自制风力发电机

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国外牛人DIY自制风力发电机全过程
风力发电机原理
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。 风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。
风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。
风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。
限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。
塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定 的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含 量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转 为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产 生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电 能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会 比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说 一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。
使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风 力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进 步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公 路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防 止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电 方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。
简单来说：风力发电原理是把风的动能转换为风轮轴的机械能转换为电能到化学能最后到电能！
发电机还是有三种：直流发电机，同步/异步交流发电机！
详细的制作过程如下：

叶片直径2.4m的成品

报废轿车的轮毂作为风电机的轮毂

更换轮毂轴承

绕线机——用来绕制风电机线圈

绕制线圈

绕好的线圈——作为定子

引出线头镀锡

定子线圈在模子里排列成一圈

模子里倒入树脂固化

磁铁排列成一圈——作为转子，倒入树脂并固化

你看锯子都被吸住了，磁性很好

定子和转子进行拼合

脱模

浇注好的定子中心上准备装上转轴，白色的塑料圈是用来倒入树脂的

浇注固化好的定子转轴

进行风电机组装

制作叶片

叶片组装前检验

叶片装在转子上

叶片根部细节

制作整流转换器

接线
自制风力发电机-装上转子，用卡片使定子和转子之间保持1.5mm左右的间隙

自制风力发电机-装配叶片

自制风力发电机-风电机准备立起来
能源行业风力发电势头渐劲，正吸引着电力公用事业、石油生产商和设备制造商等主要的国际投资者。
商业风力发电兴起始于20世纪90年代的欧洲。切尔诺贝利灾难发生后人们反对发展核电，海湾战争爆发后人们对石油供应感到担心，人们认为北欧更适合 发展风力发电。 现在业内分析家认为，常规能源成本骤增以及***和技术因素对加快风力发电将产生有利影响。高油价促使人们关注风力发电。尽管利用石油发电数量很少，但是 高油价对天然气和煤等被广泛用来发电的其它燃料价格有间接的影响。风力发电的发展也得益于各国对降低温室气体排放和减少其它形式的空气污染的承诺，其中包 括《京都议定书》以及欧盟制订的开发可再生能源的目标。 业内人士认为，利用风力发电的国家越来越多，这个行业正处在“重大转变时刻”。随着市场的扩大，传统的发电设备厂商，比如日本的三菱重工、德国的西门子和 美国的通用电气，已经开始生产大型的风力发电涡轮机。通用电气公司认为，风力发电仍将是全球能源工业增长最快的部门。壳牌公司预期2050年可再生能源将 满足1/4或1/3的世界能源需求，其中存在巨大的商机，风力发电是主要投资领域。
目前世界风力发电功率约为5万兆瓦，其中欧洲为3.4万兆瓦。欧洲在风力发电领域占主导地位，中国和印度等亚洲国家风力发电出现积极增长，美国可能成为风力发电的最大市场.
关键词：国外牛人DIY自制风力发电机过程
自制小风力发电机
摘要: 风力发电机所需器材和原料: 1 主体木板 2片 2 太阳能专用马达(转轴上附齿轮)1.5~4.5V 1组 3 大齿轮 1个 4 小齿轮 1个 5 方形木块 2个 6 三孔木块 1个 7 长形木块 1个 8 金属棍 1支 9 绿色LED灯(3V) 1个 10 泡棉双面胶 ...
风力发电机所需器材和原料
1 主体木板 2片
2 太阳能专用马达(转轴上附齿轮)1.5~4.5V 1组
3 大齿轮 1个
4 小齿轮 1个
5 方形木块 2个
6 三孔木块  1个
7 长形木块 1个
8 金属棍 1支
9 绿色LED灯(3V)  1个
10 泡棉双面胶 1片
11 螺丝钉(2mm*6mm) 12支
12 珍珠板(30 * 30 cm)  1片
13 砂纸 1张
14 保丽龙胶 1罐
15 透明胶带 1卷
16 美工刀 1把
17 螺丝起子 1支
18  圆规 1支
19 量角器 1个
20 小胶带 1卷
图1简易风力发电机制作部分器材，阿拉伯数字为器材表内的编号。

