КОНТРОЛЛЕР ТОРМОЖЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО ВКЛЮЧЕНИЕМ ДЛЯ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ
WINDMILL BRAKING CONTROLLER AND ITS SWITCHING CONTROL ELEMENTS

Испрашивается право на приоритет настоящей заявки по находящейся одновременно на рассмотрении предварительной патентной заявке этого же заявителя, серийный № 60/760407, под названием "КОНТРОЛЛЕР ТОРМОЖЕНИЯ И РЕЗЕРВИРОВАНИЕ ДЛЯ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ", поданной 20 января 2006, которая полностью включена в состав настоящей заявки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к элементам управления торможением ветровой турбины, изменяющим крутящий момент при посредстве синхронного генератора для инициирования аэродинамического торможения соединенных лопастей ветровой турбины. В частности, контроллер ветровой турбины, описанный в настоящем изобретении, включает в себя элементы управления торможением, позволяющие создавать момент торможения и в нормальных условиях, и в некоторых режимах включения, чтобы в случае неисправности обмоток синхронного генератора, соединителей с ним или с контроллером в синхронном генераторе оставался момент, достаточный для управления ветровой турбиной.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В технике известны малогабаритные ветровые турбины для промышленного и бытового использования. Проблемы существующих турбин заключаются, но этим не ограничиваются, в управлении мощностью, особенно в условиях слабого и сильного ветров, или в оснащении элементами регулирования и останова или замедления вращения лопастей турбины в некоторых режимах включения, например, при сильных ветрах в сочетании с неисправностью системы управления и/или, по меньшей мере, какой-либо части обмоток синхронного генератора.
Для удовлетворения потребности в управлении выдаваемой мощностью известен способ управления торможением посредством электронной аппаратуры управления, регулирующей крутящий момент синхронного генератора в различных ветровых режимах. Указанная электронная аппаратура управления и ее функционирование описаны заявителем в патенте США № 6703718 «КОНТРОЛЛЕР ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ», который полностью вошел в описание настоящего патента.
Известные решения проблемы останова вращения лопастей турбины в аварийных режимах предусматривают поворот лопастей с целью снижения частоты вращения при ураганных ветрах, а также использование других способов механического торможения или механических резервных устройств в случае сбоя системы управления и в других аварийных режимах.
Решение проблем с помощью подобных механических способов останова или снижения скорости вращения лопастей в указанных условиях сопровождаются повышенным шумом (например, вызванным «биением» лопастей или излишним шумом при использовании механизма их поворота), и существенным усложнением и ростом стоимости подобных устройств и систем. За счет таких устройств усложняется конструкция и снижается ее надежность. Кроме того, остается неудовлетворенной потребность в системах, способах и устройствах для функционирования в таких режимах включения, при которых выполняются регулирование и другие требования, но при этом минимизируется уровень шума и не допускается существенного усложнения конструкции, потери надежности или роста стоимости ветровых турбин. Остается потребность в ветровых турбинах, которые отвечали бы требованиям режима включения и содержали элементы, обеспечивающие эффективную работу в широком диапазоне ветровых режимов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Элементы управления для ветровой турбины, описанные в настоящем изобретении, обеспечивают управление турбиной в полном диапазоне скоростей ветра, равно как и замедление, и останов вращения турбины в режимах включения, в том числе в условиях, когда комплексные отказы происходят в генераторе/синхронном генераторе, вырабатывающем крутящий момент ветровой турбины, и, следовательно, в электронных устройствах управления, и лишены проблем шума, стоимости или надежности, обусловленных поворотом лопастей, регулированием угла наклона лопастей или регулированием аэроупругой закрутки, как например в конструкциях, известных из предшествующего уровня техники. Элементы управления настоящего изобретения приводятся в действие управляющей электроникой, которая подстраивает крутящий момент, создаваемый синхронным генератором или иным устройством для генерирования электрической энергии, имеющим множества обмоток. При нормальном ветре крутящий момент подстраивается под оптимальные аэродинамические характеристики и/или максимальную выходную мощность ветровой турбины. При ветре, превышающем выбранную силу, схема управления регулирует крутящий момент для снижения аэродинамических характеристик, что необходимо для поддержания желаемого уровня мощности. В режимах включения, например, при одном или нескольких отказах системы управления, потере мощности в какой-либо части обмоток устройства для генерирования электрической энергии или в режиме ураганного ветра управление ветровой турбиной (например, замедление или останов лопастей ветровой турбины) осуществляется путем повышения момента от устройства для генерирования электрической энергии посредством закорачивания или иного способа повышения зависящего от тока момента (например, широтно-импульсная модуляция) обмоток (собирательное название «закорачивание») так, чтобы устройство для генерирования электрической энергии тормозило или иным образом замедляло вращение лопастей турбины. В одном из вариантов воплощения при отказе главного органа управления вспомогательный орган перемыкает или иным образом повышает ток в синхронном генераторе/генераторе, чтобы вызвать затормаживание лопастей, тем самым замедляя или останавливая ветровую турбину.
