ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2132483
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВКА
Имя изобретателя: Лебедев В.Н.; Голофаев В.М.; Хватов Л.Г.
Имя патентообладателя: Научно-исследовательский институт радиоприборостроения
Адрес для переписки: 125190, Москва, Ленинградский пр-т 80, НИИ радиоприборостроения, директору Груздеву В.В., патентный отдел
Дата начала действия патента: 1996.07.04
Автоматическая ветроэлектроустановка предназначена для устройств
автономного энергоснабжения объектов, расположенных в отдаленных и труднодоступных
местах, а также отдельных потребителей, к которым подвод электроэнергии от сети
невыгоден, а доставка горючего для дизельэлектрических станций сопряжена с большими
затратами. Достигается технический результат тем, что устройство, содержащее
установленные на общем роторе ветродвигатель и систему возбуждения электрической
машины, имеющей n-фазную обмотку на статоре, соединенную через выпрямитель и первый
ключ с инвертором и накопителем энергии, контроллер и второй ключ, дополнительно
снабжено управляемым инвертором, элементом инверсии, датчиками направления и скорости
ветра, датчиком положения, соединенным с общим ротором. Выходы датчиков подключены к
выходам контроллера. Первый выход контроллера соединен с управляющим входом первого
ключа непосредственно, а второго - через элемент инверсии. Второй выход контроллера
соединен с первым входом управляемого инвертора, второй вход которого соединен с
выходом накопителя энергии, а выход через второй ключ соединен с m-фазами n-фазной
обмотки якоря. Такое выполнение ветроэлектроустановки позволит повысить ее
эффективность вследствие обеспечения оптимальности эксплуатационных характеристик:
количество вырабатываемой электроэнергии в используемом диапазоне скоростей ветров,
равномерность распределения вырабатываемой электроэнергии, минимальность
аэродинамического сопротивления ветродвигателя при буревых ветрах, исключение
холостого хода, энергосберегающий и мобильный запуск.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области двигателей, в частности к ветродвигателям, и
может быть использовано в устройствах автономного энергоснабжения объектов,
расположенных в отдаленных и труднодоступных местах, а также отдельных потребителей, к
которым подвод электроэнергии от сети невыгоден, а доставка горючего для
дизельэлектрических станций сопряжена с большими затратами.
Ветроэлектроустановки используют возобновляемый источник энергии - ветер или
воздушный поток.
Известен безредукторный ветроагрегат, содержащий ветродвигатель, соединенный
непосредственно с магнитоэлектрическим генератором переменного тока, выполненным в
виде отдельных сегментов, с системой возбуждения на роторе. Выход генератора через
управляемый выпрямитель и управляемый инвертор соединен с нагрузкой /Копылов И.П.,
Лядова Т.В. Безредукторные ветроагрегаты. Сб. научных трудов Гидропроекта, 1988, вып. 129, с.
170 - 174/.
Ветроагрегат обладает повышенной надежностью, т.к. генератор выполнен по
бесконтактной схеме с электрической редукцией. Однако наиболее эффективно он может
быть использован только в составе автоматической ветроэлектроустановки.
Известна автоматическая ветроэлектрическая установка, содержащая вертикальноосевой
ветродвигатель, снабженный стартовым ротором Савониуса, генератор, выпрямитель,
пускатели, датчики скорости ветра и частоты вращения, контроллер /Эриксон Н., Оттосон Дж.,
Уолперт Т., Система регулирования на базе микропроцессора для оптимизации выходной
мощности ветровой электростанции. Отдел электроэнергоснабжения фирмы "Эриксон",
612525, Стокгольм, Швеция, 1982/.
Однако при больших скоростях ветра ротор Савониуса работает как воздушный тормоз, что
снижает коэффициент использования энергии ветра, а следовательно, и эффективность его
работы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является
ветроэлектроустановка, содержащая установленные на общем роторе ветродвигатель и
систему возбуждения электрической машины, имеющей n-фазную обмотку якоря на статоре,
соединенную через выпрямитель и первый ключ с инвертором и накопителем энергии,
контроллер, второй ключ /а.с. СССР N 1746057, кл. F 03 D 9/02/.
