Ветроэнергетическая установка
WIND TURBINE PLANT

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники, в частности к ветроэнергетическим установкам, и может быть использовано в автономных системах электроснабжения трехфазным переменным током, использующим энергию ветра.
Уровень техники.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая зубчатую дифференциальную передачу, ветроколесо, датчик частоты вращения вала ветроколеса, машину постоянного тока, инвертор напряжения, аккумуляторную батарею, регулятор возбуждения, блок отключения возбуждения и электрическую нагрузку (патент RU №2287718, F03D 9/02, 20.11.2006).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требование сложного технического решения, связанного с использованием зубчатой дифференциальной передачи, машины постоянного тока в качестве генератора, регулятора возбуждения, блока отключения возбуждения, относительно низкая надежность за счет использования машины постоянного тока в качестве генератора, низкое качество вырабатываемой электрической энергии за счет использования инвертора напряжения.
Известна система для автономного электроснабжения потребителей, содержащая ветроэлектрическую установку, подключенную к общим шинам через выпрямитель, инвертор, стабилизатор, реле обратного тока, аккумуляторную батарею, подключенную между выпрямителем и инвертором, автономный источник питания, работающий на органическом топливе, снабженный синхронизатором и регулятором вырабатываемой мощности (патент RU №2382900, F03D 9/02, H02K 7/18, H02J 7/34, 27.02.2010).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требование сложного технического решения, связанного с использованием стабилизатора, реле обратного тока, автономного источника питания, снабженного синхронизатором и регулятором вырабатываемой мощности, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения автономного источника питания, работающего на органическом топливе.
Известна автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии, содержащая ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока, устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с формированием двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки, и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, при этом в систему введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии (патент RU №113615, H02J 3/00, 22.09.2011).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием реверсивного теристорного преобразователя, дизель-генераторной установки, снабженной системой автоматического регулирования мощности, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения дизель-генераторной установки, работающей на органическом топливе.
Известна ветроэнергетическая установка, включающая лопасти на валу с узлом соединения с рабочей машиной, электропривод с изменяемой частотой вращения, электрогенератор, обгонную муфту, контроллер с датчиками частоты вращения лопастей, при этом узел соединения вала лопастей с рабочей машиной выполнен в виде механического сцепления, автоматически управляемого контроллером, а электропривод выполнен как пусковой двигатель, оснащенный датчиком частоты вращения, и соединен через обгонную муфту с валом рабочей машины, причем контроллер обеспечивает включение и синхронизацию частоты вращения пускового двигателя с частотой вращения лопастей по достижении эмпирически заданной величины в режиме импульсного режима работы установки, а электрогенератор постоянно соединен с валом лопастей (патент RU №2013115576, F03D 9/02, 10.10.2014).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требование сложного технического решения, связанного с использованием контроллера, датчиков вращения лопастей, пускового двигателя, низкая надежность за счет использования большого количества элементов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту принятой за прототип является ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения потребителей, содержащая ветроколесо, мультипликатор, блок управления, потребителя электрической энергии, аккумуляторную батарею, машину постоянного тока, при этом статор и якорь машины постоянного тока находятся в горизонтальном положении и не закреплены относительно друг друга посредством подшипников на валах, к обмотке возбуждения и якорной обмотке машины постоянного тока электрически подключен преобразователь напряжения, соединенный с блоком управления, якорь машины постоянного тока соединен с ротором асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, статор машины постоянного тока соединен с мультипликатором, выходной вал мультипликатора, якоря машины постоянного тока и ротора асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором установлены на одной горизонтальной оси, статорные обмотки асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором соединены с батареей пусковых конденсаторов, потребителем электрической энергии и трансформаторами напряжения, трансформаторы напряжения соединены с диодным мостом, который соединен с блоком управления (патент RU №113308, F03D 9/00, 10.02.2012).
Недостатком данного устройства являются невысокая надежность и дороговизна конструкции за счет применения машины постоянного тока, щеточного узла с токоведущими кольцами и двойным преобразование энергии.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения сводится к удешевлению конструкции и повышению надежности за счет отказа от применения машины постоянного тока, щеточного узла с токоведущими кольцами, отказом от двойного преобразования энергии, внедрением в схему электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью для стабилизации выходных параметров асинхронного генератора, упрощению обслуживания и ремонта элементов системы, повышению коэффициента использования ветрового потока при различных скоростях ветра.
