Электромеханическое устройство торможения ветроэнергетической установки

Настоящая полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована в ветроэнергетических установках, в частности в элементах регулирования и ограничения мощности ветроколеса (ротора) ветроэнергетической установки (ВЭУ) вертикально осевого типа малой и средней мощностей.
Как правило, все ветроэнергетические установки спроектированы таким образом, что номинальная электрическая мощность достигается при скорости ветра 11 м/с. При скорости ветра выше 11 м/с необходимо ограничивать располагаемую механическую мощность на ветроколесе для предотвращения следующих негативных факторов:
- разрушение лопастей под действием центробежной силы (из-за превышения допустимой частоты вращения ветроколеса);
- перегрев обмоток генератора;
- вибрационные колебания ротора и мачты ветроэнергетической установки (из-за превышения допустимой частоты вращения ветроколеса).
Согласно ГОСТ Р 51991-2002, ВЭУ мощностью выше 4 кВт должны иметь как минимум две независимые системы торможения ветроагрегата - рабочую и аварийную. При аварийном сбросе нагрузки или выходе из строя аварийного тормоза должна быть предусмотрена защита ветроагрегата от неконтролируемого увеличения частоты вращения ветроколеса.
Известен ряд технических решений, целью которых является ограничение мощности на ветроколесе и его торможение за счет аэродинамического ограничения крутящего момента на валу ротора RU 112954 U2 от 17.06.2011, механического (фрикционного) торможения RU 128268 от 10.09.2012 и генераторного (электрического) торможения ветроколеса RU 2563877 от 24.06.2014.
Недостатками указанных технических решений является недостаточный тормозной момент на валу ротора ВЭУ, невозможность работы при продолжительных высоких скоростях ветра, а также сложность интеграции в конструкции ветроэнергетических установок.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для осуществления управления ветроэнергетической установкой (патент RU 128268 от 10.09.2012, F03D 7/06, опубл. 20.05.2013). Прототип представляет собой тормозное устройство ветроколеса вертикально-осевой ветроэнергетической установки, которое смонтировано на платформе в месте стыка мачты с осью вращения ветроколеса (со ступицей) и содержит две осесимметричных самоустанавливающихся тормозных колодки, взаимодействующих с фрикционным кольцом. При этом тормозные колодки кинематически связаны с установленными на общей оси коромыслами, свободные концы которых соединены шатунами с неравноплечим качающимся рычагом, к большему плечу которого шарнирно подсоединена подпружиненная тяга. Тяга приводится в действие с помощью каната.
Основными недостатками прототипа является малый тормозной момент на роторе ВЭУ, процесс торможения не является автоматическим и должен осуществляться силами обслуживающего персонала по ВЭУ.
Техническая задача настоящей полезной модели заключается в адаптивном ограничении мощности на ветроколесе и обеспечении безаварийной эксплуатации ветроэнергетической установки.
Техническая задача достигается тем, что электромеханическое устройство торможения ветроэнергетической установки представляет собой трехкулачковый блок, на кулачках которого шарнирно закреплены тормозные колодки, которые входят во фрикционное трение с тормозным барабаном при превышении допустимых значений частоты вращения ветроколеса, температуры электрического генератора или вибрационных колебаний ВЭУ.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема электромеханического устройства торможения ветроэнергетической установки.
На фиг. 2 представлена 3D-модель электромеханического устройства торможения ветроэнергетической установки.
Электромеханическое устройство торможения (фиг. 1, 2), смонтированное между ступицей 8 и мачтой 9, включает в себя электрический привод 1, соединенный через редуктор 2 с трехкулачковым блоком, состоящим из корпуса 10, внутри которого находятся кулачки 5 и спиральный диск 4. В корпусе имеются направляющие для перемещения по ним кулачков 5 в радиальном направлении. На нижней поверхности кулачков находятся упоры под спиральные выступы на диске 4. Кроме того, на кулачках 5 с помощью шарниров 6 закреплены тормозные колодки 7.
Устройство работает следующим образом.
При превышении допустимых значений частоты вращения ветроколеса, температуры электрического генератора или вибрационных колебаний ВЭУ на электрический привод 1 поступает сигнал активации, и привод передает мощность через редуктор 2 на спиральный диск 4. При вращении спирального диска 4 его спиральные выступы скользят по упорным частям кулачков 5, тем самым раздвигая их по направляющим корпуса 10 в радиальном направлении от центра к периферии и упираются в тормозной барабан 3, в результате чего возникает торможение ветроколеса. За счет большого передаточного коэффициента редуктора 2, ветроколесо может оставаться заблокированным без дополнительных затрат электроэнергии. Для прекращения торможения (для разблокировки) ветроколеса, на электрический привод 1 поступает сигнал реверсивной активации и привод 1 передает вращение на спиральный диск 4 в противоположную сторону, тем самым перемещая кулачки 5 от периферии к центру.
Линейное перемещение кулачков 5 осуществляется за счет вращения спирального диска 4, по которому движутся кулачки. На кулачках 5 с помощью шарниров 6 установлены сменные тормозные колодки 7. Шарниры 6 необходимы для устранения радиального перекоса тормозных колодок 7. На нижней части кулачков 5 имеются упоры, которые контактируют со спиральными выступами на диске 4 и скользят по этим выступам при вращении диска. Вращение на спиральный диск передается от электрического привода 1 через редуктор 2. При включении электрического привода крутящий момент передается на трехкулачковый блок, и кулачки движутся в радиальном направлении от центра к периферии. На вращающейся части ступицы ветроколеса 8 закреплен тормозной барабан 3 с внутренней фрикционной стенкой. При движении кулачков 5 от центра к периферии, закрепленные на них тормозные колодки 7, упираются в тормозной барабан 3 и происходит процесс фрикционного трения, тем самым обеспечивается торможение ветроколеса.
Питание электрического привода электромеханического устройства торможения осуществляется за счет отдельного автономного аккумулирующего устройства (на фиг. 1, 2 не показано).
Трехкулачковый блок, редуктор и электрический привод имеют сквозное центральное отверстие для проведения кабеля, который прокладывается от генератора сквозь мачту.
Сигнал к активации электромеханического устройства торможения ветроэнергетической установки осуществляется в случаях: превышение предельной частоты вращения ветроколеса; возникновение вибрационных колебаний конструкции, превышающих допустимые значения; перегрев компонентов электрического генератора; сигнал управления от пользователя ВЭУ.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет ограничивать мощность на ветроколесе и обеспечивает безаварийную эксплуатации ветроэнергетической установки.