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菜鸟需要了解的风力发电机的工作原理
代变速双馈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工作原理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渺幡巍怼啤笑桅痞兀?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;同时监视齿轮箱、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.
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在前段时间我写了篇文章叫《关于论坛上车友们提到的蓄电池问题探讨：》，今天我再将这篇文章补充一下，讲述汽车交流发电机及其电压的调节原理，由于时间仓促及本人水平有限，不足之处敬请各位指正。& 交流发电机是汽车上的重要电源，它与发电机调节器互相配合工作，其主要任务是对除起动机外的所有用电设备供电，并向蓄电池充电。发电机有交流发电机和直流发电机两种。汽车用交流发电机是伴随着半导体整流技术的出现而发展起来的，目前主要有硅整流交流发电机、感应子式（无刷）交流发电机等几种，其中以硅整流交流发电机应用的最为普遍。常见的交流发电机一般是指硅整流发电机。与传统的直流发电机相比，交流发电机有许多显著的优点：（1）：体积小、重量轻、输出功率高。（2）：结构简单、故障少、因此维修方便、使用寿命也比较长。（3）：低速时充电性能好。由于交流发电机是转子产生磁场，所以在交流发电机的电刷与滑环接触时，通过的只是很小的磁场电流，发电机的最高转速可以提高，一般可达10000r/min.（4）：配用的调节器简单，只需设电压调节器。（5）：没有整流火花，对无线电干扰小。所以，交流发电机的应用越来越广泛，目前已基本取代了传统的直流发电机。发电机的功用：& & 发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时（怠速以上），向所有用电设备（起动机除外）供电，同时向蓄电池充电。(见下图)发电机的分类：& & 汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：按整流器结构分四类六管交流发电机 例JF1522（东风汽车用）八管交流发电机 例JFZ1542（天津夏利汽车用）九管交流发电机 例（日本日立、三凌、马自达汽车用）十一管交流发电机 例JFZ1913Z（奥迪、桑塔纳汽车用）按磁场绕组搭铁形式两分类内搭铁型交流发电机 磁场绕组的一端（负极）直接搭铁（和壳体相联）外搭铁型交流发电机 磁场绕组的一端（负极）接入调节器，通过调节器后再搭铁。交流发电机的型号根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T73-93《汽车电器设备产品型号编制方法》的规定，汽车交流发电机型号组成如下产品代号产品代号用中文字母表示，例：JF——普通交流发电机 JFZ——整体式（调节器内置）交流发电机 JFB——带泵的交流发电机 JFW——无刷交流发电机电压等级代号1表示12V系统2表示24V系统6表示6V系统电压等级代号用一位阿拉伯数字表示，根据产品型号编制方法，我们可以得知远景发电机是属于交流调节式发电机，并且发电机上也直接标明了，值得注意的是，远景的发电机据我所知的就有2个厂家的产品，一家是锦江产的发电机，另一家是我老家湖北荆州产的发电机，两家的发电机电压和功率都是一样大：锦江产的发电机：湖北荆州产的发电机：交流发电原理：1.在发电机内部有一个由发动机带动转子（旋转磁场）2.磁场外有一个定子绕组, 绕组有3组线圈(3相绕组)，3相绕组彼此相隔120度3.当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化）而产生电动势。整流原理交流发电机定子的三相绕组中，感应产生的是交流电是靠六只二极管组成的三相桥式整流电路变为直流电的。二极管具有单项导电性,当给二极管加上正向电压时,二极管导通, 当给二极管加上反向电压时,二极管截止,二极管的导通原则如下:二极管的导通原则当三只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；当三只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。整流时二极管导通条件对于三个正极管子（D1、D3、D5正极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最高一相的正极管导通。对于三个负极管子（D2、D4、D6负极和定子绕组始端相联），在某瞬时，电压最低一相的负极管导通。但同时导通的管子总是两个，正、负管子各一个。整流器交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。汽车用硅整流二极管特点工作电流大，正向平均电流50A，浪涌电流600A；反向电压高，反向重复峰值电压270V，反向不重复峰值电压300V；只有一根引线见图。并且有的二极管引线是正极，有的二极管引线是负极，引出线为正极的管子叫正极管，引出线为负极的管子叫负极管，所以说整流二极管有正二极管和负二极管之分。
