ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ Российский патент 1994 года по МПК F03D7/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэлектрических агрегатах с поворотными лопастями для их пуска при отсутствии постороннего источника электроэнергии и для оптимального управления работой.

Известен ветроэлектрический агрегат, снабженный лопастным ветроколесом, связанным через редуктор с ротором электрогенератора, имеющим привод изменения угла установки лопастей и блок управления приводом, а также формирователь управляющего сигнала, связанный с датчиком крутящего момента, и коммутирующий элемент, подключающий или отключающий нагрузку к выходу электрогенератора [1].

Стабилизирование скорости вращения ветроколеса производится включением-отключением дискретных нагрузок, соответствующих вырабатываемой мощности электрогенератора. Дополнительная стабилизация скорости вращения ветроколеса в диапазоне подключенной нагрузки конкретно в схеме управления ветроагрегатом не предусмотрена. Предполагается лишь возможность использования для этого известных технических решений.

Для изменения угла установки лопастей ветроколеса распространены исполнительные механизмы с использованием гидроцилиндра, кинематически связанного с лопастями и гидравлически - с напорной магистралью, питаемой от насосной установки и связанной с элементами обеспечения рабочего напора и защиты от аварийных ситуаций.

Известен ветроэлектрический агрегат, снабженный лопастным вектроколесом с поворотными лопастями, содержащий регулятор числа оборотов, управляемый от гидравлической схемы с использованием электрических команд от формирователя управляющего сигнала, снабженный механизмом аварийной защиты, включающим устройство запуска и останова насоса, и гидроаккумулятор в качестве источника напора для гидравлического исполнительного механизма в аварийной ситуации [2].

Для его пуска необходим посторонний источник электроэнергии, а при работе агрегата к напорной магистрали гидравлического исполнительного механизма изменения угла установки лопастей ветроколеса подключен работающий без остановки насос, что значительно уменьшает ресурс работы агрегата. Регулирование числа оборотов предусмотрено только изменением угла установки лопастей в ту или другую сторону.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ветроэлектрический агрегат, снабженный лопастным ветроколесом, содержащий гидравлический привод изменения угла установки лопастей и центробежный регулятор, связанные с источником рабочего напора, питаемым насосной установкой, а также электрическую схему формирования управляющего сигнала [3].

Для его пуска также необходим посторонний источник электроэнергии. При работе агрегата постоянно должен работать насос, поэтому агрегат недолговечен (ресурс работы насоса составляет около 5 тыс. часов). Управление агрегатом производится изменением угла поворота лопастей вне зависимости от нагрузки. Аварийные системы работают только от электрических команд и при прерывании энергоснабжения становятся неработоспособными, следовательно, не обеспечивается безопасность работы агрегата. Нет возможности вернуть агрегат в исходное положение вручную при сворачивании кабеля, а также вывести вручную лопасти агрегата в нерабочее положение.

Цель изобретения - повышение ресурса работы агрегата и функциональных возможностей за счет обеспечения возможности пуска при отсутствии постороннего источника электроэнергии.

Цель достигается тем, что ветроэлектрический агрегат, снабженный лопастным ветроколесом, связанным через редуктор с генератором, содержащий гидравлический привод изменения угла установки лопастей и центробежный регулятор, связанные с источником рабочего напора, питаемым насосной установкой, а также электрическую схему формирования управляющего сигнала, снабжен ручным насосом, включенным параллельно в напорную магистраль электронасоса. В качестве источника рабочего напора использован пружинный гидроаккумулятор, снабженный датчиком его заполнения, взаимодействующим с двигателем насосной установки, и сообщающийся с напорной магистралью через обратный клапан, управляемый электромагнитом либо вручную, и параллельно ему - с той же магистралью через дроссель малой пропускной способности. Напорная магистраль сообщается со сливом через управляемый от центробежного регулятора обратный клапан и дополнительно - через другой обратный клапан, управляемый электромагнитом или вручную, встроенный в напорную магистраль между дросселем малой пропускной способности и гидроцилиндром привода изменения угла установки лопастей. Электромагниты управляемых обратных клапанов дополнительно связаны с аварийным вибродатчиком, смонтированным на агрегатной части.

