探析小型風力發電機的使用與故障排除

羅四云

摘 要

隨著資源節約型、環境友好型社會建設的不斷推進，風力發電的受關注程度大幅提升，小型風力發電機也成為各領域關注的焦點。基于此，本文將簡單分析小型風力發電機的結構，并圍繞小型風力發電機的選型和使用要點、故障排除開展深入研究，希望研究內容能夠為相關生產廠家和用戶帶來一定啟發。

關鍵詞

小型風力發電機;故障排除;使用要點

中圖分類號： TM315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 45

0 前言

小型風力發電機在使用過程中很容易出現故障，如劇烈振動、輸出異常、風輪轉速異常、調向不靈、電壓下降過快、電壓偏低或不穩、燒壞用電器等。為快速有效的處理各類故障，正是本文圍繞小型風力發電機的使用與故障排除開展具體研究的原因所在。

1 小型風力發電機的結構分析

1.1 水平軸

小型風力發電機可細分為水平軸與垂直軸兩類，在設計方法、風能利用率、起動風速、結構特點方面，兩類小型風力發電機存在顯著區別。水平軸小型風力發電機一般采用“動量-葉素”理論進行葉片設計，如Wilson法、Glauert法，葉片外形設計受到的影響較小，但風輪的風能利用率會受到較大影響。一般情況下，水平軸小型風力發電機的風能利用率在23%～29%左右，起動風速一般在4～5m/s區間。在旋轉一周的過程中，在重力和慣性力的綜合作用下，受始終不變的重力方向和隨時變換的慣性力方向影響，葉片將受到交變載荷的影響，其疲勞強度會因此受到較大挑戰。以圖1所示的30kW的永磁小型風力發電機為例，其一般啟動風速為2.5m/s，工作風速為3-20m/s，安全風速為52.5m/s，這類小型風力發電機的安裝、維護和檢修工作需關注多方面因素影響[1]。

1.2 三葉輪

風輪屬于小型風力發電機的重要機構之一，由輪轂、葉片等部件組成，負責將風能轉換為機械能，需采用具有空氣動力學外形的葉片。三葉輪屬于小型風力發電機常用風輪，具備輪轂簡單、受力平衡好、穩定性好、動態荷載小的特點，在高葉尖速比運行時，三葉輪的風能利用系數較高。

1.3上風向主動對風偏航方式

水平軸小型風力發電機需進行偏航控制，以此保證風輪對準風向，實現最大風能的吸收，這一目標的實現便需針對性選擇偏航方式，上風向主動對風偏航方式便屬于其中典型。上風向主動對風偏航方式采用液壓或電動的可控對風方式，該主動偏航機構由偏航電機、減速機、回轉軸、軸承、渦輪等組成，典型的上風向主動對風偏航機構如圖2所示[2]。

2 小型風力發電機的選型和使用要點

2.1 選型要點

小型風力發電機的選型直接影響使用效果，因此需根據風力資源情況、風速、電器負荷、無風期時間長短進行選型。基于風力資源情況，需對當地風速活動規律及分布情況進行調查，一年中連續無風期、年平均風速、主要風向也需要得到選型中得到考慮;基于風速，可選擇小型永磁式風力發電機用于年平均風速2.5m/s（風力2級）以上地區，其能夠在風速6m/s（風力4級）以上時達到額定功率，且能夠在風速4～5m/s（風力3級）以上時充電。如區域年平均風速在6～8m/s（風力在4～5級）以上時，可選擇勵磁式風力發電機，其會在風速6m/s以上時充電，額定功率會在風速8m/s以上時達到;基于電器負荷，需保證家庭所用電器的總功率略小于小型風力發電機的額定功率，滿足各電器能正常工作需要;基于無風期時間長短，需針對性選擇小型風力發電機配套的蓄電池，以此合理控制蓄電池容量。

2.2 使用要點

在完成小型風力發電機的選型后，需對其進行全面的調試、檢查，以此保證安裝后各零部件不存在異響和異常現象，各類故障也需要及時排除。各聯接件檢查需要試運轉結束后全面進行，正式投入作業前需保證各聯接件無松動;小型風力發電機一般會設有保護裝置，以此實現狂風時的低速運轉或輪停，保證用電設備和機組的安全。但值得注意的是，人為制動使風輪停轉僅可在風暴天氣進行，否則將導致蓄電池虧電;需保證蓄電池額定輸出功率不大于所用電器的耗電量，無風時應僅開展重點用電，風力減小應適當節約用電，以此避免虧電問題出現;對于小型風力發電機安裝的逆變器，需保證其能夠較好滿足有風、無風時的供電需要，并采用線徑粗一些的銅導線作為控制器、逆變器、蓄電池間的聯接導線，線距應盡可能縮短，線路電損可由此降低;風力發電機塔架及拉線應禁止兒童攀爬、不得拴牲畜，風輪旋轉平面內不得進行其他作業或站人，并避免風機拆卸、安裝、運輸過程抬葉片及尾翼，否則將導致尾翼變形或葉片折斷;發電機運轉情況需得到經常性檢查，開式螺旋緊線扣和線夾的脫扣現象、拉線地釘和地錨的松動情況、塔架異響或劇烈抖動、運轉不穩等情況需得到重點關注;需每年拆卸、清洗、潤滑風輪調速部位、機頭回轉體、發電機，并避免風輪的平衡被破壞[3]。

