РЕГУЛИРОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА УСТАНОВКИ РОТОРНОЙ ЛОПАСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2015 года по МПК F03D7/02 

Данное изобретение относится к регулировочному устройству для регулирования угла установки роторной лопасти ветроэнергетической установки, а также к способу его эксплуатации.

Ветроэнергетические установки в целом известны. Наиболее распространенным типом установки является так называемая ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью, в которой приводимый в действие ветром аэродинамический ротор вращается вокруг по существу горизонтальной оси. При этом ось направлена при работе по существу в направлении ветра, и ротор имеет по меньшей мере одну, обычно три роторных лопасти, которые вращаются в роторной поверхности, которая тем самым расположена по существу поперек ветра. Такая ветроэнергетическая установка показана на фиг. 3.

В зависимости от скорости ветра можно изменять угол установки каждой роторной лопасти относительно ветра. То есть роторная лопасть поворачивается по существу вокруг своей продольной оси с целью изменения угла установки и тем самым угла атаки. Угол установки часто называется также углом наклона, а регулирование угла установки - изменением наклона.

Для выполнения изменения наклона применяется регулировочное устройство, в котором обычно применяется электрический привод. Из этого исходит также данное изобретение. Электрический привод работает с помощью силовой части, которая снабжается электрической энергией из сети электроснабжения.

Силовая часть для питания регулировочного привода согласована с регулировочным приводом, который может также называться приводом изменения наклона. При применении электродвигателя постоянного тока в качестве привода изменения наклона силовая часть работает в качестве так называемого преобразователя-регулятора постоянного напряжения. Это означает, что силовая часть поставляет постоянный ток с силой тока, которая необходима для выполнения соответствующего перестановочного движения.

Для случая неисправности сети электроснабжения предусмотрен электрический аккумулятор, который накапливает достаточную для электрического привода энергию с целью перестановки роторной лопасти в так называемое парусное положение. Необходимо всегда обеспечивать наличие в этом электрическом аккумуляторе соответствующего количества энергии, и поэтому после применения его необходимо снова заряжать и обеспечивать компенсацию возможной саморазрядки посредством так называемой подзарядки.

Зарядка электрического аккумулятора осуществляется через отдельный источник тока, который по своему выходному напряжению согласован с напряжением электрического аккумулятора. Дополнительно предусмотрено устройство подзарядки, с помощью которого осуществляется указанная подзарядка. Оно также по своему выходному напряжению согласовано с напряжением электрического аккумулятора и выполняет автоматически подзарядку электрического аккумулятора в зависимости от состояния его зарядки.

Соответственно такие системы являются сложными, поскольку они должны выполнять указанные задачи и работать надежно и с избыточностью.

В качестве общего уровня техники можно назвать DE 20 2006 018 866 U1.

Таким образом, задачей данного изобретения является устранение или уменьшение по меньшей мере одного из указанных недостатков, в частности создание возможно более простого и одновременно надежного и с избыточностью решения для регулирования роторных лопастей. По меньшей мере должен быть найден альтернативный вариант выполнения.

Таким образом, согласно изобретению предлагается регулировочное устройство, согласно пункту 1 формулы изобретения. Оно имеет серводвигатель для перемещения роторной лопасти на угол установки, т.е. для изменения наклона, управляющий блок для управления серводвигателем с помощью электрического тока, а также устройство аварийного электроснабжения для снабжения электрическим током и управления серводвигателем в случае выхода из строя сети электроснабжения. Устройство аварийного электроснабжения имеет электрический аккумулятор для накопления электрической энергии с целью обеспечения электрического тока для управления серводвигателем. Дополнительно к этому управляющий блок предназначен для зарядки электрической энергией электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения. Таким образом, управляющий блок предназначен для выполнения двойной функции, а именно, с одной стороны, снабжения серводвигателя необходимой электрической энергией и, с другой стороны, зарядки электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения.

