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风力发电机工作原理及常见机械故障

风力发电机工作原理及常见机械故障 中自庆安
2021-11-19
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导读:风力发电机是将风能转换为机械能然后再通过发电机进一步转换为电能的机械设备

目前国内投运的风力发电机组按传动方式不同主要可分为永磁同步直驱型风力发电机、双馈异步电机型风力发电机、半直驱风力发电机组。


1
永磁同步直驱型风力发电机

2
双馈异步电机型风力发电机

3
半直驱风力发电机组

Q
什么是变桨系统?

A:

风力发电机组的变桨距是指整个叶片绕叶片中心轴旋转,使叶片攻角在一定范围(一般0°~90°)内变化,以便调节输出功率不超过设计容许值。在机组出现故障时,需要紧急停机,一般应先使叶片顺桨,这样机组结构中受力小,可以保证机组运行的安全可靠性。

Q
什么是偏航系统?

A:

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。

大中型风力机一般采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、偏航制动器(偏航阻尼或偏航卡钳)、回转体大齿轮等。其工作原理如下:

风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里,经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令,为了减少偏航时的陀螺力矩,电机转速将通过同轴联接的减速器减速后,将偏航力矩作用在回转体大齿轮上,带动风轮偏航对风,当对风完成后,风向标失去电信号,电机停止工作,偏航过程结束。

风力发电机的偏航系统可以起到自动对风和风轮保护的作用。

划重点!!!!!

风力发电机常见机械故障有哪些

叶片
01
由于风电机组多处于边远沙漠或近海域等地区,叶片工作环境复杂且恶劣,长期遭受风沙等硬物撞击和摩擦,导致叶片表面磨损或表层脱落;叶片的腐蚀主要由雨蚀和粒子侵蚀引起,雨蚀是造成叶片前缘腐蚀最重要的因素,粒子侵蚀主要是由叶片运行过程中粒子对前缘的高速撞击引起的叶片前缘腐蚀,空气中的风沙等对表面的摩擦加速了腐蚀过程,最终出现表层脱落现象,当叶片没有表层保护时,更容易受到外界环境的侵害,侵害严重时会导致叶片失效。
叶片常见的故障模式有叶片裂纹、开裂、表面磨损或脱落、边缘损伤、雷击导致的叶尖开裂等,损伤严重时会发生叶片断裂情况。此外,在冬季寒冷地区,叶片表面还会出现覆冰,导致叶片载荷过大而加速失效。
风电机组风轮叶片在现场运行时,受到损伤是难以避免的事情,在叶片损伤发生初期,如果能及时发现和维护,可以有效地防止损伤进一步发展,延长叶片使用寿命,避免不必要的停机,提高发电效率,节约维修成本。目前可用于风机叶片状态监测的技术方法有振动监测、应变监测、声音监测、声发射监测等等。其中振动监测因其安装简单方便、试验准确性高、监测准确率高而受到广泛重视,也是目前叶片状态监测应用最广泛的手段之一。

发电机
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发电机是风电机组的核心部件,负责将旋转的机械能转化为电能。发电机长期运行于变工况和电磁环境中,容易发生故障。

发电机故障主要发生于定转子绕组、转子轴及轴承处,主要故障包括:定子相绕组匝间短路或异常连接、转子绕组匝间短路、转子动、静态偏心、定转子间相互摩擦、轴承故障等。根据统计,轴承故障在双馈式发电机中出现频率最高,约占全部的40%,紧随其后,定子故障占全部的38%,转子故障占全部的10%。故障会对发电机运行状态带来各种不利影响,如转矩波动增大、平均转矩减少、发热过大、发电效率降低、输出电量不对称等。

变桨轴承
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变桨系统作为一个电气与机械相结合的系统。

变桨系统作为一个以控制功能为主的系统,其控制系统占变桨系统很大一部分比例,且控制系统中多为电气元件或线路连接,相较于机械结构更易损坏。因此,变桨系统绝大多数故障集中在变桨控制系统上。据统计数据表明,在变桨系统中,最常发生故障的结构部件为:变桨伺服驱动器、备用电源蓄电池、变桨电机、角度编码器、滑环和变桨限位开关。但是在现实变桨系统故障检测中,这些故障通常都不会被直接检测出来,而是以变桨错误、变桨角度异常、电压过低、电流过大等故障形式被检测出来。

变桨系统的机械系统相对简单,常见故障包括:变桨轴承故障及变桨轴承螺栓松动。螺栓松动将引起风速大小和方向的改变,并因此形成陀螺力矩,最终导致变桨转矩异常。造成螺栓松动的另一个原因是出于惯性载荷的影响,通过叶片振动导致螺栓松动,因此致使叶片受力不均。此外,减速器的故障或损坏也会造成变桨转矩异常。

偏航系统
04

在风力发电机中,机械部件比电气部件更容易坏,而机械部件中,偏航系统部件又是机械中经常出现故障的重点问题。常见的偏航系统包括:偏航电机、偏航减速器、机舱位置传感器、偏航加脂器、毛毡齿润滑器、偏航轴承、偏航刹车闸、偏航刹车盘。

风力发电机偏航系统常见故障模式有:偏航位置故障、偏航反馈丢失和偏航速度故障(偏航过载)等。

齿轮箱

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齿轮箱系统一般包括齿轮、轴承、轴和箱体4部分,其零部件如齿轮、轴和轴承的加工工艺复杂,装配精度高,其状态的好坏往往直接影响到机械设备的正常工作。

风力发电机常常在高速重载荷下连续工作,且启停机频繁,齿轮箱内零部件在长期的疲劳载荷作用下易发生齿面损伤、断齿、轴承损坏、断轴等失效。




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