Реле скорости ветра для систем автоматики Российский патент 2023 года по МПК G01P5/04 F03D7/04 

Изобретение относится к системам контроля скорости ветра и может быть использовано в ветроэнергетических и других промышленных установках для противоаварийной автоматики и предупредительной сигнализации.

Известно реле скорости ветра [1], принятое за прототип, содержащее реагирующий на скорость ветра элемент в виде анемометрической вертушки, на гибком элементе которой закреплён магнит. При достижении установленной скорости ветра под действием центробежной силы магнит отклоняется до места крепления геркона и приводит к его срабатыванию.

Недостатком данного реле является то, что оно для блокировки замкнутого состояния контактов геркона требует наличия источника постоянного тока низкого напряжения, что в реальных условиях эксплуатации не всегда осуществимо. Геркон для самоблокировки окружён катушкой, затрудняющей приближение к нему магнита на достаточное для срабатывания контактов расстояние. Возврат реле в исходное состояние не происходит автоматически при снижении скорости ветра на определённую допустимую для защищаемого объекта величину и требует для осуществления возврата вмешательства оператора, т. е. характеристика вход-выход реле не обладает гистерезисом. Кроме того постоянное вращение воспринимающего ветер центробежного устройства ускоряет износ подшипников. Всё это ухудшает эксплуатационные свойства реле.

Цель предполагаемого изобретения - повышение эксплуатационных свойств реле скорости ветра.

Эта цель достигается тем, что в реле скорости ветра для систем автоматики, содержащем закреплённое на вертикальном валу с возможностью вращения в горизонтальной плоскости устройство, реагирующее на скорость ветра, механически связанное с постоянным магнитом, воздействующим на неподвижно установленный на валу геркон, устройство выполнено в виде флюгера с рычагом, закреплённым на устройстве посредством цилиндрического шарнира, ось которого смещена относительно оси вала на определённое расстояние и расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно плоскости флюгера, на конце рычага установлен воспринимающий давление ветра элемент в виде полого шара, причём угол поворота рычага ограничен упорами в верхней полуплоскости в пределах угла наклона к горизонту от α₁ до α₂ с наклоном в сторону противоположную хвостовику флюгера, а магнит жёстко связан с рычагом, так, что при максимальном угле α₂ наклона рычага он приходит в магнитное взаимодействие с установленным на верхнем торце вала герконом.

Схематично заявляемое реле скорости ветра изображено на фигуре 1.

Оно содержит закреплённое на вертикальном полом валу 1 устройство 2 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, реагирующее на скорость ветра, механически связанное с постоянным магнитом 3, воздействующим на неподвижно установленный на торце вала геркон 4. Устройство 2 выполнено в виде флюгера с закреплённым на нём рычагом 5 с наклоном в сторону противоположную хвостовику 6 флюгера посредством цилиндрического шарнира 7. Ось 8 шарнира смещена относительно оси вала 1 на определённое расстояние и ориентирована в горизонтальной плоскости перпендикулярно плоскости хвостовика 6 флюгера. На конце рычага 5 установлен полый шар 9, выполняющий роль элемента воспринимающего давление ветра. При конкретном выполнении устройства возможно использование в качестве элемента, воспринимающего давление ветра, полого цилиндра или плоской пластины. Поворот рычага 5 ограничен упорами 10 и 11 в пределах угла наклона к горизонту от α₁ до α₂. Магнит жёстко закреплён на рычаге, так, что при максимальном угле α₂ наклона рычага он приходит в магнитное взаимодействие с установленным на верхнем торце вала 1 герконом 4.

Работает реле следующим образом.

При наличии ветра устройство 2 за счёт хвостовика 6 флюгера ориентируется по направлению ветра. На шар 4 действует сила давления ветра в ньютонах, которая определяется по формуле

где С_х - коэффициент напора для шара равный 0,47 [2], отн. ед.;

ρ - плотность воздуха, равная 1,29 кг/м³;

S - миделевое сечение, равное для шара πD²/4, м²;

D - диаметр шара, м;

V - скорость ветра, м/с.

Эта сила создаёт действующий по часовой стрелке момент в функции скорости ветра и угла наклона рычага α

где L - плечо приложения силы, м.