Наличие ручного насоса, включенного параллельно в напорную магистраль электронасоса, а также использование в качестве источника рабочего напора пружинного гидроаккумулятора, снабженного датчиком его заполнения и взаимодействующего с двигателем насосной установки, работающим периодически, не обнаружено в источниках патентной и научно-технической литературы и, таким образом, обеспечивает соответствие предложения критерию изобретения "существенные отличия". С другой стороны, эти признаки обеспечивают достижение новых и полезных свойств - возможности пуска агрегата без постороннего источника электроэнергии и периодичность включения по необходимости электронасоса при работе агрегата для пополнения гидроаккумулятора, сберегая этим ресурс работы агрегата и уменьшая энергоемкость обеспечения работоспособности агрегата.

На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема устройства управления ветроагрегатом; на фиг.2 - схема расположения основных узлов ветроагрегата в условном его контуре, совмещенная с гидравлической схемой пуска и управления работой агрегата.

Ветроэлектрический агрегат, снабженный ветроколесом 1, связанным через редуктор 2 с ротором электрогенератора 3, содержит электрическую схему формирования управляющего сигнала, включающую датчик 4 крутящего момента, формирователь 5 управляющего сигнала, присоединенный к входу коммутирующего элемента 6, подключающего нагрузку 7 к выходу электрогенератора 8. Электрическая схема управления связана через блок 9 управления приводом угла заклинивания лопастей с механизмом 10 привода угла заклинивания лопастей ветроколеса 1. Блок 9 управления приводом взаимодействует с механизмом 10 привода угла заклинивания лопастей и через гидравлическую схему 11 управления ветроагрегатом (фиг. 2). Запуск агрегата и управление агрегатом при необходимости производится оператором. Ветроагрегат содержит башню 12, редуктор 13 поворота на ветер, головку 14 с лопастями 15, гидростанцию 16 с насосной установкой 17, ручным насосом 18. Головка 14 ветроагрегата содержит главный вал 19, соединенный с редуктором 22, и генератор 23, соединенный с редуктором при помощи полумуфты 24. В главном вале 19 вмонтирован шток 25, взаимодействующий с толкателем 60, снабженный двумя рейками (показано пунктиром), одна из которых сцеплена с шестерней 26, а вторая - с шестерней 27. Вышеупомянутые шестерни имеют жесткую кинематическую связь с лопастями 15, смонтированными подвижно с возможностью поворота вокруг их продольных осей. Шестерни 26 и 27 смонтированы на одной общей оси (не показано) и при ходе штока 25 поворачиваются на одинаковый угол в противоположные стороны. В исходном положении под действием пружины 28 и силы ветра лопасти 15 находятся во флюгерном положении, а шток 25 в крайнем правом (по схеме) положении до упора в торец главного вала 19. Головка 14 ветроагрегата смонтирована на червячном редукторе 13 поворота на ветер. Червячное колесо 29 смонтировано на башне 12 неподвижно, поэтому при вращении червяка 20 корпус редуктора 13 поворота вместе с закрепленной на нем головкой 14 обкатывается вокруг неподвижного червячного колеса 29, обеспечивая установку головки 14 ветроаграгата на ветер. Редуктор 22 имеет два выходных конца быстроходного вала. На одном из них неподвижно смонтирована полумуфта 24, на втором - корпус 30 центробежного регулятора. На шарнирах корпуса 30 смонтированы центробежные рычаги 31, взаимодействующие с втулкой 32, имеющей возможность осевого перемещения относительно корпуса 30 центробежного регулятора. Торец втулки 32 взаимодействует с подпружиненным рычагом 33, который взаимодействует с толкателем управляемого обратного клапана 34. Усилие пружины 35 и пружин клапана 34 должно быть рассчитано так, что при превышении определенной частоты вращения генератора (например 1500 об/мин) более чем, например, на 10% , втулкой 32 должно преодолеваться суммарное сопротивление пружин, должен открываться клапан 34 и обеспечиваться слив масла из гидроцилиндра 36, а тем самым поворот лопастей 15 в сторону флюгерного положения. Полумуфта 24 имеет тормозной диск, к которому при отсутствии давления в магистрали 56 прижимается шток 37 тормозного гидроцилиндра 38. У основания башни 12 расположена гидростанция 16, содержащая насосную установку 17, ручной насос 18, фильтры 39 и 40, обратные клапаны 41 и 42, редукционный клапан 43, обратные клапаны 44 и 45 с управлением от электромагнитов 46 и 47 (и вручную), дроссель малой пропускной способности 48, демпферы 49 и 50, манометры 51, 52 и 53, пружинный гидроаккумулятор 54, датчик 55 заполнения гидроаккумулятора и соединительные трубопроводы. В верхнюю часть ветроагрегата (в головку) выходят 2 гибких трубопровода 56 и 57. Для перемещения толкателя 60 от поршня 58 гидроцилиндра 36 служит вращающийся стакан 59.