Однако эффективность ее работы недостаточна, т.к. в автоматизированном режиме не
обеспечивается оптимальность эксплуатационных характеристик:
- количество вырабатываемой электроэнергии в используемом диапазоне скоростей ветров;
- равномерность распределения вырабатываемой электроэнергии по скоростям ветрового
потока;
- минимальность аэродинамического сопротивления ветродвигателя при буревых ветрах;
- наличие холостого вращения;
- энергосберегающий и мобильный запуск.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности
ветроэлектроустановки путем улучшения эксплуатационных характеристик, в том числе:
- увеличение количества вырабатываемой электроэнергии за счет расширения
используемого диапазона скоростей ветров,
- улучшение равномерности распределения вырабатываемой электроэнергии по скоростям
ветрового потока,
- обеспечение минимального аэродинамического сопротивления ветродвигателя при
буревых ветрах,
- исключение холостого хода,
- энергосберегающий и мобильный запуск.
Сущность изобретения заключается в том, что ветроэлектроустановка, содержащая
ветродвигатель, электрическую машину с системой возбуждения, имеющей n-фазную обмотку
якоря на статоре, к которой через выпрямитель и ключ подключены инвертор и накопитель
энергии, контроллер, снабжена дополнительно управляемым инвертором, элементом
инверсии, датчиками направления и скорости ветра и датчиком положения ротора,
соединенными между собой и с указанными выше элементами таким образом, что при
определенном соотношении внешних факторов электрическая машина включается
попеременно то в двигательный, то в генераторный режимы работы, а также создается
необходимый вектор магнитодвижущей силы обмотки якоря, что обеспечивает улучшение
эксплуатационных характеристик и повышение эффективности работы
ветроэлектроустановки.
Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении данного
изобретения, являются:
- увеличение количества вырабатываемой электроэнергии,
- улучшение равномерности распределения вырабатываемой электроэнергии по скоростям
ветрового потока,
- минимальное аэродинамическое сопротивление ветродвигателя при буревых ветрах,
- отсутствие холостого хода и как следствие - увеличение ресурса,
- энергосберегающий и мобильный запуск.
На чертеже приведена структурная схема ветроэлектроустановки.
|
Ветроэлектроустановка содержит установленные на общем роторе 1 ветродвигатель 2 и
систему возбуждения 3 электрической машины 4, имеющей n-фазную обмотку 5 якоря и
расположенную на статоре электрической машины 4, которая выполняется по бесконтактной
схеме с электрической редукцией, и может работать либо в режиме генератора, либо
двигателя. С общим ротором 1 имеет связь датчик 6 положения. Связь может быть либо
механической, либо оптической, либо на иных физических принципах, но так, чтобы не было
проводной связи с вращающимися частями. Чувствительные элементы датчика 6 положения
находятся на статоре электрической машины 4. Выход датчика 6 положения связан с первым
входом контроллера 7, который может быть выполнен либо на основе микропроцессора, либо
микроЭВМ, либо в мощных установках на основе усеченной конфигурации персональной ЭВМ.
Второй вход контроллера 7 связан с выходом датчика 8 направления ветра, а третий вход - с
выходом датчика 9 скорости ветра. Датчики 8 и 9 необходимо располагать так, чтобы
ветродвигатель не влиял на их работу. Датчик 9 скорости ветра целесообразно выполнять в
современном варианте с электронным чувствительным элементом. Многофазная обмотка 5,
имеющая n-фаз, может разбиваться и включаться по усмотрению разработчика, либо по схеме
n-фазной звезды, либо n-фазного многоугольника, либо комбинации из них. В n-фазной обмотке
выделяется группа из m обмоток, где m меньше n. На практике m оптимально надо выбирать не
более трех и соединять эти обмотки по схеме "треугольник", чтобы уменьшить
реактивное сопротивление при запуске в режиме двигателя.
|
Выходы n-фазной обмотки 5 соединены со входами выпрямителя 10, выход которого через
первый ключ 11 соединен со входом инвертора 12 и накопителя 13 энергии, соединенного
выходом с вторым входом управляемого инвертора 14, соединенного выходом через второй
ключ 15 с m входами n-фазной обмотки 5.
