Ветрогенератор

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветроэлектрических агрегатах для повышения энергетической эффективности ветрогенератора.
Известен ряд ветроэнергетических установок, например АВЭ-250С [Неисчерпаемая энергия. Кн. 2. Ветроэнергетика / B.C. Кривцов, А.М Алейников, А.И. Яковлев. - Харьков: Нац. аэрокосм, ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2004, - 519 с.], содержащих ветроколесо, генератор, привод, изменяющий угол установки лопастей. В установках управляется угол положения лопастей с целью максимального использования энергии ветрового потока и исключения перегрузки генератора при высоких скоростях ветра.
К недостаткам устройства можно отнести высокую пусковую скорость ветра 5 м/с, при этом расчетная скорость ветра, при которой обеспечивается отдача номинальной мощности с генератора, составляет 13,2 м/с. Ветрогенератор отдает мощность в нагрузку или заряжает аккумуляторы только при высоких скоростях ветра, а при низких скоростях работает в режиме холостого хода.
Известен способ управления ветроэнергетической установкой (патент РФ №2133375), состоящей из ветродвигателя, передаточного устройства и генератора электрической энергии, при котором в качестве управляющего параметра используют частоту вращения вала генератора, в зависимости от производимой ветроэнергетической установкой энергии осуществляют изменение схемы коммутации обмоток электрогенератора и подключения электрической нагрузки к генератору электрической энергии, при этом при достижении частотой вращения значения, превышающего заданные значения вырабатываемой мощности, подключают нагрузки, соответствующие вырабатываемой ветроэнергетической установкой энергии.
В полезной модели определяется скорость вращения ротора ветрогенератора и соответствующая этой скорости вырабатываемая электроэнергия. При превышении заданных пороговых значений вырабатываемой мощности изменяется схема коммутации обмоток генератора и нагрузки, обеспечивая оптимальный режим генератора и исключая его перегрузку.
К недостаткам способа относятся использование в схеме генератора дополнительной нагрузки, которая будет потреблять часть генерируемой электрической мощности вместо того, чтобы отдавать эту мощность в нагрузку.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления стартер-генераторной системой переменного тока и устройство для его реализации (заявка на изобретение РФ №2012125281), заключающийся в том, что при работе системы в генераторном режиме выходное напряжение генератора регулируют с помощью его подгрузки реактивным током с отстающим либо опережающим коэффициентом мощности, одновременно дополнительно регулируя диапазон изменения выходного напряжения генератора путем изменения количества задействованных секций фазных обмоток, производимого с помощью двунаправленных симметричных управляемых ключей в соответствии с величиной отклонения выходного напряжения от заданного значения.
Недостатком способа является передача электроэнергии в нагрузку только при высоких скоростях вращения ротора генератора, кроме этого, при высоких скоростях вращения ротора подгрузка генератора реактивным током вызывает дополнительные потери мощности.
Ветрогенераторы рассчитывают на определенный диапазон используемых скоростей ветра. В низкоскоростных генераторах передача вырабатываемой электроэнергии в нагрузку и, в частности, заряд аккумуляторов осуществляется уже при минимальных скоростях вращения ротора, при этом при больших скоростях вращения ротора генератор на обмотках статора индуцируется повышенное напряжение. В этом режиме к генератору подключается балластная нагрузка, в которой рассеивается избыточная мощность. Кроме этого, на активном сопротивлении проводов обмотки статора генератора происходит значительное рассеяние мощности, прямо пропорциональное индуцируемому напряжению и соответственно току, протекающему через обмотки.
В высокоскоростных генераторах начало передачи электроэнергии от генератора в нагрузку и, в частности, заряд аккумуляторов происходит при достаточно высоких скоростях вращения ротора, а низкие скорости вращения не используются.