Датчики и/или элементы управления инициирующим событием в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения содержат отдельную от схемы управления нормальной работой ветровой турбины схему, чтобы снизить или устранить фактор опасности, возникающий при отказах в схеме управления нормальной работой. В других вариантах воплощения подобные элементы управления инициирующим событием включены в схему управления нормальной работой. Элементы управления инициирующим событием могут включать в себя реле, нормально разомкнутое или нормально замкнутое, например, при возникновении инициирующего события, элементы управления автоматически перемыкают, по меньшей мере, одну из обмоток устройства для генерирования электрической энергии. Например, в вариантах воплощения с нормально разомкнутым реле при аварийной ситуации срабатывает сигнальное реле с целью обеспечения энергии (например, от заряженного конденсатора), необходимой для замыкания реле, тем самым перемыкая обмотки. Например, в вариантах воплощения с нормально замкнутым реле в аварийном режиме происходит отключение подачи питания, необходимого для поддержания разомкнутого состояния реле, чтобы обеспечить возврат реле в нормально замкнутое состояние.
Наличие инициирующего события можно установить, например, с помощью устройств и способов мониторинга частоты вращения лопастей турбины, мощности синхронного генератора, неисправности обмоток устройства для генерирования электрической энергии или соединителей с ним, несрабатывания управляющей электроники. Одно или несколько действий управляющей электроники или иных элементов ветровой турбины настоящего изобретения могут выполняться с использованием беспроводной связи.
Дополнительные преимущества и элементы новизны настоящего изобретения частично изложены в описании, они станут более понятными специалистам в данной области техники после ознакомления с изложенным или после испытания изобретения на практике.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 представлена характерная схема резервной цепи управления типовой ветровой турбины по варианту воплощения настоящего изобретения;
На Фиг.2 показана принципиальная схема типовой цепи блокировки для резервного управления по варианту воплощения настоящего изобретения;
На Фиг.3 показана принципиальная схема блокировки, подобная схеме Фиг.2, с дополнительными элементами.
На Фиг.4A-4D представлены типовые варианты синхронных генераторов с шестью обмотками по настоящему изобретению.
На Фиг.5 показан пример типовой ветровой турбины по варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.6 представляет собой структурную схему инвертера по варианту воплощения настоящего изобретения.