Первый выход контроллера 7 соединен с управляющим входом первого ключа 11
непосредственно, а второго ключа - через элемент инверсии 16. Второй выход контроллера 7
соединен с первым входом управляемого инвертора 14. Через выключатель 17 подключается
потребитель энергии 18, работающий на постоянном токе. Потребитель энергии, работающий
на постоянном токе, может быть подключен к выходу выпрямителя 10, либо накопителя 13
энергии. В частности, к накопителю энергии может быть подключен непосредственно
преобразователь 1 напряжения для питания дежурной аппаратуры ветроэлектроустановки.
ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВКА РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ
С датчика 9 скорости ветра сигнал поступает в контроллер 7. Если в течение времени t min
скорость ветра соответствует заданной величине v min, контроллер 7 выдает сигнал по
первому выходу, который поступает на первый ключ 11 и закрывает его, и через элемент
инверсии 16 открывает второй ключ 15. Датчик 6 положения выдает сигнал в контроллер 7 о
положении общего ротора 1. Контроллер 7 по второму выходу выдает на управляющий вход
управляемого инвертора 14 сигнал, по которому из постоянного напряжения накопителя 13
энергии на выходе управляемого инвертора формируется m-фазное переменное напряжение.
Это напряжение поступает на m входов n-фазной обмотки 5 якоря, вектор магнитодвижущей
силы которого имеет наибольшее рассогласование с вектором магнитодвижущей силы,
создаваемой системой возбуждения 3. Электрическая машина 4 переведена выше описанными
действиями в двигательный режим и начинает вращение общего ротора 1. По достижению
числа оборотов общего ротора 1, соответствующего начальному рабочему числу оборотов
ветродвигателя, контроллер 7 на основе информации, полученной с датчика 6 положения,
изменяет сигнал на своем первом выходе, по которому открывается первый ключ 11 и
закрывается второй ключ 15. В результате этих действий электрическая машина 4
переведена в генераторный режим. Переменное напряжение с n-фазной обмотки 5 поступает
на вход выпрямителя 10 и далее через первый ключ на входы накопителя 13 энергии и
инвертора 12, который преобразует постоянное напряжение в переменное с требуемыми
параметрами и допусками по частоте, напряжению, допустимому току потребления и фазовым
сдвигам между напряжениями.
В случае, когда скорость ветра достигает буревых значений, заданных контроллером 7,
последний по сигналу с датчика 9 скорости ветра, сигналам с датчика 8 направления ветра
и датчика 6 положения общего ротора 1 вычисляет рассогласование и выдает сигнал
управляющего воздействия по второму выходу на вход управляемого инвертора 14, а по
первому выходу выдает сигнал на закрытие ключа 11, открытие ключа 15, в результате чего
электрическая машина переводится в двигательный режим, разворачивает ветродвигатель
в положение с минимальным аэродинамическим сопротивлением и удерживает его в этом
положении в следящем режиме за направлением ветра.
Потребитель 18, работающий на переменном токе, может быть подключен к инвертору 12 через
выключатель 17. Выход накопителя 13 можно либо непосредственно, либо через
дополнительный выключатель подсоединить к потребителю, работающему на постоянном
токе. В частном случае это может быть преобразователь напряжения для питания
аппаратуры управления и в первую очередь дежурной аппаратуры: датчика положения,
датчиков направления и скорости ветра, контроллера, которые имеют малое потребление.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Автоматическая ветроэлектроустановка, содержащая установленные на общем
роторе ветродвигатель и систему возбуждения электрической машины, имеющей n-фазную
отмотку якоря на статоре, соединенную через выпрямитель и первый ключ с инвертором и
накопителем энергии, контроллер, второй ключ, отличающаяся тем, что она снабжена
управляемым инвертором, элементом инверсии, датчиками направления и скорости ветра,
датчиком положения, соединенным с общим ротором, а выходом - с первым входом
контроллера, соединенного вторым и третьим входами соответственно с выходами
датчика направления и датчика скорости ветра, первый выход контроллера соединен с
управляющим входом первого ключа непосредственно, а второго - через элемент инверсии,
второй выход контроллера соединен с первым входом управляемого инвертора, второй
вход которого соединен с выходом накопителя энергии, а выход через второй ключ
соединен с m-фазами n-фазной обмотки якоря.
Версия для печати
Дата публикации 30.01.2007гг
вверх
|
