Ветроэлектрический агрегат Советский патент 1979 года по МПК F03D7/04 H02P9/14 

Изобретение относится к ветряным двигателям, а именно к устройствам их автоматического управления. Одной из основных задач ветроэнергетики является создание таких систем, в которых мощностцпотребляемая нагрузкой, максимально приближалась бы к той максимальной мощности, которую способен развить ветроэлектрический агрегат при данной скорости ветра. При этом достигается максимально возможная производительность (выработка электроэнергии) ветроэлектрического агрегата и, следовательно, повышается эффективность его применения. Известны ветроэлектрические агрегаты, содержащие ветродвигатель, синхронный генератор и регулятор напряжения, в который нагрузка на генератор приводится в соответствие со средней мощностью, которую может развить ветроагрегат при данной сред ней скорости ветра путем присоединения к ветроагрегату (вручную.или автоматически) того или иного количества потребителей в зависимости, например, от величины развиваемого генератором напряжения 1. Недостатком известных агрегатов является ступенчатый характер регулирования нагрузки и невозможность их применения в тех случаях, когда число потребителей ветроагрегата невелико. Известны также ветроэлектрические агрегаты, содержащие ветродвигатель, синхронный генератор, вал которого связан с валом ветродвигателя, регулятор напряжения, двухступенчатую интегрирующую RCцепочку, выход которой подключен на вход измерительного органа регулятора и коммутирующий элемент в цепи статора генератора 2. При этом напряжение регулируется пропорционально некоторой степени частоты генератора, причем показатель выбирается в зависимости от характера нагрузки в пределах от 1- до 2. Недостатком такого агрегата является невозможность максимального использования мощности ветродвигателя в тех случаях, когда от ветроагрегата получ-ают электропитание несколько потребителей, имеющих разный хара:ктер (например, активная нагрузка и центробежный электронасос), вследствие чего невозможно установить, какой показатель степени (в пределах от 1 до 2) следует применить для оптимального регулирования напряжения. Это устройство также не обеспечивает полной нагрузки ветродвигателя при работе ветроагрегата на заряд аккумулятора батарей, так как в случае заряда аккумуляторов напряжение генератора следует поддерживать на уровне, близком номинальному значению. Кроме того, в известном ветроагрегате практически невозможно учесть потери, зависящие от частоты, температуры и других факторов, в звеньях, передающих энергию от ветроколеса потребителю. Поэтому мощностные характеристики ветродвигателя и нагрузки не могут быть точно совмещены даже при однородной нагрузке. Целью изобретения является повыщение производительности ветроэлектрического агрегата. Указанная цель достигается тем, что в ветроэлектрическом агрегате, содержащем .™.,к гынуппннмй грнрпятпп «ял ветродвигатель, синхронный генератор, вал которого связан с валом ветродвигателя, регулятор напряжения генератора, двухступенчатую интегрирующую RC-цепочку, выход которой подключен на вход измерительного органа регулятора и коммутирующий элемент в цепи статора генератора, новым является то, что агрегат снабжен параметрическим датчиком крутящего момента, например индуктивным, и стабилизатором напряжения, причем указанный датчик уста FjMjr новлен на валу ветродвигателя, цепь его питания подключена через стабилизатор на зажимы генератора, а выходная цепь датчика подключена на вход двухступенчатой интегрирующей RC-цепочки. С целью обеспечения пуска электродвигателя соизмеримой мощности, он снабжен реле напряжения и реле врем,ени, причем катушка реле напряжения подключена к выходу коммутирующего элемента, его размыкающий контакт включен между выходом датчика крутящего момента и интегрирующей цепочкой, а замыкающий контакт включен в цепь катушки реле времени, замыкающий контакт которого соединен параллельно с размыкающим контактом реле напряжения. Такое выполнение агрегата позволяет оптимизировать его работу, поскольку выходное напряжение изменяется таким образом, что суммарная мощность, потребляемая нагрузкой и теряемая в передачах и генераторе всегда оказывается равной .максимальной мощности, которую может развить ветродвигатель. Для максимально возможного использования мощности генератора необходимо поддерживать постоянное соотношение между развиваемым на валу ветродвигате- 55 ля крутящим моментом и квадратом частоты тока генератора, т.е. это соотношение должно являться регулируемым параметром. Электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна регулируемому параметру, формируется с помощью параметрического датчика крутящего момента, установленного на валу ветроколеса и питаемого от синхронного генератора ветроагрегата через стабилизатор напряжения, а также посредством двухступенчатой интегрирующей RCцепочки. Сигнал на выходе датчика крутящего момента будет U KAgSin2aft. а после двухкратного интегрирования на выходе RC-цепочки Uey Ki sin2nft. Этот сигнал имеет амплитуду, пропорциональную квадрату крутящего момента и обратно пропорциональную квадрату частоты и, будучи поданным на измерительный орган регулятора напряжения, обеспечивает такое регулирование напряжение, которое создает оптимальную нагрузку на ветродвигатель. Однако при пуске от ветроэлектрического агрегата электродвигателя соизмеримой мощности на период пуска двигателя (0,3-0,5 с) может потребоваться работа ветроагрегата с нагрузкой, превышающей ее оп;:«; ;7Joe значениГтакГя7ратТоГрем7нная перегрузка оказывается возможной за счет использования кинетической энергии ветроколеса, которое при набросе нагрузки на ветроагрегат снижает частоту вращения, отдавая эту энергию через вал и редуктор генератору. f t t fj Обеспечение пуска электродвигателя соизмеримой мощности в предлагаемом устроистве достигается тем, что в цепь нагрузки ветроагрегата к выходу коммутирующего устройства подключено реле напряжения, размыкающий контакт которого включен в измерительную цепь датчика крутящего момента, а замыкающий контакт включен в цепь питания реле времени, причем замыкающий контакт последнего соединен параллельно размыкающему контакту реле напряжения. При включении нагрузки, например двигателя, соизмеримой с генератором ветроагрегата мощности, появление напряжения на выходе коммутирующего устройства приводит к срабатыванию реле напряжения, размыкающий контакт которого размыкает цепь, формирующую контролируемый измерительным органом регулятора напряжения сигнал. При этом крутящий момент на валу ветроколеса может превысить оптимальное значение, и это превышение произойдет без отработки регулятора напряжения на снижение величины выходного напряжения. Одновременно замыкающий контакт реле напряжения включает цепь питания реле времени, определяющее временной интервал, в котором возможна неконтролируемая перегрузка ветродвигателя по крутящему моменту. Включение цепи, соединяющей датчик крутящего момента со входом RC-цепочки произойдет только после срабатывания реле времени.

