2024年5月4日发(作者：)
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大型风机的变桨距系统采用步进电机或液压驱动，自动控制。我们的装置采用手动调节。
扭曲型可变桨距3叶螺旋桨上有角度刻线，松开风叶紧固螺钉，风叶可以绕轴旋转，从而改变
桨距角。风叶离指示圆点最近的刻度线对准风叶座上的刻度线时，风叶位于最佳桨距角。以
后每转动1个刻度线，桨距角改变3度。
实验内容与步骤
风扇连接到调压器输出端。连接调压器，
电子负载及测量表的电源。
转速，风速输出连接到转速、风速表。
负载及电压电流表按图7连接。
电压、电流表，转速、风速表的同步信号
端口不连接，以后功能扩展用。
电流表
+
发电机输出 电压表 电子负载
－
图7 发电机输出测量连接图
实验1 风速，螺旋桨转速（也是发电机转速），发电机感应电动势之间关系的测量
使扭曲型可变桨距3叶螺旋桨处于最佳桨距角（风叶离指示圆点最近的刻度线对准风叶
座上的刻度线），风叶凹面朝向风扇，将螺旋桨安装在发电机轴上（紧固螺帽是反螺纹，紧
固与松开的旋转方向与普通螺纹相反）。
断开负载，此时电压表测量的是开路电压，即发电机输出的电动势。
调节调压器使得风速从4.5m/s开始以0.5m/s的间隔来调节风扇转速，风速稳定后记录在
不同风速下的螺旋桨转速及发电机感应电动势，将实验数据记入表1。
表1 风速，螺旋桨转速，发电机感应电动势之间的关系
风速(m/s)
转速(r/s)
电动势 (V)
4.5
38
20.0
5.0
44
23.0
5.5
50
26.3
6.0
56
29.2
6.5
59
31.6
7.0
64
33.6
7.5
71
37.4
8.0
75
39.6
8.5
80
42.3
以风速做横坐标，转速做纵坐标作图，分析两者之间的关系。
以转速做横坐标，感应电动势做纵坐标作图，分析两者之间的关系。
实验2 扭曲型可变桨距3叶螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
关系的测量
调节调压器，使风速约为6.0m/s。
逆时针旋转电子负载旋钮，直到电流显示不为零，然后顺时针旋转电子负载旋钮使电流
显示刚好为零，各表显示稳定后记录输出电压、输出电流、转速。
逆时针调节电子负载调节旋纽，使输出电压以每隔1.0V调节，将每次实验数据记入表2。
表2中的空气密度
参考网络数据。
表2 扭曲型可变桨距3叶螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
的关系（额定风速：V
1
=6.0m/s）
环境温度：17.6 ℃ 叶片半径R＝0.134m 空气密度：1.215kg/m
3
转速f
(r/s)
53
51
52
52
51
50
48
47
46
45
43
42
40
39
输出电压U
(V)
27.0
26.0
25.0
24.0
23.0
22.0
21.0
20.0
19.0
18.0
17.0
16.0
15.0
14.0
输出电流I
(mA)
0
2
6
17
31
33
46
60
64
80
97
108
120
130
输出功率
P=U×I (W)
0
0.052
0.150
0.408
0.713
0.726
0.966
1.200
1.216
1.440
1.649
1.728
1.800
1.820
叶尖速比
=2πfR /V
1
7.829
7.533
7.681
7.681
7.533
7.384
7.090
6.942
6.795
6.647
6.351
6.204
5.908
5.761
功率系数
C
P
=2P/
R
2
V
1
3
0__________________________________________________
__________________________________________________
38
36
35
33
13.0
12.0
11.0
10.0
160
167
173
182
2.080
2.004
1.903
1.820
5.613
5.318
5.170
4.874
以实验数据作螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
的关系曲线，并比较功率系数C
P
与叶尖
速比
的关系与图2是否相似？
实验3 切入风速到额定风速区间的功率调节实验
风机的运行受两方面的限制，一是由机械强度决定的转速限制，二是由发电机、变流器
容量决定的功率限制。
若整机设计导致运行时先达到功率限制，则切入风速到额定风速之间采用统一的调节方
案，本实验只考虑这种情况。
若整机设计导致运行时先达到转速限制，则要采用两段控制方案，达到转速限制后需调
节负载保持转速恒定，风力增大时转速不变而转矩增大，输出功率增加，直至达到功率限制。
采用何种功率调节方式可以使风机从风力中获取最大风能？本实验比较固定叶尖速比，
