Гидравлическая система ограничения мощности и частоты вращения ветроагрегата
HYDRAULIC SYSTEM FOR LIMITING WIND-POWER UNIT CAPACITY AND ROTATION RATE

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей энергии.
Известна гидравлическая система ограничения мощности и частоты вращения ветроагрегата с валом, установленным горизонтально в головке, по авторскому свидетельству SU 1562519, кл. F03D 7/04. Опубл. 07.05.90. Бюл. №17, выбранная за прототип, позволяющая при вращении лопастей регулировать их наклон к потоку с целью управления выходными параметрами ветроагрегата. Она содержит гидроцилиндр двухстороннего действия, кинематически связанный с закрепленными на валу с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных валу, лопастями, гидронасос, гидравлически связанный с первой и второй полостями гидроцилиндра и сливной емкостью, распределитель и устройство управления, на входы которого поступают сигналы от датчиков частоты вращения вала и мощности кинематически связанного с ним генератора, а выход соединен с исполнительным органом.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции. Это в значительной степени повышает стоимость и снижает надежность ветроагрегата в целом. Кроме того, для функционирования системы требуется постоянно действующий гидронасос с приводом от постороннего источника энергии, что приводит к излишним затрата энергии.
Задача изобретения заключается в повышении эффективности использования ветроагрегата.
Технический результат достигается за счет того, что гидронасос, сливная емкость, распределитель и гидроцилиндр установлены на валу, при этом гидроцилиндр установлен соосно на торце вала, шток гидроцилиндра связан с лопастями непосредственно через систему тяг, сливная емкость выполнена в форме изолированного от атмосферы гофра, первая и вторая магистрали гидронасоса реверсивного действия присоединены непосредственно к выводам соответственно первой и второй полостей гидроцилиндра и к выводам первой и второй полостей распределителя, выполненного в виде гильзы, разделенной помещенным в него диском на первую и вторую полости, сообщающиеся через отверстия в центральной части каждого из двух днищ гильзы, перекрываемые с внешних сторон клапанами, механически связанными с диском, с полостью сливной емкости, а привод гидронасоса осуществляется от установленного на его валу фрикционного ролика, образующего пары фрикционного зацепления с двумя расположенными по одну и другую стороны от него в перпендикулярных осевой линии вала плоскостях тормозными кольцами, прикрепленными соосно валу к корпусу головки с возможностью осевого перемещения в направлении фрикционного ролика под действием исполнительного органа устройства управления, на вход которого дополнительно подаются сигналы от датчика крайних положений поршня гидроцилиндра.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.
Заявляемая гидравлическая система ограничения мощности и частоты вращения ветроагрегата с валом 1, установленным горизонтально в головке 2 ветроагрегата, содержит установленный соосно на торце вала 1 гидроцилиндр 3 двухстороннего действия. Шток 4 гидроцилиндра кинематически связан через систему тяг 5 с закрепленными на валу 1 с возможностью поворота вокруг осей 6, перпендикулярных валу 1, лопастями 7. На валу 1 установлены также реверсивный гидронасос 8, сливная емкость 9, выполненная в форме изолированного от атмосферы гофра, и распределитель 10, размещенный для наглядности при данном конкретном выполнении системы непосредственно в сливной емкости 9. Выполнен распределитель в виде гильзы 11, разделенной помещенным в нее диском 12 на первую 13 и вторую 14 полости. Полости сообщаются через отверстия в центральной части каждого из двух днищ гильзы с полостью сливной емкости 9. Отверстия в днищах гильзы 11 перекрываются с внешних сторон клапанами 15 и 16, механически связанными через отверстия в днищах цилиндра с диском 12.
