АВТОМАТИЧЕСКАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F03D7/06 

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.

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. 1 ил.

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.