Ветроагрегат работает следующим образом.

Для пуска ветроагрегата сначала необходимо заполнить пружинный гидроаккумулятор 54. Для этого необходимо вручную рукояткой ручного насоса воздействовать на ручной насос 18. При этом масло от ручного насоса поступает в пружинный гидроаккумулятор 54, заполнение которого контролируется манометром 53, и увязывается с электрической схемой формирования управляющего сигнала посредством датчика 55 заполнения гидроаккумулятора.

Для обеспечения начала вращения ветроколеса необходимо повернуть лопасти 15 на пусковой угол. Для этого вручную нажимается кнопка электромагнита 47 и выдерживается в нажатом положении несколько секунд. При этом масло от пружинного гидроаккумулятора 54 по магистрали 56 поступает в гидроцилиндр 36 и по параллельной магистрали, смонтированной на головке 14 ветроагрегата, в тормозной цилиндр 38. Полумуфта 24 растормаживается, поршень 58, перемещаясь на определенное расстояние, при помощи вращающегося стакана 59, толкателя 60, штока 25 и шестерен 26 и 27 переводит лопасти 15 на пусковой угол, и начинается разгон ветроколеса.

Когда ветроколесо наберет пусковую частоту вращения (например 6-10 об/мин), нажатием и удержанием кнопки того же электромагнита 47 лопасти поворачиваются на оптимальный угол установки, определяемый перемещением штока 25 влево (по схеме) до жесткого упора во внутренний торец главного вала 19 и показаниями манометра 52 (показания в конце перемещения штока 25 должны быть близкими показаниями манометра 53). После этого кнопка электромагнита 47 отпускается.

При оптимальном угле установки лопастей 15 ветроколесо набирает номинальную частоту вращения (например 180 об/мин), генератор начинает вырабатывать электроэнергию, включает автоматическую систему управления ветроагрегатом и обеспечивает возможность включения двигателя насосной установки 17.

При работающем ветроагрегате управление работой двигателя происходит от датчика 53 заполнения пружинного аккумулятора 54. При опорожнении гидроаккумулятора 54 датчик 55 его заполнения выдает команду на включение двигателя насосной установки 17. Масло от нее поступает в пружинный гидроаккумулятор 54 и начинает его заполнять. После заполнения датчик 55 заполнения гидроаккумулятора выключает работу электродвигателя насосной установки 17. Таким образом насосная установка 17 работает лишь периодически, по необходимости заполнения опорожненного гидроаккумулятора 54.

