Система адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора Российский патент 2020 года по МПК F03D7/06 

Область техники

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к системам предотвращения неконтролируемого разгона ветроротора Дарье при сильных ветрах

Уровень техники

Известен способ регулирования скорости вращения ветроротора (Патент WO 2009/035363 A1, 2009 г.) Когда скорость вращения вала ветрогенератора превысит расчетную величину, подключится активная нагрузка, что приведет к торможению ротора и в дальнейшем, в зависимости от показаний датчика скорости вращения ротора генератора, мощность активной нагрузки корректируется в ту или иную сторону.

К недостаткам подобного способа относится использование в качестве активной нагрузки батареи коммутируемых нагревательных элементов (ТЭН), поэтому большая часть выработанной энергии рассеивается в пространстве в виде тепла существенно уменьшая общий КПД ветрогенератора.

Также известен способ регулирования скорости вращения ветроротора (патент РФ №2188335, 2001 г.), который заключается в обеспечении ограничения числа оборотов вертикально-осевого ветроколеса в широком диапазоне скоростей набегающего потока, достигается за счет того, что в вертикально-осевом ветроколесе, содержащем вертикальный вал с траверсами, на концах траверс установлены вертикальные профилированные лопасти, на внешней поверхности которых расположены щитки, шарнирно закрепленные на лопасти, и механизм управления щитками, согласно изобретению щитки расположены в хвостовой части лопасти, задняя кромка прижатого щитка совпадает с задней кромкой лопасти, а механизм управления щитком состоит из рычага, жестко связанного с щитком, пружины, которая соединена с рычагом и заключена в обойму, расположенную внутри лопасти, и регулировочного винта для предварительного сжатия пружины.

К недостаткам подобного способа относится технологическое усложнение изготовления лопасти и обеспечения надежности управления в сложных климатических условиях, а также невозможность использования способа с изогнутыми лопастями.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является предотвращение неконтролируемой раскрутки ветроротора при сильных ветрах без прекращения выработки электроэнергии.

Техническим результатом заявленного изобретения является ограничение частоты вращения ветроротора на уровне 300 оборотов в минуту во всем диапазоне ветров.

Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что система адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора содержит: немагнитный вращающийся токопроводящий диск, связанный с ветроротором, электромагнитный блок, контроллер с заданным эталонным значением частоты или с заданным пороговым значением напряжения, компаратор, соединенный с фазами генератора ветроротора и с контроллером, и выполненный с возможностью анализа значения частоты или напряжения входящего от генератора ветроротора сигнала, при этом контроллер выполнен с возможностью переключения посредством коммутирующих ключей напряжения на электромагнитный блок при превышении значения входящего напряжения над пороговым значением напряжением или при отклонении от эталонного значения частоты.

В частном случае реализации заявленного технического решения электромагнитный блок выполнен в виде многообмоточного электромагнитного блока, расположенного неподвижно относительно ветроротора, а его полюсный наконечник размещен с зазором <1мм к плоскости связанного с ветроротором вращающимся немагнитным токопроводящим диском.

В частном случае реализации заявленного технического решения многообмоточный электромагнитный блок намотан на магнитомягком сердечнике с высокой индукцией насыщения.

В частном случае реализации заявленного технического решения электромагнитный блок выполнен в виде отдельных электромагнитов, равномерно распределенных по окружности немагнитного токопроводящего диска, причем количество электромагнитов меньше на единицу чем число фаз генератора, и выполнены таким образом, что каждый следующий электромагнит подключается при насыщении предыдущего электромагнита и дальнейшем росте частоты вращения ветроротора.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - функциональная схема адаптивной системы стабилизации скорости вращения ветроротора с частотным компаратором и электромагнитным блоком, выполненным в виде многообмоточного электромагнитного блока;

Фиг. 2 – функциональная схема адаптивной системы стабилизации скорости вращения ветроротора с частотным компаратором и электромагнитным блоком, выполненным в виде отдельных электромагнитов;

Фиг. 3 – многообмоточный электромагнит постоянного тока;