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交流发电机的励磁：除了永磁式交流发电机不需要励磁以外，其他形式的交流发电机都需要励磁，因为它们的磁场都是电磁场，也就是说必须给磁场绕组通电才会有磁场产生。将电源引入到磁场绕组使之产生磁场称为励磁，交流发电机励磁方式有自励和他励两种。他励：在发动机起动期间，需要蓄电池供给发电机磁场电流生磁使发电机发电。这种供给磁场电流的方式称为他励发电。自励：随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并能对外输出，一般在发动机怠速时发电机就能对外供电当发电机能对外供电时，就可以把自身发的电供给磁场绕组生磁发电，这种供给磁场电流的方式称为自励。交流发电机的电压调节器由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，且发动机和交流发电机的速比为1．7～3，因此交流发电机转子的转速变化范围非常大，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足汽车用电设备的工作要求。为了满足用电设备恒定电压的要求，交流发电机必须配用电压调节器，使其输出电压在发动机所有工况下基本保持恒定。电压调节器的调压原理：交流发电机调节器的工作原理是：当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流If来减小磁通Ф，使发电机的输出电压UB保持不变。蓄电池电压检测电路：分压器R1、R2从蓄电池输出端得到电压，稳压管VS上的电压和蓄电池端电压成正比，所以该电路称为蓄电池电压检测电路（检测点在蓄电池上）。蓄电池电压检测电路优点：直接检测蓄电池端电压来控制发电机的输出，可使蓄电池的充电电压有保证。当蓄电池和发电机之间的连接不可靠时，自动转为发电机电压检测。交流发电机与调节器的使用注意事项交流发电机与调节器的结构简单，维护方便，若正确使用，不仅故障少而且寿命长；若使用不当，则会很快损坏。因此在使用和维护中应注意以下几点：1． 蓄电池的极性必须是负极搭铁，不能接反。否则，会烧坏发电机或调节器的电子元件；2． 发电机运转时，不能用试火的方法检查发电机是否发电，否则会烧坏二极管；3．整流器和定子绕组连接时，禁止用兆欧表或220V交流电源检查发电机的绝缘情况；4． 发电机与蓄电池之间的连接要牢靠，如突然断开，会产生过电压损坏发电机或调节器的电子元件；5． 一旦发现交流发电机或调节器有故障应立即检修，及时排除故障，不应再连续运转6． 为交流发电机配用调节器时，交流发电机的电压等级必须与调节器电压等级相同，交流发电机的搭铁类型必须与调节器搭铁类型相同，调节器的功率不得小于发电机的功率，7． 线路连接必须正确，目前各种车型调节器的安装位置及接线方式各不相同，故接线时要特别注意； 8． 调节器必须受点火开关控制，发电机停止转动时，应将点火开关断开，否则会使发电机的磁场电路一直处于接通状态，不但会烧坏磁场线圈，而且会引起蓄电池亏电；下面我们可以通过这幅图片看到当钥匙打到ON档时发电机已经供上了电：交流发电机与调节器的维护：交流发电机在使用中，应定期进行以下检查：1． 查发电机驱动带2．检查导线的联接3．检查运转时有无噪声4．检查是否发电
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变速双馈风力发电机工作原理；现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风；向；风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏；早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、；就1500kW风机而言,一般在4m/s左右的风速；现代风机的设计极限风速为60~70m/s,也就是；风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在；目前的LCM多采{恒速恒l
变速双馈风力发电机工作原理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, 这即是小型离网风机。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( 1 500 kW的风机通常为12~22 r/min) 变为很高的发电机转速( 发电机同步转速通常为1 500 r/min) 。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, 1 500 kW的风机机舱总重50多t, 叶轮30 t, 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1 500 kW风机而言, 一般在4 m/s左右的风速自动启动, 在13 m/s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 m/s时自动停机。