Первая 17 и вторая 18 магистраль гидронасоса 8 присоединены непосредственно к выходам соответственно первой 20 и второй 21 полостей гидроцилиндра 4, разделенных поршнем 22, и к выходам первой 13 и второй 14 полостей распределителя 10. Привод гидронасоса 8 осуществляется от установленного на его валу фрикционного ролика 23, образующего пары фрикционного зацепления с тормозными кольцами 24 и 25. Кольца расположены по одну и другую стороны от ролика в перпендикулярных осевой линии вала плоскостях и прикреплены соосно валу 1 к корпусу головки 2. Они заблокированы от вращения, но имеют возможность осевого перемещения в направлении фрикционного ролика 23 под действием исполнительного органа устройства управления 26. На вход последнего подаются сигналы от датчиков частоты вращения вала 1 и мощности кинематически связанного с ним генератора, а также от датчика крайних положений поршня 22 гидроцилиндра 3 (генератор и датчики на чертеже не показаны). Исполнительный орган устройства управления в данном конкретном варианте системы выполнен в виде двух кольцевых электромагнитов, охватывающих вал 1 и закрепленных на головке ветроагрегата 2. Электромагниты имеют обмотки 27 и 28 постоянного тока и общий кольцевой якорь 29 из ферромагнитного материала, механически связанный с фрикционными кольцами 24 и 25.
Работает система следующим образом.
Если от устройства управления 26 на обмотки 27 и 28 исполнительного органа сигналы на включение не поступают, якорь 29 находится в среднем положении, ролик 23 тормозных колец 24 и 25 не касается, ротор гидронасоса 8 неподвижен, движения жидкости в системе не происходит, а, следовательно, не происходит перемещение поршня 22 и штока 4. Угол установки лопастей 7 остается постоянным. Вращение вала 1 при наличии ветра, как показано на рисунке, если смотреть со стороны ветра, происходит по часовой стрелке.
При поданном напряжении на обмотку 27 якорь 29 смещен влево, ролик 23 находится в зацеплении с тормозным кольцом 25 и вращается, если смотреть снизу, против часовой стрелки. При данном направлении вращения вала гидронасоса 8 давление в магистрали 18 больше, чем в магистрали 17, поэтому разностью давлений диск 12 распределителя 10 смещен влево, клапан 16 закрыт, а клапан 15 открыт, обеспечивая надежное сообщение первых полостей 13 и 20 распределителя 10 и гидроцилиндра 3. Через гидронасос 8 жидкость протекает справа налево, заполняя полость 21 гидроцилиндра 3. Поршень 22 перемещается также справа налево, угол установки лопастей 7 увеличивается, а жидкость из полости 20 перекачивается гидронасосом 8 в полость 21, при этом недостаток или излишек ее компенсируется за счет сообщения данной полости с полостью сливной емкости 9. Когда поршень 22 достигает крайнего левого положения, датчик крайних положений поршня через устройство управления 26 блокирует включение обмотки 27 и перемещение поршня прекращается.
Если напряжение подано на обмотку 28, все процессы в системе протекают в обратном порядке.
Якорь 29 смещен вправо, ролик 23 находится в зацеплении с тормозным кольцом 24 и вращается, если смотреть снизу, по часовой стрелке. При данном направлении вращения вала гидронасоса 8 давление в магистрали 17 больше, чем в магистрали 18, поэтому разностью давлений диск 12 распределителя 10 смещен вправо, клапан 15 закрыт, а клапан 16 открыт, обеспечивая надежное сообщение вторых полостей 14 и 21 распределителя 11 и гидроцилиндра 3. Через гидронасос 8 жидкость протекает слева направо, заполняя полость 20 гидроцилиндра 3. Поршень 22 перемещается также слева направо, угол установки лопастей 7 уменьшается, а жидкость из полости 21 перекачивается гидронасосом 8 в полость 20, при этом недостаток или излишек ее компенсируется за счет сообщения данной полости с полостью сливной емкости 9. Когда поршень 22 достигает крайнего правого положения, датчик крайних положений поршня через устройство управления 26 блокирует включение обмотки 28 и перемещение поршня прекращается.
Допустим теперь, что в исходном состоянии скорость ветра значительно меньше расчетной величины, поэтому меньше расчетных величин будут и мощность, и частота вращения вала ветроагрегата. Если при этом и поршень 22 не находится в крайнем правом положении, при котором угол установки лопастей установлен равным оптимальному значению, обеспечивающему максимальный коэффициент использования энергии ветра, то устройство управления, стремясь повысить эффективность использования ветроагрегата, в соответствии с заложенной в нем программой, включит обмотку 28. Начнется, как было показано выше, перемещение штока 4 гидроцилиндра 3 вправо, вплоть до отключения обмотки 28, когда поршень гидроцилиндра займет крайнее правое положение, а угол установки лопастей станет равным расчетному оптимальному для данной конструкции лопастей значению.