Технический результат достигается с помощью ветроэнергетической установки, содержащей ветроколесо, вал ветроколеса, мультипликатор, вал мультипликатора, обгонную муфту, асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором, батарею пусковых конденсаторов, трансформаторы напряжения, потребитель электрической энергии, диодный мост, блок управления, аккумуляторную батарею, систему управления электромеханическим аккумулятором, электромагнитную муфту скольжения, электромеханический аккумулятор с переменной энергоемкостью, опорные подшипники, при этом мультипликатор с помощью вала соединен с обгонной муфтой, а обгонная муфта, в свою очередь, с помощью выходного вала на опорных подшипниках соединена со сквозным ротором асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором с одной стороны, а с другой через электромагнитную муфту скольжения с ротором электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью. Выходной вал мультипликатора, валы обгонной муфты, ротора асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, электромагнитной муфты скольжения и ротор электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью установлены на одной горизонтальной оси, а мультипликатор, статор асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и статор электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью закреплены на раме ветроэнергетической установки неподвижно. Электрически соединены статорные обмотки асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором с батареей пусковых конденсаторов, потребителем электрической энергии и трансформаторами напряжения, трансформаторы напряжения электрически соединены с диодным мостом, который электрически соединен с блоком управления, которая электрически соединена с аккумуляторной батареей, к которой подключена система управления электромеханическим аккумулятором, электрически соединенная с электромеханическим аккумулятором с переменной энергоемкостью и блоком управления, к которой электрически подключена электромагнитная муфта скольжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена структурная схема ветроэнергетической установки.
На фиг. 2 схематично изображен электромеханический аккумулятор с переменной энергоемкостью и электромагнитная муфта скольжения.
На фиг. 3 изображен электромеханический аккумулятор с переменной энергоемкостью в разрезе.
На фиг. 4 представлена структурная схема системы управления электромеханическим аккумулятором.
На фиг. 5 представлена диаграмма работы обмоток статора электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью.
Осуществление изобретения
Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, соединенное посредством вала 2 с мультипликатором 3, выходной вал 4 которого соединен с обгонной муфтой 5, которая соединена со сквозным ротором асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, к которому присоединена электромагнитная муфта скольжения 7, соединенная с электромеханическим аккумулятором 8 с переменной энергоемкостью, к выходам статорных обмоток (на фиг. 1 не показаны) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором электрически подсоединены: батарея пусковых конденсаторов 9, трансформаторы 10 напряжения, потребитель 11 электрической энергии, блок управления 12; трансформаторы 10 напряжения электрически соединены с диодным мостом 13, который электрически соединен с блоком управления 12, блок управления 12 электрически соединен с аккумуляторной батареей 14, системой управления электромеханическим аккумулятором 15, которая электрически соединена с обмоткой статора (на фиг. 1 не показана) электромеханического аккумулятора 8 с переменной энергоемкостью, и с электромагнитной муфтой скольжения 7, вал 4 и сквозной ротор асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором закреплены в опорных подшипниках 16, при этом мультипликатор 3, статор асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором и статор электромеханического аккумулятора 8 с переменной энергоемкостью закреплены на раме ветроэнергетической установки (на фиг. 1 не показана) неподвижно.
На фиг. 2 схематически изображен электромеханический аккумулятор 8 с переменной энергоемкостью, состоящий из статора 17, на который намотаны обмотки 18 L1, L2, L3, L4, ротора 19 и инерционного маховика 20, ротор 19 соединен с электромагнитной муфтой скольжения 7, которая управляется катушкой 21 L5 электромагнитной муфты скольжения 7.
На фиг. 3 изображен электромеханический аккумулятор 8 с переменной энергоемкостью в разрезе, состоящий из статора 17, на который намотаны обмотки 18 L1, L2, L3, L4, ротора 19 из немагнитного материала, к которому с внутренней стороны закреплены ферромагнитные вставки 22, а с наружной стороны полукольца инерционного маховика 20.
На фиг. 4 представлена структурная схема системы управления электромеханическим аккумулятором 15, включающая в себя генератор импульсов 23, счетчик-делитель 24, дешифратор-мультиплексор 25, логические элементы 26 и ключи 27 силовые, которые подключены к обмотке 18 L1, L2, L3, L4.