【步骤】
一、风车主体组装
1.将大齿轮圆孔套入金属棍，内推至距一端约1公分，如图2。

2.取一方型木块套入金属棍的较长端。
3.将步骤2装置的方形木块贴齐主体木板缝隙的边缘，使用螺丝钉固定，如图3。
※简易风力发电机制作注意事项：锁紧螺丝钉时，应避免用力过大，导致木块及主体木板破裂。

将步骤2完成的装置放在主体木板上。
4.取另一个方型木块套入金属棍的较短端，使其对准主体木板上的孔洞；调整大齿轮位置，使其位于缝隙正中间，并与缝隙平行；最后使用螺丝钉固定方形木块，如图4。

5.以螺丝钉将长形木块固定于步骤4的主体木板下端，如图5。

6.将太阳能专用马达置入步骤4主体木板上的凹槽，调整马达主轴上齿轮与大齿轮的咬合位置，使其能顺利转动，如图5。
7.若咬合的齿轮转动困难，则剪下一小段砂纸，磨擦主体木板的凹槽底部，直至马达位于最佳位置，如图6调整好后，取出马达备用。
自制风力发电机
8.将LED灯固定在三孔木块上方孔洞，如图7。两支脚分别插入在下方的小孔(长脚是正极、短脚是负极)，使两只脚都能伸出孔洞之外，如图8。


9.剥除太阳能专用马达电线末端的绝缘外层，使内部的金属线露出约2公分，如图9。

10.将太阳能专用马达的红色金属线(正极)缠绕在LED的长脚(正极)，黑色金属线(负极)缠绕在LED的短脚(负极)，如图10。

11.将步骤10的装置以2根螺丝钉固定于步骤7的主体木板上，如图11。

12.将第二片主体木板覆盖在步骤11的装置上，再次检查马达是否位在最佳位置。若否，则重覆步骤7。
13.使用6个螺丝钉将第二片主体木板固定，测试大齿轮与太阳能专用马达上的小齿轮是否能顺利转动，如果转动困难，则重新调整螺丝钉的位置，如图12。

二、扇叶组的裁切
1.使用圆规，在板上画出四个直径分别为12、11、3、2公分的同心圆，如图13。
自制风力发电机
2.分别将直尺贴齐圆周边缘的各点，再以小刀沿着直尺切掉圆周外的珍珠板，重覆此动作，直至接近圆形为止，最后以砂纸磨除圆周边缘的棱角，如图14。

3.以直尺及笔画出相互垂直的两条直径，再以量角器，将圆均分八等分的扇形，如图15。

4.每条扇页支架的宽度留约0.5公分，使用美工刀将直径3~11公分之间的珍珠板镂空裁切成为扇叶。
5.将小齿轮以泡绵胶黏至步骤4装置的中心，如图16。

6.使用透明胶带，将八片扇叶以相同夹角(45度)黏贴至扇叶支架上，如图17。

7.将扇叶组套入风车主体的转轴，置于转动的电扇前，使风车扇叶能逆时针转动，观察LED灯是否发亮，并测量出最大电压。

问题与讨论
1、哪些变因会影响风力发电机发出的电压大小?
2、请设计实验利用控制变因的科学方法，找出风力发电机产生最大电压的扇叶结构 (例如扇叶与扇叶支架的夹角、扇叶数目…等)
自制纸板风力涡轮机
简介：桶形纸板风力涡轮机
目标：用硬纸板做一个风力涡轮机，看看它的工作效果如何。这只是一个风力涡轮机，而不是风力发电机。下图就是我们今天最终做出来的东西：
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第一步：需要的材料：
下面这个小制作从构想到完成一共花了我一个小时的时间。我是一边做一边构想它的构造的。另我十分惊奇的是，最后它工作起来非常完美。我想，它之所以如此完美是因为几个关键的设计。
材料：
一块很大的硬纸板
一根大约40CM长的铁杆，或木杆，或其他类似的，作为中心轴
2个小橡皮圈
电工胶带
热熔胶（可选）
下图就是你要用纸板切下来的部件。你也可以看到一根织针，上面包绕着橡皮圈。

