Ветрогенератор
WIND GENERATOR

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэлектрических агрегатах для их пуска при малых скоростях ветра.
Известен способ управления ветроэлектрическим агрегатом (авторское свидетельство СССР №1373862), снабженным ветроколесом, связанным через редуктор с ротором электрогенератора, путем формирования управляющего сигнала и использования его для коммутации к выходу электрогенератора нагрузки, мощность которой соответствует мощности, развиваемой электрогенератором.
К недостаткам устройства относится отсутствие режима отключения нагрузки при остановке, что затрудняет трогание ветроколеса из-за электромеханического сопротивления генератора при слабом ветре.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ветрогенератор (патент US 7456510 В2), содержащий трехфазный генератор переменного тока, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, переключающее реле, управляющую цепь, таймер, измеритель скорости вращения ротора ветрогенератора, ветроколесо, цепь нагрузки, содержащую контроллер заряда аккумулятора, аккумулятор, преобразователь постоянного напряжения.
Устройство работает в двух режимах: генерации электроэнергии от ветряка и помощи запуска. Измеритель скорости вращения ротора ветрогенератора контролирует скорость вращения ротора, при низкой скорости вращения (в случае малой скорости ветра) система переходит в режим помощи запуска, при котором переключающее реле коммутирует цепь таким образом, что напряжение от аккумулятора через преобразователь постоянного напряжения, управляющую цепь подается на генератор, тем самым раскручивая ветроколесо. Таймер обеспечивает периодический режим работы до тех пор, пока скорость ветроколеса не превысит пороговое значение вследствие повышения скорости ветра, и, соответственно, увеличения скорости вращения ротора ветрогенератора. При этом устройство переходит в режим генерации и происходит заряд аккумулятора.
Недостатками устройства являются:
1. Наличие только двух режимов работы: генерации и помощи запуска, определяемое положением двухпозицнонного переключающего реле. При низкой
скорости ветра постоянное включение режима помощи запуска не приводит к переходу в генераторный режим, а только вызывает дополнительный укоренный разряд аккумулятора.
2. Измеритель скорости вращения ротора ветрогенератора контролирует только вращение ветрогенератора, в то время как важна величина генерируемого напряжения, которая зависит не только от скорости вращения ротора генератора, но и состояния вторичной сети, в частности, степени зарядки аккумулятора.
3. В схеме ветрогенератора не показана подключенная внешняя нагрузка, величина которой нестабильна. При изменении нагрузки изменяется ток, потребляемый от генератора, и, соответственно, изменится электромеханический момент сопротивления вращения генератора. Следовательно, настройка режима пуска генератора на определенную скорость вращения не всегда приводит к реальному переходу в режим генерации, так как при низкой скорости ветра величина силы вращения, создаваемой ветроколесом, меньше электромагнитной силы торможения генератора, заданной повышенной нагрузкой. В таком случае после включения режима генерации ветроколесо остановится.
Задачей изобретения является расширение динамического диапазона ветровой нагрузки ветрогенератора путем снижения нижнего порога рабочего диапазона.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее ветроколесо, связанное механическим валом с ротором электрической машины, которая через нормально-замкнутый первый ключ и выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и входом инвертора, который выходом подключен к нагрузке и таймер, согласно изобретению, в устройство дополнительно введены двухпороговый компаратор, нормально-разомкнутый второй ключ, при этом двухпороговый компаратор присоединен входом к электрической машине, а выходом связан с управляющим входом нормально-замкнутого первого ключа и с входом таймера, выходом подключенного к управляющему входу нормально-разомкнутого второго ключа, при помощи которого аккумулятор подсоединяется через преобразователь напряжения к электрической машине, при этом электрическая машина является обратимой и работает как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Ветрогенератор имеет три режима работы: генераторный, ожидания и помощи запуска. При низкой скорости ветра ветрогенератор часть времени находится в режиме ожидания, периодически включая режим помощи запуска. При малой скорости ветра, и, соответственно низкой скорости вращения, ветрогенератор переходит в режим ожидания,
при котором генератор отключен от вторичной цепи, аккумулятор нагружен только на маломощные управляющие цепи.
В предлагаемой схеме ветрогенератора вместо измерителя скорости вращения ротора ветрогенератора используется двухпороговый компаратор, который по величине выходного напряжения генератора задает один из вышеописанных трех режимов. В этом случае оценивается в совокупности, как величина генерируемого напряжения, так и состояние вторичной цепи, в частности, состояния аккумулятора и нагрузки.
В отличие от прототипа, ветрогенератор содержит инвертор, связанный с нагрузкой, что дает возможность учитывать изменение нагрузки на режим работы всей схемы.
