探析小型风力发电机的使用与故障排除
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摘 要
随着资源节约型、环境友好型社会建设的不断推进，风力发电的受关注程度大幅提升，小型风力发电机也成为各领域关注的焦点。基于此，本文将简单分析小型风力发电机的结构，并围绕小型风力发电机的选型和使用要点、故障排除开展深入研究，希望研究内容能够为相关生产厂家和用户带来一定启发。
关键词
小型风力发电机;故障排除;使用要点
中图分类号： TM315 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 45
0 前言
小型风力发电机在使用过程中很容易出现故障，如剧烈振动、输出异常、风轮转速异常、调向不灵、电压下降过快、电压偏低或不稳、烧坏用电器等。为快速有效的处理各类故障，正是本文围绕小型风力发电机的使用与故障排除开展具体研究的原因所在。
1 小型風力发电机的结构分析
1.1 水平轴
小型风力发电机可细分为水平轴与垂直轴两类，在设计方法、风能利用率、起动风速、结构特点方面，两类小型风力发电机存在显著区别。水平轴小型风力发电机一般采用“动量-叶素”理论进行叶片设计，如Wilson法、Glauert法，叶片外形设计受到的影响较小，但风轮的风能利用率会受到较大影响。一般情况下，水平轴小型风力发电机的风能利用率在23%～29%左右，起动风速一般在4～5m/s区间。在旋转一周的过程中，在重力和惯性力的综合作用下，受始终不变的重力方向和随时变换的惯性力方向影响，叶片将受到交变载荷的影响，其疲劳强度会因此受到较大挑战。以图1所示的30kW的永磁小型风力发电机为例，其一般启动风速为2.5m/s，工作风速为3-20m/s，安全风速为52.5m/s，这类小型风力发电机的安装、维护和检修工作需关注多方面因素影响[1]。
1.2 三叶轮
风轮属于小型风力发电机的重要机构之一，由轮毂、叶片等部件组成，负责将风能转换为机械能，需采用具有空气动力学外形的叶片。三叶轮属于小型风力发电机常用风轮，具备轮毂简单、受力平衡好、稳定性好、动态荷载小的特点，在高叶尖速比运行时，三叶轮的风能利用系数较高。
1.3上风向主动对风偏航方式
水平轴小型风力发电机需进行偏航控制，以此保证风轮对准风向，实现最大风能的吸收，这一目标的实现便需针对性选择偏航方式，上风向主动对风偏航方式便属于其中典型。上风向主动对风偏航方式采用液压或电动的可控对风方式，该主动偏航机构由偏航电机、减速机、回转轴、轴承、涡轮等组成，典型的上风向主动对风偏航机构如图2所示[2]。
2 小型风力发电机的选型和使用要点
2.1 选型要点
小型风力发电机的选型直接影响使用效果，因此需根据风力资源情况、风速、电器负荷、无风期时间长短进行选型。基于风力资源情况，需对当地风速活动规律及分布情况进行调查，一年中连续无风期、年平均风速、主要风向也需要得到选型中得到考虑;基于风速，可选择小型永磁式风力发电机用于年平均风速2.5m/s（风力2级）以上地区，其能够在风速6m/s（风力4级）以上时达到额定功率，且能够在风速4～5m/s（风力3级）以上时充电。如区域年平均风速在6～8m/s（风力在4～5级）以上时，可选择励磁式风力发电机，其会在风速6m/s以上时充电，额定功率会在风速8m/s以上时达到;基于电器负荷，需保证家庭所用电器的总功率略小于小型风力发电机的额定功率，满足各电器能正常工作需要;基于无风期时间长短，需针对性选择小型风力发电机配套的蓄电池，以此合理控制蓄电池容量。
2.2 使用要点