Этому моменту противодействует момент, создаваемый весом P элемента, реагирующего на скорость ветра, также являющийся функцией угла α,

Для принятых в качестве примера D=0,135 м, L=0,15 м и P=0,25 Н зависимости этих моментов от угла α для скоростей ветра 6 и 10 м/с графически представлены на фиг. 2. Точка пересечения кривых при равенстве моментов является точкой неустойчивого равновесия, так как при случайном отклонении α в большую сторону момент M_F станет больше противодействующего момента M_P, что в итоге приведёт к скачкообразному увеличению α до α₂, ограниченному упором 11. И, наоборот, при случайном отклонении α в меньшую сторону противодействующий момент M_P станет больше момента M_F и угол α скачком уменьшится до угла α₁, также ограниченному упором 10, но уже с другой стороны. При этом угол α (в градусах) в точке неустойчивого равновесия может быть найден по полученной в результате приравнивания моментов формуле

Если скорости ветра ниже скорости V₁ (скорости срабатывания реле), момент M_F < M_P поэтому рычаг 5 упирается в упор 10 (угол α = α₁). При заданной техническим заданием скорости V₁ срабатывания реле угол α₁ и соответствующее ему положение упора 10 определяется по вышеприведённой формуле (1). Так для заданной скорости срабатывания реле равной, например, 10 м/с

Как только скорость ветра V несколько превысит заданную скорость срабатывания реле V₁, рычаг 5 скачком повернётся до угла α₂, ограниченному упором 11. При этом магнит 3 максимально приблизится к геркону 4, контакт геркона замкнётся, выдав сигнал на устройство защиты технологической или ветроэнергетической установки от опасного повышения скорости ветра.

Угол α₂ также может быть определён в зависимости скорости V₂ ветра, при которой реле должно возвращаться в исходное состояние, по вышеприведённой формуле с учётом заданном техническими условиями коэффициенте возврата реле

К _В = V₂/V₁ = V_ОТП. / V_СРАБ.

Откуда при заданном, например, коэффициенте возврата равном 0,6

V ₂ = К_В⋅V₁ = 0,6⋅10 = 6 м/с,

а

Как видим, пороги срабатывания и отпускания реле зависят от веса Р и диаметра воспринимающего давление ветра шара и соответственно от углов α₁ и α₂ наклона рычага. Поэтому требуемые значения порогов срабатывания реле могут быть установлены изменением указанных величин.

Таким образом, реле срабатывает при увеличении скорости ветра до опасной величины и остаётся в таком положении без дополнительных приспособлений и источников тока. Возврат в исходное состояние осуществляется автоматически, как только скорость ветра снизится до гарантированно допустимого уровня. При этом подвижность воспринимающего скорость ветра элемента реле по сравнению с реле, принятым за прототип значительно меньше, что повышает его износостойкость и долговечность. Этими особенностями и достигается выполнение поставленной задачи предполагаемого изобретения.

Источник информации

1. Патент RU № 2093835 C1, кл. G 01 P 5/01 Реле скорости ветра / Матвеев В.В (RU), заявитель и патентообладатель Волгоградский государственный технический университет (RU). Заявка 95119094/28, заявлено 09.11.1995, опубл. 20.10.1997.

2. Е.М. Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, Москва - 1948 Стр 49.

Изобретение относится к системам контроля скорости ветра и может быть использовано в ветроэнергетических и других промышленных установках для противоаварийной автоматики и предупредительной сигнализации. Техническим результатом является повышение эксплуатационных свойств реле скорости ветра. Устройство выполнено в виде флюгера с рычагом, закреплённым на устройстве посредством цилиндрического шарнира, ось которого смещена относительно оси вала на определённое расстояние и расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно плоскости флюгера, на конце рычага установлен воспринимающий давление ветра элемент в виде полого шара, причём угол поворота рычага ограничен упорами в верхней полуплоскости в пределах угла наклона к горизонту от α₁ до α₂ с наклоном в сторону, противоположную хвостовику флюгера, а магнит жёстко связан с рычагом так, что при максимальном угле α₂ наклона рычага он приходит в магнитное взаимодействие с установленным на верхнем торце вала герконом. 2 ил.

Реле скорости ветра для систем автоматики, содержащее закреплённое на вертикальном валу с возможностью вращения в горизонтальной плоскости устройство, реагирующее на скорость ветра, механически связанное с постоянным магнитом, воздействующим на неподвижно установленный на валу геркон, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде флюгера с рычагом, закреплённым на устройстве посредством цилиндрического шарнира, ось которого смещена относительно оси вала на определённое расстояние и расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно плоскости флюгера, на конце рычага установлен воспринимающий давление ветра элемент в виде полого шара, причём угол поворота рычага ограничен упорами в верхней полуплоскости в пределах угла наклона к горизонту от α₁ до α₂ с наклоном в сторону, противоположную хвостовику флюгера, а магнит жёстко связан с рычагом так, что при максимальном угле α₂ наклона рычага он приходит в магнитное взаимодействие с установленным на верхнем торце вала герконом.