СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F03D7/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках для повышения точности регулирования частоты вращения рабочего колеса.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая привод поворота лопастей, электродвигатель и систему управления [1].

Способ управления этой ветроэнергетической установкой заключается в том, что при изменении скорости ветра или частоты вращения ветроколеса лопасти поворачиваются по сигналу системы управления в соответствующем направлении.

Недостатком такого способа и устройства является то, что при изменении направления поворота лопастей двигатель должен быть остановлен и разогнан в обратном направлении, что увеличивает инерционность системы управления и уменьшает точность поддержания частоты вращения ветроколеса, а при повышении требований к точности регулирования, сопровождающейся повышенной частотой смены направления вращения двигателя, такой режим работы, реализуемый данным известным способом и устройством, может вызвать автоколебания в системе "ветроколесо-привод-двигатель". Это ограничивает быстродействие системы управления, снижает точность, надежность и ее ресурс.

Другим недостатком этого способа и устройства является то, что привод в нем выполнен несамотормозящим. В результате нагрузка от лопастей ветроколеса, находящихся в ветропотоке на углах отбора мощности, "замкнута" непосредственно на двигатель привода, что требует увеличенной мощности двигателя и повышенного расхода энергии на управление для удержания лопастей под нагрузкой в заданном положении и поворота их по управляющему сигналу.

Известен способ управления ветроэнергетической установкой и ветроэнергетическая установка для осуществления данного способа, заключающегося в том, что при изменении скорости ветра лопасти поворачивают в прямом или обратном направлении по сигналу системы управления с помощью самотормозящего привода с электродвигателем [2].

Данные способ и устройство являются наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству по технической сущности и достигаемому результату и поэтому выбраны в качестве прототипа.

Недостатком этого способа и устройства является то, что при изменении направления поворота лопастей электродвигатель должен быть вначале заторможен, а затем разогнан в обратном направлении до выхода на режим. Для этого требуется дополнительное время, в течение которого ветроэнергетическая установка управляется не по оптимальному - требуемому закону, точнее, управление ветроустановкой запаздывает.

Это уменьшает точность поддержания частоты вращения ветроколеса, а следовательно и точность поддержания частоты переменного тока, вырабатываемого ветроэнергетической установкой. При повышении точности регулирования и вызванной этим частой смене направления вращения двигателя могут вызвать автоколебательные режимы, в свою очередь вызывающие повышенный износ и потерю управления, а в ряде случаев и разрушение ВЭУ.

Целью изобретения является повышение качества энергии, вырабатываемой ветроэнергетической установкой за счет повышения точности управления, а также увеличение выработки энергии в низкоскоростных ветропотоках.

Данная цель достигается тем, что вращение электродвигателя производят непрерывно в одну сторону, а поворот лопастей осуществляют путем периодического подключения вращающегося на стационарном режиме электродвигателя к самотормозящему приводу с помощью механизма изменения направления вращения (подключение производят по сигналу системы управления).

Дополнительное отличие способа состоит в том, что поворот лопастей в прямом направлении осуществляют основным электродвигателем, а поворот лопастей в обратном направлении - дополнительным электродвигателем, также вращающемся на стационарном режиме.

Отличие устройства для осуществления указанного способа заключается в том, что ветроэнергетическая установка, содержащая самотормозящий привод поворота лопастей, электродвигатель и систему управления, снабжена механизмом изменения направления вращения, включающим две электромагнитные муфты для периодического подключения электродвигателя, вращающегося в одном направлении на стационарном режиме, к самотормозящему приводу поворота лопастей по сигналу системы управления.

Дополнительным отличием устройства является выполнение механизма изменения направления вращения в виде конического зубчатого колеса, связанного с самотормозящим приводом вала, соединенного с электродвигателем, двух конических шестерен, установленных на валу с возможностью вращения и взаимодействующих с коническим колесом с двух димметрально противоположных сторон, и двух электромагнитных муфт, закрепленных на валу с возможностью взаимодействия с соответствующими коническими шестернями.

Отличие устройства для осуществления дополнительного способа заключается в том, что в ветроэнергетической установке, содержащей самотормозящий привод поворота лопастей, электродвигатель, взаимодействующий с входным валом самотормозящего привода, и систему управления, самотормозящий привод выполнен с дополнительным входным валом, ветроэнергетическая установка снабжена дополнительным электродвигателем и механизмом изменения направления вращения, выполненным в виде установленных на основном и дополнительном входных валах двух электромагнитных муфт для периодического подключения основного и дополнительного электродвигателей, постоянно вращающихся в одном направлении (на стационарном режиме), соответственно, к основному и дополнительному входным валам самотормозящего привода.

На фиг. 1 изображен общий вид ветроэнергетической установки, в которой реализован предложенный способ управления; на фиг.2, сечение А-А - изображен вариант исполнения ветроэнергетической установки с одним электродвигателем; на фиг. 3, сечение А-А - изображен вариант исполнения ветроэнергетической установки с двумя электродвигателями; на фиг. 4 - график изменения угла установки концевого сечения лопасти ветроколеса относительно плоскости вращения - угла заклинения, от скорости ветропотока; на фиг.5 - график мощности, отдаваемой ветроустановкой в зависимости от скорости ветропотока. (масштаб по осям "V" - на фиг. 4 и 5 совпадает).