第二步：制作垂直桨叶
用硬纸板切下4块约10cmX30cm长的桨叶。在桨叶的两端各切一个月8cm长的卡槽。


第三步：切顶部和底部的圆盘
你需要切2个直径为25cm的圆盘。


第四步：在圆盘上画角度线
在下图中可以看到△abc，边c将是桨叶要卡住的地方。我们画边c时，依靠的是∠A，我的∠A用的是24°（你也可以测试其他的角度）。
注意：在圆盘的两个垂直的直径的两端，都切了一个小凹槽，这些小凹槽的角度都应该∠A，它的目的是用来卡住桨叶。


第五步：安装桨叶
如下图所示：




第六步：测试
室外风有点小。现在的问题是怎样让它发电？请参考《怎样制作简单的发电机》，你完全可以把它们结合起来。
风力发电技术与功率半导体器件及控制系统

通过风能获得太阳的能量并非新鲜事物，但当今的功率半导体器件与控制系统却使这种能源更加适用。
在现有的太阳能利用技术中，风力涡轮发电机成为大规模“绿色电能”生产的先锋。
今天，美国政府和欧洲各国政府都在大力支持可持续能源的生产。2003年，美国的风力发电厂装机总值达 16 亿美元，预计到 2020 年，还将再增 10 万 MW 的装机容量，可满足美国电力需求的 6%。美国还将在 Majave 沙漠的 Tehachapi 建立世界上最大的地面风力发电场。但 2002 年的数据显示，全球 90% 的新增容量还是在欧洲。
可变的能量输入是对设计师的挑战
先驱者们在多大程度上解决了困扰今天设计师的诸多问题，对此作出正确的估计是有益的。在这些问题中，最大的要数能量供给的可变性。普通的蒸汽涡轮机发电厂都用四个重要的机制来调节发电机的速度和电力输出：产生蒸汽的初级能耗速率；向涡轮机输送蒸汽的速率；发电机的电激励水平；转子负载角的变化。这样的发电机是同步发电机，其中转子与电网频率的整倍数同步并以这一整倍数频率旋转。改变转子相对于零相位差“空载”位置的角度，就可以增加或减少送至电网或从电网获得的电能，从而分别使发电机或电动机运行。在典型的发电机运行中，转子超前电网约 30°。由于电力输出直接耦合到电网，强大的电网条件提供的发电机轴转矩可控制其速度，保持恒定的电网频率。
那么，风力能产生多少功率呢？理论表明，空气密度已知时，可用的每平方米瓦特能量值随气流的三次方变化。因此，转子性能对风力涡轮发电机设计的每个方面都是至关重要的。至关重要的参数之一就是叶尖速度比，亦即轮叶叶尖速度与自由流动空气流速度之比。这一参数描述了转子的功率系数，1919 年德国物理学家 Albert Betz 认为该系数不可能超过 0.593。在实践中，典型的转子功率系数在叶尖速度比为 7 时很少超过 0.4（图 1）。如果转子速度固定不变，效率损失忽略不计，你就可用以下公式计算风力涡轮发电机的功率输出：
功率=Cp×r/2×V3W×A
式中，CP 为转子的功率系数，r为空气的密度（单位为kg/m3），vw 为风速（单位是m/s），A 是转子扫过的区域面积（单位为m3）。所以，依据转子扫过的面积以及每小时千瓦的发电量来考虑风力涡轮发电机是有益的。设计师的任务是以成批生产的合理价格，找到转子结构与发电机原理的最佳组合，从而实现最大的总功率系数。
实用型风力涡轮发电机输出功率从 20 kW～ 30 kW，现在的最高水平可达 4.5 MW。它一般使用三个转子轮叶，因为实验表明，这种结构可提供效率、动态性能与结构经济性之间的最佳平衡。核心部件一般包括转子、一个增加发电机轴速的齿轮箱、发电机、电路接口以及控制回路（图 2）。最大的问题一直是如何稳定转子速度，以实现最高的发电量。虽然风力涡轮发电机是一种机械电子系统，无法将各个关键部件隔离开来，但转子控制原理却是一个决定性因素。控制系统必须在从静止无风直到可能一个世纪才出现一次的多方向、多速度变化的狂风的情况下保护机器的运行。作为相关质量的一个指标，Vestas公司的 V90 系列3MW风力涡轮发电机的转子组件重量为40吨，尽管它使用了许多昂贵的碳纤维复合材料。

