МУЛЬТИМОДУЛЬНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к ветроэнергетике и служит для автономного электроснабжения потребителей различного назначения, а также для параллельной работы с энергосистемой.
Известна безредукторная ветроустановка, содержащая ветрогенератор, включающий систему магнитов, расположенных на ободе, закрепленном на краях лопастей, и статор с обмотками (Электронный ресурс: http://www.windtronics.com/honeywell-wind-turbine, дата обращения 20.08.2012 г.).
Однако ветрогенератор данной ветроустановки не имеет возможности регулировать величину выходного напряжения.
Известен генератор переменного тока с постоянными магнитами с регулированием напряжения за счет осевого перемещения ротора относительно статора (Балагуров В.А. «Электрические генераторы с постоянными магнитами», Москва, 1988, с.110-111).
Недостатком данного генератора является наличие сложной в эксплуатации гидравлической системы регулирования.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является мультимодульная ветроэлектростанция, содержащая, по крайней мере, три съемных модуля, закрепленных на металлической раме, установленной на вращающейся платформе, каждый из съемных модулей которой включает в себя связанное с блоком управления ветроколесо, и последовательно соединенное с мультипликатором, электрогенератором и преобразователем частоты [патент (решение о выдаче патента от 21.06.2012 г. по заявке №2010142242].
Однако данная ветроэлектростанция содержит электрический генератор на постоянных магнитах не имеющий возможности регулировать величину выходного напряжения.
Задачей полезной модели является обеспечение регулировки выходного напряжения электрогенераторов на постоянных магнитах мультимодульной ветроэлектростанции при изменяющейся скорости ветра, что позволяет стабилизировать выходное напряжение электрогенераторов мультимодульной ветроэлектростанции.
Поставленная задача достигается тем, что мультимодульная ветроэлектростанция, содержащая, по крайней мере три съемных модуля, закрепленных на вращающейся раме, установленной на опоре, датчик направления и скорости ветра, блок управления вращающейся рамой, при этом каждый из съемных модулей включает в себя установленные на валу ветроколесо, соединенное с электрогенератором и преобразователь частоты. Новым является то, что ветроколесо установлено в роторе электрогенератора, а также введена электромеханическая система перемещения ветроколеса, состоящая из электромагнита перемещения, расположенного на одном конце вала, и кольцевого постоянного магнита, жестко закрепленного в ступице ветроколеса, расположенного на валу, а между ступицей ветроколеса и вторым концом вала вдоль его оси расположен упругий элемент, при этом преобразователь частоты выполнен на основе инвертора тока, соединенного со статором электрогенератора.
Кроме этого статор электрогенератора содержит безпазовую обмотку, выполненную в виде плоских изолированных проводников небольшой толщины, а на роторе электрогенератора установлены постоянные магниты.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: на Фиг.1 представлена мультимодульная ветроэлектростанция, вид спереди, на Фиг.2 - мультимодульная ветроэлектростанция, вид сбоку, на Фиг.3 - съемный модуль мультимодульной ветроэлектростанции, вид спереди, на Фиг.4 - съемный модуль мультимодульной ветроэлектростанции, вид сбоку, на Фиг.5 - конструкция безпазовой обмотки статора электрогенератора, на Фиг.6 - блок-схема съемного модуля мультимодульной ветроэлектростанции.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - съемный модуль мультимодульной ветроэлектростанции, 2 - вращающаяся рама, 3 - датчик направления и скорости ветра, 4 - блок управления вращающейся рамой, 5 - опора, 6 - ветроколесо, 7 - крепежные стержни, 8 - электрогенератор, 9 - статор электрогенератора, 10 - обмотка статора электрогенератора, 11 - ротор электрогенератора, 12 - постоянный магнит ротора, 13 - паз, 14 - направляющая балка, 15 - балка, 16 - электромагнит перемещения, 17 - неподвижная втулка (для крепления электромагнита), 18 - кольцевой постоянный магнит, 19 - ступица ветроколеса, 20 - подшипник, 21 - упругий элемент, 22 - неподвижная втулка (для крепления упругого элемента), 23 - неподвижный вал, 24 - защитный цилиндр, 25 - защитный конус, 26 - коробка выводов, 27 - преобразователь частоты, 28 - датчик тока, 29 - выпрямитель, 30 - сглаживающий фильтр, 31 - инвертор тока, 32 - синусоидальный фильтр, 33 - потребитель, 34 - датчик напряжения, 35 - блок управления преобразователем частоты и электромагнитом перемещения ветроколеса, 36 - электромеханическая система перемещения ветроколеса.
Устройство мультимодульной ветроэлектростанции, содержит по крайней мере три съемных модуля мультимодульной ветроэлектростанции 1, закрепленных на вращающейся металлической раме 2, выполненной, например, из металла и установленной на опоре 5, датчик направления и скорости ветра 3, блок управления вращающейся рамой 4. Каждый из съемных модулей мультимодульной ветроэлектростанции 1 включает в себя установленные на неподвижном валу 23 ветроколесо 6, соединенное с электрогенератором 8, электромеханическую систему перемещения ветроколеса 36 и преобразователь частоты 27.
Ветроколесо 6 установлено в роторе электрогенератора 11. На роторе электрогенератора 11 установлены постоянные магниты 12.
Статор электрогенератора 9 жестко закреплен на неподвижном валу 23 с помощью крепежных стержней 7 и двух неподвижных втулок 17, 22.
