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2 风力发电机原理及解缆原理
2.1 风力机的种类
目前，风力机的结构有很多种，可以从不同角度分为很多种。
（1）根据主轴与地面之间的相对位置，可以分为垂直轴和水平轴风电机。 （2）根据叶片的工作原理，可分为阻力型和升力型风电机。
（3）由叶片的数量分类，一般风力发电机叶片数量取1~4片，其中3片式风力发电机居多。
（4）按照风力机的用途，可分为风力发电机、风力提水机、风力碾磨机等[6]。 本文研究的是三叶片水平轴发电机。
2.2 风力发电机的基本原理
风力机是利用风轮接收风能，并将风能转化为机械能使得轮轴转动，再由风轮带动发电机轴承转动，通过电网传输出去。
风轮主要由螺旋桨式的叶片组成。当气流流经翼型叶片时，叶片上面气流速度增高，压力下降，叶片下面几乎保持原来的气流压力，于是叶片受到了向上的作用力。此力可分解成与气流方向平行的力FX（称为阻力）和与气流方向垂直的力FY（称为升力）。风从左方吹来，叶片产生的升力FY和阻力FX。阻力是风对风轮的正面压力，由风力机的塔架承受；升力是推动风轮旋转的动力。
图2-1 气体流经叶片的受力示意图
现代风力发电机的叶片都制成螺旋桨式的，其原因如下所述。风以V的速度吹向风轮旋转平面，风轮以ω角速度旋转，风相对翼型的风速为
(2-1)
vr?wr?v假如相对风速Vr与翼型的弦的夹角а是最佳攻角值，此时的升力系数为CYmax(约为12~14?)，这是我们所希望的。然而，由于叶片各截面的旋转半径r不同，因此，各截面的相对风速Vr也不同，甚至在某些截面上升力系数为负值。所以，要把叶片制成沿
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叶片长度方向呈扭曲的螺旋状，让整个叶片由根部到尖部各截面翼型的弦与对应处的相对风速Vr大致相同，并应使其在最佳攻角值附近。使风力尽可能多的转换成叶片的升力。此升力由叶柄传给风轮轴，再由风轮轴将机械能输送出去[7]。
图2-2 风力发电原理图
2.3 风力发电机结构
风力发电机的样式虽然很多,但其原理和结构总的说来还是大同小异的。在目前主要是以水平轴、上风向、三叶片的机组为主。其中又有定桨距和变桨距风轮，定转速和变转速发电机[8]。一般风力发电机主要由以下几部分组成: 风轮、传动机构(增速箱) 、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等[9]。
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图2-3 风力发电机主要结构
（1）叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。
（2）轮毂：轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片根部与主轴的连接件。
（3）机舱内框架：包含着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。
（4）叶轮轴：与主轴连接。 （5）主轴。
（6）齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。 （7）刹车盘：紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。 （8）发电机的连接。
（9）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
（10）散热器：降低风机内部工作温度，确保运行稳定。 （11）冷却风扇：用于冷却发电机的风扇。 （12）风测量系统：用于测量风速及风向。
（13）控制系统：控制系统可以自动停止风电机的转动，防止任何故障（如齿轮箱或发电机的过热），通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。
（14）液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。
（15）偏航驱动：控制偏航，借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。
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（16）偏航轴承：解缆驱动器下面有一个小齿轮与一个大的齿轮啮合，这个大齿轮称作偏航轴承。
（17）机舱盖：将机舱与外界隔离，减少天气因素对风力发电机正常工作的影响。 （18）塔架：风力机的塔架除了要支撑风力机的重量, 还要承受吹向风力机和塔架的风压, 以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系,。风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。塔架可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。
（19）桨叶连接。
2.4 风力发电机解缆控制系统的介绍及工作原理
解缆控制系统一般分为液压控制和电机控制两种。
（1）液压控制在大功率风电机的控制驱动系统中的应用非常广泛，它的优点在于结构紧凑，调速范围广，分离式单元设计利于空间配置等特点。但是由于它分离式单元设计的独特性，也存在着功能设计不够完善，控制精度不高的缺点。另外由于风力发电机所处的工作环境，使其受到风雨沙尘的侵蚀和风机自身振动会对液压系统的元件失效或产生误动作[10]。
（2）电机控制的优势在于结构简单，维护方便。缺点是调速性不高。由于解缆控制对于调速方面没有过高的要求，所以这一方面的不足可以忽略不计。
解缆控制系统的工作原理是当电缆发生缠绕时根据纽缆传感器的信号进行自动解缆。解缆系统可以分为纽缆传感器控制的自动解缆和纽缆开关控制的安全链保护两种（安全链是风力发电机最高级控制命令，凌驾于风力发电机所以控制系统之上）。当电缆缠绕达到设定值时，解缆控制系统根据纽缆传感器发出的信号控制解缆驱动器回转相同转数进行电缆解绕，确保电缆的安全送电和信号电缆的正常工作。若控制系统由于故障或其他原因没有自动进行解缆，当电缆缠绕达到允许的极限时，触发纽缆开关的安全链保护，风力发电机紧急强制停机，等待人工处理[11]。
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3 风机解缆系统硬件结构设计
3.1 解缆系统硬件结构
限位开关PLC风速仪接近开关解缆驱动器机舱偏航齿轮图3-1 解缆系统硬件结构框图
减速器
PLC：为解缆系统的核心元件，根据风速仪，接近开关，限位开关的信号，控制风力发电机进行解缆运行。
风速仪：检测风速。
解缆驱动器：利用三相异步电机带动风力发电机进行解缆。
减速器：降低电机输出转速，降低对风力发电机的冲击并达到合理的解缆时间。 接近开关：有两个作用，一是检测记录齿数检测风力发电机绕缆到达2圈，二是在解缆时检测记录回转相同齿数。
限位开关：检测风力发电机绕缆到达3圈或4圈。
3.2 解缆系统硬件的选型
解缆系统由PLC，解缆驱动器（三相异步电机），限位开关，位置传感器、风速仪组成。
3.2.1 电动机选型
由于电机是用于解缆控制，需要电机有以下几种特性： （1）制动迅速。 （2）结构简单。 （3）可靠性高。 （4）准确性好。 （5）通用性强。
根据以上几点要求，选用YEJ系列制动电动机。它是全封闭自扇冷式鼠笼型具有附