На Фиг.7 схематически представлены различные компоненты типовой ветровой турбины по варианту воплощения настоящего изобретения;
На Фиг.8 представлена характерная схема различных компонентов типовой ветровой турбины еще одного варианта воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Контроллер для ветровой турбины настоящего изобретения, часть которого показана на Фиг.1, содержит устройство 10 для генерирования электрической энергии, например синхронный генератор или генератор, и схему резервного управления и элементов управления инициирующим событием для лопастей ветровой турбины. Устройство 10 также может содержать схему нормального управления функционированием (на Фиг.1 не показано, см. Фиг.6). Типовая схема включает в себя преобразователь переменного тока в постоянный, например выпрямляющий мост, преобразователь постоянного тока в постоянный и преобразователь постоянного тока в переменный. Кроме того, как показано на Фиг.1, контроллер содержит элементы управления инициирующим событием, например, закорачивающее устройство 11 обмоток (реле с фиксацией), обеспечивающее перемыкание в обмотках синхронного генератора для замедления движения ветровой турбины при таких инициирующих событиях, как аварии. Такое закорачивающее устройство 11 обмоток работает, например, при ураганных ветрах после отказа первичной цепи. В одном из вариантов воплощения синхронный генератор 10 выполнен так, чтобы его обмотки содержали, по меньшей мере, две автономно работающих секции, и так, чтобы в случае неисправности одной или нескольких (но не всех) секций (например, вызванной обрывом в цепи обмоток из-за удара молнии, или механического повреждения, или вследствие неисправности соединителя с обмоткой) и при возникновении инициирующего события, например отказа основной схемы управления (см., например, фиг.6), минимальное число неповрежденных секций обмоток могло бы генерировать посредством закорачивания крутящий момент, достаточный для замедления или остановки вращения лопастей ветровой турбины, так чтобы обезопасить турбину от перехода в разнос или повреждения ее компонентов.
В конкретном примере, представленном на Фиг.1, элементы управления инициирующим событием составляют отдельную печатную плату или иные модули электронного оборудования для обеспечения максимально надежной изоляции.
На Фиг.1 печатная плата содержит выпрямительный мост 15 и реле 11 с самообесточиванием. Схема вырабатывает команду на отключение турбины в случае сбоя в основной схеме управления. В варианте воплощения, представленном на Фиг.1, устройство 16 включения по напряжению, например диод Зенера на 280 В, вызывает активацию реле 11 при заданном уровне напряжения. Например, на Фиг.1 показано, что диод Зенера вызывает активацию катушки 11а на 12 В реле 11 приблизительно при 290 В. Это напряжение соответствует выходному напряжению одной обмотки синхронного генератора типовой турбины приблизительно при 380 оборотах в минуту. После активации катушки 11а контактная группа 11b реле 11 закорачивает выход турбины, вследствие чего создается превышающий необходимый для заданных условий крутящий момент (например, некоторое количество обмоток или их соединителей при обрыве в цепи), чтобы остановить турбину или замедлить ее частоту вращения до приемлемого (например, безопасного) уровня. Разблокировать включенное реле в этом случае может только соответствующий микропроцессор и, например, доверенный пользователь. Другой элемент, показанный на Фиг.1, представляет собой фильтр (2,3 кГц), препятствующий случайному активированию реле 11 при кратковременных бросках напряжения.
Кроме того, система реле защиты, показанного на Фиг.1 содержит сигнальное реле 17 для возбуждения катушек 11а реле защиты. Заряженный конденсатор 18 подключен к катушкам 11а реле, эффективно изолируя катушки реле от микропроцессора турбины. Это может произойти, например, после определения контроллером 19 рабочего статуса основной схемы, например произошел сбой и/или имеются иные условия инициирующего события для отключения. Использование сигнального реле 17 и конденсатора 18 для подачи энергии активации на реле 11 с блокировкой обеспечивает дополнительный уровень безопасности в случае отказа основной схемы.
Типовой вариант воплощения для элементов управления инициирующим событием, показанный на Фиг.1, содержит нормально разомкнутое реле с блокировкой. Возникновение заданного инициирующего события или событий вызывает срабатывание сигнального реле, которое, в свою очередь, подаваемым от конденсатора напряжением активирует закрытие реле с блокировкой. Нормально замкнутое реле с блокировкой наряду с прочими устройствами, системами и способами может применяться для перемыкания обмоток при соответствующих условиях.
На Фиг.2 показана принципиальная схема типовой блокировки по варианту воплощения настоящего изобретения. Элементы схемы 200, показанные на Фиг.2, включает в себя элементы отключения, составляющие цепь, не зависящую от цепей генерирования энергии, связанных с синхронным генератором или иным устройством для генерирования электрической энергии (например, устройство 201 с шестифазной обмоткой, Фиг.2), связанных с ветровой турбиной по настоящему изобретению. Элементы 200 схемы, показанные на Фиг.2, не содержат или не зависят от сложных средств управления, например компьютерной микросхемы, или иных процессорных элементов, или логики при работе.