При работе ветроагрегата усилие ветра и пружина 28 стараются вытеснить масло из гидроцилиндра 36, но этому препятствуют управляемые обратные клапаны 44 и 34. Утечка масла по магистрали, соединяющей напорную магистраль 56 с тормозным гидроцилиндром 38, невозможна из-за наличия соответствующих уплотнений в гидроцилиндре 38. Однако незначительные утечки, (например 1-2 см³/мин) из вышеупомянутой полости возможны через управляемые обратные клапаны 44 и 34, поэтому в напорной магистрали гидроаккумулятора 54 встроен специальный дроссель 48 малой пропускной способности, например винтовой, обеспечивающий постоянную компенсацию этих утечек. Дроссель 48 выполнен так, что обеспечивает стабильный пропуск весьма малого количества масла и исключает значительное опорожнение гидроаккумулятора 54 при кратковременном открытии управляемых обратных клапанов 44 и 34 в процессе автоматического регулирования поворотом лопастей в сторону флюгерного положения.

Поддержание постоянной частоты вращения ветроколеса обеспечивается автоматической системой управления, главным образом, путем подключения-отключения нагрузок (потребителей энергии). При работе ветроагрегата и достижении номинальной частоты тока, вырабатываемого генератором 23 (например 50 Гц), автоматическая система управления начинает подключать нагрузки с определенной дискретностью, например 0,5 кВт. Подключение нагрузок до предела номинальной мощности продолжается до тех пор, пока идет увеличение частоты вырабатываемого тока. При полностью подключенной реальной нагрузке и превышении определенной частоты тока, например 52,5 Гц, кратковременно (на 1-2 сек) включается электромагнит 46 управляемого обратного клапана 44, при этом небольшая порция масла (например 2-4 см³) из гидроцилиндра 36 по магистрали 56 через упомянутый клапан 44 сливается в бак, и лопасти 15 поворачиваются в сторону флюгерного положения на 1-2^о. При дальнейшем увеличении частоты вырабатываемого тока электромагнит 46 включается повторно, лопасти 15 еще поворачиваются в ту же сторону. Процесс периодического поворота лопастей продолжается до тех пор, пока частота вырабатываемого тока не стабилизируется или не начнет уменьшаться.

Если по каким-либо причинам частота вырабатываемого тока достигнет определенного значения, например 55 Гц, то автоматическая система управления включает электромагниты 47 и 46 и держит их включенными до тех пор, пока произойдет слив через управляемые обратные клапаны 45 и 44 до такой степени, что лопасти повернутся в сторону флюгерного положения и генератор перестанет вырабатывать электроэнергию. Скорость перемещения поршня 58, а соответственно, и скорость поворота лопастей устанавливается демпфером 49.

Поворот лопастей в сторону флюгерного положения также может быть произведен вручную воздействием на электромагнит 46. Аварийная остановка может быть произведена также от срабатывания вибродатчика 61, установленного на головке 14 агрегата, при этом автоматическая система управления включает электромагниты 47 и 46 и держит их включенными до тех пор, пока лопасти 15 не повернутся в сторону флюгерного положения и генератор 23 не перестанет вырабатывать электроэнергию. Это происходит за счет слива масла через управляемые обратные клапаны 45 и 44 и отхода штока 25 в исходное положение. Поворот лопастей в сторону флюгерного положения происходит и от центробежного регулятора при превышении номинальной частоты вращения на определенную величину, например на 10%. Эту величину обусловливают особенности конструктивного выполнения агрегата. При этом многократное воздействие (например 4-5 раз в течение часа) посредством автоматической системы управления может обеспечить включение электромагнитов 47 и 46 и их выдержку во включенном положении аналогично, как при срабатывании вибродатчика 61. Механическое воздействие на толкатель клапана 34 от рычага 33, связанного с втулкой 32 центробежного регулятора, обеспечивает слив масла из гидроцилиндра 36 и соответственно поворот лопастей 15 в сторону флюгерного положения.

