УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
WIND-DRIVEN POWER PLANT VOLTAGE AND FREQUENCY REGULATION DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования энергии ветра в электрическую энергию при стабильных параметрах выходного напряжения и частоты.
Известно устройство (авт. св. СССР №1443119, 1988), состоящее из асинхронного генератора, реакторов, конденсаторов, блоков фазового управления, инвертора, коммутационных тиристоров и трансформатора. Недостатками устройства являются низкие эксплуатационно-технические характеристики.
Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ №2225531, F03D 7/04, Бюл. №7, 2004), состоящее из асинхронного многоскоростного генератора, блока коммутации, устройства стабилизации напряжения, конденсаторов возбуждения и дополнительных конденсаторов, электромагнитной муфты и системы стабилизации частоты.
Недостатками устройства являются низкий КПД, большая масса и габариты электротехнической части.
Техническим решением предлагаемого изобретения является улучшение массогабаритных показателей и КПД устройства стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки.
Техническое решение достигается тем, что в устройстве стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки, содержащем ветроколесо, мультипликатор, электромагнитную муфту, блок конденсаторов возбуждения и генератор электроэнергии, согласно изобретению в качестве генератора электроэнергии применяют синхронный генератор с постоянными магнитами, в пазах статорной обмотки которого размещена обмотка подмагничивания, ротор генератора установлен на выходном валу электромагнитной муфты, входной вал которой через мультипликатор соединен с ветроколесом, статорные обмотки генератора соединены с выходными зажимами, с блоком конденсатора возбуждения, с первым, вторым и третьим входами блока стабилизации напряжения, а также с первым, вторым и третьим входами блока стабилизации частоты, блок стабилизации напряжения содержит первый транзистор, первый усилитель импульсов, формирователь импульсов, задающий генератор, первый трансформаторно-выпрямительный блок, причем первый, второй и третий входы первого трансформаторно-выпрямительного блока являются входами блока стабилизации напряжения, первый выход первого трансформаторно-выпрямительного блока соединен с первым входом формирователя импульсов, а его второй и третий выходы соединены с эмиттером первого транзистора и с концом обмотки подмагничивания генератора соответственно, второй вход формирователя импульсов соединен с выходом задающего генератора, выход формирователя импульсов через первый усилитель импульсов соединен с управляющими входами первого транзистора, коллектор которого соединен с началом обмотки подмагничивания синхронного генератора с постоянными магнитами, блок стабилизации частоты содержит второй транзистор, генератор ведущих импульсов и второй трансформаторно-выпрямительный блок, второй усилитель импульсов, причем первый, второй и третий входы второго трансформаторно-выпрямительного блока являются входами блока стабилизации частоты, первый выход второго трансформаторно-выпрямительного блока соединен с входом генератора ведущих импульсов, выход которого через второй усилитель импульсов соединен с управляющими входами второго транзистора, второй выход второго трансформаторно-выпрямительного блока через эмиттер-коллекторный переход второго транзистора соединен с началом обмотки управления электромагнитной муфты, конец которой соединен с третьим выходом трансформаторно-выпрямительного блока.
Новизна заявленного предложения обусловлена тем, что в качестве автономного источника электроэнергии используют бесконтактный синхронный генератор с постоянными магнитами, упрощена схема стабилизации напряжения за счет использования обмотки подмагничивания в конструкции генератора и блока стабилизации напряжения и упрощена схема блока стабилизации за счет использования импульсного способа изменения величины тока обмотки управления электромагнитной муфтой, что позволяет улучшить массогабаритные показатели и КПД устройства стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение технического решения, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки; на фиг.2 - диаграммы напряжений, поясняющие работу блока стабилизации напряжения; на фиг.3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу блока стабилизации частоты.
Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки содержит ветроколесо 1, соединенное с мультипликатором 2 (редуктором), выход которого соединен через ведущий вал с электромагнитной муфтой 3, имеющей обмотку управления 4, с ротором синхронного генератора с постоянными магнитами 5, который имеет выводы 6, 7 и 8, к выводам генератора подключены блок конденсаторов возбуждения 9, блок стабилизации напряжения 10, блок стабилизации частоты 11. Блок стабилизации напряжения 10 содержит первый трансформаторно-выпрямительный блок 12, задающий генератор 13, формирователь импульсов 14, первый усилитель импульсов 15, первый транзистор 16, эмиттер-коллекторный переход которого последовательно соединен с обмоткой подмагничивания 17, размещенной в пазах статора синхронного генератора с постоянными магнитами 5 с основной обмоткой. Блок стабилизации частоты 11 содержит генератор ведущих импульсов 18, второй усилитель импульсов 19, второй трансформаторно-выпрямительный блок 20 и второй транзистор 21, эмиттер-коллекторный переход которого последовательно соединен с обмоткой управления 4 электромагнитной муфты 3.
Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки работает следующим образом.
1
2
2
Мультипликатор 2 увеличивает частоту вращения ветроколеса 1 с n до n (фиг.1). Ведущий вал электромагнитной муфты 3 и соответственно ротор генератора 5 также вращаются с частотой n. Через обмотку управления 4 электромагнитной муфты 3 и обмотку подмагничивания генератора 5 протекают постоянные токи. Генератор 5 возбуждается за счет магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами, и емкостного тока блока конденсаторов возбуждения 9 и на его выводах статорных обмоток 6, 7 и 8 наводится трехфазная система ЭДС. При дестабилизирующих факторах: изменениях частоты вращения ветроколеса 1, отклонениях напряжения на нагрузке и изменениях ее величины и характера блоки стабилизации 10 и 11 автоматически осуществляют стабилизацию напряжения и частоты.
Блок стабилизации напряжения 10 работает следующим образом.
ТВБ
ЗГ
ЗГ
ТВБ
У1
У1
1
2
На первый вход формирования импульсов 14 поступает сигнал постоянного тока от трансформаторно-выпрямительного блока 12, пропорциональный выходному напряжению генератора 5 U, а на второй его вход поступает сигнал от задающего генератора 13 U пилообразной формы (фиг.2, а). Когда U<U, формирователь импульсов управления 14 формирует сигнал U (фиг.2, б), который через усилитель импульсов 15 поступает на управляющие электроды транзистора 16. К примеру, если напряжение на выводах 6, 7 и 8 генератора увеличится, тогда увеличится напряжение постоянного тока на выходе 12 (фиг.2, в), увеличится длительность сигнала управления U, увеличится угол управления транзистора с α до α (фиг.2, г) и соответственно увеличится время открытого состояния транзистора 16, а это приведет к увеличению тока подмагничивания в обмотке 17 (фиг.1). Магнитный поток, создаваемый обмоткой 17, направлен встречно рабочему магнитному потоку, создаваемого статорными обмотками генератора 5, поэтому изменяется степень насыщения его магнитопровода и уменьшается напряжение на выводах 6, 7 и 8.
Блок стабилизации частоты 11 работает следующим образом.
ВС
У2
У2
На вход генератора ведущих импульсов 18 поступает сигнал U (фиг.3, а) от трансформаторно-выпрямительного блока 20, синхронный с частотой выходного напряжения преобразователя, генератор ведущих импульсов 18 формирует импульсы управления U при переходе синусоидального напряжения через ноль (фиг.3, а, б), которые через усилитель импульсов 19 поступают на управляющие электроды транзистора 21. К примеру, если частота напряжения увеличилась (фиг.3, в), тогда увеличится частота управляющего сигнала U и увеличится общее время открытого состояния транзистора 21 за период номинальной частоты. Это приведет к увеличению тока в обмотке управления 4 электромагнитной муфты 3 и соответственно к уменьшению крутящего момента на валу ротора генератора и уменьшению частоты напряжения.