Ветроэнергетическая установка содержит поворотную гондолу 1, башню 2, самотормозящий привод 3 поворота лопастей 4, электродвигатель 5 и систему управления (на чертеже не показана).

Самотормозящий привод 3 состоит из червячной пары 6, винта 7 с гайкой 8, соединенного подшипником 9 с толкателем 10, связанного с помощью кулисно-кривошипного механизма 11 лопастями 4.

Лопасти 4 установлены на главном валу 12 с возможностью поворота вокруг продольной оси, вращение вала 12 через мультипликатор 13 передается на генератор 14.

Ветроэнергетическая установка (фиг.2) содержит механизм изменения направления вращения 15, включающий две электромагнитные муфты 16 и 17 для периодического подключения электродвигателя 5 к самотормозящему приводу 3.

На фиг. 2 изображен вариант исполнения механизма изменения направления вращения в виде конического зубчатого колеса 18, конических шестерен 19 и 20, установленных на валу 21, с возможностью вращения и взаимодействующих с электромагнитными муфтами 16 и 17, закрепленных на валу 21.

На фиг. 3 изображен вариант исполнения ветроэнергетической установки, в которой механизм изменения направления вращения выполнен в виде двух электромагнитных муфт 22 и 23, установленных на основном 24 и дополнительном 25 входных валах самотормозящего привода 3, периодически подключающих к самотормозящему приводу 3 соответственно основной 25 и дополнительный 26 электродвигатели.

Направление вращения двигателей задано таким образом, чтобы при последовательном подключении каждого из них направление вращения винта 7 самотормозящего привода 3 изменялось на противоположное.

Способ управления ветроэнергетической установкой реализуется в работе ветроэнергетической установки следующим образом.

При изменении скорости ветра или изменении частоты вращения главного вала 12 по сигналу системы управления происходит срабатывание соответствующей электромагнитной муфты механизма изменения направления вращения. При этом электродвигатель, находящийся в постоянном вращении в одном направлении, подключается к самотормозящему приводу, происходит поворот лопасти и восстановление частоты вращения главного вала.

В основном варианте исполнения ветроэнергетической установки, показанном на фиг. 2, с помощью механизма изменения направления вращения 15 производится поворот лопастей 4 в прямом или обратном направлении путем подключения одного электродвигателя, находящегося в постоянном вращении, к самотормозящему приводу поворота лопастей путем срабатывания по сигналам системы управления одной из электромагнитных муфт 16 или 17.

Вал 21 соединяется с одной из конических шестерен 19 или 20, и производится поворот лопастей 4 в соответствующем направлении.

После установления необходимого угла положения лопасти ветроколеса в потоке и соответственно угла поворота главного вала, электромагнитные муфты отключают электродвигатель от самотормозящего привода, лопасть удерживается в требуемом положении самотормозящим приводом. При изменении угла установки лопасти и соответственно угла поворота главного вала, вновь производится подключение электродвигателя и поворот лопастей в соответствующем направлении.

Нагрузка, действующая на лопасть (аэродинамический момент), воспринимается самотормозящим приводом. Двигатель работает на холостом ходу, потребляя всего 3 - 5% мощности, что обеспечивает низкие энергозатраты. При этом реальная мощность затрачивается только в режиме поворота лопасти, что обеспечивает низкое энергопотребление. При работе ветроустановки в области низкоростных ветропотоков, которые могут составлять до 60% времени работы, углы установки лопастей изменяются незначительно, как показано на фиг.4, 5. Изменение скорости ветра при этом приводит к изменениям мощности, вырабатываемой установкой. Для получения максимальной выработки мощности необходимо удерживать лопасть на оптимальных углах установки; величина оптимальной "трубки" кривых коэффициента мощности Cp, в которой достигается максимальная отдача мощности при ветрах 2,5-4,5 м/с составляет всего 2,0-3,3^o. С учетом относительно более высокой порывистости ветра при рассматриваемых скоростях, это требует от системы управления повышенной точности и быстродействия, что и достигается в заявляемом способе и с использованием заявляемого устройства, в котором обеспечивается точное "дозирование" необходимого числа поворотов вала самотормозящего привода при регулировке системой управления только одного параметра: времени включения одной из двух, или одной электромагнитной муфты - в зависимости от варианта устройства и реализуемого способа. (Заявители в материалах заявки не рассматривают вопросы алгоритма управления и наличия в системе управления положением лопастей ветроустановки датчиков обратной связи, следящих за фактическим углом установки лопастей, считая данные вопросы с одной стороны известными, а с другой - не относящимися к предмету настоящей заявки.)
В варианте исполнения ветроэнергетической установки на фиг.3 поворот лопастей в прямом направлении производится основным электродвигателем 25, который подключается с помощью электромагнитной муфты 22 к основному валу 24 самотормозящего привода. Поворот лопастей в обратном направлении производится дополнительным электродвигателем 26, который подключается к дополнительному входному валу 25 самотормозящего привода 3.