В качестве ветроколеса 1 может быть использован любой преобразователь энергии ветра в механическую энергию, асинхронный генератор 6 с короткозамкнутым ротором со сквозным ротором стандартной конструкции. Блок управления 12 должен обеспечивать заряд аккумуляторной батареи 14, осуществлять управления системой управления электромеханическим аккумулятором 15 и электромагнитной муфтой скольжения 7. Инерционный маховик 20 электромеханического аккумулятора 8 с переменной энергоемкостью состоит из нескольких полуколец различной массы.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Вращающий момент от ветроколеса 1 через вал 2 поступает в мультипликатор 3, в котором в соответствии с передаточным отношением преобразуется угловая скорость ветроколеса 1 к скорости асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором. Выходной вал 4 мультипликатора 3 соединен обгонной муфтой 5, которая соединена с ротором (на фиг 1. не показан) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, при этом сквозной ротор асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором позволяет с другой стороны присоединить электромеханический аккумулятор 8 через электромагнитную муфту скольжения 7, тем самым приобретая дополнительный инерционный момент и сглаживая импульсные изменения момента на роторе асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором при изменении ветровой и электрической нагрузки. Если вращающего момента выходного вала 4 мультипликатора 3 недостаточно для работы асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, то электромеханический аккумулятор 8 с переменной энергоемкостью, который запас некоторое количество инерционной энергии, отдает ее в виде крутящего момента на асинхронный генератор 6 с короткозамкнутым ротором, также электромеханический аккумулятор 8 с переменной энергоемкостью работает в двигательном режиме, тем самым добавляя недостающие обороты и момент для работы асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, причем момент от электромеханического аккумулятора 8 с переменной энергоемкостью регулируется с помощью электромагнитной муфты скольжения 7, в которой под воздействием электромагнитного поля катушки 21 L5 изменяется плотность ферромагнитного порошка. Создаваемый момент на мультипликатор 3 не передается за счет обгонной муфты 5. Таким образом, независимо от мощности на валу 2 ветроколеса 1 и соответственно выходного вала 4 мультипликатора 3, посредством электромеханического аккумулятора 8 с переменной энергоемкостью, электромагнитной муфты скольжения 7 и обгонной муфты 5 производится стабилизация частоты вращения и выходных параметров асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором.
Батарея пусковых конденсаторов 9 используется для возбуждения асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, трансформаторы 10 напряжения снимают информацию об уровне напряжения на потребителе 11 электрической энергии и через диодный мост 13 передается в блок управления 12. По результатам обработки поступившей информации об уровне напряжения на потребителе электрической энергии 11 и частоты вращения асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором блок управления 12 формирует управляющие сигналы системе управления электромеханического аккумулятора 15, управляет зарядом аккумуляторной батареи 14, а система управления электромеханическим аккумулятором 15 формирует уровни напряжения на обмотке 18 L1, L2, L3, L4 электромеханического аккумулятора 8 с переменной энергоемкостью, возникающий крутящий момент накапливается и в определенном количестве передается, что позволяет стабилизировать частоту вращения вала ротора (на фиг. 1 не показан) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором и соответственно выходные его параметры как при изменении мощности на валу ветроколеса 1, так и при изменении мощности потребителя 11 электрической энергии.
Электромеханический аккумулятор 8 с переменной энергоемкостью выполнен следующим образом: обмотка 18 L1, L2, L3, L4 намотана на статор 17, который крепится к раме (на фиг. не показана) ветроэнергетической установки не подвижно, ротор 19 выполнен из немагнитного материала, с внутренней стороны закреплены ферромагнитные вставки 22, а с наружной стороны крепятся полукольца инерционного маховика 20 в определенном количестве, в зависимости от заданных параметров нагрузки, что позволяет изменять массогабаритные параметры устройства.
Система управления электромеханическим аккумулятором 15 работает следующим образом. Управляемый генератор импульсов 23 генерирует импульсы, которые попадают в счетчик-делитель 24, а затем в дешифратор-мультиплексор 25, и на логические элементы 26, которые управляют ключами 27 силовыми, которые подают напряжение на обмотку 18 L1, L2, L3, L4, по диаграмме работы обмоток статора электромеханического аккумулятора, представленного на фиг. 5.
Новизна технического решения обусловлена тем, что дополнительно включены электромеханический аккумулятор с переменной энергоемкостью, система управления электромеханическим аккумулятором и электромагнитная муфта скольжения. Электромеханический аккумулятор с переменной энергоемкостью в энергетической установке сглаживает импульсные изменения момента на роторе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при изменении ветровой и электрической нагрузки, а также обладает инерционным моментом, причем энергоемкость электромеханического аккумулятора можно изменять в зависимости от заданных параметров нагрузки, тем самым оптимизируя работу узлов и агрегатов ветроэнергетической установки. Система управления электромеханическим аккумулятором формирует необходимые уровни напряжения на обмотках электромеханического аккумулятора. Электромагнитная муфта скольжения, соединенная с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором и электромеханическим аккумулятором, выполняет функции дополнительного устройства, которое передает необходимую часть инерционного момента на ротор асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором посредством изменения плотности ферромагнитного порошка, которое происходит вследствие воздействия электромагнитного поля катушки 21 L5, что приводит к стабилизации выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, а при отсутствии крутящего момента на ветроколесе электромеханический аккумулятор с переменной энергоемкостью через электромагнитную муфту может создать крутящий момент на вале асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором за счет использования энергии аккумуляторной батареи и обеспечить работу асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором для электроснабжения потребителей.
Исходя из вышеизложенного, достигается уменьшение стоимости ветроэнергетической установки, стабилизация выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, повышение надежности, упрощение конструкции и эксплуатации, обслуживания и ремонта элементов системы, повышение коэффициента использования ветрового потока.