现代风机的设计极限风速为60~70 m/s, 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 m/s。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; 同时监视齿轮箱、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。 目前的LCM多采{恒速恒l系y，lC多采取同步C或步感C。在LCM向恒lW送r，不要{速，因殡Wl率⒈破瓤刂骑L的D速。在@N情形下，L力C在不同L速下S持或近似S持同一D速。效率降落，被迫下降出力，甚至停C，@@然是不可取的。c之不同的是，o同步速或超同步速的plC都可以在不同的L速下\行，其D速可SL速化做相恼{整，使L力C的\行始K蹲罴r，CM效率提高。同r，定子出功率的汉皖l率s可以S持不，既可以{W的功率因担挚梢蕴岣呦到y的定性。
pC的工作特性pC的造相似于@式感C，定子@M也由具有固定l率的ΨQ三相源鼓睿煌氖寝D子@M具有可{l率的三相源鼓睿话袢〗-交l器或交-直-交l器供以低l流。pC定子ΨQ三相@M由l率f1(f1=p?n1/60)的三相源供r，由於CD子的D速n＝(l-s)n1(s檗D差率，n1庀吨谢ㄐD磁龅耐剿俾)。榱F固的C能量DQ，定子磁雠cD子磁猿窒o止，即M足:ωr＝&omega,UPS源;1-ω2其中:ωr是D子旋D角l率;ω1是定子流形成的旋D磁龅慕穷l率;ω2是D子流形成的旋D磁龅慕穷l率。 由此可得D子供l率f2＝s?f1，此r定D子旋D磁鼍酝剿n1旋D，烧猿窒o止。c同步C相比，pC畲趴烧{量有三:一是c同步C一樱梢哉{畲烹流的幅值;二是可以改畲烹流的l率；三是可以改畲烹流的相位,通L能地板。通^D畲蓬l率，可{D速。@釉谪荷突然化r，敏捷改C的D速，充足棉D子的幽埽放和吸收荷，W的_舆h比常C小。另外，通^{D子畲烹流的幅值和相位，可到_{有功功率和o功功率的目恕６诫C的可{量只有一，即畲烹流的幅值，所以{同步C的畲乓话阒荒o功功率M行a。c之不同的是pC的畲懦丝梢哉{流幅值外，亦可以{其相位，D子流的相位改r，由D子流l生的D子磁鲈庀犊臻g的地位就l生一位移，改了pC菖cW合蛄康南Φ匚唬簿透淖了C的功率角。所以pC不H可{o功功率，也可{有功功率。一般碚f，C接收W的o功功率r，往往功率角大，使C的固性降落。而pCs可通^{畲烹流的相位，p小CM的功率角，使CM\行的固性M步，而可多接收o功功率，儆伸锻黹g荷降低，W哼^高的困y。c之相比，步lCs因需W吸收o功的畲烹流，cWK列\行後，造成W的功率因底摹Ｋ噪pC^同步C和步C都有著更加俚倪\行性能。 L力l中pC的制在L力l中，由於L速幻莫y，使ζ涞么嬖诒囟ǖ睦щy。所以改善L力l技g，提高L力lCM的效力，最充足地蔑L能Y源，有著十分主要的意x。任何一L力lCM都包含作樵C的L力C和C械能改殡能的lC。其中，作樵C的L力C，其效率在很大水噬Qh了整L力lCM的效率，而L力C的效率又在很大水噬先Q於其荷是否蹲罴r。不管一L力C是如何精@地O和施工建造，若它哆^d或久d的r下，都适湫省L力C的忧可以看出，存在一最佳周速比λ，最佳的效率。所以L力lC的最佳制是S持最佳周速比λ。另外，由於要斟酌Wτ泄β屎o功功率的求，所以L力C最佳工rr的D速善忧及W的功率指令C合得出。也就是f，L力lC的D速SL速及荷的化r作出相恼{整，依附D子幽艿淖化，接收或放功率，p少W的_印Ｍㄟ^l器控制器δ孀路中功率器件的掌握。可以DplCD子畲烹流的幅值、l率及相位角，到_{其D速、有功功率和o功功率的目耍冗M步了CM的效力，又W起到l、旱淖饔谩D2是按@N掌握思路得出的L力lpC控制w系框D。 整掌握w系可分槿卧:D速{整卧⒂泄β收{整卧㈦赫{整卧(o功功率{整)。它分x接收L速和D速、有功功率、o功功率指令，惆l生一C合信，送o畲殴制b置，D畲烹流的幅值、l率c相位角，以M足系y的求。由於pC既可{有功功率，又可{o功功率，有Lr，CMKWl;oLr，也可作克制Wl率和翰拥难ab置。pL力lCM利用h景|C上所述，㈦pC利用於L力l中，可以解QL力CD速不可{、CM效力低等}。另外，由於pCo功功率、有功功率均可{，W可起到骸⒎l的作用，M步l品|。c同步C交一直一交w系相比，有lb置容量小(一般榘lC~定容量的10～20%)、重量p的L线m於L力lCM使用，同r也下降了造r。㈦pC\用於L力l的假想，不H在理上成立，在技g上也是可行的。cF有的L力l技g相比，o裕是可靠性砜矗季哂o可替代的荩哂泻的Γ欣讹LCMa化的^程，其l展h景十分|。一般多利用於1.5mwp步lC。 交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机.交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁,使其具有灵活的运行方式,在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1) 运行于变速恒频方式;2) 运行于无功大范围调节的方式;3) 运行于发电-电动方式。双馈型异步发电机的运行理论机组的运行稳定性提高，可更多地吸收无功功率，改善目前由于晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面。利用矢量变换控制技术，综合改变DFIG转子励磁电流的相位和幅值，可以实现DFIG输出有功功率和无功功率的解耦控制，因此，在功率调节上DFIG较同步发电机有更多的优越性。