失速控制的简单性掩饰了问题
一种限制功率获取的方法是使转子组件转动到不受风吹的位子。偏转系统一般用于保持转子迎着风向，它包括风速传感器、风向传感器、一个电动或液压电动机驱动装置、接口电路以及使发电机舱旋转的齿轮与轴承。传感器组件经常位于发电机舱的后方，通常是一个带风向标的三环风速计。其它技术包括超声设备，如 Vestas公司 V90-3.0MW 上使用的一对超声装置。实际上，转子后面的风速略低于真实的风速，这是由于旋转翼片的局部低压效应所造成的。虽然这一差异不很重要，但特性化可以补偿这样的误差。然而，由于经验表明采用偏转系统的速度控制的结果并不好，所以一般设计要么保持迎风的最大功率位置，要么将发电机舱转到最小风能方向以实现停机。
用来稳定能量获取的最简单的气动方法是采用转子有一个固定的倾斜角的被动失速（停转）控制。在给定的转子速度下，风速增加会使气流分散在轮叶表面上，产生失速效应。这种气流分散会自动限制能量的获取，但却与空气密度和轮叶表面抛光质量有关。这种方法还要求稳固的电网条件以及一个强大的发电机来保持稳定性。如果电网连接失效或发生电力故障，就必须预防转子超速，从而要求转子上有气动刹车装置，以及在输入轴上有普通的碟式机械刹车装置。由于转子有固定的倾斜角，而且不能转至最高转矩位置以利于起动，所以有时需要以电动机模式运行发电机，使转子加速到与电网同步的速度。最后，这一结构必须足够牢固，能承受失速控制特有的大动态负载。
虽然如此，仍有一些成功的风力涡轮发电机采用了这一原理。 Nordic WindPower公司 的 1000 型1MW风力涡轮发电机，简易而又重量轻，采用一个双轮叶的失速控制的转子，其扫过面积为 2290m2。这种涡轮发电机是自起动的，轮叶上有失速条，以减小某些早期失速控制涡轮发电机的峰值功率曲线，从而实现一个顶部平坦的功率曲线。转子采用经玻璃纤维强化的聚脂结构，因为这种结构具有较好的气动弹性，有利于“软性”或“挠性”结构便于吸收大动态负载。借用直升飞机的其他部件包括一个“跷跷板式”叶毂，它的弹性轴承可以使轮叶与输入轴有 ±2° 的相对运动，从而降低两者间的风切变力。发电机控制系统和偏转控制系统中的额外阻尼也可进一步提高结构的挠性。
由 Weier 电子公司制造的发电机是一种四极单速感应式发电机，其转子比旋转电磁场转得稍快一些。这种“滑差”可提供一种阻尼作用，有助于抑制机电振荡。只要切换发电机转子电路内的电阻来控制激励电流，这个滑差值就在 1% ～ 10% 范围内变化。由于感应式发电机的转矩与滑差成正比例，因此这种方式就具有速度控制功能，而异步发电机则很难实现这种控制功能。在滑差为0%时，发电机与电网频率同步，既不产生也不消耗电力（转子消耗的无功功率除外）。同样，如果发电机转速比电网频率低，则它进入电动机模式，并吸收电网的电流。为限制这一电流消耗，在风速低于约 4m/s ～5m/s （即涡轮发电机的所谓切入速度）时，输入轴碟式刹车通常能阻止转子的运动。
Vestas 公司同样将滑差控制技术应用于它的 OptiSlip 系统，而转子上的电子电路与定子上的控制器之间则采用光学耦合。在本例中，控制值约为10%，工作时间约为10ms，从而在湍流条件下实现平稳的功率输出，并降低结构负载。滑差值也会影响发电效率，兆瓦级发电机的滑差值一般工作在1% 范围内，效率约为95%。因为转子电路要消耗无功功率，所以功率因数一般都较低，约为0.87。由于这一原因，开关电容器组是传统系统不可分割的一部分，但功率电路会越来越多地控制功率因数。就 Nordic公司的 1000 型涡轮发电机而言，开关电容能在涡轮发电机的整个工作范围内将输出功率因数保持在 1。

