Реле скорости ветра
WIND SPEED RELAY

Изобретение относится к системам контроля скорости ветра и может быть использовано в ветроэнергетических и других промышленных установках для противоаварийной автоматики и предупредительной сигнализации.
Известно реле скорости ветра [1], принятое за прототип, содержащее анемометрическую вертушку, на гибком элементе которой закреплен магнит. При достижении установленной скорости ветра под действием центробежной силы магнит отклоняется до места крепления геркона и приводит к его срабатыванию.
Недостатком данного реле является то, что оно для блокировки замкнутого состояния контактов геркона требует наличия источника постоянного тока низкого напряжения, что в реальных условиях эксплуатации не всегда осуществимо. Геркон для самоблокировки окружен катушкой, затрудняющей приближение к нему магнита на достаточное для срабатывания контактов расстояние. Возврат реле в исходное состояние не происходит автоматически при снижении скорости ветра на определенную допустимую для защищаемого объекта величину и требует для осуществления возврата вмешательства оператора, т.е. характеристика вход-выход реле не обладает гистерезисом. Кроме того постоянное вращение воспринимающего ветер центробежного устройства ускоряет износ подшипников. Все это ухудшает эксплуатационные свойства реле.
Цель предполагаемого изобретения - повышение эксплуатационных свойств реле скорости ветра.
Эта цель достигается тем, что в реле скорости ветра, содержащем закрепленную на вертикальном валу анемометрическую вертушку, механически связанную с постоянным магнитом, взаимодействующим через магнитное поле с герконом, валу придана возможность осевого перемещения, поворот вертушки ограничен упорами в пределах угла Δϕ, асимметрично относительно оси вращения установлен связанный с вертушкой верхний шарнир, к которому прикреплена верхним концом наклонная стойка, нижний конец которой упирается в нижний шарнир, установленный в корпусе реле по направлению поворота верхнего шарнира, а магнит установлен на нижнем торце вала.
Схематично заявляемое реле скорости ветра изображено на фигуре 1.
Оно содержит закрепленную на вертикальном валу 1 анемометрическую вертушку 2, механически связанную с постоянным магнитом 3, установленным на нижнем конце вала и взаимодействующим через магнитное поле с герконом 4. При этом обеспечена возможность осевого перемещения вала во втулке 5, а поворот вертушки ограничен в пределах угла Δϕ упорами 6 и 7, установленными на корпусе 8 реле. Эксцентрично относительно оси вращения установлен связанный с вертушкой 2 верхний шарнир 9, к которому верхним концом прикреплена наклонная стойка 10. Второй конец стойки упирается в шарнир 11, установленный в корпусе 8 реле ниже плоскости поворота верхнего шарнира 9 по направлению его поворота.
G
P
Р
1
Работает реле следующим образом. При скорости ветра ниже установленной вертушка под действием горизонтальной составляющей  веса вертушки, действующей на верхний конец стойки 10, повернута в крайнее по часовой стрелке положение, ограниченное упором 7. Стойка по отношению к горизонтальной линии наклонена при этом на минимальный угол β, вертушка и связанный с ней магнит 3 опущены, магнит максимально приближен к геркону 4, контакты геркона замкнуты. Горизонтальная составляющая веса  в этом положении
V
М
F
G
1
По мере увеличения скорости  ветра будет увеличиваться момент , действующий на вертушку, пропорциональный квадрату скорости ветра. Пропорциональной квадрату скорости ветра будет при этом и сила , действующая на верхний конец стойки в направлении противоположном действию силы
F=kV
,
2
k -
2
2
гдекоэффициент пропорциональности, Н⋅с / м.
F
G
G
Р
F
F
F
G
1
1
1
И, когда сила достигнет величины  равной и несколько ее превысит, начнется поворот вертушки против часовой стрелки и, следовательно, увеличение угла β наклона стойки по отношению к горизонтали, а также увеличение тангенса этого угла. Тогда в соответствии с выражением 1 горизонтальная составляющая  веса  вертушки, уменьшаясь, станет еще меньше силы , что приведет к еще более быстрому повороту стойки и переходу ее скачком в положение 2. Вертушка и связанный с ней магнит поднимутся, контакт геркона разомкнется. В положении 2 сила  останется равной , а сила  уменьшится до величины
.
F
G
F
F
G
G
G
F
F
F
F
G
1
1
2
2
1
2
2
1
Избыток над  станет максимальным, что и предопределит устойчивое состояние реле в положении 2. Возврат стоек и реле в целом в положение 1 произойдет также скачкообразно, если при уменьшении скорости ветра сила  уменьшится до величины , равной и несколько меньшей величины . В этом положении магнит опустится и, воздействуя через магнитное поле, замкнет контакт геркона. В положении 1 горизонтальная составляющая  увеличится до величины , а сила  останется равной . В этом случае над будет преобладать горизонтальная составляющая веса вертушки, надежно удерживая систему в положении 1. Новое срабатывание реле произойдет при увеличении скорости ветра и увеличении  до величины равной или несколько большей .
Следовательно, реле будет обладать гистерезисной характеристикой вход-выход. Срабатывание реле будет происходить при скорости ветра
,
а возврат при скорости
,
При этом коэффициент возврата реле
.
Р
1
2
Как видим, пороги срабатывания и отпускания реле зависят от веса  вертушки совместно с валом и магнитом и соответственно от углов β и β наклона стойки. Поэтому требуемые значения этих порогов могут быть установлены изменением указанных величин.
Таким образом, реле срабатывает при увеличении скорости ветра до опасной величины и остается в таком положении без дополнительных приспособлений и источников тока. Возврат в исходное состояние осуществляется автоматически, как только скорость ветра снизится до гарантированно допустимого уровня. При этом подвижность воспринимающего скорость ветра элемента реле по сравнению с реле, принятым за прототип значительно меньше, что повышает его износостойкость и долговечность. Этими особенностями и достигается выполнение поставленной задачи предполагаемого изобретения.
Источник информации
1. Патент RU №2093835 C1, кл. G01P 5/01 Реле скорости ветра / Матвеев В.В (RU), заявитель и патентообладатель Волгоградский государственный технический университет (RU). Заявка 95119094/28, заявлено 09.11.1995, опубл. 20.10.1997.