Если генератор ветроагрегата используется для работы параллельно с централизованной электрической сетью переменного тока, то устройство управления 26 выдает сигнал на подключение генератора к электрической сети в тот момент, когда частота вращения вала генератора достигает (при увеличении скорости ветра) синхронной частоты вращения. С этого момента при дальнейшем увеличении скорости ветра нарастание частоты вращения вала 2 ветроагрегата, а, следовательно, и нарастание частоты вращения генератора прекращается. Она становится равной синхронной частоте вращения генератора. Мощность же, отдаваемая генератором в сеть, с увеличением скорости ветра увеличивается.
Когда мощность достигает допустимой для данного генератора величины (это происходит при расчетной для ветроагрегата скорости ветра) устройство управления 26 по сигналу датчика мощности генератора, формирует управляющий сигнал на включение обмотки 27 исполнительного органа. При этом, как показано выше, угол установки лопастей 7 увеличивается, он перестает быть оптимальным, вследствие чего нарастание мощности прекращается, обмотка 27 устройством управления 26 отключается, угол установки лопастей 7 остается соответствующим допустимой мощности генератора при данной скорости ветра. Если скорость ветра и далее повышается, то описанный цикл ограничения мощности периодически повторяется.
Если же вслед за повышением скорость ветра несколько уменьшится, то при данном неоптимальном угле атаки лопастей 7 мощность, отдаваемая генератором в электрическую сеть, также станет несколько меньше допустимой (номинальной) мощности генератора. Устройство управления 26 выдаст при этом управляющий сигнал на включение обмотки 28. Это в конечном итоге приведет к уменьшению угла установки лопастей 7, т.е. смещению его к оптимальной величине. Мощность генератора в результате этого увеличивается до расчетной величины и устройство управления 26 отключает обмотку 28.
В предельном случае, когда скорость ветра уменьшается до расчетной величины, поршень 22 перемещается до крайнего правого положения, датчик крайних положений поршня 22 гидроцилиндра блокирует сигнал устройства управления 26 на перемещение поршня вправо. Обмотка 28 отключается, перемещение поршня 22 прекращается, угол установки лопастей 7 фиксируется на оптимальном для расчетной скорости ветра значении. При дальнейшем уменьшении скорости ветра, несмотря на оптимальный угол установки лопастей 7, отдаваемая в сеть мощность генератора уменьшается при неизменной, равной синхронной, частоте вращения. И когда мощность генератора снижается до нуля, устройство управления 26 отключает его от сети.
Таким образом, при параллельной работе генератора ветроагрегата с электрической сетью в нормальном рабочем режиме система осуществляет ограничение развиваемой генератором, а следовательно, и ветроагрегатом мощности.
Ограничение частоты вращения она производит при нарушении рабочего режима (неисправность генератора, обрыв линии связи генератора с электрической сетью и др.). В этом случае, когда частота вращения генератора становится несколько выше синхронной, по сигналу от датчика частоты вращения устройство управления 26, как и при ограничении мощности, выдает сигнал на перемещение поршня 22 влево. Нарастание частоты вращения прекращается из-за ухода, как было показано выше, угла установки лопастей 7 от оптимального значения.
Если же генератор используется для питания электрической нагрузки, в автономном режиме, то устройство управления 26 описанным выше способом ограничивает частоту вращения генератора на уровне синхронной частоты вращения. Мощность генератора при этом не зависит от скорости ветра, а зависит только от количества и мощности подключенных к нему потребителей. Ограничение мощности в этом случае устройство управления 26 осуществляет, отключая от генератора 4, как правило, потребители, 3-й группы по надежности электроснабжения.
Таким образом, ветроагрегат, оснащенный заявляемой гидравлической системой ограничения мощности и частоты вращения, по сравнению с прототипом более прост по конструкции, не требует постоянно действующего гидронасоса с приводом от постороннего источника энергии, следовательно, имеет меньшую стоимость и в то же время более надежен. Так как гидронасос в системе работает только в моменты поворота лопастей, снижаются затраты энергии на функционирование системы ограничения. Все это в итоге повышает эффективность использования ветроагрегата, что и является положительным эффектом предлагаемого изобретения.
Источники информации
Авторское свидетельство SU 1562519, кл. F03D 7/04. Опубл. 07.05.90. Бюл. №17.