При работающем ветроагрегате и функционировании автоматической системы управления после предшествующего поворота лопастей в сторону флюгерного положения и при снижении частоты вырабатываемого тока ниже номинальной автоматическая система управления включает кратковременно (на 1-2 сек) электромагнит 47 клапана 45, при этом небольшая порция масла (например 2-4 см³) из пружинного гидроаккумулятора 54 поступает по магистрали 56 в гидроцилиндр 58, перемещая поршень 58 влево (по схеме) и поворачивая лопасти 15 в сторону оптимального угла установки, например на 1-2^о. При дальнейшем снижении частоты вырабатываемого тока электромагнит 61 включается повторно и лопасти 15 поворачиваются в ту же сторону.

Процесс периодического поворота лопастей 15 продолжается до тех пор, пока частота вырабатываемого тока не стабилизируется или не начнет увеличиваться. Если же частота вырабатываемого тока не стабилизируется и не увеличивается, то процесс периодического поворота лопастей продолжается до возврата лопастей 15 в позицию оптимального угла установки.

Снабжение ветроагрегата в качестве источника рабочего напора пружинным гидроаккумулятором, имеющим датчик его заполнения, взаимодействующим с электрической схемой формирования управляющего сигнала и обеспечивающей управление работой ветроагрегата, во-первых включением-отключением нагрузки (потребителя), а лишь затем установкой углов заклинивания лопастей, а также включение ручного насоса параллельно насосной установке в напорную магистраль в сочетании с описанными элементами обеспечения функционирования гидравлической системы управления механизмом привода угла заклинивания лопастей - дросселем малой пропускной способности, управляемыми обратными клапанами, обеспечивающими реагирование ветроагрегата на изменения параметров ветра и работы узлов ветроагрегата, максимально приспосабливая его для оптимального использования переменчивых условий работы, обеспечивает достижение технико-экономического эффекта. Особенно он проявляется в том, что электронасос работает лишь периодически, что выгодно отличает его от известных, в том числе от прототипа.

Использование: для пуска ветроэлектрического агрегата при отсутствии постороннего источника электроэнергии. Сущность: ветроагрегат снабжен ручным насосом, включенным параллельно в напорную магистраль электронасоса. В качестве источника рабочего напора гидравлического исполнительного механизма поворота лопастей использован пружинный гидроаккумулятор, снабженный датчиком заполнения и взаимодействующий с двигателем насосной установки. Обеспечиваются оптимальная работа в переменчивых условиях и аварийная защита. Гидроаккумулятор сообщается с напорной магистралью через обратный клапан, управляемый электромагнитом либо вручную, и параллельно ему - с той же магистралью через дроссель малой пропускной способности. Напорная магистраль сообщается со сливом через управляемый от центробежного регулятора обратный клапан и дополнительно - через другой обратный клапан, управляемый электромагнитом или вручную, встроенный в напорную магистраль между дросселем малой пропускной способности и гидроцилиндром привода изменения угла установки лопастей. Электромагниты обратных управляемых клапанов дополнительно связаны с аварийным вибродатчиком, смонтированным на агрегатной части. Сигналы управления к ним поступают от электрической схемы формирования управляющего сигнала. 2 ил.

ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ, содержащий лопастное ветроколесо, связанное через редуктор с генератором, гидравлический привод изменения угла установки лопастей и центробежный регулятор, связанные с источником рабочего напора, включающим насосную установку и электрическую цепь формирования управляющего сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса работы и функциональных возможностей путем обеспечения пуска при отсутствии постороннего источника электроэнергии, он снабжен ручным насосом, подключенным параллельно к насосной установке, а источник рабочего напора выполнен в виде пружинного гидроаккумулятора, снабженного датчиком заполнения, взаимодействующим с насосной установкой и сообщающимся с напорной магистралью через обратный клапан, управляемый электромагнитом или вручную, и параллельно ему - с напорной магистралью через дроссель малой пропускной способности, причем напорная магистраль сообщается со сливом через управляемый от центробежного регулятора обратный клапан и дополнительно - через второй обратный клапан, управляемый электромагнитом или вручную, встроенный в напорную магистраль между дросселем малой пропускной способности и гидроцилиндром привода изменения угла установки лопастей, а электромагнитны обратных управляемых клапанов связаны с аварийным вибродатчиком, установленным на агрегате.