Предлагаемый ветрогенератор содержит три отличия от прототипа, дающие ему новые возможности:
- вместо двухпозиционного реле используются два ключа, обеспечивающие три режима работы: генераторный, помощи запуска и ожидания. Режим ожидания позволяет снижать разряд аккумулятора;
- вместо измерителя скорости вращения ротора ветрогенератора используется двухпороговый компаратор. Величины пороговых напряжений двухпорогового компаратора определяются типом генератора, его электромеханическими характеристиками и типом и размерами ветроколеса;
- в схеме добавлен инвертор, связанный с нагрузкой. Два последних изменения позволяют перейти от контроля скорости вращения ротора к контролю входного напряжения генератора, которое зависит не только от скорости вращения ротора генератора, но и от состояния аккумулятора и сопротивления внешней нагрузки всего ветрогенератора.
В прототипе запуск режима генерации осуществляется принудительно, в случае низкой скорости ветра режим помощи запуска повторяется периодически. Переключение в генераторный режим осуществляется непосредственно из режима помощи запуска, нагрузка подключена постоянно, при низкой скорости ветра ветроколесо затормозится электромагнитным моментом генератора под нагрузкой.
В предлагаемом техническом решении при низкой скорости ветра режим помощи запуска чередуется с режимом ожидания, в котором анализируется скорость ветра. При низкой скорости ветра происходит задержка включения режима помощи запуска для ожидания усиления ветра.
При увеличении скорости ветра включение генераторного режима происходит после задержки, позволяющей раскрутиться ветроколесу за счет энергии ветра и только после этого осуществляется переход в генераторный режим.
Структурная схема ветрогенератора представлена на фиг. 1. Ветроколесо 1 связано механическим валом 2 с электрической машиной 3, которая работает как в качестве электрогенератора, так и двигателя.
Энергия от электрической машины, работающей в режиме генератора через нормально-замкнутый первый ключ 4 и выпрямительно-зарядное устройство 5 поступает на инвертор 7 и далее в нагрузку 8, а также накапливается в аккумуляторе 6. Двухпороговый компаратор 9 контролирует напряжение на выходе электрической машины 3, управляет работой таймера 10 и нормально-замкнутого первого ключа 4. Таймер выдает сигнал на замыкание нормально-разомкнутого второго ключа 11, соединяющего аккумулятор, через преобразователь напряжения 12 с электрической машиной 3, переводя ее в режим двигателя.
Устройство работает следующим образом.
В режиме генерации электроэнергии ветер крутит ветроколесо 1, электрическая машина 3 работает как генератор. При остановке ветроколеса 1 из-за малого напора ветра напряжение на выходе электрической машины 3 уменьшается до нуля, при этом срабатывает двухпороговый компаратор 9 и дает команду на размыкание нормально-замкнутого первого ключа 4, отключая электрическую машину от выпрямительно-зарядного устройства 5, переводя его в режим ожидания. При появлении ветра малой интенсивности ветроколесо 1 начнет вращаться при малой скорости, электрическая машина 3 вырабатывает напряжение, отличное от нуля, при этом двухпороговый компаратор 9 вырабатывает сигналы, соответствующие режиму помощи запуска.
В режиме помощи запуска по сигналу двухпорогового компаратора 9 таймер 10 дает команду на замыкание нормально-разомкнутого второго ключа 11, передавая электроэнергию от аккумулятора 6 через преобразователь напряжения 12 на электрическую машину 3, приводя во вращение ее ротор, т.е. «толкая» ее. Электрическая машина 3 в этом режиме будет работать как двигатель. Преобразователь напряжения 12 формирует уровень напряжения, необходимый для начала вращения электрической машины 3 и ветроколеса 1. Такой «толчок» необходим, чтобы электрической машине 3 превысить момент страгивания и начать вращаться за счет энергии ветра, если скорость ветра достаточна для поддержания вращения. После «толчка» устройство переходит в режим ожидания, в котором анализируется скорость ветра. Если скорость ветра и
скорость вращения ротора генератора низки, режим ожидания продлевается на заранее определенное время, после которого снова запускается режим помощи запуска.
Если в режиме помощи запуска ветер раскручивает ветроколесо и напряжение на выходе электрической машины 3 достигает определенной величины, включается режим генерации, при этом двухпороговый компаратор срабатывает 9, дает сигнал на замыкание нормально-замкнутого первого ключа 4 и электроэнергия от электрической машины 3 начнет передаваться на аккумулятор бив нагрузку 8. Таймер 10 при этом останавливается, нормально-разомкнутый второй ключ 11 размыкается.
В случае, если после «толчка» электрической машины 3 и связанного с ней ветроколеса 1 вращение не возобновится под ветровым воздействием, таймер 10 через заданные промежутки времени будет формировать импульсы, подключающие аккумулятор 6 к электрической машине 3 и «толкающие» ее до тех пор, пока не начнется вращение ветроколеса и электрической машины под действием ветра.
Таким образом, нижний порог работы ветрогенератора снижается за счет возможности запуска при меньшей энергии ветра из-за перевода электрической машины, работающей как генератор, в режимы помощи запуска и ожидания с целью преодоления момента трогания всего механизма.