由于DFIG具有同步发电机所不具备的变速恒频运行的能力，使它在以下几方面的应用中有明显的优势：(1) 在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电。在很多发电场合中，原动机转速是时刻变化的，如潮汐电站中，水头是变化的，使水轮机转速也变化；风力发电中，随风速的变化风力机转速也会变化；船舶与航空发电机的转速跟着推进器的速度而变化。以往的发电方式中，由于受电网频率和同步发电机特性的限制，发电机转速不能变，迫使原动机在不同水头、不同风力等情况下维持一个转速，使得机组运行效率降低，原动机磨损增大，发电质量下降或被迫降低出力，甚至停机。DFIG可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的运行效率，降低了机组的磨损，延长了机组的使用寿命。 (2) 能参与电力系统的无功功率调节，提高系统稳定性现代电力系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，输电线电压等级逐渐提高。此外，电网负荷变化率也随社会需求越来越大，经常出现输电线传输有功功率高于其自然功率的工况。这时线路出现过剩无功功率，引起持续工频过电压，这会危及系统的安全运行和增加损耗。目前解决的办法是在线路上加装静止电抗器、调相机或静止无功补偿器，或要求发电机进相运行，这些措施提高了运行的技术和经济成本。由于DFIG可以调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可通过交流励磁使发电机吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。(3) 可实现发电机安全、便捷的并网P 采用同步发电机或异步发电机时，并网控制较为复杂，往往需要精确的转速控制和整步、准同步操作。而采用DFIG时，通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定子输出电压，使其满足并网要求，实现安全而快速的“柔性”并网操作。从上面的讨论中可以看出，具有变速恒频运行的能力是DFIG一个非常重要的优势。变速恒频的机理可用图2.1来进一步说明。 图2.1中、分别为DIFG定、转子电流的频率，为定子磁场的转速，即同步转速， 为转子磁场相对于转子的转速，为DFIG转子的电转速。由电机学的知识可知，DFIG 稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即 从上式可知，当发电机转速变化时，可通过调节转子励磁电流频率保持定子输出电能频率恒定，这是变速恒频运行的原理。当发电机亚同步运行时，转子绕组相序与定子相同；当发电机超同步运行时，转子绕组相序与定子相反；当发电机同步速运行时，，转子进行直流励磁。 由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统系统完成。除了永磁直驱同步发电机可以直接并网外，还可以构成风力发电机（群），比如ABB公司的“Windformer” 采用的是高压永磁直驱同步发电机（群），结构如下： 单机容量为3～5MW，输出额定电压高达20kV，频率为5～10Hz，每一台发电机机端只配置有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行，既提高了可靠性，又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成50Hz的交流电，电压为12kV，可直接并入当地电网使用，也可经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120％以上。但使用IGBT逆变器也带来一些好处：①使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。②有功功率和无功功率的控制更为方便。③大功率IGBT很容易驱动。④IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。⑤开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒，使得管子功耗小。⑥目前单管容量已经较大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA 电流，FZ 等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关3.6kA电流。包含各类专业文献、应用写作文书、各类资格考试、中学教育、高等教育、外语学习资料、行业资料、文学作品欣赏、74变速双馈风力发电机工作原理等内容。　
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