На Фиг.2 все выходы на концах устройства 201 с шестифазной обмоткой соединены с трехфазным выпрямительным мостом 202. Положительный выход трехфазного выпрямительного моста 202 соединен последовательно с фильтром 203, например конденсатором, диэлектриком, и/или индуктором, или иным устройством для фильтрования тока, или бросков напряжения, или пиковой выходной мощности выпрямителя 202. Фильтр 203 последовательно соединен с диодом 204, например, диодом Зенера. Диод 204, в свою очередь, последовательно соединен с реле 210 с блокировкой, которое нормально разомкнуто и не может быть электрически разблокировано. Диод 204 соединен с катушкой или иным индуктором в реле 210 и, как показано на Фиг.2, однополюсный переключатель на два положения в реле 210 не заблокирован ни на одной из клемм.
Включившись, реле 210 с блокировкой не может быть разблокировано. Таким образом, если реле с блокировкой включилось в режиме останова (например, однополюсный переключатель на два положения блокирует одну из клемм в случае высокого напряжения или сильного тока), после завершения инициирующего события (восстановление напряжения или тока) с реле 210 не снимается блокировка. Следовательно, устройство должно быть возвращено производителю или другой оценивающей стороне для выявления нанесения ущерба ветровой турбине до начала ее постоянного функционирования. Фильтр 203 и диод 204 служат для того, чтобы мгновенный ток, или броски напряжения, или иного рода пиковая выходная мощность выпрямителя 202, не отражающие неисправное состояние, не заблокировали реле 210 и не препятствовали работе ветровой турбины.
Второе реле 220, нормально замкнутое, сконструировано и соединено в схеме 200 таким образом, чтобы нормальный ввод от преобразователя 211 (например, +12 В на Фиг.2, отражающий сигнал управления или мощности от компьютера или иного процессора или аналогичного устройства для работы ветровой турбины) не позволял реле 220 замыкаться при нормальных рабочих условиях, и реле 220 - не размыкаться при постоянном входном сигнале или восстановленном входном сигнале от преобразователя 211 в режиме останова.
На Фиг.3 показана принципиальная схема дополнительных элементов для типовой схемы блокировки, показанной на Фиг.2, а схема 300 на Фиг.3 по принципу работы аналогична схеме 200 на Фиг.2. На Фиг.3 элемент 305 представляет собой реле с блокировкой, аналогичное реле 210 с блокировкой, изображенному на Фиг.2. Три реле 310, 311 и 312 соединены с выводами на концах устройства 305 для генерирования электрической энергии (например, на концах шестифазных обмоток синхронного генератора). Использование одного из трех реле 310, 311 и 312 для каждой пары обмоток генерирующего устройства 305 обеспечивает резервирование управления остановом независимо от типа неисправности (например, размыкание и перемыкание), которая может возникнуть в одной (или нескольких) обмотках генерирующего устройства 301, или одном (или двух) нормально замкнутых реле 310, 311 и 312.
На Фиг.4A-4D представлены варианты синхронных генераторов с шестью обмотками по настоящему изобретению. На Фиг.4A показан типовой шестиобмоточный шестифазный синхронный генератор с семью точками присоединения. Каждая из шести фаз синхронного генератора на Фиг.4А не совпадает по фазе с остальными. Количество точек присоединения или обмоток синхронного генератора на Фиг.4А может сокращаться (например, точки присоединения или обмотки могут стать частями разомкнутой цепи в результате катастрофического события, например удара молнии в синхронный генератор), а синхронный генератор все еще может быть остановлен при посредстве закорачивающего устройства обмоток, обеспечивающего закорачивание в остальных обмотках (например, в двух из шести функционирующих обмоток).
