ВЕТРОАГРЕГАТ С СИСТЕМОЙ ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
WIND-DRIVEN UNIT WITH POWER LIMITATION SYSTEM AND ROTATION FREQUENCY

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей энергии.
Известно устройство (Патент РФ №2433301, F03), выбранное за прототип, содержащий установленный горизонтально в корпусе подшипника вал с закрепленными на нем с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных валу, лопастями, механически связанными через сквозное центральное отверстие в вале с исполнительным органом системы автоматического управления, на вход устройства управления которой поступают сигналы о частоте вращения вала и мощности кинематически связанного с ним генератора.
Недостатком известного устройства является необходимость использования специального двухроторного генератора сложной конструкции. Это в значительной степени повышает стоимость и снижает надежность ветроагрегата в целом. Кроме того, неизбежны качания роторов относительно магнитного поля статора и относительно друг друга, что приводит в итоге к периодическим изменениям угла установки лопастей и их вибрации.
Задача изобретения заключается в повышении надежности и точности ограничения (поддержания на заданном уровне) мощности и частоты вращения генератора.
Технический результат достигается за счет того, что в ветроагрегате с системой ограничения мощности и частоты вращения через вал пропущена штанга с возможностью перемещения ее в осевом направлении, связь штанги с лопастями осуществлена через систему тяг, противоположный конец штанги имеет резьбовую нарезку с навинченной на нее конической шестерней, закрепленной на конце вала с возможностью поворота вокруг его осевой линии и связанной через зубчатое зацепление с ведущей шестерней, насаженной на установленную на валу ось, перпендикулярную осевой линии вала. На эту же ось насажен жестко связанный с ведущей шестерней фрикционный диск, образующий пары фрикционного зацепления с двумя расположенными по одну и другую стороны от него в перпендикулярных осевой линии вала плоскостях тормозными кольцами, закрепленными соосно с валом на корпусе подшипника с возможностью осевого перемещения в направлении фрикционного диска под действием исполнительного органа системы автоматического управления, на вход устройства управления которой дополнительно подаются сигналы от двух конечных выключателей, фиксирующих крайние положения штанги в осевом направлении.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом.
Ветроагрегат содержит ориентированный горизонтально вал 1, установленный в корпусе 2 подшипника. Вал 1 является одновременно первичным валом редуктора 3, к выходу которого присоединен генератор 4. Через вал 1 пропущена штанга 5, с возможностью перемещения ее в осевом направлении. Один из концов штанги 5 системой тяг 6 связан с закрепленными на валу 1 лопастями 7, которые могут поворачиваться вокруг осей 8, перпендикулярных валу 1. Второй конец штанги 5 имеет резьбовую нарезку 9, на которую навинчена коническая шестерня 10, установленная на валу 1 таким образом, что может вращаться вокруг осевой линии вала 1, но не может перемещаться вдоль нее. Коническая шестерня 10 зубчатым зацеплением связана с ведущей шестерней 11, насаженной на ось 12, закрепленную на валу 1 перпендикулярно его осевой линии. На эту же ось насажен жестко связанный с ведущей шестерней 11 фрикционный диск 13, образующий пары фрикционного зацепления с расположенными по обе стороны от него тормозными кольцами 14 и 15. Тормозные кольца 14 и 15 установлены на корпусе подшипника 2 соосно с валом 1, зафиксированы от проворачивания, но могут сдвигаться вдоль осевой линии вала 1 в ту или другую сторону, входя в зацепление с правой или левой сторонами фрикционного диска 13.
В качестве исполнительного органа системы автоматического управления в данном конкретном исполнении ветроагрегата выступают два кольцеобразных электромагнита 17 и 18, имеющих общий кольцеобразный якорь 19, механически связанный с тормозными кольцами 14 и 15. Для сигнализации о крайних положениях штанги 5 установлены два концевых выключателя 20 и 21, на которые штанга 5 воздействует посредством толкателя 22. Выходы конечных выключателей 20 и 21 связаны с соответствующими входами устройства управления 16, являющегося составной частью системы автоматического управления.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии штанга 5 находится в крайнем правом положении. При этом угол установки лопастей 7, на которые штанга 5 воздействует через систему тяг 6, равен оптимальному углу установки, при котором достигается максимальный коэффициент использования энергии ветра. Конечный выключатель 21 замкнут, что является сигналом, блокирующим выдачу устройством управления 16 сигнала на дальнейшее перемещение штанги 5 вправо.