Следует отметить, что роторные лопасти современных ветроэнергетических установок могут иметь вес в несколько тонн. Известная в настоящее время самая большая роторная лопасть ветроэнергетической установки имеет в зоне основания роторной лопасти, т.е. в обращенном к оси ротора участке роторной лопасти, ширину свыше 5 м и длину почти 60 м. Тем не менее, в частности, для предотвращения перегрузок в случае сильных порывов ветра требуется быстрое движение перестановки роторной лопасти. Другими словами, требуется большой, сильный и одновременно динамический регулировочный привод. Соответствующие требования предъявляются к управляющему блоку. При этом управляющий блок согласован с электрическими характеристиками серводвигателя. В частности, такой серводвигатель имеет индуктивную характеристику, и на взаимосвязь между током и напряжением оказывает влияние также движение электродвигателя, в частности, возникает зависящее от скорости вращения противодействующее напряжение.

В противоположность этому электрический аккумулятор, такой как конденсатор или батарея, имеет совсем другую характеристику. Напряжение на таком электрическом аккумуляторе зависит, в частности, от состояния зарядки и от имеющегося внутреннего сопротивления. Идеальный конденсатор вообще не имеет внутреннего сопротивления, и напряжение в этом случае зависит исключительно от состояния зарядки. Реальные конденсаторы могут приближаться довольно близко к идеальной характеристике и отличаются этим в принципе от электрической характеристики индуктивности, в частности, электродвигателя.

Заявителями было установлено, что управляющий блок можно согласовывать с соответствующей задачей, а именно управлением серводвигателем, с одной стороны, и зарядкой электрического аккумулятора, с другой стороны, соответственно, предусматривать соответствующие схемные элементы. За счет этого можно отказаться от отдельного зарядного блока.

Предпочтительно предусмотрено переключательное устройство, в частности один или два переключателя, для соединения управляющего блока с электрическим аккумулятором устройства аварийного электроснабжения с целью зарядки электрического аккумулятора. За счет этого обеспечивается возможность простого соединения управляющего блока с серводвигателем при нормальной работе с целью управления серводвигателем. При этом под нормальной работой понимается работа, при которой в распоряжении имеется сеть электроснабжения для снабжения управляющего блока и регулирования серводвигателя. Для зарядки электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения необходимо лишь соответствующее переключение этого переключательного устройства с целью применения управляющего блока для зарядки. Таким образом, это переключательное устройство соединяет управляющий блок либо с электродвигателем для его регулирования, либо с электрическим аккумулятором для зарядки аккумулятора.

Предпочтительно предусмотрен блок подзарядки для регулярной подзарядки электрического аккумулятора и электрическая энергия для компенсации электрической энергии, которую теряет электрический аккумулятор за счет токов утечки и/или саморазрядки. Такой блок подзарядки должен обеспечивать по сравнению с управляющим блоком лишь относительно небольшой зарядный ток, поскольку он используется лишь для подзарядки небольшой части общей емкости зарядки электрического аккумулятора. Таким образом, он может быть выполнен сравнительно небольшого размера и значительно дешевле по сравнению с управляющим блоком.

Дополнительно к этому предпочтительно, когда электрический аккумулятор состоит по существу из конденсаторов или из свинцово-кислотных аккумуляторов. Эти конструктивные элементы являются пригодными для применения в ветроэнергетической установке, поскольку они могут обеспечивать относительно большую накопительную емкость, и дополнительно пригодны для длительной работы. Они пригодны также для расположения в роторе ветроэнергетической установки и тем самым для постоянного вращения.

Предпочтительно между электрическим аккумулятором и управляющим блоком могут быть расположены индуктивный конструктивный элемент и/или выпрямительное средство. За счет выпрямительного средства предотвращается нежелательная разрядка электрического аккумулятора через управляющий блок. За счет индуктивного конструктивного элемента можно изменять электрические характеристики электрического аккумулятора относительно управляющего блока, таким образом, при зарядке электрического аккумулятора через такой индуктивный конструктивный элемент изменяются общие характеристики зарядного контура.