只要把阻尼因素引入偏转系统的控制环路，就可能使轮叶绕塔轴进行一定程度的摇摆运动，从而吸收湍流。因此，1000涡轮发电机的结构可以承受 55m/s 的风速，并能在 4m/s的风速下开始工作，而在 25m/s 风速下停止工作。在转子速度为 25 rpm，转子轮叶叶尖速度为 71m/s时，该发电机能在17m/s 风速下输出1MW 最大功率。当转子刚开始超速时，离心力驱动液压释放阀门，使轮叶叶尖转至刹车位置。专业生产风力发电系统的 Mita-Teknik 公司，它所生产的 SCADA（管理控制与数据采集）系统也能驱动气动刹车和机械刹车。发电机通过挠性电缆向塔座输出690V三相 交流电。SCADA 系统可以卷回电缆以防止缠绕。SCADA 系统与中心设备之间的通信是通过调制解调器和电话线，还有一个 PC 用来独立监控与记录涡轮发电机的运行情况。

控制系统简化了功率获取
许多风力涡轮发电机的设计师都喜欢采用转子倾斜角控制技术，因为这一技术可以大大缓解速度变化问题和系统功率获取问题。当代产品有两种不同的倾斜角控制方法，第一种方法是逐渐将轮叶对空气气流的攻角从满功率的最大位置减小到获取最小功率的周期变距位置 ；第二种方法是将攻角增大到发生气动失速点。丹麦工程师 MB Pedersen 和 P Nielsen 于 1980 年在实验型 Nibe-A 和 Nibe-B 涡轮发电机中试验了这两种方法（参考文献 1）。他们的试验结果显示：全轮叶倾斜角控制可使输出特性更为平滑，并有可能在高风速时减小转力推力（图 3）。如今，更先进的轮叶气动算法和控制算法，有助于减小两者之间的差别。

Bonus Energy 公司的产品是以CombiStalls为商标的主动失速设计的主要实例。它的“丹麦概念”涡轮发电机包括一个转速恒定的三轮叶转子，一个直接为电网提供电力的发电机，以及失效保险系统。公司最大的产品是B40型2.3MW涡轮发电机，其转子扫过区域面积为5330m2。将玻璃纤维强化的环氧树脂轮叶转过80°至停机位是可能的。正常运行时，微处理器控制的伺服回路不断将轮叶调整至失速位置。有一种双发电机设计可以双速运行（11rpm 或 17 rpm），从而提高部分负载时的效率。只要在低风速时接入一个六极发电机绕组，发电机就可产生转速为其额定转速三分之二时的电力。在较高风速时，发电机可切换到四极主绕组，并以正常转速运行。
涡轮发电机在平均风速约为5m/s ～ 6m/s时能自行起动。当一个可控硅软起动电路将发电机连接到电网时，转子就加速至电网同步速度。经过几秒直线运行之后，主接触器将可控硅电路旁路，以消除半导体损耗。然后，在大约 14m/s ～ 15m/s的最高风速范围内时，风力涡轮发电机的电力输出随最高风速增大而大体呈线性增长，这时，控制回路切入，以保持电力输出恒定不变，并防止发电机过载。如果平均风速超出涡轮发电机的工作极限，则控制系统会使轮叶周期性变距，并施以刹车以关闭涡轮发电机。当风速低于重新起动的极限时，安全系统会自动复位，涡轮发电机再次起动——除非发生故障，否则涡轮发电机会保持离线状态。一个备份系统提供自动保险操作，因为它能在发生严重故障时使用离心装置来使涡轮发电机控制系统失效。
变频器简化运行
最灵活的功率获取与控制能力来自于变速运行，因为涡轮发电机的转子可以理想地以最大轮叶叶尖速度比运行。人们早期进行的用一个自动齿轮箱代替固定转速步进行星齿轮箱的种种尝试，都因成本问题和可靠性问题而失败。由于滑差控制方法只能为感应发电机提供有限的速度控制，所以当今的许多涡轮发电机都采用了另一种替代方法，即80年代3MW的 Growian风力涡轮发电机试验率先使用的DFIG（双馈感应式发电机）。Growian结构包括一个同步发电机，这一发电机有一个三相滑圈馈电的转子，用以产生一个转子绕组式感应发电机。这种装置能使循环换流器将交流电流注入转子（图4a）。循环换流器是一种用可控硅阵列制造的交流-交流变频器，它对三相线路频率进行采样，产生一个低频控制波形（图4b）。将这一控制波形叠加在转子的电场上，就有助于稳定发电机的输出频率；控制这一控制波形的波幅和相位，就可控制发电机的功率系数，从而模拟同步发电机提供有效功率和无功功率的能力。这种结构还存在一些问题，如其中之一就是它比其他结构更容易受到电网故障的影响。