Типовой синхронный генератор на Фиг.4В также имеет шесть обмоток, но по две пары трехфазных обмоток, работающих параллельно. Таким образом, в указанном типовом синхронном генераторе вырабатывается только трехфазная выходная мощность. В противоположность раздельным центральным точкам C2 и C3 присоединения для данного синхронного генератора центральные точки C2 и C3 присоединения можно соединить для образования только одной центральной точки присоединения. Как и в случае с синхронным генератором на Фиг.4А, в варианте воплощения на Фиг.4В в ряде обмоток, например в четырех, может произойти сбой, а синхронный генератор все еще может быть остановлен при посредстве закорачивающей перемычки, обеспечивающей перемыкание остальных обмоток.
Аналогично Фиг.4В типовой синхронный генератор на Фиг.4С имеет шесть обмоток в трех фазах. В этом варианте исполнения центральные точки каждого участка обмотки делят обмотки на шесть секций. Как и в случае с синхронным генератором Фиг.4А и 4В, в варианте воплощения на Фиг.4С в ряде обмоток, например в четырех, может произойти сбой, а синхронный генератор все еще может быть остановлен при посредстве закорачивающего устройства обмоток, обеспечивающего перемыкание остальных обмоток.
На Фиг.4D представлен синхронный генератор, аналогичный тому, который показан на Фиг.4С, но с центральной точкой присоединения по варианту воплощения настоящего изобретения.
На Фиг.5 представлен вид в разрезе различных компонентов типовой ветровой турбины по варианту воплощения настоящего изобретения. Как показано на Фиг.5, ветровая турбина 520 генерирует электроэнергию посредством синхронного генератора 532. Из Фиг.5 видно, что синхронный генератор 532 в некоторых вариантах исполнения содержит магнитный ротор 534 и беспазовый статор 536. Статор 536, например, изготовлен из стали или иного подходящего материала сердечника с обмотками из меди и/или другого подходящего для обмоток проводящего материала и крепится к корпусу 522. Ротор 534 вращается вместе с вращением лопастей 524. Ротор 534 создает переменное магнитное поле, например, посредством вращения постоянных магнитов или других источников магнитного поля, встроенных в или закрепленных на роторе 534. Использование постоянных магнитов особенно полезно в вариантах воплощения малогабаритных ветровых турбин, например, используемых для заряда батареи или питания жилых помещений. Такой подход также устраняет необходимость дополнительно резервировать схему возбуждения, как того требует случай с электромагнитным полем обмоток. Статор 536 турбины 520, показанный на Фиг.5, беспазовый, и в сборе содержит стальные (или из другого подходящего материала) пластины или сегменты цилиндрической формы, при этом они вместе с 534 вращаются относительно обмоток статора 536, ток индуцируется в обмотках в результате изменений силового потока, так как магнитные поля ротора проходят через витки обмоток статора. Хотя приведенный вариант статора по настоящему изобретению имеет беспазовую конструкцию, изобретение распространяется и на другие варианты конструкции статора. Для обеспечения трехфазной выходной мощности в некоторых статорах традиционной конструкции имеется несколько обмоток, обычно образующих три части индуктора. Как видно из описания, некоторые аспекты изобретения могут с тем же успехом распространяться на другие типы генераторов, например индукционные генераторы, вместо генераторов, использующих постоянные магниты для создания магнитных полей ротора. В случае с электромагнитными полями может потребоваться резервная схема для возбуждения поля.
Кроме того, в варианте настоящего изобретения, представленном на Фиг.5, преобразователь переменного тока в постоянный, преобразователь постоянного тока в постоянный и преобразователь постоянного тока в переменный и/или также другие компоненты 540 размещаются на одном конце и внутри корпуса 522 и крепятся к съемной крышке люка 530 для максимизации охлаждающего действия воздуха или иных потоков, движущихся в направлении или иным образом соприкасающихся с корпусом 522, для минимизации расходов и для экранирования компонентов от высокочастотного излучения. При прохождении ветра через корпус 522 выводится тепло, генерируемое компонентами 540 крышки люка ветровой турбины 520. В некоторых вариантах воплощения крышка 530 люка изготовлена из высокотеплопроводящего материала, например алюминия, и для облегчения отдачи тепла компоненты 540 крышки люка размещаются в непосредственном контакте с крышкой 530 люка. Несмотря на то, что по варианту воплощения Фиг.5 компоненты 540 крышки люка размещаются на одном конце кожуха 522 для обеспечения максимального охлаждающего действия, компоненты 540 крышки люка могут находиться на других позициях внутри корпуса 522 и при этом достаточно охлаждаться.
