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直驱式水平轴风力发电机
Direct Drive Wind Turbine

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。

一种专门为风力机设计制造的低转速发电机可以用风轮直接驱动,这种发电机是一种多极发电机,而且多用永久磁体励磁。在“直驱式风力发电机”栏目里介绍了几种常用的直驱风力发电机,本节就一个直驱式风力发电机模型介绍其机舱设备的布置。本模型参考一些典型的直驱式风力发电机产品图片绘制,图片仅是主要设备安装布局示意图。

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。图1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。

直驱风力发电机机舱内有偏航装置、定子机架

图1-- 机舱内有偏航装置、定子机架与转子主轴

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,见图2。

直驱风力发电机安装定子铁芯与三相绕组

图2--机座的机架上安装定子铁芯与三相绕组

把装有永久磁极的内转子安装在机座的转轴上,见图3

直驱风力发电机安装有定子与永磁转子

图3--安装有定子与永磁转子的机舱

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,见图4

直驱式永磁风力发电机基本结构

图4--直驱式永磁风力发电机基本结构图之一

这就是一个直驱式永磁风力发电机的基本结构,图5是该风力发电机的另一个角度的视图。

直驱式永磁风力发电机基本结构之二

图5--直驱式永磁风力发电机基本结构图之二

在目前风力发电机中,直驱式风力发电机用的越来越多,在中小型风力发电机(包括垂直轴风力发电机)都有应用,目前世界上最大的水平轴风力发电机就是直驱式的。

下面请观看直驱永磁风力发电机运转的3D动画,动画格式.mp4;分辨率640×480。

  直驱式永磁风力发电机3D动画  

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。

由于变流器必须把发电机输出的全部电能都进行转换,所以变流器的容量必须大于发电机的功率,称之为全功率变流器。全功率变流器价格非常昂贵,这也是直驱式风力发电机的缺点之一,好在现在高压大功率器件价格逐渐降低,有利于直驱式风力发电机的推广应用。

 
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