有一种相对简单的变速技术使用一个交流－直流－交流链路作为变频器，它先将发电机的“杂乱交流” 输出整流，然后再以线路频率换向。这一技术使发电机与负载分离，从而可使用更高效的同步发电机，并通过改变直流链路状态来保持发电机的转矩控制。Vestas 公司V90-3 MW 风力涡轮发电机是一个产品例子，它采用全轮叶斜角控制和该公司的OptiSpeed 技术来控制转子6362m2的扫过面积。OptiSpeed系统可使转子和发电机的转速改变60% 那么大，从而将输出至电网的电力变化减少到最低程度，并降低结构应力。这一系统的核心是该公司的VMP-Top控制器和变频器，它们构成功率电子电路，用来控制发电机及其送至电网变压器的输出。该风力涡轮发电机在其他方面已无特别之处，并保留一个齿轮箱来提高发电机转速（发电机的原转速范围为 9rpm～19 rpm）。
但是，在一种概念上最简单的方法中， Enercon公司开创了一系列无齿轮直驱式风力涡轮发电机，其额定发电量现在可达到4.5MW 。在这种设计中，将转子直接装在发电机上，就可将传动轮系轴承的数量减少到只有两个低速旋转部件。问题在于如何在低转速时产生足够的电力，以及如何用最好的方法将其转换为电网频率。Enercon公司解决发电机问题的方法是使用一个有大量电极的电激同步发电机，例如该公司的E-40机型600kW风力涡轮发电机中的直径为4.8m的84极电激励同步发电机。在这里，转子的速度从18rpm～34 rpm不等，扫过面积为1521m2。由于在工业变频驱动设计领域深厚的功底，Enercon公司 采用自己的电子电路。与之相比，Zephyros 公司刚推出的  Z72 型2MW风力涡轮发电机虽然同样具有直驱发电机，但却采用ABB 公司的改进型ACS 1000 变速电动机传动控制器。一个驱动轴轴承支承也是由 ABB 公司制造的永磁发电机。Zyphyros公司在 列举发电机损耗降低、部分负载效率出色、故障机率较低等优点时，突出了永磁发电机的好处。永磁发电机的不足之处是它因使用高导磁率的磁性材料（如钕铁硼和钐钴）而成本很高。永磁发电机的另一个缺点是功率因数特性差，必须由变频电路来进行补偿。
但许多专家认为，永磁发电机是发展方向，对大型直驱设计来说尤其是这样。英国 NaREC（新能源与再生能源中心）的电气技术专家Adrian Wilson说,这种方法是当今一个以减轻重量为主要目标的研究项目的核心。由于风力涡轮发电机理论上电力输出是按它获得的空气体积的三次方增加的，所以结构件也会成比例地增加重量。Wilson说，现在的设计方法不能简单地按比例增大到10MW量级——更不用说未来需要的20MW或 30MW，所以他所在的部门正在调查一种可节省齿轮箱质量的直驱设计。这种方法同样也需要一个大直径的发电机。在该项目涉及到的尺度上，有一种可能违背常规的方法，即采用自行车轮似的结构，其辐条支持发电机的电极对。电网输出连接需要一条满功率的 交流－直流－交流 变频器链路，而变频器链路则需要多个并行的变频器。
IGBT 取代可控硅
风力涡轮发电机所需的功率半导体器件是从事微电子学的人所不熟悉的。你要考虑的不是亚微米线宽，而是一个单器件模块占用的欧洲标准印制板面积（从34mm×94mm ～ 140mm×190 mm）。这样的器件可在数千伏电压下承受千安培级的电流，而且在过去几十年内，这一技术的进步是对风力涡轮发电机发展的最大贡献。在 Growian 时代，可控硅技术可应付大功率应用，但传导损耗很大，并且转换时间的性能很差，常常在 100ms 范围内。相应地，变频器级采用6个阶跃或12个阶跃的波形近似一个正弦波的能量分布，从而产生特别强的奇次谐波，如五次谐波和十一次谐波。这些局限导致人们需要使用谐波频率滤波器。