Кроме того, предлагается способ эксплуатации регулировочного устройства для регулирования угла установки роторной лопасти ветроэнергетической установки в соответствии с пунктом 6 формулы изобретения. В соответствии с этим роторную лопасть перемещают с помощью серводвигателя, а именно по существу вокруг ее продольной оси с целью регулирования угла установки. При этом серводвигатель снабжают электрическим током с помощью управляющего блока. Таким образом, серводвигатель является электрическим серводвигателем. В частности, с помощью управляющего блока управляют электрическим током, необходимым для выполнения желаемого движения серводвигателя. При этом управляющий блок может учитывать фактические положения серводвигателя и/или роторной лопасти с целью выполнения управления в смысле регулирования, т.е. с обратной связью относительно фактического значения.

Кроме того, способ содержит зарядку электрической энергией электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения, при этом зарядка выполняется с помощью того же управляющего блока, который снабжает серводвигатель электрическим током, в частности управляет током. Управляющий блок подключен к сети электроснабжения и снабжается из нее электрической энергией.

Кроме того, способ содержит снабжение электрическим током и управление серводвигателем с помощью устройства аварийного электроснабжения, когда выходит из строя сеть электроснабжения. Устройство аварийного электроснабжения получает энергию для обеспечения электрического тока из электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения. Таким образом, способ содержит как снабжение серводвигателя электрическим током с помощью управляющего блока, так и зарядку электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения электрической энергией с помощью управляющего блока.

Предпочтительно, зарядка электрического аккумулятора происходит по меньшей мере в одном из следующих случаев. В одном случае зарядка происходит в конце ввода в эксплуатацию ветроэнергетической установки, т.е. при первом вводе в эксплуатацию. В другом случае зарядка происходит после выхода из строя сети электроснабжения, т.е. после поворота одной или нескольких роторных лопастей по ветру после выхода из строя сети электроснабжения с помощью устройства аварийного электроснабжения. Кроме того, зарядка электрического аккумулятора может происходить после его целенаправленной разрядки, что может осуществляться, например, с целью тестирования или технического обслуживания электрического аккумулятора или других частей устройства. Другой случай имеется, когда на основании выхода из строя сети или отключения от сети длительное время не выполнялась подзарядка.

Предпочтительно, предложенный способ выполняется с помощью одного из указанных выше регулировочных устройств.

Кроме того, предлагается снабжение ветроэнергетической установки таким регулировочным устройством, т.е. регулировочным устройством, согласно изобретению. За счет этого можно уменьшать стоимость ветроэнергетической установки и/или повышать ее эффективность.

Ниже приводится в качестве примера более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - схема регулировочного устройства для регулирования угла установки роторной лопасти согласно уровню техники;

фиг. 2 - схема регулировочного устройства для регулирования угла установки роторной лопасти согласно одному варианту выполнения данного изобретения;

фиг. 3 - ветроэнергетическая установка согласно изобретению.

Схема регулировочного устройства 101 имеет серводвигатель 102 для регулирования угла установки. Управление серводвигателем 102 осуществляется с помощью преобразователя-регулятора 104 постоянного напряжения, который называется также силовой частью, с целью выполнения соответствующего процесса регулирования. Силовая часть 104 снабжается энергией из сети электроснабжения, что для ясности не изображено на фиг. 1. С помощью переключателей 106 и 107 при нормальной работе ветроэнергетической установки создается электрическое соединение между силовой частью 104 и серводвигателем 102 и тем самым обеспечивается возможность управления серводвигателем 102, как указывалось выше, с помощью силовой части 104.

В случае выхода из строя сети электроснабжения работа серводвигателя обеспечивается с помощью электрического промежуточного аккумулятора 108. Для этого переключатели 106 и 107 переключаются в положение, при котором создается соединение между электрическим промежуточным аккумулятором 108 и серводвигателем 102.

Для выполнения так называемой подзарядки предусмотрена соответствующая схема 110 подзарядки. Она обеспечивает предотвращение, соответственно компенсацию небольшой разрядки электрического промежуточного аккумулятора 108, вызванной, например, токами утечки и/или саморазрядкой. Таким образом, схема 110 подзарядки должна быть предназначена лишь для небольшой мощности. Схема 110 подзарядки также снабжается энергией из сети электроснабжения. Напряжение электрического промежуточного аккумулятора 108 измеряется и контролируется с помощью прибора 112 измерения напряжения. Измеренное напряжение позволяет также судить о состоянии зарядки электрического промежуточного аккумулятора 108.