Если генератор 4 ветроагрегата используется для работы параллельно с централизованной электрической сетью, то устройство управления 16 выдает сигнал на подключение генератора 4 к электрической сети в тот момент, когда частота вращения вала генератора 4 достигает (при увеличении скорости ветра) синхронной частоты вращения. С этого момента при дальнейшем увеличении скорости ветра нарастание частоты вращения вала генератора 4 прекращается. Она становится равной синхронной частоте вращения. Неизменной остается, следовательно, и частота вращения вала 1. Мощность же, отдаваемая генератором 4 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 16 по сигналам о величине тока и напряжения, поступающим с генератора 4, формирует управляющий сигнал на включение электромагнита 18. Якорь 19 передвигает тормозные кольца 14 и 15 вправо, что вызывает зацепление тормозного кольца 14 с фрикционным диском 13, который (если смотреть на чертеже сверху) вращается при этом по часовой стрелке. Вращение через ведущую шестерню 11 передается конической шестерне 10, которая, вращаясь с опережением по отношению к валу 1 и штанге 5, навинчивается на резьбовую нарезку 9 штанги 5, перемещая ее влево. Штанга 5, воздействуя на лопасти 7 через систему тяг 6, увеличивает угол установки лопастей 7, он перестает быть оптимальным, вследствие чего нарастание мощности прекращается, электромагнит 18 устройством управления 16 отключается, угол установки лопастей 7 остается соответствующим допустимой мощности генератора 4 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 4 в электрическую сеть, также станет несколько меньше допустимой (номинальной) мощности генератора 4. Устройство управления 16 выдает при этом управляющий сигнал на включение электромагнита 17. Якорь 19 перемещается влево, в зацепление с фрикционным диском 13 входит тормозное кольцо 15, и фрикционный диск 13 начинает вращаться в обратном направлении. Это в конечном итоге приводит к перемещению штанги 5 вправо и уменьшению угла установки лопастей 7, т.е. смещению его к оптимальной величине. Мощность генератора 4 в результате этого увеличивается до расчетной величины, и устройство управления 16 отключает электромагнит 17.
В предельном случае, когда скорость ветра уменьшается до расчетной величины, штанга 5 перемещается до крайнего правого положения, замыкая конечный выключатель 21, блокируя сигнал устройства управления 16 на перемещение штанги 5 вправо. Электромагнит 17 отключается, перемещение штанги 5 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 4 уменьшается при неизменной, равной синхронной, частоте вращения. И когда мощность генератора 4 снижается до нуля, устройство управления 16 отключает его от сети.
Таким образом, при параллельной работе генератора 4 ветроагрегата с электрической сетью в нормальном рабочем режиме система осуществляет ограничение развиваемой генератором 4 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 4 становится несколько выше синхронной, устройство управления 16, как и при ограничении мощности, выдает сигнал на перемещение штанги 5 влево. Нарастание частоты вращения из-за ухода, как было показано выше, угла установки лопастей 7 от оптимального значения прекращается.
Если генератор 4 используется для питания электрической нагрузки, в автономном режиме, то устройство управления 16 описанным выше способом ограничивает частоту вращения генератора 4 на уровне синхронной частоты вращения. Мощность генератора 4 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 16 осуществляет, отключая от генератора 4, как правило, потребители, 3-ей группы по надежности электроснабжения.
Таким образом, ветроагрегат согласно предлагаемому изобретению может комплектоваться стандартным генератором переменного тока, простым по устройству и надежным в эксплуатации. В предлагаемой системе ограничения его мощности и частоты вращения обеспечивается жесткая (однозначная) связь между исполнительным органом и лопастями, что исключает возможные качания лопастей. Повышается при этом точность регулирования (ограничения), снижается необходимая мощность для его осуществления.
Все это в совокупности и составляет положительный эффект предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2433301, F03.