
偏航机械系统的种类
风力发电机组的偏航系统一般由调向和调速机构两部分组 成，分为主动偏航系统和被动偏航系统。
主动偏航机械系统组成
主动偏航机械系统一般由偏航轴承、偏 航驱动装置、偏航制动器、偏航液压回 路、偏航计数器、纽缆保护装置等几个 部分组成。
偏航控制系统工作原理
机舱是可以顺时针旋转也可以逆时针旋转的，在偏 航过程中，如果机舱总是朝向一个方向旋转是肯定 不行的，因为机舱底部大齿圈内部布置着多根电缆， 机舱旋转电缆也就跟着扭转，所以为了防止电缆扭 转破坏特地控制机舱同一方向旋转圈数不得超过650 度（从0度开始，0度为安装风电机组时确定的位 置）。这种控制方法就是靠偏航接近开关和限位开 关来实现的，接近开关一左一右共两个，负责记录 机舱位置，当机舱达到＋650度或－650度时发出信 号，控制系统控制偏航电机反向旋转解缆。限位开 关是作为极限位置开关使用的，当机舱继续旋转达 到680度时，限位开关被触发而使得风电机组快速停 机。
传动链的布局形式-三点式
三点式支撑包括一个主轴承和齿轮箱两侧的两个支撑点。
主轴轴承和两个扭力臂支撑用来吸收转子载荷。但载荷在传递到扭 力臂支撑之前，不得不先从主轴进入齿轮箱，并在齿轮箱内部传输。齿 轮箱实际上相当于第二个主轴轴承。
单主轴轴承，成本低，传动链缩短。 齿轮箱前轴承承受转矩和径向负载，故障率高。