СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ ВЕТРОКОЛЕСА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H02P9/04 F03D7/04 

Изобретения относятся к электротехнике, а именно к средствам защиты ветроэнергетических установок при значительном увеличении скорости ветра.

Известен способ торможения ветроколеса ветроэнергоустановки, при котором ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, а результат взаимодействия ротора с потоком подводят к нагрузке; дополнительное усилие торможения сосредотачивают по оси ротора, сравнивают усилие дополнительного торможения с расчетным усилием, возникающим на роторе от центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, и при превышении усилия дополнительного торможения прикладывают его к каждому подвижному элементу одновременно, RU 2172864 С2, опубл. 27.08.2001.

Недостатком данного способа является узкий диапазон регулировки, поскольку торможение ветроколеса прямо связано с жесткостью пружин. При весьма больших скоростях ветра (ураган) необходима достаточно большая жесткость пружин, однако при субураганных скоростях ветра слишком большая жесткость пружин не позволит осуществить сложение лопастей и торможение ветроколеса.

Известен электромеханический способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки путем фиксации ротора электрогенератора электромагнитным устройством (УЭ) при превышении скорости вращения лопастей ветроколеса допустимого предела, RU 2336433 С1, опубл. 20.10.2008.

Недостатком данного способа является то обстоятельство, что он может быть эффективен лишь при низком пороговом значении скорости ветра ввиду больших ударных воздействий на элементы УЭ, в частности на «пальцы» тормоза.

Более эффективны и надежны электрические способы торможения ветроколеса ветроэнергетической установки.

Известен способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения; согласно известному способу определяют частоту вращения ветроколеса с помощью датчика оборотов вала генератора и, если частота вращения ветроколеса достигла порогового значения, закорачивают, по меньшей мере, одну из обмоток генератора, RU 2430463 С2, опубл. 27.09.2011. Как отмечается в формуле изобретения (п.89) и в описании указанного выше технического решения, принятого за прототип настоящего изобретения в части способа, при нормальной работе крутящий момент подстраивается под оптимальные характеристики и/или максимальную выдаваемую мощность. При ветре, превышающем допустимую силу, схема управления регулирует момент для снижения аэродинамических характеристик, что необходимо для поддержания выдачи желаемого уровня мощности. В режимах включения, например, при одном или нескольких отказах схем управления, потере мощности в какой-либо части устройства для генерирования электрической энергии при ураганном ветре управление ветроколесом осуществляется путем повышения крутящего момента посредством закорачивания обмоток. При этом ток в обмотках генератора начинает резко нарастать, однако явление самоиндукции препятствует любым изменениям тока в обмотках, создавая встречный момент, тормозящий вращение вала генератора. Собственная энергия тока самоиндукции численно равна работе, которую должен выполнить ветер для преодоления э.д.с. самоиндукции. Ветроколесо таким образом тормозится, но полностью остановиться не может, так как при полной остановке исчезает ток самоиндукции, а значит и сопротивление вращению ветроколеса. Ветроколесо в конечном счете будет медленно вращаться, что является основным недостатком способа по RU 2430463 С2, поскольку ремонтные и профилактические работы возможны только при полностью остановленном ветроколесе. При реализации данного способа указанные работы возможны только с использованием дополнительных механических средств для фиксации ветроколеса. Кроме того, при весьма сильном (ураганном) ветре ток короткого замыкания может достичь величины, которая вызовет повреждение обмоток генератора.

Задачей изобретения в части способа является обеспечение полной остановки ветроколеса при его торможении, а также предотвращение повреждения обмоток генератора.

Известно устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включающее датчик оборотов вала генератора, контроллер и переключающее устройство, RU 2430463 С2, фиг.6, опубл. 27.09.2011.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа изобретения в части устройства.

Недостатки устройства-прототипа, реализующего описанный выше способ-прототип, состоят в невозможности полной остановки ветроколеса, а также в повреждении обмоток электрического генератора при достижении током короткого замыкания весьма большой величины в условиях ураганного ветра.

Задачей изобретения в части устройства является обеспечение полной остановки ветроколеса, а также предотвращение повреждения обмоток генератора.

Согласно изобретению в части способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения, увеличение указанного момента осуществляют путем подачи в обмотку электрического генератора постоянного тока, величина которого не превышает величину максимально допустимого рабочего тока электрического генератора.

Согласно изобретению в части устройства устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включающее датчик оборотов вала генератора, контроллер и переключающее устройство, дополнительно содержит аккумуляторную батарею, а переключающее устройство выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый и второй транзисторы p-n-p-n структуры и два диода, отрицательные электроды которых соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а положительные электроды соединены между собой и с эмиттерами транзисторов, при этом двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов между одним концом обмотки статора генератора и положительным полюсом аккумуляторным батареи, отрицательный полюс которой соединен с другим концом обмотки статора генератора, датчик оборотов вала генератора подключен к первому входу контроллера, первый и второй выходы которого подключены к затворам соответственно первого и второго транзисторов, а третий выход контроллера соединен с эмиттерами транзисторов.

Сущность изобретений поясняется чертежом, на котором изображена схема, поясняющая заявленный способ и устройство для его реализации.