Электромеханическая система перемещения ветроколеса 36 состоит из электромагнита перемещения 16, расположенного на одном конце неподвижного вала 23, и кольцевого постоянного магнита 18, жестко закрепленного в ступице ветроколеса 19, расположенного на неподвижном валу 23. Ступица ветроколеса 19 содержит подшипники 20. Неподвижная втулка 17 содержит электромагнит перемещения 16, и выполнена в виде цилиндрической металлической детали с торцевым кольцевым пазом, в котором уложена обмотка электромагнита перемещения 16. Неподвижная втулка 17 расположена со стороны ветроколеса 6. Между ступицей ветроколеса 19 и вторым концом неподвижного вала 23 вдоль его оси расположен упругий элемент 21, например, пружина.
На внутренней поверхности статора электрогенератора 9 расположена обмотка статора электрогенератора 10 безпазовой конструкции, выполненная в виде плоских изолированных проводников небольшой толщины (фиг.5).
На неподвижном валу 23 электрогенератора установлены защитный конус 25 и защитный цилиндр 24 (фиг.4).
Съемные модули мультимодульной ветроэлектростанции закреплены на вращающейся раме 2, состоящей из продольных и поперечных балок 15 с пазами 13, образующих решетчатую конструкцию (ячейки для размещения модулей) (фиг.3). При этом оси вращения всех ветроколес 6 расположены параллельно друг другу. По бокам статора электрогенератора 9 прикреплены направляющие балки 14 для размещения электрогенератора 8 в пазах 13 (рельсовые направляющие), за счет чего модуль легко вынимается для ремонтных или профилактических работ (фиг.3).
Вход преобразователя частоты 27 связан с коробкой выводов 26 электрогенератора 8. Преобразователь частоты 27 включает выпрямитель 29, сглаживающий фильтр 30, инвертор тока 31 и синусоидальный фильтр 32 (фиг.6).
На вращающейся раме 2 установлен блок управления вращающейся рамой 4, выполненный, например, на основе микроконтроллера, и связанный с поворотным механизмом, например, на основе следящего электропривода, датчиком направления и скорости ветра 3, закрепленным на вращающейся раме 2.
Блок управления преобразователем частоты и электромагнитом перемещения ветроколеса 35 установлен в каждом съемном модуле мультимодульной ветроэлектростанции 1 и связан с электромагнитом перемещения 16, датчиками тока 28 и напряжения 34.
Мультимодульная ветроэлектростанция работает следующим образом. Под действием кинетической энергии ветра ветроколесо 6 начинает вращать ротор электрогенератора 11. При вращении ротора электрогенератора 11 магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами ротора 12, индуцирует в обмотке статора электрогенератора 10 синусоидальную ЭДС.
В зависимости от скорости ветра мультимодульная ветроэлектростанция может работать в нескольких режимах. При низкой и средней скорости ветра от 2,5 до 6 м/с ротор электрогенератора 11 располагают строго под обмоткой статора электрогенератора 10 за счет упругого элемента 21 электромеханической системы перемещения ветроколеса 36. Полученное на выходе электрогенератора 8 напряжение преобразуют в постоянное выпрямителем 29 и с помощью сглаживающего фильтра 30 уменьшают пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Затем с помощью инвертора тока 31 преобразуют напряжение из постоянного в переменное, увеличивая его до номинального значения, сглаживая его пульсации синусоидальным фильтром 32. Таким образом, к потребителю 33 поступает синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц, отвечающее требованиям ГОСТ 13109-97.
При большой скорости ветра от 6 до 15 м/с ротор электрогенератора 11 перемещают вдоль неподвижного вала 23, тем самым уменьшая магнитный поток, индуцирующий ЭДС в обмотке статора. Напряжение на выходе электрогенератора 8, близкое к номинальному, преобразуют в постоянное выпрямителем 29 и с помощью сглаживающего фильтра 30 уменьшают пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Затем инвертором тока 31 преобразуют напряжение из постоянного в переменное, сглаживают его пульсации синусоидальным фильтром 32.
При ураганной скорости ветра (более 25 м/с) с блока управления вращающейся рамой 4 подают сигнал на поворотный механизм, который поворачивает вращающуюся раму 2 так, чтобы плоскость вращения ветроколеса 6 располагалась вдоль направления ветра, что исключает попадание ветрового потока на лопасти.
При всех режимах работы мультимодульной ветроэлектростанции неподвижные втулки 17 и 22 жестко закреплены на неподвижном валу 23, а ступица ветроколеса 19 перемещают вдоль продольной оси неподвижного вала 23. Механизм фиксации и перемещения ступицы ветроколеса 19 действует при подаче сигнала с блока управления преобразователем частоты и электромагнитом перемещения ветроколеса 35, который срабатывает при подаче сигнала от датчика направления и скорости ветра 3. При большой скорости ветра с блока управления преобразователем частоты и электромагнитом перемещения ветроколеса 35 на электромагнит перемещения 16 подают ток, определенного направления, в зависимости от которого ступица ветроколеса 19, с закрепленным кольцевым постоянным магнитом 18, будет отталкиваться от электромагнита перемещения 16, которые фиксируют упругим элементом 21, например, пружиной. С блока управления вращающейся рамой 4 подается сигнал на поворотный механизм, который поворачивает мультимодульную ветроэлектростанцию по направлению ветра. При подаче сигналов с датчиков тока 28 и датчиков напряжения 34 в блоке управления преобразователем частоты и электромагнитом перемещения ветроколеса 35 формируются управляющие сигналы, которые подают одновременно на все выпрямители 29 и инверторы тока 31 съемных модулей мультимодульной ветроэлектростанции.
За счет этого обеспечивается регулировка выходного напряжения электрогенераторов на постоянных магнитах мультимодульной ветроэлектростанции при изменяющейся скорости ветра, что позволяет стабилизировать выходное напряжение электрогенераторов мультимодульной ветроэлектростанции.