Такое техническое решение позволяет ветродвигателю кратковременно развивать момент больше номинального, что бывает необходимо для успешного пуска электродвигателей соизмеримой мош,ности, включаемых под нагрузкой.

На чертеже представлена схема предлагаемого ветроэлектрического агрегата.

Ветроэлектрический агрегат содержит ветроколесо 1, жестко закрепленное на валу 2, редуктор 3, синхронный генератор 4, стабилизатор напряжения 5, подключенный к зажимам генератора 4, регулятор выходного напряжения 6, содержащий измерительный орган 7 регулятора напряжения и исполнительный орган 8. К выходным зажимам регулятора напряжения 6 присоединено коммутирующее устройство 9, к выходу которого подключено реле напряжения 10. На валу 2 установлен параметрический датчик 11 крутящего момента, цепь питания датчика 11 подключена к стабилизатору 5, а измерительная цепь датчика 11 через размыкающий контакт 12 реле напряжения 10 подключена к двухступенчатой интегрирующей RC-цепочке 13, выходная цепь которой соединена с измерительным органом 7 регулятора напряжения 6. Цепь питания реле времени 14 присоединена к стабилизатору 5 через замыкающий контакт 15 реле напряжения 10, а замыкающий контакт 16 реле времени 14 присоединен параллельно размыкающему контакту 12 реле напряжения 10.

Ветроэлектрический агрегат работает следующим образом. При появлении рабочей скорости ветра ветроколесо 1 начинает вращаться и приводит во вращение через вал 2 и редуктор 3 генератор 4. При некотором значении частоты вращения генератор 4 возбуждается, и на его зажимах, а также зажимах регулятора напряжения 6 и на выходе стабилизатора 5 появляется напряжение.

Если ветроэлектрический агрегат не нагружен, на выходных зажимах регулятора 6 установится максимальное расчетное напряжение.

При работе ветроагрегата под нагрузкой, когда коммутирующее устройство 9 включено, включены также реле напряжения 10 и реле времени 14. На выходе датчика 11 крутящего момента при этом появляется сигнал, амплитуда которого пропорциональна крутящему моменту на валу 2, а частота равна частоте тока генератора 4. Этот сигнал через замыкающий контакт 16 поступает на вход двухступенчатой интегрирующей RC-цепочки 13. На выходе RCцепочки 13 будет сигнал, амплитуда которого пропорциональна Дв/уСигнал с выхода RC-цепочки 13 поступает на вход измерительного органа 7 регулятора напряжения 6, а на выходе измерительного органа 7 появляется сигнал рассогласования, который поступит на исполнительный орган 8 регулятора напряжения 6. Пусть в текущий момент времени мощность, потребляемая нагрузкой от ветроэлектрического агрегата и определяемая его выходным напряжением, мала и не обеспечивает максимального использования той мощности, которую может развить ветродвигатель. При этом амплитуда выходного сигнала датчика 11 крутящего момента, а следовательно, и амплитуда сигнала на входе измерительного органа 7 регулятора напряжения 6 бадет меньше оптимальной величины (задания), и исполнительный орган 8 регулятора напряжения 6 начнет увеличи вать выходное напряжение ветроэлектрического агрегата. Потребляемая от него мощность будет увеличиваться. Это увеличение будет происходить до тех пор, пока контролируемый сигнал (/Cig/f ) не достигнет заданного (оптимального)значения.

Если ветроэлектрический агрегат окажется перегруженным, контролируемый сигнал/tl /f будет больше оптимальной величины, и регулятор напряжения 6 будет уменьшать выходное напряжение, и следовательно, нагрузку на ветродвигатель, пока последняя не достигнет оптимального значения.

В результате предложенный ветроэлектрический агрегат обеспечивает выполнение условия оптимального агрегатирования ветродвигателя с нагрузкой в соответствии с соотношением

XJB/f-- BH/fV ° При пуске электродвигателей соизмеримой с генератором ветроагрегата мощности от ветродвигателя на время пуска может потребоваться (0,3-0,5с) развить момент, больший, чем определено заданием. Возможность такой перегрузки, необходимой для успешного пуска электродвигателей, обеспечивается следующим образом. При пуске электродвигателя включают коммутирующее устройство 9 (например, контактор), в результате на его выходе появляется напряжение, и включается реле напряжения 10, при срабатывании которого размыкается контакт 12, отключая измерительную цепь датчика 11 от двухступенчатой интегрирующей цепочки 13 и тем самым от измерительного органа 7 регулятора напряжения 6. Одновременно замыкается контакт 15 реле напряжения 10, и обмотка реле времени 14 подключается к стабилизатору 5. Уставка реле времени 14 выбирается большей времени пуска электродвигателя. При срабатывании контакта 16 связь между датчиком 11 крутящего момента и измеритель