直驱式风力发电机原理及发电机组概述
风力发电机工作原理通用课件
应用领域的拓展
分布式发电
利用小型风力发电机组在家庭、工业和商业领域进行 分布式发电，降低对传统能源的依赖。
海上风电
随着技术的进步和规模化发展，海上风电将成为未来 风能发展的重要方向。
融合其他可再生能源
风能与其他可再生能源（如太阳能、地热能等）的综 合利用，实现多能互补和协同发展。
政策支持与市场前景
02
风力发电机的工作原理
风能转换原理
风能转换原理
风力发电机利用风能转换为机械能，再通过机械 能转换为电能。
风能捕获
风力发电机叶片捕获风能，将风能转换为旋转机 械能。
机械能转换
旋转机械能通过发电机转换为电能。
风能转换过程
风力发电机组
风力发电机组包括风力发电机、传动系统、发电机、控制系统等 部件。
齿轮箱
齿轮箱是风力发电机中的重要传 动部件，其主要功能是将主轴的 低速旋转转化为高速旋转，以驱
动发电机运转。
齿轮箱通常采用行星齿轮结构， 具有高传动效率和可靠性。
齿轮箱内部设有润滑系统，确保 其长期稳定运行。
发电机
01
发电机是风力发电机中的核心部件，其主要功能是 将机械能转化为电能。
02
发电机采用电磁感应原理，通过磁场和导线的相对 运动产生电流。
技术创新
技术创新是提高风能转换效率的 重要途径，如采用新型材料、改 进发电机技术等。
03
风力发电机的主要部件
叶片
叶片是风力发电机的重要组成部件， 其主要功能是捕捉风能并将其转换为 机械能。
叶片通过轮毂与主机轴连接，当风吹 过叶片时，叶片的旋转带动主机轴转 动。
叶片的长度和形状决定了风能转换的 效率，通常采用复合材料制成，具有 轻质、高强度和耐腐蚀的特性。
风力发电机的介绍及其原理
风力发电机的介绍及其原理风力发电机是利用风车从风的减速中得到能量以驱动发电机，配置相应的整流器和蓄电池组，变动能为电能的设备。
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
许多世纪以来，风力发电机同水[1]力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。
近代机电动力的广泛应用以及二十世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。
70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。
风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。
风力发电机原理将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。
风力发电利用的是自然能源。
相对柴油发电要好的多。
但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。
风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用风力发电的原理，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。
小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。
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。
XE系列机组风力发电机组产品技术介绍资料
Pitch control
变速调节
Variable speed
无齿轮箱
Without gearbox
¾ 传统的恒速运行 、失速调节技术流 派转向变速运行、 变距调节的先进技 术方向；
¾ 尽管带齿轮箱的 双馈型风机仍占市 场主要份额，但采 用全功率变流及永 磁同步发电机的结 构型式在技术上的 优势及领先地位是 不容置疑的。
机型对比
VENSYS(金风科技) 直驱型风机
机型对比
半直驱型风机
¾ 单级齿轮箱永磁发电机结构 ¾ 发电机、齿轮箱、主轴和主轴轴承集
成一体，由钢管底盘结构支撑 ¾ 中速永磁发电机定子通过交－直－交
变频器与电网相连
Multibrid 5MW
综合分析
多MW级风机的技术情况
¾ 变桨、变速控制具有决定性优势 - 气动特性最优 - 减少扭矩峰值 - 功率输出更平稳
用寿命20年以上。 ¾ 采用了永磁体安装结构设计及装拆的专有工艺，在短路情况下
不会造成永磁体永久退磁。 ¾ 发电机采用自然冷却，电机的散热能力随风速的提高而提高，
这点与风机的功率随风速增大正好匹配。 ¾ 发电机采取IP54防护等级，与其它外转子永磁同步发电机IP23
防护等级相比，能够确保20年的使用寿命内发电机内部的防雨、 防潮、防尘。这对于在盐雾、沙尘、台风等恶劣环境中运行的 风机尤为重要。
当今世界主流机型
机型对比
¾ 双馈型风力发电机组
¾ 直驱型风力发电机组
¾ 半直驱型风力发电机组
机型对比
双馈式风力发电机组：
¾ 变桨距变速型 ¾ 三级齿轮增速箱＋双馈式异步发电机+双馈式变频器； ¾ 发电机转速通常为1500r/min+35%； ¾ 发电机定子通过地面变压器与电网连接，发电机转子与变频
垂直轴风力发电机
萨渥纽斯型
总结词
萨渥纽斯型垂直轴风力发电机是一种高效的风力发电机，其 设计独特，能够捕获更多的风能，适合在高风速环境下运行 。
详细描述
萨渥纽斯型垂直轴风力发电机采用类似于空气动力学翼型的 结构，能够有效地将风能转化为机械能。这种类型的发电机 通常适用于风速较高的地区，因为它能够以更高的转速产生 更多的电力。
水平轴风力发电机
设计相对复杂，需要较高的塔架支撑 ，但发电效率较高。
性能与效率比较
垂直轴风力发电机
在低风速下具有较高的发电效率，适 用于风力资源较为分散的地区。
水平轴风力发电机
在高风速下发电效率更高，适用于风 力资源丰富的地区。
THANKS
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总结词
霍尔茨曼型垂直轴风力发电机是一种具有独特设计风格的风力发电机，其外观美观，适合作为景观装 置使用。
详细描述
霍尔茨曼型垂直轴风力发电机采用类似于艺术装置的结构设计，外观美观，能够与周围环境相融合。 这种类型的发电机通常适用于城市、公园等需要景观装置的场所，不仅能够提供电力，还能够美化环 境。
03
许多国家和地区出台政策 支持可再生能源的发展， 为垂直轴风力发化
未来垂直轴风力发电机将更加智 能化和自动化，提高发电效率和
可靠性。
海上风电
随着海上风电技术的成熟，垂直轴 风力发电机在海上风电领域的应用 将逐渐增多。
融合多种能源
垂直轴风力发电机将与其他可再生 能源技术相结合，形成多能互补的 能源系统，提高能源利用效率和稳 定性。
