ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ МОДУЛЯТОРОМ

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в маломощных автономных ветроустановках, работающих независимо от сети централизованного энергоснабжения.
Известна конструкция для преобразования энергии ветра в электрическую энергию - ветроэлектростанция (ВЭС), содержащая ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, вход которого подключен к обмоткам статора генератора, выпрямитель, вход которого включен на выход регулятора напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выходу выпрямителя, а также блок балластных сопротивлений, подключенный к регулятору напряжения [Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. Под ред. В.М.Каргиева. М.:"Интерсоларцентр", 2001].
Эта схема не решает проблему максимальной утилизации избыточной энергии, вырабатываемой ветроэлектростанцией при сильном ветре, так как автоматическое переключение на нагрузочное балластное сопротивление происходит только при полной зарядке аккумуляторной батареи. При сильных порывах ветра и не полностью заряженной аккумуляторной батарее балласт не будет включаться, и избыточная энергия будет теряться в ветродвигателе, вращающемся с большей частотой.
Известна ВЭС, выбранная в качестве прототипа, содержащая ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, вход которого подключен к обмоткам статора генератора, выпрямитель, вход которого подключен к выходу регулятора напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выходу выпрямителя, регулятор мощности балласта, подключенный к входу регулятора напряжения и блок балластных сопротивлений, подключенный к выходу регулятора мощности балласта [Лукутин Б.В., Лукутин О.Б., Шандарова Е.Б. Ветроэлектростанция с регулятором мощности балласта. Патент РФ на полезную модель №45214, МПК Н02Р 9/04, Бюл. №12, 2005 г.].
Данная схема не позволяет полностью стабилизировать частоту напряжения генератора, кроме того, регулятор мощности балласта вносит существенный фазовый сдвиг и значительные нелинейные искажения в производимый ток и напряжение генератора.
Задачей полезной модели является стабилизация частоты напряжения генератора, а также уменьшение искажений в токе и напряжении генератора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что ветроэлектростанция с широтно-импульсным модулятором, так же как в прототипе содержит ветроколесо, подключенное к генератору, регулятор напряжения, вход которого подключен к обмоткам статора генератора, выпрямитель, вход которого подключен к выходу регулятора напряжения, аккумуляторную батарею и блок полезных нагрузок, подключенные к выходу выпрямителя, при этом регулятор мощности балласта соединен с блоком балластных сопротивлений. Полезная модель в отличие от прототипа снабжена широтно-импульсным модулятором (ШИМ), вход которого подключен к выходу генератора, а выход соединен с входом регулятора мощности балласта.
Именно заявленное выполнение схемы ВЭС обеспечивает стабилизацию частоты напряжения генератора, уменьшение искажений в токе генератора, а также повышает коэффициент мощности основной гармоники до единицы, тем самым выполняется задача полезной модели. Это достигается тем, что в предложенной схеме, при условии, что мощность, вырабатываемая генератором больше мощности, потребляемой блоком полезных нагрузок, широтно-импульсный модулятор преобразует переменное напряжение генератора в серию высокочастотных двуполярных импульсов, длительностью которых управляет регулятор мощности балласта в зависимости от величины избыточной мощности, которая рассеивается на блоке балластных сопротивлений, обеспечивая полное использование энергии ветра. Преобразование переменного напряжения в серию высокочастотных импульсов позволяет уменьшить искажения в токе и напряжении генератора, вызванные высшими гармониками, при этом коэффициент мощности основной гармоники повышается до единицы, и блок балластных сопротивлений будет потреблять преимущественно активную мощность, что позволит точнее стабилизировать частоту напряжения генератора.
На чертеже представлена структурная схема ВЭС с широтно-импульсным модулятором.
Ветроэлектростанция с широтно-импульсным модулятором содержит ветроколесо 1, подключенное к генератору 2, регулятор напряжения 3, подключенный к обмоткам статора генератора 2, выпрямитель 4, подключенный к выходу регулятора напряжения 3, аккумуляторную батарею 5 и блок полезных нагрузок 6, подключенные к выходу выпрямителя 4, широтно-импульсный модулятор 9, вход которого подключен к выходу генератора 2, а выход соединен с входом регулятора мощности балласта 7 и блок балластных сопротивлений 8, подключенный к выходу регулятора мощности балласта 7.
В данной схеме могут быть использованы крыльчатое ветроколесо 1 с горизонтальной осью вращения, многополюсный синхронный генератор 2 с постоянными магнитами, стандартная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея 5 напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч. В качестве регулятора напряжения 3 может использоваться биполярная тиристорная ячейка с фазовым регулированием, включенная в каждую фазу генератора 2. В данной схеме используется полупроводниковый выпрямитель 4 мостового типа и высокочастотный мостовой широтно-импульсный модулятор 9. В качестве регулятора мощности балласта 7 может быть использован биполярный транзисторный ключ. В качестве блока балластных сопротивлений 8 могут использоваться нагрузки, не критичные к качеству электроэнергии, например, трубчатые электронагреватели. В качестве блока полезных нагрузок 6 могут использоваться любые осветительные, нагревательные и другие бытовые приборы.
Устройство работает следующим образом. Под действием ветра ветроколесо 1 приходит в движение, вращающий момент передается на вал генератора 2, вырабатывающего электрический ток, который поступает на регулятор напряжения 3. Стабилизированное переменное напряжение с выхода регулятора напряжения 3 поступает на выпрямитель 4, а постоянный ток с выхода выпрямителя 4 используется для зарядки аккумуляторной батареи 5. Постоянное напряжение с аккумуляторной батареи 5 поступает на блок полезных нагрузок 6. При увеличении силы ветра ветроколесо 1 вращается сильнее, и генератор 2 вырабатывает мощность, свыше необходимой для зарядки аккумуляторной батареи 5 и обеспечения работы блока полезных нагрузок 6, в этом случае широтно-импульсный модулятор 9 преобразует переменное напряжение генератора 2 в серию высокочастотных двуполярных импульсов, длительностью которых управляет регулятор мощности балласта 7 в зависимости от величины избыточной мощности, которая рассеивается на блоке балластных сопротивлений 8, обеспечивая полное использование энергии ветра.
При уменьшении мощности ветрового потока или увеличении полезной нагрузки регулятор мощности 7 уменьшает длительность импульсов и мощность, рассеиваемая на блоке балластных сопротивлений 8, уменьшается вплоть до его отключения.