3 小型風力發電機的故障排除方法

3.1 劇烈振動故障排除方法

作為小型風力發電機的常見故障，劇烈振動故障一般表現為風機機身及機頭存在明顯振動、風輪運轉不平穩，松動的緊固件如立柱拉索、發電機底座螺栓、尾翼固定螺釘、塔架地腳螺栓均可能引發振動，風輪葉片表面結冰或葉片變形、變槳距風輪卡住、風輪與其他部位有摩擦、發電機軸承損壞，也可能導致劇烈振動故障出現。在故障排除過程中，需明確故障源頭，針對性采用緊固松動部件、清理葉片表面異物和冰塊、更換發電機軸承或風葉等措施。

3.2 輸出異常故障排除方法

輸出電壓較低或無電流輸出屬于小型風力發電機輸出異常故障的主要表現。多種原因均可能導致輸出電壓較低，如導線線徑太細、低電壓輸電線路過長、控制器或定子繞組存在短路、電機轉速低。無電流輸出主要原因包括發電機軸承損壞、輸出線路接觸不良或斷路、電機交流斷路、控制器中整流器損失、發電機過熱等。在故障的排除過程中，需對線路進行檢查，針對性開展線路調整，保險絲、發電機軸承、整流器等損壞元件的更換，其他部位與風輪的間隙調整也需要得到重視。

3.3 風輪轉速異常故障排除方法

小型風力發電機風輪轉速異常故障主要表現為風輪不轉或轉速明顯降低，發電機軸承潤滑不良或損壞、調速后的變槳距風輪葉片未能及時復位、控制器開關在停機位置、制動盤與制動帶間隙過小、風輪調向復位失靈、發電機定轉子摩擦、風輪葉片變形等均可能引發這類故障。在具體的故障排除過程中，需對相關元件間的間隙進行針對性調整，以此實現摩擦力的減小，發電機軸承的更換、添加潤滑油等方法也需要得到重視。

3.4 調向不靈故障排除方法

低風速時小型風力發電機會因調向不靈故障出現機頭轉動困難、不迎風現象，高風速時則會出現長時間超速旋轉現象并導致風機轉速穩定性被破壞。調向不靈故障主要源于塔架上端軸承潤滑不良或損壞、機座回轉體內存在過多泥沙異物或油泥、立柱上端發生變形。在具體的故障排除過程中，可采用添加潤滑油、更換軸承、定期清理回轉體內泥沙和油泥等措施。

3.5 開展科學有效的維護

為更好預防和處理小型風力發電機的各類故障，科學有效的維護開展也需要得到重視。在小型風力發電機的正常運行過程中，需對風輪運轉正常情況進行經常性觀察，如出現機頭振動或噪聲、運轉不穩等現象，需立即開展停機檢查，保證故障能夠及時排除;地錨、緊固件螺栓、拉索鋼絲繩的松動情況需定期進行檢查，大風過后的檢查極為關鍵，及時調整的開展也不容忽視;電機軸承和立柱軸承、回轉體與立柱上端的光軸等潤滑部位也需要得到嚴格檢查，以此保證潤滑油補充的及時性，避免潤滑油不足現象出現，潤滑保養最長應3個月進行1次，回轉體內的油泥和風沙清理也需要得到重視;在霜凍、大學等天氣下，需做好葉片結冰情況檢查并做好清理工作;蓄電池的日常維護也需要得到重視，電解液的液位高度檢查、導線連接緊固的保持、放電后及時充電的落實均不容忽視。

4 結論

綜上所述，小型風力發電機的故障需關注多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的風輪轉速異常故障排除方法、調向不靈故障排除方法等內容，則提供了可行性較高的故障排除路徑。為更好保證小型風力發電機的安全穩定運行，圍繞啟動、噪音等方面開展的針對性研究也需要得到重視。

參考文獻

[1]杜文強，劉雄飛.基于GE智能平臺的中小型風力機偏航參數測量系統開發[J].自動化應用，2019（08）：46-48.