Лопасти 524 крепятся к ступице 538. По настоящему изобретению лопасти 524 имеют конусовидную, скрученную и искривленную конструкцию для максимизации кпд и срывных характеристик, а также минимизации шума. Несмотря на то, что указанная конструкция применяется в одном из вариантов воплощения, изобретение будет работать и с другой конструкцией лопастей.
Фиг.6 представляет характерную схему типовых преобразовательных элементов для ветровой турбины по настоящему изобретению. Из Фиг.6 видно, что синхронный генератор 642 ветровой турбины генерирует выходной переменный ток переменной частоты и напряжения. Переменный ток на выходе синхронного генератора 642 проходит через преобразователь 643 переменного тока в постоянный, например, выпрямитель, который включает в себя один или более диодов. Следует отметить, что указанный типовой преобразователь переменного тока в постоянный представляет собой пассивный выпрямитель на диодах, но по настоящему изобретению для обеспечения аналогичных функций могут применяться иные выпрямители или иные схемы, например мосты и активные выпрямители.
Некоторые элементы, представленные на Фиг.6, аналогичны описанным в патенте США № 6703718 автора Кэлли и др. под названием «КОНТРОЛЛЕР ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ», который полностью включен в состав настоящей заявки. Сюда же включены находящиеся одновременно на рассмотрении предварительная заявка этого же заявителя № 60/699940, поданная 15 июля 2005 г. автора Дэвида Кэлли под заголовком «ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА» и соответствующая заявка на патент США под заголовком «ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ», поданная тогда же. Ток на выходе ветровой турбины на Фиг.6 проходит через преобразователь 670 постоянного тока в переменный, т.е. инвертор, для преобразования тока на выходе в переменный ток заданного напряжения и частоты. Инвертор может быть любой подходящей конструкции, пример одна из них приведена на Фиг.6 в виде четырех переключающих устройств, а именно плоскостных транзисторов (NPN-транзисторов). Другие переключающие устройства, например полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, полевые МОП-транзисторы, кремниевые управляемые тиристоры с выключением по управляющему электроду, другие транзисторные схемы или другие устройства могут быть аналогично использованы. Переключающими устройствами управляют соответствующим образом, чтобы создать на выходе приближение синусоиды, соответствующего напряжения и частоты.
В типичном варианте осуществления, показанном на фиг.6, преобразователь постоянного тока в переменный ток может быть однофазным инвертером для использования с однофазной электрической системой или многофазным преобразователем постоянного тока в переменный ток для других электрических систем, например трехфазных систем. Преобразователь постоянного тока в переменный ток может также включать в себя индукторы или другие устройства для сглаживания выходных параметров преобразователя. Если переключающие устройства работают на достаточно высокой частоте, то гармоническая составляющая на выходе может быть достаточно низкой, чтобы отказаться от фильтрации или другого устройства сглаживания.
Переключающими устройствами в преобразователе 670 постоянного тока в переменный ток управляют с помощью контроллера 654. Контроллер 654 согласует работу переключателей в преобразователе 670 постоянного тока в переменный ток, чтобы произвести на выходе переменный ток соответствующего напряжения и частоты для линии 658 переменного тока или другого энергопринимающего устройства или системы, к которой присоединена ветровая турбина.
В соответствии с настоящим изобретением при первом подключении ветровой турбины, например, к силовой линии 658 переменного тока или другому энергопринимающему устройству или системе контроллер 654 сначала измеряет напряжение, частоту и фазный угол приемного устройства или системы. Контроллер 654 использует измерение для управления работой переключающих устройств в преобразователе 670 постоянного тока в переменный ток, так чтобы выходные параметры ветровой турбины были совместимы с таковыми линии 658 переменного тока или другого энергопринимающего устройства или системы. Может возникнуть задержка на несколько минут, если ветровая турбина на Фиг.6 запускается впервые (например, для соответствия применимым стандартам по технике безопасности), поскольку контроллер 654 осуществляет достоверные измерения напряжения, частоты и фазного угла линии 658 переменного тока или иного приемного устройства выдаваемой мощности или системы, к которым подается питание.