固定转速2种方式下，风机输出功率的情况。如实验原理部分所述，永磁发电机和双馈发电
机采用固定叶尖速比的调节方式，感应发电机转速基本恒定。
固定叶尖速比调节方式时，由实验2确定最佳叶尖速比
m
，由f=
m
V
1
/2
R计算最佳转速，
在各种风速下通过调节负载使风机转速达到最佳转速，记录输出电压，电流于表3固定叶尖
速比列下。
固定转速调节方式时，一般使转速在额定风速时C
P
达到最大。若随意选择转速，风能利
用效率会更低。
固定转速调节方式时，不同风速下调节负载大小，保持转速不变，记录风速变化时风机
输出电压，电流于表3固定转速列下。
表3 切入风速到额定风速区间的功率调节实验
R=0.134m 额定风速5.7m/s
调节
方式
风速
m/s
4.5
5.0
5.5
5.7
固定叶尖速比(
m
＝5.613 )
转速(r/s)
f=
m
V
1
/2
R
电压
(V)
电流
(mA)
功率
(W)
固定转速(f＝6
m
/2
R)
转速(r/s)
电压
(V)
电流
(mA)
功率
(W)
30 11.5 65 0.748 40
33.33 12.0 97 1.164 40
36.67 13.3 127 1.689 40
40 13.3 173 2.300 40
画出以上2种调节方式下输出功率随风速的变化曲线。
比较上述2条曲线，能得出什么结论？
20.2
17.8
15.4
13.3
0
30
94
173
0
0.534
1.447
2.300
实验4 额定风速到切出风速区间的功率调节实验——变桨距调节
风速在额定风速时，输出功率达到额定功率。当风速超过额定风速后，若负载维持不
变，采用变桨距调节使风速变化时转速不变，就可使输出功率维持在额定功率。
在风力发电系统中，检测输出功率和转速，连续调节桨距角就可以使风力变化时输出功
率维持不变。在我们的实验系统中，为增加感性认识，采用手动调节，从原理上验证以上过
1__________________________________________________
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程。
调节负载大小，使在6.0m/s的风速下达到最佳叶尖速比，记录此时的转速及输出电压、
电流。停机后取下螺旋桨，将3个风叶的桨距角调大3度（逆时针转动1格）。开机并调节风
速，风速变化时保持负载不变，可以观测到桨距角改变后，在更大的风速下转速才能达到额
定风速下的转速，记录此时风速、转速及输出电压、电流、功率于表4中。逐次调节桨距角，
重复以上实验。
表4 变桨距调节实验
f＝6
m
/2
R=
r/s 额定风速6.0m/s
桨距角变化量(°) 风速(m/s)
转速(r/s) 电压(V) 电流(mA) 功率(W)
0
3
6
9
12
6.0
将表3控制叶尖速比数据和表4数据结合，画出变桨距调节下输出功率随风速的变化，
与图4比较。
实验5 风帆型3叶螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
关系的测量
将风帆型3叶螺旋桨装在发电机上，按实验2的方法进行测量。
表5 风帆型3叶螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
的关系（额定风速：V
1
=6.0m/s）
当地海拔： m 环境温度： ℃ 叶片半径R＝0.127m 空气密度： kg/m
3
转速f
(r/s)
输出电压U
(V)
输出电流I
(mA)
输出功率
P=U×I (W)
叶尖速比
=2πfR /V
1
功率系数
C
P
=2P/
R
2
V
1
3
以实验数据作螺旋桨功率系数C
P
与叶尖速比
的关系曲线，与实验2的结果比较并讨论。
实验6 平板型4叶螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
关系的测量
将平板型4叶螺旋桨装在发电机上，按实验2的方法进行测量。
表6 平板型4叶螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
的关系（额定风速：V
1
=6.0m/s）
当地海拔： m 环境温度： ℃ 叶片半径R＝0.127m 空气密度： kg/m
3
2__________________________________________________
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转速f
(r/s)
输出电压U
(V)
输出电流I
(mA)
输出功率
P=U×I (W)
叶尖速比
=2πfR /V
1
功率系数
C
P
=2P/
R
2
V
1
3
以实验数据作螺旋桨的功率系数C
P
与叶尖速比
的关系曲线，与实验2的结果比较并讨
论。
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