Система автономного электроснабжения Российский патент 2023 года по МПК F03D9/25 F03D7/04 H02P9/00 H02K21/12 

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники, в частности к автономным системам электроснабжения трехфазным переменным током, использующим энергию ветра.

Уровень техники.

Известна «Ветроэнергетическая установка», которая содержит ветроколесо, вал ветроколеса, мультипликатор, вал мультипликатора, обгонную муфту, входной вал инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, выходной вал инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором, батарею пусковых конденсаторов, трансформаторы напряжения, потребитель электрической энергии, диодный мост, блок управления, аккумуляторную батарею, преобразователь напряжения, опорные подшипники, двигатель постоянного тока (RU 159413 U1 F03D 9/02).

Недостатками данной установки является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использование машины постоянного тока, выступающей в роле устройства регулирования оборотов и стабилизации выходных параметров асинхронного генератора, а также неспособность системы работать при низких скоростях ветра.

Известен «Способ и устройство для ввода электрической энергии в электрическую сеть электроснабжения», который содержит ветроколесо генератор, выполненный как электрически возбуждаемый многофазный синхронный генератор с двумя трехфазными системами, соединенными соответственно по схеме соединения звезда, выпрямитель, провод постоянного тока, гондолу, инвертор, повышающий трансформатор, соединенный по схеме соединения «звезда – треугольник», а также блок управления. (RU 2 605 085 C2 H02J 3/24, F03D 7/04)

Недостатками данной системы является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, которое обусловлено наличием многофазного генератора, с двумя трехфазными системами, схема соединения обмоток «звезда – звезда», а также затратный процесс получения электроэнергии в конечном виде, в котором она доходит до потребителя, т.е. выпрямление переменного тока, преобразование его в постоянный, последующее преобразование через инвертор обратно в переменный трехфазный, после увеличение за счет повышающего трансформатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятый авторами за аналог является «Ветроэнергетическая модульная установка комбинированного типа с применением молекулярных накопителей энергии и магнитных подшипников», состоящая из ротора ветродвигателя, лопастей ротора, неподвижной внешней направляющей, несущей опоры установки, унифицированных модулей, генератора, выпрямителя, солнечных батарей, контроллера заряда АБ, аккумуляторных батарей, МНЭ («суперконденсатор») и инвертора (RU 103856 U1 F03D 3/00).

Недостатками данной установки является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с необходимостью с применением молекулярных накопителей энергии и магнитных подшипников, а также использование вертикально осевого ветродвигателя и несовершенство системы управления.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является удешевление системы автономного электроснабжения путем применения генератора с оптимизированной магнитной системой, увеличенной мощностью и повышенным КПД, организацией трехфазной системы генерирования электроэнергии, стабилизация напряжения на фазах синхронного генератора в определенном диапазоне за счет переключения схем обмоток статора со звезды на треугольник и обратно в зависимости от мощности нагрузки и скорости ветра, переключение схем обмоток статора производится при помощи блока коммутации, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности за счет использования композитных материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление системы автономного электроснабжения, путем внедрения генератора с оптимизированной магнитной системой, увеличенной мощностью и повышенным КПД, организацией трехфазной системы генерирования электроэнергии, стабилизация напряжения на фазах синхронного генератора в определенном диапазоне за счет переключения схем обмоток внешнего кольца и внутреннего кольца статора со «звезда» на «треугольник» и обратно в зависимости от мощности нагрузки и скорости ветра, при помощи блока коммутации, управляемым микроконтроллером, получающим информацию о скорости ветра с анемометра, величины тока и напряжения статора с датчика тока и напряжения, состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, а также тока потребителей со второго датчика тока и напряжения, микроконтроллер анализирует уровни входных сигналов, обрабатывает их в соответствии с алгоритмом управления, и подает сигнал на блок коммутации, который соединяет обмотки внешнего кольца и внутреннего кольца статора по схеме «звезда» или «треугольник», в результате происходит стабилизация выходных параметров синхронного генератора в определенном диапазоне при изменении мощности нагрузки потребителей и ветровой нагрузки. Уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности происходит за счет того, что ротор изготовлен из АБС пластика и произведена оптимизация магнитной системы генератора.