Для зарядки электрического промежуточного аккумулятора 108 энергией, которая превосходит энергию, которую может поставлять схема 110 подзарядки, предусмотрено зарядное устройство, в частности источник 114 тока, который также снабжается из сети электроснабжения, что из соображений наглядности не показано на фиг. 1. Для выполнения зарядки электрического промежуточного аккумулятора 108 предусмотрены выключатель 116 зарядки, а также зарядное устройство 114. При замыкании выключателя 116 зарядки можно заряжать электрический промежуточный аккумулятор 108.

Согласно изобретению предусмотрено, среди прочего, регулировочное устройство, которое упрощено относительно уровня техники. Для этого предлагается отказаться от источника 114 тока.

Соответствующий вариант выполнения показан на фиг. 2. Показанная схема регулировочного устройства 1 содержит серводвигатель 2, управление которым осуществляется с помощью управляющего блока 4, который работает в качестве преобразователя-регулятора постоянного напряжения. Работающий в качестве преобразователя-регулятора постоянного напряжения управляющий блок 4 создает подлежащий управлению ток согласно показанному варианту выполнения с помощью широтно-импульсной модуляции. Для управления серводвигателем 2 необходимо переключать соответствующие переключатели 6 и 7, а также 26 и 27 так, что преобразователь-регулятор постоянного напряжения электрически соединен с серводвигателем 2.

В случае отказа сети электроснабжения управление серводвигателем 2 можно осуществлять с помощью энергии электрического промежуточного аккумулятора 8. Переключатели 6 и 7 переключаются в соответствии с этой ситуацией. Для выполнения подзарядки предусмотрена схема 10 подзарядки. Такая схема 10 подзарядки обычно не предназначена для зарядки, которая выходит за пределы подзарядки.

Для обеспечения возможности полной или частичной зарядки электрического промежуточного аккумулятора 8 за пределами подзарядки предлагается применять управляющий блок 4, а именно преобразователь-регулятор 4 постоянного напряжения, для зарядки электрического промежуточного аккумулятора 8. С помощью переключателей 26 и 27 можно создавать электрическое соединение между управляющим блоком 4 и электрическим промежуточным аккумулятором 8. При соответствующем положении включения переключателей 26 и 27 получается зарядный контур, в котором последовательно расположены также индуктивный конструктивный элемент, в частности дроссель 28, а также выпрямительное средство, в частности диод 30. Кроме того, предусмотрен датчик 32 тока, который может измерять ток, управление которым осуществляется для зарядки электрического аккумулятора 8. При нормальной работе, когда управляющий блок 4 управляет серводвигателем 2, датчик 32 тока можно использовать также для измерения возможного тока управления.

Предпочтительно в управляющем блоке 4 применяется способ широтно-импульсной модуляции для создания зарядного тока для электрического промежуточного аккумулятора 8. При этом сначала создается в принципе известным образом импульсный сигнал с множеством прямоугольных импульсов. Для сглаживания этого сигнала и, в частности, также для предотвращения повреждения электрического промежуточного аккумулятора пригоден индуктивный конструктивный элемент 28. Серводвигатель 2, с одной стороны, и электрический промежуточный аккумулятор 8, с другой стороны, имеют принципиально различные электрические свойства, а именно серводвигатель 2 имеет по существу индуктивные свойства, а электрический промежуточный аккумулятор 8 - по существу емкостные свойства. За счет включения индуктивного конструктивного элемента 28 их свойства можно по меньшей мере частично компенсировать, что по меньшей мере упрощает предложенную возможность двойного использовании управляющего блока, если даже вообще не делает ее реализуемой. Предпочтительно необходимо также согласовывать управляющий блок 4 с различными требованиями, а именно управлением серводвигателем 4, с одной стороны, и зарядкой электрического промежуточного аккумулятора 8, с другой стороны.