在完成小型风力发电机的选型后，需对其进行全面的调试、检查，以此保证安装后各零部件不存在异响和异常现象，各类故障也需要及时排除。各联接件检查需要试运转结束后全面进行，正式投入作业前需保证各联接件无松动;小型风力发电机一般会设有保护装置，以此实现狂风时的低速运转或轮停，保证用电设备和机组的安全。但值得注意的是，人为制动使风轮停转仅可在风暴天气进行，否则将导致蓄电池亏电;需保证蓄电池额定输出功率不大于所用电器的耗电量，无风时应仅开展重点用电，风力减小应适当节约用电，以此避免亏电问题出现;对于小型风力发电机安装的逆变器，需保证其能够较好满足有风、无风时的供电需要，并采用线径粗一些的铜导线作为控制器、逆变器、蓄电池间的联接导线，线距应尽可能缩短，线路电损可由此降低;风力发电机塔架及拉线应禁止儿童攀爬、不得拴牲畜，风轮旋转平面内不得进行其他作业或站人，并避免风机拆卸、安装、运输过程抬叶片及尾翼，否则将导致尾翼变形或叶片折断;发电机运转情况需得到经常性检查，开式螺旋紧线扣和线夹的脱扣现象、拉线地钉和地锚的松动情况、塔架异响或剧烈抖动、运转不稳等情况需得到重点关注;需每年拆卸、清洗、润滑风轮调速部位、机头回转体、发电机，并避免风轮的平衡被破坏[3]。
3 小型风力发电机的故障排除方法
3.1 剧烈振动故障排除方法
作为小型风力发电机的常见故障，剧烈振动故障一般表现为风机机身及机头存在明显振动、风轮运转不平稳，松动的紧固件如立柱拉索、发电机底座螺栓、尾翼固定螺钉、塔架地脚螺栓均可能引发振动，风轮叶片表面结冰或叶片变形、变桨距风轮卡住、风轮与其他部位有摩擦、发电机轴承损坏，也可能导致剧烈振动故障出现。在故障排除过程中，需明确故障源头，针对性采用紧固松动部件、清理叶片表面异物和冰块、更换发电机轴承或风叶等措施。
3.2 输出异常故障排除方法
输出电压较低或无电流输出属于小型风力发电机输出异常故障的主要表现。多种原因均可能导致输出电压较低，如导线线径太细、低电压输电线路过长、控制器或定子绕组存在短路、电机转速低。无电流输出主要原因包括发电机轴承损坏、输出线路接触不良或断路、电机交流断路、控制器中整流器损失、发电机过热等。在故障的排除过程中，需对线路进行检查，针对性开展线路调整，保险丝、发电机轴承、整流器等损坏元件的更换，其他部位与风轮的间隙调整也需要得到重视。 3.3 风轮转速异常故障排除方法
小型风力发电机风轮转速异常故障主要表现为风轮不转或转速明显降低，发电机轴承润滑不良或损坏、调速后的变桨距风轮叶片未能及时复位、控制器开关在停机位置、制动盘与制动带间隙过小、风轮调向复位失灵、发电机定转子摩擦、风轮叶片变形等均可能引发这类故障。在具体的故障排除过程中，需对相关元件间的间隙进行针对性调整，以此实现摩擦力的减小，发电机轴承的更换、添加润滑油等方法也需要得到重视。
3.4 调向不灵故障排除方法
低风速时小型风力发电机会因调向不灵故障出现机头转动困难、不迎风现象，高风速时则会出现长时间超速旋转现象并导致风机转速稳定性被破坏。调向不灵故障主要源于塔架上端轴承润滑不良或损坏、机座回转体内存在过多泥沙异物或油泥、立柱上端发生变形。在具体的故障排除过程中，可采用添加润滑油、更换轴承、定期清理回转体内泥沙和油泥等措施。
3.5 开展科学有效的维护
为更好预防和处理小型风力发电机的各类故障，科学有效的维护开展也需要得到重视。在小型风力发电机的正常运行过程中，需对风轮运转正常情况进行经常性观察，如出现机头振动或噪声、运转不稳等现象，需立即开展停机检查，保证故障能够及时排除;地錨、紧固件螺栓、拉索钢丝绳的松动情况需定期进行检查，大风过后的检查极为关键，及时调整的开展也不容忽视;电机轴承和立柱轴承、回转体与立柱上端的光轴等润滑部位也需要得到严格检查，以此保证润滑油补充的及时性，避免润滑油不足现象出现，润滑保养最长应3个月进行1次，回转体内的油泥和风沙清理也需要得到重视;在霜冻、大学等天气下，需做好叶片结冰情况检查并做好清理工作;蓄电池的日常维护也需要得到重视，电解液的液位高度检查、导线连接紧固的保持、放电后及时充电的落实均不容忽视。
4 结论
综上所述，小型风力发电机的故障需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的风轮转速异常故障排除方法、调向不灵故障排除方法等内容，则提供了可行性较高的故障排除路径。为更好保证小型风力发电机的安全稳定运行，围绕启动、噪音等方面开展的针对性研究也需要得到重视。
参考文献
[1]杜文强，刘雄飞.基于GE智能平台的中小型风力机偏航参数测量系统开发[J].自动化应用，2019（08）：46-48.
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