Фиг. 4 – взаимное расположение немагнитного токопроводящего диска и электромагнитов:

Фиг. 5 – функциональная схема адаптивной системы стабилизации скорости вращения ветроротора с пороговым компаратором (напряжения) и электромагнитным блоком, выполненным в виде многообмоточного электромагнитного блока

Фиг. 6 – функциональная схема адаптивной системы стабилизации скорости вращения ветроротора с пороговым компаратором (напряжения) и электромагнитным блоком, выполненным в виде отдельных электромагнитов.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – генератор; 2 – контроллер; 3 – стандартный частотный компаратор; 4 – коммутирующие ключи; 5 – электромагнитный блок; 6 – многофазный выпрямитель; 7 – немагнитный токопроводящий вращающийся диск ветроротора; 8 – сердечник; 9 – обмотки электромагнита.

Раскрытие изобретения

Задача решается тем, что для предотвращения неконтролируемого разгона ветроротора используется эффект торможения, вращающегося немагнитного проводящего диска в магнитном поле, вызванное токами Фуко.

Система адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора содержит генератор, немагнитный токопроводящий вращающийся диск (7) ветроротора, стандартный компаратор (3), один вход которого соединен с фазами генератора (1), а на другой вход соединен с контроллером (2). Контролер (2) в свою очередь также соединен с фазами генератора (1). Электромагнитный блок (5) соединен с фазами генератора (1) через коммутирующие ключи (4). Блок многофазного выпрямителя (6) подключен непосредственно к фазам генератора, а постоянное напряжение с выхода подается на штатное зарядное устройство, обеспечивающее зарядку аккумуляторной батареи и питания инвертора ветрогенератора.

В варианте реализации заявленной системы адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора применен частотный компаратор (3), на один вход которого подается сигнал одной из фаз генератора (1), а на другой вход подается эталонная частота, установленная контроллером (2).

В варианте реализации заявленной системы адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора благодаря прямой зависимости выходного напряжения от частоты вращения вместо частотного компаратора используется пороговый компаратор (напряжения) Фиг. 5, Фиг. 6. содержит стандартный пороговый компаратор (напряжения) 3, на один вход которого подается сигнал одной из фаз генератора (1), а на другой вход подается эталонное напряжение, установленное контроллером (2). Сигнал ошибки с выхода компаратора анализируется контроллером (2) и при превышении значения входящего напряжения над эталонным напряжением, подает сигналы на управление коммутирующими ключами (4), переключающими напряжение на многообмоточный электромагнитный блок ЭМ 5 (Фиг. 5), либо отдельные электромагниты ЭМ (5) (Фиг. 6).

Сигнал ошибки с выхода компаратора (3) анализируется контроллером (2) и при превышении значения частоты входящего сигнала над эталонной частотой подает сигналы на управление коммутирующими ключами (4), переключающими напряжение на электромагнитный блок ЭМ (5).

Электромагнитный блок (5) в варианте реализации заявленного технического решения выполнен в виде многообмоточного электромагнитного блока (5), который намотан на магнитомягком сердечнике (8) с высокой индукцией насыщения для получения плавного нарастания напряженности магнитного потока при увеличении напряжения питания от генератора во всем диапазоне скоростей вращения. Многообмоточный электромагнитный блок (5) расположен неподвижно относительно ветроротора, а его полюсный наконечник размещен с зазором <1мм к плоскости связанного с ветроротором вращающимся немагнитным токопроводящим диском (7) (Фиг. 4), т.к. чем меньше расстояние между полюсным наконечником электромагнитного блока (5) и токопроводящей поверхностью диска (7), тем меньше потери магнитного поля на рассеивание в пространстве и больше сила токов Фуко в немагнитном диске (7) и, соответственно мощность тормозящего момента.

Электромагнитный блок (5) в варианте реализации заявленного технического решения выполнен в виде отдельных электромагнитов из электротехнической стали (Фиг. 2). Число электромагнитов на единицу меньше, чем число фаз генератора (1). Электромагниты равномерно распределены по окружности над немагнитным токопроводящим диском (7). Первый из электромагнитов подключается при первом превышении частоты вращения над опорным значением. Каждый следующий электромагнит подключаются при насыщении предыдущего электромагнита и дальнейшем росте частоты вращения ветроротора (Фиг. 6).

