风力机中不可或缺的齿轮箱

并网型风力机必须发出频率和电压非常稳定的交流电。由于一天中风速时刻变化，叶片也会随着风速变化而相应改变。多年来风速的不确定性给风力发电机组的设计带来了许多问题，设计师们要设计出即使在低风速情况下也能够尽可能多地吸收风能的风力机。风速较低时，叶片转速比高风速时要慢很多。如果叶片直接与发电机相连，意味着叶片的转速变化时刻影响着发电机的转速。正如本书第6章中介绍到的，叶片的转速直接影响着发电机输出交流电的电压和频率水平。

如果风力机应用在需要将输出电压转换成直流电压的场合时，电压频率就变得无关紧要，因为可以用变流器将任何频率的交流电转换成直流电。一些规模较小的风电机组作为独立电源使用时，可以为偏远地点的居民和建筑物提供电力，或将直流电储存在蓄电池中以备使用。直流电只能用于照明和取暖设备，或用于有直流电动机的场合。在这种类型的应用中，发电机可直接和风力机连接，叶片在任何转速下发电机都可以工作。

当并入电网时，风力机发出的电压和频率必须与电网相符。这种情况下，频率和电压的百分比偏差是严格控制在±0.5%以内的。在并网型风力机中，有些风力机需要使用电力变流器，将任何频率和电压等级下的交流电整流成直流，然后再逆变成电压和频率恒定的交流电。这种变流器的设计必须能够在风速最大、叶片转速最高时满足发电机最大输出电能的变换需要。该类型的风力机必须限制叶片的最高转速，以免造成发电机过载或变流器无法控制。如果风力机的最高速度得不到限制，就可能使发电机发出过高的电压和电流，从而导致发电机和变流器过热或严重损坏。

一种控制发电机转速的方法是采用齿轮箱实现叶片和发电机之间的能量传输。齿轮箱内部的齿轮是按特定传动比设计的，当连接叶片的齿轮箱输入轴转速较低时，将会被增至发电机所需的更高速度。发电机需要运行在一个相对高的转速才可以发出60Hz的交流电。例如，为了发出60Hz的交流电，两极发电机必须运行在3600r/min转速下，而4极发电机必须运行在1800r/min转速下。大型商用风力发电机叶片的转速可能会非常慢，处于最佳负荷时大概为10～20r/min。而一些为家庭设计的小规模风力发电机，风速较高时转速可能达300～600r/min。在所有的风力发电机中，上述速度远低于发电机发出特定频率所需要的1800r/min转速。

考虑到风速的时变问题和叶片的低速问题，可以通过齿轮箱来调整机组的转速，就与汽车中用齿轮箱来保证发动机转速相对稳定类似，通过不断地改变传动比来调整齿轮箱的输出转速。因此无论叶片转速是多少，都可以通过持续地调整齿轮箱传动比，使风力机保持一个几乎恒定的转速。由此可知，齿轮箱是风力机必不可少的组成部分。图7-1为风力机结构，包括叶片、发电机、齿轮箱以及其他一些基本组件。叶片和风轮转子位于风力机的前部，齿轮箱和发电机则靠近机舱尾部，风速计风向仪表位于机舱尾部的顶端，风速计风向仪的作用是检测风向和风速并把信息传输给主计算机或控制器。偏航控制系统由一个环形齿轮和偏航驱动电动机组成，偏航驱动电动机用于驱动安装于塔架顶部的机舱旋进或旋出风向。(www.xing528.com)

图7-1 风力发电机基本结构，显示了风力机叶片、齿轮箱和发电机的相对位置，也显示出了在机舱内的安装位置（图片来源：Fotolia@Stephen Sweet）

在介绍完齿轮箱的安装位置之后，接下来介绍齿轮箱的运行原理和齿轮箱中不同类型齿轮的作用。齿轮箱以及传动轴并不是新的设备，它们很早就应用在一些工业中，如采用大型电动机驱动或发动机驱动的水泵和发电机。多年来齿轮箱也用在大型柴油发动机驱动的大型土方和采矿设备，以及大型卡车和其他类型车辆的传动中。在这些设备中齿轮箱应用广泛，技术日趋完善，可靠性越来越强，即使长时间工作也不需要大修。随着制造业和工业生产中齿轮箱技术不断提高，齿轮啮合误差不断减小，使得齿轮磨损显著减小，齿轮工作寿命大大提高。这些年应用在齿轮箱内的润滑剂和冷却剂的不断改善，也延长了齿轮箱部件的使用寿命。

随着新技术和新设备的出现，叶片、转子和风力发电机之间的定位精确性大大提高，从而减小了因错误定位而引起的振动。齿轮箱的使用寿命也逐渐延长，可靠性也变得更高。本章还将详细介绍齿轮和齿轮箱，使读者进一步了解齿轮的多种功能，如调向、调速、转矩调节和能量传递等。