Технический результат достигается с помощью системы автономного электроснабжения содержащей ветроколесо, аккумуляторную батарею, инвертор, отличающейся тем что она снабжена обгонной муфтой, синхронным генератором со статором, выполненным из внутреннего кольца и внешнего колец, а также блоком коммутации, управление которым происходит посредством сигнала с микроконтроллера, который получает информацию о скорости ветра от анемометра, состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, нагрузки потребителя с датчика тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика тока и напряжения, что позволяет в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии, производить переключение обмоток статора по схеме «звезда» или «треугольник», стабилизируя в определённом диапазоне напряжение на фазах синхронного генератора, выработанная энергия через зарядное устройство производит заряд аккумуляторных батарей. Энергия с аккумуляторной батареи через инвертор осуществляет питание потребителей.

Новизна технического решения обусловлена тем, что система автономного электроснабжения содержит синхронный генератор со статором, выполненным из внутреннего кольца и внешнего кольца, в которых расположены его обмотки (патент на изобретение № 2775062). Обмотки внешнего кольца и внутреннего кольца статора могут быть соединены по трехфазной схеме в звезду или треугольник, с возможностью переключения данных соединений обмоток в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии. Переключения обмоток происходит при помощи блока коммутации, управляемым микроконтроллером, который получает информацию о скорости ветра с анемометра, величины генерируемого тока и напряжения синхронного генератора с датчика тока и напряжения, состоянии заряда АКБ с зарядного устройства, а также тока и напряжения потребителя с второго датчика тока и напряжения, обрабатывает сигналы и подает управляющий сигнал на блок коммутации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения о прототипах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен прототип, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов и прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков прототипа позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 – комбинированная схема системы автономного электроснабжения;

На фиг. 2 – схема соединения обмоток статора синхронного генератора.

Осуществление изобретения

Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, соединенное посредством вала 2 ветроколеса 1 с обгонной муфтой 3, которая соединена с ротором 4 синхронного генератора 5 с внешним кольцом 6 и внутренним кольцом 7 статора 8 к обмоткам 9, 10 статора 8 электрически присоединен блок 11 коммутации, со входов которого считываются данные тока и напряжения при помощи датчика 12 тока и напряжения, переключение обмоток 9 и 10 статора 8 синхронного генератора 5 осуществляется при помощи блока 11 коммутации, который получает управляющий сигнал с микроконтроллера 13, микроконтроллер 13 получает сигналы с анемометра 14 о скорости ветра, состоянии заряда аккумуляторной батареи 15 с зарядного устройства 16, о токе и напряжении потребителя 17 с датчика 18 тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика 12 тока и напряжения. Блок 11 коммутации электрически соединен с зарядным устройством 16, которое соединено с аккумуляторной батареей 15, которая соединена с инвертором 19, инвертор 19 электрически присоединен с потребителем 17. Управление системой автономного электроснабжения осуществляется как в автоматическом режиме, так и при помощи персонального компьютера 20, который по сети соединен с модулем связи 21, подключенным непосредственно к микроконтроллеру 13, все данные в режиме реального времени можно контролировать при помощи персонального компьютера 20.

На фигуре 2 схематически изображены схемы соединения обмоток 9, 10 статора 8 в «звезда» или в «треугольник». Переключение схем соединения обмоток 9 и 10 происходит при помощи блока 11 коммутации, на который поступает сигнал с микроконтроллера 13, который получает информацию с датчика 12 тока и напряжения, анемометра 14, зарядного устройства 16, датчика 18 тока и напряжения.

Система автономного электроснабжения работает следующим образом.