На Фиг.7 представлена принципиальная схема различных компонентов типовой ветровой турбины по еще одному варианту воплощения настоящего изобретения, типовая работа которых описывается ниже. Как показано на Фиг.7, предусмотрено наличие линии 700 радиосвязи с системой управления турбиной. Линия 700 обеспечивает доступ пользователя, например, с помощью воспроизводящего радиочастотного блока 701, к информации о работе и выходных параметрах турбины, а также ввод данных для управления работой турбины. Пользователь может определить, какова выдаваемая мощность турбины и сравнить с ранее полученными выходными данными (например, за прошлый год или месяц). В одном из вариантов воплощения радиосвязь используется для передачи информации о состоянии заряда батареи на контроллер (например, радиочастотная панель на мачте) для управления выходными параметрами синхронного генератора, чтобы не допустить перезаряд аккумуляторной батареи. Радиолиния может быть использована для других целей, например для передачи нового программного обеспечения (установка обновленного программного кода для работы процессора турбины).
Что касается управления работой турбины, то функции пользователя могут быть ограничены с тем, чтобы не допустить выходящей за рамки требований закона или стандартов эксплуатации агрегата. Например, если выход турбины - к сети переменного тока, имеющей требования и ограничения на вход (например, минимальное отклонение от требуемых значений напряжения и частоты на входе в сеть), на выходе система не позволит выдачу с параметрами, не удовлетворяющими требованиям. Гарантией выполнения требований является присоединение турбины в одном из вариантов воплощения к сети по умолчанию. Подобные ограничения отсутствуют в случаях, на которые стандарты не распространяются (например, при выходе на замкнутую систему с заданными пользователем ограничениями).
К типичным операциям, которые может выбрать пользователь, относятся режимы работы (например, незначительное уменьшение выдаваемой мощности с тем, чтобы снизить уровень шума во время работы в ночное время).
На Фиг.8 представлена типовая структура различных компонентов по настоящему изобретению. Показан якорь синхронного генератора 800 с шестью обмотками 800а, но может быть и другое число обмоток, и другие образцы схем, включая, но не ограничиваясь, схемой обмоток синхронного генератора, представленного на Фиг.4D. В каждой обмотке имеются собственное сопротивление и индуктивность. Выход якоря на Фиг.8 является шестифазным переменным током. Определитель 801 для определения частоты вращения, например датчик оборотов, измеряет частоту вращения синхронного генератора 800 и, при необходимости, передает полученную информацию на модуль 802 управления. Данные о частоте вращения могут быть использованы, например, для регулирования силы тока и/или частоты вращения турбины. Датчик оборотов также может просто отслеживать вырабатываемые обмоткой(ми) напряжение и ток для обеспечения данных о частоте вращения (для отображения пользователю). Преобразователь переменного тока в постоянный (в электронном модуле 804 преобразователя переменного тока в постоянный, преобразователя постоянного тока в постоянный и преобразователя постоянного тока в переменный) принимает переменный ток от якоря и обеспечивает выходные параметры, например, в сеть переменного тока или силовые электроагрегаты. Предусмотрен определитель 803 выходных параметров синхронного генератора, т.е. датчик измерения различных электрических свойств на выходе синхронного генератора (например, ток и напряжение), для передачи этой информации на модуль 802 управления. Модуль 802 управления, в свою очередь, передает данные на электронный модуль 804 преобразователя переменного тока в постоянный, преобразователя постоянного тока в постоянный и постоянного тока в переменный для управления работой турбины и ее выдаваемой мощностью.