Работает предлагаемое решение следующим образом.

При частоте вращения до 300 об/мин. Генератор работает как обычно, но при превышении этого значения частота превышает порог компаратора (3) и контроллер (2) переключает одну из обмоток многофазного генератора (1) на питание первой обмотки электромагнита ЭМ (Фиг. 1а).

При этом при взаимодействии постоянного магнитного поля электромагнита и вращающегося немагнитного токопроводящего диска (7) возникают вихревые токи (токи Фуко), направленные так, чтобы создаваемое ими магнитное поле противодействовало изменению внешнего магнитного поля.

При этом вихревые токи создают тормозящую силу, потому что индуцированные токи препятствуют изменению потока. Такие силы пропорциональны скорости движения проводящей поверхности и напряженности магнитного поля, что приводит к снижению частоты вращения ветроротора. Если электромагнит не достиг насыщения, а частота вращения продолжает расти, то контроллер дает команду для подключения следующей обмотки электромагнита. Так происходит до тех пор, пока не будут задействованы все обмотки (9) электромагнита, число которых на единицу меньше числа фаз генератора (1), поэтому даже при максимальном торможении продолжается выработка электроэнергии, отдаваемой в нагрузку.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к системам предотвращения неконтролируемого разгона ветроротора Дарье при сильных ветрах. Система содержит генератор ветроротора, немагнитный вращающийся токопроводящий диск, электромагнитный блок, контроллер с заданным эталонным значением частоты или с заданным пороговым значением напряжения, компаратор. Компаратор соединен с фазами генератора и с контроллером. Компаратор выполнен с возможностью анализа значения частоты или напряжения входящего от генератора сигнала. Контроллер выполнен с возможностью переключения посредством коммутирующих ключей напряжения на электромагнитный блок при превышении значения входящего напряжения над пороговым значением напряжением или при отклонении от эталонного значения частоты. Электромагнитный блок выполнен в виде многообмоточного электромагнитного блока, расположенного неподвижно относительно ветроротора, а его полюсный наконечник размещен с зазором <1мм к плоскости связанного с ветроротором вращающимся немагнитным токопроводящим диском. Электромагнитный блок выполнен в виде отдельных электромагнитов, равномерно распределенных по окружности немагнитного токопроводящего диска. Количество электромагнитов меньше на единицу чем число фаз генератора, и выполнены таким образом, что каждый следующий электромагнит подключается при насыщении предыдущего электромагнита и дальнейшем росте частоты вращения ветроротора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора, которая содержит:

- немагнитный вращающийся токопроводящий диск, связанный с ветроротором,

- электромагнитный блок,

- контроллер с заданным эталонным значением частоты или с заданным пороговым значением напряжения,

- компаратор, соединенный с фазами генератора ветроротора и с контроллером и выполненный с возможностью анализа значения частоты или напряжения входящего от генератора ветроротора сигнала,

- при этом контроллер выполнен с возможностью переключения посредством коммутирующих ключей напряжения на электромагнитный блок при превышении значения входящего напряжения над пороговым значением напряжением или при отклонении от эталонного значения частоты.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электромагнитный блок выполнен в виде многообмоточного электромагнитного блока, расположенного неподвижно относительно ветроротора, а его полюсный наконечник размещен с зазором <1мм к плоскости связанного с ветроротором вращающегося немагнитного токопроводящего диска.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что многообмоточный электромагнитный блок намотан на магнитомягком сердечнике с высокой индукцией насыщения.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что электромагнитный блок выполнен в виде отдельных электромагнитов, равномерно распределенных по окружности немагнитного токопроводящего диска, причем количество электромагнитов меньше на единицу чем число фаз генератора, и выполнены таким образом, что каждый следующий электромагнит подключается при насыщении предыдущего электромагнита и дальнейшем росте частоты вращения ветроротора.