В данном способе управления ветроэнергетической установкой с помощью предлагаемых устройств, которые реализуют этот способ, электродвигатели постоянно вращаются в одном направлении. При необходимости изменения направления поворота лопастей не требуется время на торможение, остановку и разгон электродвигателя, поэтому увеличивается быстродействие привода поворота лопастей, что обеспечивает повышение точности поддержания частоты вращения главного вала.

Например, для обеспечения поворота лопасти ветроколеса на 1^o при передаточном отношении в самотормозящем приводе 1:4500 и скорости вращения двигателя привода n = 1500 об/мин для поворота лопасти на указанный угол требуется поворот вала двигателя на 1 • 4500 = 4500^o, что при скорости вращения 25,0 об/сек соответствует повороту (за 1 с 25,0•360^o = 9000^o на 4500^o за время Δ t = 4500^o/9000^o = 0,5 с.

Наличие режима постоянного вращения двигателя позволяет регулировать угол поворота лопастей ветроколеса простой выдержкой времени включенного состояния электромагнитной муфты. Потери времени на разгон двигателя отсутствуют. А тот факт, что двигатель, вращающийся на постоянном режиме, без нагрузки и под нагрузкой имеет незначительное изменение по скорости вращения, обеспечивает высокую точность привода.

Например, для распространенных асинхронных двигателей эта разница в пределе равна величине скольжения и находится в пределах 4 - 6% скорости вращения электромагнитного поля. Для синхронных двигателей - 0,1 - 0,2%. Поэтому заявляемые способ и устройство обеспечивают высокую точность управления и соответственно высокое качество энергии, вырабатываемой ветроустановкой.

Заявляемые способ и устройство ориентированы прежде всего для использования в условиях низкоскоростных ветропотоков, для которых требования, предъявляемые к управлению ветроустановок более высокие, нежели в классических случаях.

Заявляемые способ и устройство являются прогрессивными, а их использование, повышая точность управления, позволяет получать электроэнергию высокого качества, удовлетворяющую требованиям промышленного стандарта частоты: 50,0 ± 0,2 Гц.

Использование: в ветроэнергетических установках для повышения точности регулирования частоты вращения рабочего колеса. При изменении частоты вращения ветроколеса лопасти поворачивают в прямом или обратном направлении по сигналу системы управления с помощью самотормозящего привода с электродвигателем. Вращение электродвигателя производят непрерывно в одну сторону, а поворот лопастей осуществляют путем периодического подключения электродвигателя к самотормозящему приводу с помощью механизма изменения направления вращения. Способ реализуется устройством, содержащим самотормозящий привод поворота лопастей, электродвигатель и систему управления и снабженным механизмом изменения направления вращения, включающим две электромагнитные муфты для периодического подключения электродвигателя, постоянно вращающегося в одном направлении, к самотормозящему приводу поворота лопастей, выполненному с дополнительным входным валом. Сама установка снабжена дополнительным электродвигателем и механизмом изменения направления вращения, выполненным в виде установленных на основном и дополнительном входных валах двух электромагнитных муфт для периодического подключения основного и дополнительного электродвигателей, постоянно вращающихся в одном направлении, соответственно, к основному и дополнительному входным валам самотормозящего привода. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления ветроэнергетической установкой, заключающийся в том, что при изменении частоты вращения ветроколеса лопасти поворачивают в прямом или обратном направлении по сигналу системы управления с помощью самотормозящего привода с электродвигателем, отличающийся тем, что вращение электродвигателя производят непрерывно в одну сторону, а поворот лопастей осуществляют путем периодического подключения электродвигателя к самотормозящему приводу с помощью механизма изменения направления вращения по сигналу системы управления. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поворот лопастей в прямом направлении осуществляют основным электродвигателем, а поворот лопастей в обратном направлении - дополнительным электродвигателем. 3. Ветроэнергетическая установка, содержащая самотормозящий привод поворота лопастей, электродвигатель, взаимодействующий с входным валом самотормозящего привода, и систему управления, отличающаяся тем, что она снабжена механизмом изменения направления вращения привода двумя электромагнитными муфтами для периодического подключения электродвигателя, постоянно вращающегося в одном направлении, к самотормозящему приводу поворота лопастей по сигналам системы управления. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что механизм изменения направления вращения выполнен в виде конического зубчатого колеса, связанного с самотормозящим приводом вала, соединенного с электродвигателем, двух конических шестерен, установленных на валу с возможностью вращения и взаимодействующих с коническим колесом с двух диаметрально противоположных сторон, а электромагнитные муфты закреплены на валу с возможностью взаимодействия с соответствующими коническими шестернями. 5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что самотормозящий привод выполнен с дополнительным входным валом, а сама установка снабжена дополнительным электродвигателем, причем электромагнитные муфты установлены на основном и дополнительном входных валах механизма изменения направления вращения привода для периодического подключения основного и дополнительного электродвигателя, постоянно вращающихся в одном направлении, соответственно к основному и дополнительному входным валам самотормозящего привода.