Как далее видно из Фиг.8, закорачивающее устройство 806, например реле с блокировкой, соединено с модулем 804 электроники преобразователя переменного тока в постоянный, преобразователя постоянного тока в постоянный и преобразователя постоянного тока в переменный и модулем 807 управления остановом. В случае активации закорачивающего устройства 806, например, после наступления предопределенных конкретных инициирующих событий (ураганные ветры с отказом основной схемы), закорачивающее устройство 806 перемыкает обмотки 800а синхронного генератора 800. Закорачивание обмоток 800а синхронного генератора, в свою очередь, создает при посредстве синхронного генератора 800 крутящий момент, достаточный для замедления или останова вращения лопастей ветровой турбины. В варианте воплощения настоящего изобретения крутящий момент, созданный закорачиванием обмоток 800а, высок настолько, что значительная часть обмоток 800а может отказать (например, ввиду обрыва в обмотках или в одной или нескольких соединителях обмоток), при этом вращение лопастей ветровой турбины все еще будет замедленно или остановлено. В некоторых вариантах воплощения схема отключения (содержащая закорачивающее устройство 806 и модуль 807 управления остановом) для максимальной изоляции содержит отдельную от остальной электроники ветровой турбины печатную схемную плату или другой модуль электроники ветровой турбины (см. Фиг.1 и описание к ней).
В устройстве на Фиг.8 установленное изменение тока или напряжения в обмотках 800а может служить сигналом, например, полного отказа, частичного отказа или перебоев в синхронном генераторе 800. В результате дистанционного контроля соединителей могут быть выявлены проблемы в любой из обмоток 800а или в основной схеме (например, в модуле 804 электроники преобразователя переменного тока в постоянный, преобразователя постоянного тока в постоянный и преобразователя постоянного тока в переменный) с последующим наступлением инициирующего события, при этом сигнал передается на закорачивающее устройство 806 для замедления вращения лопастей.
В примере турбины, представленной на Фиг.8, контролируются семь точек 800b присоединения для обмоток 800а синхронного генератора. После установления перебоев в одном из семи соединителей модуль 807 управления остановом, который является, например, микропроцессорной системой, отключает ветровую турбину посредством закорачивания обмоток 800а синхронного генератора 800.
В одном из примеров закорачивания обмоток 800а модуль 807 управления остановом побуждает закорачивающую перемычку 806, например переключатель, транзистор или тому подобное, замкнуть часть основной схемы (см. Фиг.1). Закорачивающее устройство 806 может размещаться после преобразователя переменного тока в постоянный (в схеме рядом с выпрямляющем мостом 15, как показано на Фиг.1). Закорачивающее устройство 806 также может располагаться, например, между преобразователем переменного тока в постоянный и синхронным генератором.
По одному из вариантов воплощения настоящего изобретения 60 или более процентов крутящего момента синхронного генератора 800 может быть потеряно (например, при отказе четырех из шести обмоток 800а), при этом оставшегося момента, генерируемого в результате закорачивания оставшихся обмоток 800а, достаточно для замедления или останова вращения лопастей ветровой турбины или осуществления эффективного управления частотой вращения при ветре до 140 миль в час или более.
Что касается элементов управления включением инициирующего события по настоящему изобретению, для резервного управления не требуется дополнительных механических частей, которые обычно используются в аварийных режимах для изменения угла наклона в крупногабаритных (с высокой выдаваемой мощностью около 100-200 В) ветровых турбинах, или угла поворота или изгиба лопастей для малогабаритных (с низкой выдаваемой мощностью около 0-50 В) ветровых турбин. Следовательно, среди прочих преимуществ, по настоящему изобретению введение отдельного резервного механизма останова не повышает стоимость, не усложняет конструкцию и необходимое техническое обслуживание ветровой турбины. Кроме того, элементы управления инициирующим событием по настоящему изобретению в отличие от изменения поворота и аэроупругого закручивания в соответствии с предшествующим уровнем техники не производит дополнительного шума.
Несмотря на то, что описание настоящего изобретения приведено применительно к предпочтительным вариантам воплощения, специалисты в данной области техники поймут, что варианты и модификации представленных предпочтительных вариантов воплощения могут быть выполнены без отклонения от объема изобретения. Другие варианты воплощения станут понятными специалистам в данной области техники после ознакомления с описанием или после реализации изобретения на практике. Подразумевается, что и описание, и описанные примеры рассматриваются как типовые в объеме истинного изобретения, указанного в нижеприведенной формуле изобретения.