Устройство для реализации заявленного способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки содержит электрический генератор 1, электронный датчик 2 оборотов вала генератора 1, контроллер 3, переключающее устройство 4 и аккумуляторную батарею 5. Переключающее устройство 4 выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый 6 и второй 7 транзисторы p-n-p-n структуры и два диода 8 и 9. Отрицательные электроды диодов 8 и 9 соединены соответственно с коллекторами первого 6 и второго 7 транзисторов, а положительные электроды диодов соединены между собой и с эмиттерами транзисторов. Двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов 6, 7 между одним концом обмотки 10 статора генератора 1 и положительным полюсом аккумуляторной батареи 5. В конкретном примере для простоты изложения описан однофазный генератор. Отрицательный полюс аккумуляторной батареи 5 соединен с другим концом обмотки 10 статора генератора 1. Датчик 2 оборотов вала генератора 1 подключен к первому входу контроллера 3. Первый и второй выходы контроллера 3 подключены к затворам соответственно первого 6 и второго 7 транзисторов. Третий выход контроллера 3 соединен с эмиттерами транзисторов 6, 7.

Заявленный способ реализуется следующим образом. В нормальном режиме работы напряжение с обмотки 10 через транзистор 6 и диод 9 поступает на аккумуляторную батарею 5 и к потребителям. Транзистор 7 закрыт. При достижении частоты вращения ветроколеса заданного порогового значения в результате увеличения скорости ветра датчик 2 оборотов вала генератора подает на первый вход контроллера 3 соответствующий сигнал, контроллер 3 открывает транзистор 7 и закрывает транзистор 6. Постоянный ток от аккумуляторной батареи 5 через транзистор 7 и диод 8 поступает в обмотку 10 статора генератора. Величина постоянного тока, поступающего в обмотку 10, не должна превышать величину максимально допустимого рабочего тока электрического генератора во избежание ее перегрева и повреждения и составляет от 70 до 95% величины последнего. Постоянный электрический ток в обмотке 10 статора генератора создает постоянное магнитное поле, противодействующее вращению ротора генератора и связанного с ним ветроколеса. Происходит торможение ветроколеса, а при дальнейшем увеличении крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса, последнее останавливается. Для торможения и остановки ветроколеса с целью проведения сервисных работ на второй вход контроллера 3 подается внешний управляющий сигнал, в результате которого в обмотку 10 статора генератора подается постоянный ток от аккумуляторной батареи 5, и происходит торможение и остановка ветроколеса.

В случае трехфазного электрического генератора торможение и остановка ветроколеса осуществляется аналогично путем подачи постоянного тока во все обмотки статора.

Реализация отличительных признаков заявленного способа и устройства для его реализации обеспечивает технический результат, состоящий в обеспечении полной остановки ветроколеса, что недостижимо в прототипе, поскольку в последнем случае при полной остановке ветроколеса исчезает э.д.с. самоиндукции, а следовательно, и сопротивление вращению ветроколеса. В заявленных изобретениях торможение и остановка ветроколеса обусловлены не э.д.с. самоиндукции, а взаимодействием постоянного магнитного поля, создаваемого в результате подачи постоянного тока в обмотку статора, с магнитным полем ротора электрического генератора.

Кроме того, предотвращается перегрев и повреждение обмоток генератора, которые могут иметь место при коротком замыкании обмоток.

Изобретения относятся к электротехнике, а именно к средствам защиты ветроэнергетических установок при значительном увеличении скорости ветра. Технический результат заключается в обеспечении возможности полной остановки ветроколеса при его торможении. Устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включает датчик оборотов вала генератора, контроллер, переключающее устройство и аккумуляторную батарею. Переключающее устройство выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый и второй транзисторы p-n-p-n структуры и два диода, отрицательные электроды которых соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а положительные электроды соединены между собой и с эмиттерами транзисторов. Двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов между одним концом обмотки статора генератора и положительным полюсом аккумуляторной батареи, отрицательный полюс которой соединен с другим концом обмотки статора генератора. Датчик оборотов вала генератора подключен к первому входу контроллера, первый и второй выходы которого подключены к затворам соответственно первого и второго транзисторов, а третий выход контроллера соединен с эмиттерами транзисторов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения, отличающийся тем, что увеличение указанного момента осуществляют путем подачи в обмотку статора электрического генератора постоянного тока, величина которого не превышает величину максимально допустимого рабочего тока электрического генератора.

2. Устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включающее датчик оборотов вала генератора, контроллер и переключающее устройство, отличающееся тем, что дополнительно содержит аккумуляторную батарею, а переключающее устройство выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый и второй транзисторы p-n-p-n структуры и два диода, отрицательные электроды которых соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а положительные электроды соединены между собой и с эмиттерами транзисторов, при этом двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов между одним концом обмотки статора генератора и положительным полюсом аккумуляторным батареи, отрицательный полюс которой соединен с другим концом обмотки статора генератора, датчик оборотов вала генератора подключен к первому входу контроллера, первый и второй выходы которого подключены к затворам соответственно первого и второго транзисторов, а третий выход контроллера соединен с эмиттерами транзисторов.