用IGBT（绝缘栅双极晶体管）代替 Growian 的第一代可控硅，就可使用脉宽调制（PWM）来克服不良的谐波性能。该技术也使实际功率和无功功率的控制更为方便。尽管传统的可控硅很耐用，当今的可控硅，如三菱公司的 FT1500AU-240 可以在 12kV电压下开关1.5kA 电流，开关时间为 15ms ，但当传导电流超过维持电流值时，传统的可控硅是不可能关断的。GTO（栅极可关断）可控硅（如三菱公司的 FG6000AU-120D）可连续提供 6 kV 的电压和1.5kA的电流，并可在 30ms 内实现关断控制，但它们难以驱动。更糟的是，所有的可控硅都很难并联使用，而要达到风力涡轮发电机所需的功率水平，并联使用常常是不可或缺的。
大功率 IGBT 既有 MOSFET 的容易驱动和电流共享特性，又有1ms 的开关时间。虽然转换线路频率所需的 PWM 频率很低，仅为几千赫兹，但这种快速切换在IGBT穿越线性工作区时可减小传导损耗。诸如 Eupec 公司的 FZ600R65KF1等器件，其 导通时间不到 1ms，关断时间小于 6ms，可以在 6kV 电压下控制 1.2kA 电流；诸如该公司的 FZ3600R12KE3 等低电压器件，可以在 1.2kV 电压下开关 3.6kA 电流。因此，IGBT 可用于大功率变频器和软起动控制器。专业生产大功率半导体器件的其他公司包括 ABB公司、Dynex公司、富士通电子公司、Powerex公司和 Semikron公司。
Gamesa E條ica 公司的风力涡轮发电机系列具有660kW ～ 2MW输出功率范围，广泛采用IGBT 技术来实现变速控制和变频控制。可变倾斜角转子轮叶控制允许进行连续调整来获取最高的功率，并可耦合到其发电机速度范围为900rpm～1900rpm的一个 DFIG 系统。这种控制技术可将峰值、闪烁以及谐波都降低到最低程度，从而方便连网许可问题。矢量控制系统可产生或消耗无功能量，对功率系数进行精密调整，使电网电压稳定性得到提高。Gamesa E條ica公司 的功率电路还使自己的涡轮机能在电网中其他地方发生断电时保持在线操作。从经济上说，这些问题在西班牙是至关重要的，因为西班牙对高质量的电网连接要征收额外关税的。
法国 Cegele 公司主管风能部门的Ivan Novikoff指出，风力涡轮发电机及其技术的选择主要取决于当地基础设施的位置和特性。Novikoff 说，电缆敷设、起动时的起动电流和短路电流等问题都取决于系统结构。该公司在为已知用途的风力涡轮发电机制定规范时，都要考虑许多次要而又必须考虑的问题，从允许的转子高度、噪声辐射，到制造商的现场服务质量，不一而足。Novikoff 解释说，从投资者的观点来看，要考虑的机器经济因素包括风力供应的可靠性、机器的可靠性和维护成本以及电力生产关税的差异。
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教你如何自制风力发电机
最近在网上发现一个DIY发烧友自己自制了个风力发电机，很有借鉴意义，现在就跟着他一步一步来DIY个风力发电机吧：
首先，购买一个功率200w，额定转速为400rpm左右的发电机

然后就是制造叶片了，这位达人用的是这种黑色的ABS管道，在国内好像白色的比较普遍，现在下水管都是这种材料的。切割之后适当打磨光滑。

找一个类似下图的金属圆盘，用来连接发电机和叶片，也就是发电机中的轮毂。

在叶片和金属盘上打孔，注意打孔的时候最好配打。

给轮毂找一个轮毂罩，这样能防止螺丝风吹日晒，同时也能起到导流的作用

做一个放发电机的支架，木头的就行了，然后用铁丝或者铁片将发电机固定
做一个连接杆，最好这个地方能装一个轴承（原作者没有装）

用水管做一个塔架，塔架底部如下所示，连发电机的电线正好能从这个洞穿出来。

连接塔架和发电机，用斜拉钢索固定

做一个控制器和整流器，这样就能充电或者直接连电器了，电路原理图如下