Выпрямительное средство 30, которое показано в виде диода и которое может быть также выполнено в виде диода, предотвращает нежелательную разрядку электрического промежуточного аккумулятора, например, через управляющий блок 4.

Изобретение относится к энергетике, к ветроэнергетическим установкам. Технический результат состоит в упрощении регулирования и повышении надежности. Регулировочное устройство для регулирования угла установки роторной лопасти ветроэнергетической установки содержит серводвигатель для перемещения роторной лопасти с целью изменения угла установки, управляющий блок для управления серводвигателем с помощью электрического тока. Управляющий блок подключен к сети электроснабжения. Устройство аварийного электроснабжения для снабжения электрическим током и управления серводвигателем используется в случае выхода из строя сети электроснабжения. Устройство аварийного электроснабжения имеет электрический аккумулятор для накопления электрической энергии для обеспечения электрического тока для управления серводвигателем. Управляющий блок предназначен для зарядки электрической энергией электрического аккумулятора устройства аварийного электроснабжения. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулировочное устройство (1) для регулирования угла установки роторной лопасти ветроэнергетической установки, содержащее:
серводвигатель (2) для перемещения роторной лопасти с целью изменения угла установки,
- управляющий блок (4) для управления серводвигателем (2) с помощью электрического тока, при этом управляющий блок (4) подключен к сети электроснабжения, и
устройство аварийного электроснабжения для снабжения электрическим током и управления серводвигателем в случае выхода из строя сети электроснабжения, причем
устройство аварийного электроснабжения имеет электрический аккумулятор (108) для накопления электрической энергии с целью обеспечения электрического тока для управления серводвигателем (2), и при этом управляющий блок (4) предназначен для зарядки электрической энергией электрического аккумулятора (8) устройства аварийного электроснабжения.

2. Регулировочное устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что предусмотрено переключательное устройство (26, 27) для соединения управляющего блока (4) с электрическим аккумулятором (8) устройства аварийного электроснабжения с целью зарядки электрического аккумулятора (8).

3. Регулировочное устройство (1) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что предусмотрен блок (10) подзарядки для регулярной подзарядки электрического аккумулятора (8) электрической энергией, на которую разряжается электрический аккумулятор (8) за счет токов утечки и/или за счет саморазрядки.

4. Регулировочное устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что электрический аккумулятор (8) состоит по существу из конденсаторов, и/или из свинцово-кислотных аккумуляторов, и/или ионно-литиевых аккумуляторов.

5. Регулировочное устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что между электрическим аккумулятором (8) и управляющим блоком (4) последовательно включен индуктивный конструктивный элемент (28) и/или выпрямительное средство (28), так что при зарядке электрического аккумулятора (8) с помощью управляющего блока (4) зарядный ток протекает от управляющего блока через этот индуктивный конструктивный элемент (28), соответственно, это выпрямительное средство.

6. Способ эксплуатации регулировочного устройства (1) для регулирования угла установки роторной лопасти ветроэнергетической установки, содержащий этапы:
- перемещения роторной лопасти с помощью серводвигателя (2) с целью регулирования угла установки, при этом серводвигатель (2) снабжают электрическим током с помощью подключенного к сети электроснабжения управляющего блока (4),
зарядки электрического аккумулятора (8) устройства аварийного электроснабжения электрической энергией с помощью управляющего блока (4) и
- снабжения электрическим током и управления серводвигателем (2) с помощью устройства аварийного электроснабжения из электрического аккумулятора (8) устройства аварийного электроснабжения в случае выхода из строя сети электроснабжения.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что зарядку электрического аккумулятора (8) устройства аварийного электроснабжения выполняют при вводе в эксплуатацию ветроэнергетической установки, после управления серводвигателем (2) с помощью устройства аварийного электроснабжения в случае выхода из строя сети электроснабжения и/или после целенаправленной разрядки электрического аккумулятора (8).

8. Способ по п. 6 или 7, отличающийся тем, что используют регулировочное устройство (1) по любому из пп. 1-4.

9. Ветроэнергетическая установка, содержащая регулировочное устройство (1) по любому из пп. 1-5.