02
发电机产生的电能通过电缆传输 到电网或直接供给用户使用。
历史与发展
起源
垂直轴风力发电机的研究始于20 世纪初，但直到近年来才得到广
风力发电机工作原理及原理图
风力发电机工作原理及原理图风力发电机工作原理及原理图风力发电机工作原理及原理图现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电.最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机.最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值.为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等.齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分).同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出.偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向.要知道,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度.风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距.对变桨矩风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距.在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车.早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距.就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13米/秒左右发出额定功率.然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25米/秒时自动停机.现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏.理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒.风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时*齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元.风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
直驱风机与双馈风机的主要区别参考文档
向 转 子 输 入 功 率 输入直流电
风机在同步状态运行时
三、发电结构的区别
发电机定子绕组输出50Hz交流电
向 电 网 输 出 功 率 输入反相序10Hz交流电
风机在超同步状态运行时
三、发电结构的区别
不同频率、幅值的电流整流成直流电
逆变为与电网相位幅值频率一样的交流电
四、变频器的区别
• 变频器一般使用交直交这种形式，两边 各有一个PWM变流器，和电网连接的一般称 为网侧变流器，和发电机连接的一般称为 机侧变流器，中间使用直流环节将两边连 接起来。变流器可以实现整流和逆变这两 种基本的功能。中间回路使用电容建立直 流环节
时，即将三相电源中任意两相绕组接线互换，旋转磁场就会改变方向。
ωt=0 º时
ωt=60º时
ωt=120º时
ωt=180º时
三、发电结构的区别
发电机定子绕组输出50Hz交流电
向 转 子 输 入 功 率 输入同相序20Hz交流电
风机在亚同步状态运行时
三、发电结构的区别
发电机定子绕组输出50Hz交流电
一、传动结构的区别
风电机组常用齿轮箱结构：一级行星加两级平行轴、两级行星加一级平行轴
一级行星二级平行轴
二级行星一级平行轴
一、传动结构的区别
齿轮箱不仅仅指发电机增速箱 偏航电机、变桨电机的减速器 都是齿轮箱
二级行星轮齿轮箱.avi
二、发电机的区别
双馈异步发电机： 双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连 接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节， 机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于 采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电 压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使 其能满足要求。
垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机增加概述及概述图片垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
目录垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机发展风力发电设备行业的发展新型垂直轴风力发电机（H型）一、技术原理二、功率特性三、结构附：现有垂直轴风力发电电源比较：垂直轴风力发电机的特点现状垂直轴风力发电机的分类垂直轴风力发电机发展风力发电设备行业的发展新型垂直轴风力发电机（H型）一、技术原理二、功率特性三、结构附：现有垂直轴风力发电电源比较：垂直轴风力发电机的特点现状展开编辑本段垂直轴风力发电机的分类尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和被子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。
这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。
在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。
现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，他由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。
有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，偶写还利用太阳能或者燃烧某种燃料，是水平气流变成垂直方向的气流。
风力发电机的简介
