风力机调速方式

失速控制转速

对于小型风力发电机多用定桨变速模式，即桨叶是固定在转轴上的，风小转速低、风大转速高，当风速过高时还可以通过失速来扼制转速的飙升、保护发电机，也可认为是定桨变速加失速模式，这种模式在中型风力机也有应用。下面来分析一下这种失速控制转速的模式。

下面是一幅翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线图，在曲线中可看出，翼型在攻角α大于11度时开始失速，升力骤然下降，阻力大幅上升，开始失速的攻角α的值称为失速角。

下图是一台风力机桨叶的截面（翼型）受力分析图，该翼型弦线与风轮旋转平面的固定夹角β称为桨距角，对于固定浆叶桨距角是不变的。相对翼型的风速是外来风速v与翼型线速度u合成的相对风速w，相对风速w与翼型弦线间的夹角α是翼型的攻角。

图中左面是翼型运行在允许的转速之内（低于最高转速）时状态，翼型的攻角α应小于失速角（11度）。翼型升力Fl与阻力Fd的合力为F1，F1在风轮旋转平面上的投影F就是推动翼型运动的力。风速v低时攻角小，则F小就转速低；风速v高时攻角大，则F大就转速高。

当风速上升风轮转速超过允许的转速时，翼型的攻角大于11度后就进入失速状态，图中右面就表示了这一状态。尽管风速v加大许多，但升力Fl却下降了、阻力Fd大大增加了，结果是F反而减小了，从而抑制了转速的上升。

失速是翼型运行在非正常状态，是不稳定的状态；而且失速角也不是一成不变的，它受到空气温度、湿度等变化的影响，例如空气温度或湿度增大或桨叶上附有灰尘时失速角就会减小、升力系数就会下降；再说翼型失速后再返回失速前的攻角时并不是沿原曲线返回，所以失速是不可能稳定的控制转速，失速控制的范围也是有限的。但这种模式运行的风力机结构简单，造价低是其优点。

变桨距调节转速

有变桨距调节转速功能的风力机的工作在变桨定速模式与变速变桨模式。变桨定速模式用在发电机直接并网的工作状态，因为发电机要与电网频率同步。

实际上现在流行的是变速变桨模式，所谓变速就是指发电机在较低的风速较低的转速时就开始发电，转速随风速增加，一直到额定风速，此时虽未进入失速状态但仍可选择合适的桨距角以获得最大功率输出；当风速超过额定风速继续增加时则通过增大桨距角以保持转速稳定在额定转速，使输出功率稳定维持。所以说变速变桨模式使风力机从低风到高的风力下均可发电，大大提高了风力发电的效率。而且在遇到强风时可把桨叶调为顺风状态以减小冲击，保护风力机安全。

桨距调节系统

桨叶的桨距调节通过电动或液压推动进行，下图是一台风力机的电动变桨距系统。风力机主轴上安装着轮毂，在轮毂圆周分布着3个变桨距齿轮，齿轮内侧有轴承，桨叶根部安装在轴承内，桨叶在轴承内旋转就改变了桨距角。在桨叶根部安装有变桨距驱动电动机，其减速器输出接有小齿轮与变桨距齿轮啮合，当电动机转动时即可改变桨距角。3个桨叶各有一套变桨距驱动电动机与相关部件，也称为独立电动变桨系统，尽管3个变桨装置独立，但他们的桨距角变化是按规律同步的。

也有采用一台变桨距驱动电动机通过齿轮或连杆同时带动3个桨叶同时变距的，这里就不介绍了。

下面是变桨距系统3D动画，动画前段演示轮毂内变桨距驱动电动机等装置，动画后段演示风轮叶片的变桨距动作。