Вращающий момент от ветроколеса 1 через вал 2 ветроколеса 1 передается на обгонную муфту 3, далее на ротор 4 генератора 5. Обмотки 9 и 10 статора 8 отличаются по массогабаритным показателям, поэтому величина электромагнитной индукции в обмотках 9, 10, линейные скорости изменения магнитного потока в обмотках 9 и 10 будут разные, в результате чего генерируемая электроэнергия будет отличаться в данных обмотках 9 и 10. При скорости ветра 2-5 м/с обмотки 9 внешнего кольца 6 и обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединены по схеме «звезда». При скорости ветра 5-8 м/с обмотка 9 внешнего кольца 6 статора 8 соединена по схеме «звезда», а обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединена по схеме «треугольник». При скорости ветра 8-12 м/с обмотка 9 внешнего кольца 6 статора 8 соединена по схеме «треугольник», а обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединены по схеме «звезда». При скорости ветра 12-20 м/с обмотки 9 внешнего кольца 6 и обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединены по схеме «треугольник». Такое переключение схем обмоток 9 и 10 позволяет стабилизировать напряжение в определенном диапазоне на фазах синхронного генератора 5, обеспечить эффективную выработку электроэнергии при разных скоростях ветра и мощности потребителя 18. Аккумуляторная батарея 15 выступает в роли накопителя электрической энергии, который в момент отсутствия энергии ветра способен обеспечить бесперебойное электроснабжения потребителя 17, как постоянным, так и переменным током, благодаря использованию инвертора 19 в схеме автономного электроснабжения.

Результатом совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивается упрощение и удешевление системы автономного электроснабжения за счет упрощения конструкции, стабилизация напряжения на фазах (на фигуре 1 не показаны) синхронного генератора 5 в определенном диапазоне и повышение эффективности выработки электроэнергии за счет переключения обмоток 9 и 10 статора 8 синхронного генератора 5 со схемы «треугольник» в «звезда» и обратно в зависимости от скорости ветра и мощности потребителя 18, повышение энергоэффективности системы автономного электроснабжения в целом за счет применения трехфазной системы генерирования электроэнергии.

Таким образом, если учесть все вышеизложенное, достигается уменьшение стоимости ветроэнергетической установки, стабилизация выходных параметров синхронного генератора 5, повышение надежности и энергоэффективности, упрощение конструкции, а также обслуживания и ремонта элементов системы.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности, энергоэффективности и стабилизации выходных параметров синхронного генератора, а также упрощении конструкции системы автономного электроснабжения. Система автономного электроснабжения содержит ветроколесо, аккумуляторную батарею, инвертор. Также содержит обгонную муфту, синхронный генератор со статором, который выполнен из внутреннего и внешнего колец. Система также содержит блок коммутации, управление которым происходит посредством сигнала с микроконтроллера. Микроконтроллер получает информацию о скорости ветра от анемометра, о состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, о нагрузке потребителя с датчика тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика тока и напряжения, что позволяет в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии производить переключение обмоток статора по схеме звезда или треугольник, стабилизируя в определённом диапазоне напряжение на фазах синхронного генератора. Выработанная энергия через зарядное устройство производит заряд аккумуляторных батарей. Энергия с аккумуляторной батареи через инвертор осуществляет питание потребителей. 2 ил.

Система автономного электроснабжения, содержащая ветроколесо, аккумуляторную батарею, инвертор, отличающаяся тем, что она снабжена обгонной муфтой, синхронным генератором со статором, выполненным из внутреннего кольца и внешнего кольца, а также блока коммутации, управление которым происходит посредством сигнала с микроконтроллера, который получает информацию о скорости ветра от анемометра, о состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, о нагрузке потребителя с датчика тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика тока и напряжения, что позволяет в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии производить переключение обмоток статора по схеме звезда или треугольник, стабилизируя в определённом диапазоне напряжение на фазах синхронного генератора, выработанная энергия через зарядное устройство производит заряд аккумуляторных батарей, энергия с аккумуляторной батареи через инвертор осуществляет питание потребителей.