浅析风力发电机组一．引言随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。
中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。
在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。
在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。
二．风力发电机组的分类（1）风力发电机组类型按容量分容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大型机组 ,大于10000kW 为特大型机组。
（2）风力发电机组类型按风轮轴方向分水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。
风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。
上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。
垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。
垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。
（3）风力发电机组类型按功率调节方式分定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。
变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。
主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。
（4）风力发电机组类型按传动形式分高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。
齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。
直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。
直驱永磁同步式发电机原理
直驱永磁同步式发电机原理
直驱永磁同步式发电机是一种利用永磁材料和直驱技术的发电机，其原理基于电磁学和磁学的基本原理。
以下是直驱永磁同步式发电机的基本工作原理：
1.永磁同步发电机结构：直驱永磁同步式发电机通常由转子和定
子两部分组成。
转子上嵌有永磁体，这些永磁体通常是稀土磁体，如钕
铁硼（NdFeB）。
定子上则布置有线圈。
2.永磁场产生：当转子旋转时，永磁体在转子上产生一个稳定的
磁场。
这个永磁场是由永磁体的磁性质所提供的，它可以保持在整个转
子旋转过程中不变。
3.电磁感应：定子上的线圈被永磁体的磁场穿过，根据法拉第电
磁感应定律，感应出电动势。
线圈上的导体通过这个感应电动势产生电
流。
4.直驱技术：直驱指的是发电机的转子直接与风力发电机的转子
（通常是风力涡轮机）相连接，而不需要传统的齿轮箱。
这减少了机械
部件，提高了传动效率，并减少了维护成本。
5.输出电能：通过调节定子上的电流，可以获得所需的输出电
能。
输出电流的交流特性可以通过逆变器进行转换，以匹配电网或存储
系统的要求。
直驱永磁同步式发电机的主要优点包括效率高、维护成本低、启动转矩大等特点。
这种发电机常用于风力发电系统，其中直驱技术可以提高整个风力涡轮系统的可靠性和效率。
1.5MW直驱永磁风力发电机综述
高 新技术产 业发展
■ Ｅ ｃＨＮＯＬ ｏ６ Ｙ ＤＥ Ｖ Ｅ Ｌ ＯＰＭＥ Ｎ Ｔ
１ ． ５ Ｍｗ 直 驱 永磁风 力发 电机综述
杨斌 山 ’ 。 陈 早康 （ １ ． 新 疆工 程学 院 ， 新 疆乌 鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ １ １； ２ ． 新 疆金 凤科 技股份 有 限公 司 ， 新疆 乌鲁木 齐 ８ ３ ０ ０ ２ ６ ）
可 以开 发利 用 的风 区总面 积超 过 了 １ ４万平 方公 里 ， 主要分 布在 达 坂城 、罗 布泊 、塔 城 老风 口以及 小 草湖 等 地 ， 这 些风 区可 装 机 总量 大约 在 ７ ９ ０ ０多万 以上 。新疆 凭借 着 丰富 的风 能 资源 形成 了对 国 内外 风 电企业 具有 强 大吸 引力 的风 电市 场 。有 关部 门对
是 直驱 型风 力 发 电机 组和传 统 型 风 力发 电机 组 的混 合 。风 力发
此 做 初 步 的规划 ， 要在 ２ ０ ２ ０ 年 实现 风 电装机 总容 量 千万千 瓦
余 的 突破 ， 达 到新疆风 电可 以大 规模 向外输 送 的 目标 。
２ 风 力发 电机 组的构 成及分 类
变 速 恒 频 型风 力发 电机 组 以及 混 合 型风 力发 电机组 。直 驱永 磁
倍 多全 球 目前有 三大 风力 发 电市场 ， 它们 分 别是 美 国、德 国、 西班牙 ， 而中国 一 直有 储 量很 大 的风 能 ，因为 中 国 国土面 积 的
广阔 ， 所 以这 些能 源 的分 布 很广 ， 再 加 上我 国近 几年 风 电产 业 技 术 的 飞速 发展 ，中 国将 成 为 全 球 排名 第 四 的风 力 发 电市场 。 在现在的中国 ， 风力 发 电行 业将 会拥 有 一 个 十分 广 阔 、充 满 生 机 的发 展 前 景 ， 并将 处 于一 个 飞速 发展 的 状 态 中 。现 在风 电装
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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。
还有一种半直驱发电机，结构也有上述几种，只不过极数没那么多而已，还需使用齿轮箱进行少量增速，由于极数较少的发电机与增速不大的低速齿轮箱制造维护都较方便，成本相对低廉，故采用半直驱发电机加低速齿轮箱也是一种折中的方案。
在永磁直驱式风力发电机的结构上还有一个重要的特点，那就是绕组的槽数与磁极数不成整数关系，这是因为当所有磁极与槽数整齐对应时，磁力线有最短磁路，转子与定子间的强大吸引力会使发电机起动非常困难。
所以起动阻力矩也就成了永磁发电机的重要参数，采用分数槽设计就可以较好的减小起动阻力矩。
另外分数槽设计还可以在同数目磁极下减少线槽数，降低制造难度。
如何选好永磁发电机的极数与槽数是目前正在研究中的新技术，方案也很多，本栏目就不作介绍了，在以下几种永磁直驱式发电机的结构示例中仍采用整数槽。