Задачей полезной модели является повышение энергетической эффективности ветрогенератора путем выделения двух диапазонов скорости вращения ротора и изменения схемы подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора с помощью контактных групп А, В и С таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора первая и вторая секции трех двухсекционных фазных обмоток статора коммутируются последовательно или параллельно, при этом генератор выполнен таким образом, что заряд аккумулятора начинается уже при минимальной скорости вращения ротора, при увеличении скорости вращения секции двухсекционных фазных обмоток коммутируются параллельно, при этом суммарное вырабатываемое напряжение на них уменьшается в два раза, а сопротивление обмоток уменьшается в два раза, при этом не происходит превышение генерируемой мощности и уменьшается потери мощности на активном сопротивлении обмоток.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, состоящее из ветроколеса, связанного механическим валом с трехфазным ротором синхронного электрического генератора с постоянными магнитами, каждая двухсекционная фазная обмотка статора которого через контактные группы и выпрямительно-зарядное устройство соединена с аккумулятором и инвертором, подключенным к нагрузке, согласно полезной модели, в устройстве дополнительно к первой секции двухсекционной фазной обмотки статора подключен измеритель частоты, выходом связанный с компаратором, к выходу которого подключена обмотка реле, которое изменяет схему подключения трех двухсекционных фазных обмоток статора с помощью контактных групп А, В и С таким образом, что в зависимости от скорости вращения ротора первая и вторая секции трех двухсекционных фазных обмоток статора коммутируются последовательно или параллельно.
Структурная схема ветрогенератора представлена на фиг. 1. Ветроколесо 1 связано механическим валом 2 с ротором трехфазного синхронного электрического генератора с постоянными магнитами 3, при этом первая 14 и вторая 15 секции двухсекционной обмотки фазы А статора подключены ко входам контактной группы А 4, аналогично подключены обмотки фаз В и С соответственно ко входам контактных групп В 5 и С 6. Выходы контактных групп А, В и С 4, 5 и 6 подключены ко входам выпрямительно-зарядного устройства 10, выходом связанного с аккумулятором 11 и инвертором 12, питающим нагрузку 13.
К любой секции любой двухсекционной фазной обмотки подключен измеритель скорости вращения ротора 7, связанный с компаратором 8, выходом соединенным с обмоткой реле 9.
На фиг. 2 показано последовательное соединение первой 14 и второй 15 секций двухсекционной фазной обмотки с помощью первого 16 и второго 17 контактов реле, а на фиг. 3 показано параллельное соединение секций обмоток.
Устройство работает следующим образом.
Величина напряжения обмоток статора синхронного генератора с постоянными магнитами прямо пропорциональна скорости вращения ротора. По этой причине при малых скоростях вращения ротора величина генерируемого напряжения меньше пороговой величины, необходимой для начала заряда аккумулятора. При высоких скоростях вращения ротора напряжение, генерируемое на обмотках велико и вследствие этого потери мощности, обусловленные активным сопротивлением проводов обмоток, велики. При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора необходимо сбрасывать часть мощности в балластную нагрузку.
1фазы
1Σ
Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки. При низкой скорости вращения ротора измеритель скорости вращения ротора формирует сигнал, в соответствии с которым компаратор управляет реле и соответственно его контактными группами таким образом, что коммутируется схема, показанная на фиг. 2. В этом случае обе секции двухсекционных фазных обмоток соединены последовательно, индуцируемое напряжение U=Е1+Е2, где E1, Е2 - э.д.с, индуцируемые каждой секцией обмотки фазы, при этом E1=E2=КV, где К - коэффициент пропорциональности, V - скорость вращения ротора. Суммарное активное сопротивление обмоток будет равно R=R1+R2.
При увеличении скорости ветра и, соответственно скорости вращения ротора, увеличивается величина э.д.с. обмоток статора генератора, компаратор формирует сигнал, который переключает реле, контактные группы которого соединяют секции фазных обмоток статора параллельно по схеме, показанной на фиг. 3.
2фазы
1фазы
2Σ
В этом случае U=U/2, R=(R1*R2)/(R1+R2). Ток заряда при этом уменьшается, но также уменьшается и мощность, рассеиваемая на активных сопротивлениях обмоток.
Таким образом, коммутируя секции двухсекционных фазных обмоток последовательно или параллельно, достигается возможность начинать заряд аккумулятора при малых скоростях вращения ротора генератора, при повышенных скоростях вращения ротора генератора исключать индуцирование повышенного напряжения на фазных обмотках и необходимость подключения дополнительной нагрузки, понизить рассеяние мощности на активном сопротивлении фазных обмоток статора.