Устройство регулирования частоты вращения быстроходного ветроколеса

Устройство регулирования частоты вращения быстроходного ветроколеса
Полезная модель относится к системам обеспечения безопасности ветроагрегатов и может быть использована при создании систем регулирования лопастных ветродвигателей.
Известно устройство регулирования частоты вращения быстроходного колеса ветродвигателя УВЭ-500М ФГУП ЦНИИ «Электроприбор, в виде флюгера (хвоста) на наклонном шарнире, изменением положения в потоке всего вращающегося ветроколеса (выводом его из-под ветра). Такое устройство имеет ограниченное применение, в основном для ветроколес очень малых размеров, поскольку пространственное изменение положения вращающегося с предельной частотой ветроколеса в потоке требует избыточного упрочнения (утяжеления) всей конструкции, а также ведет к потерям в выработке электроэнергии.
Известен центробежный регулятор скорости вращения ветроколеса а.с. SU №708068 от 05.01.80, содержащий связанные с лопастями рычаги, один из которых, взаимодействует через муфту с пружиной и оснащен роликом, а второй снабжен массивным грузом. Указанный центробежный регулятор частоты вращения ВЭУ с постоянной скоростью вращеьшя ветроколеса характеризуется низкой эксплуатационной надежностью многозвенной механической системы, изменяющей пространственное положение лопасти под нагрузкой, а также пониженной выработкой электроэнергии, связанной с работой ветроколеса в неоптимальном режиме переменной быстроходности.
Наиболее близким по технической сзшщости является а.с. SU N 969952 от 30.10.82-устройство для регулирования частоты вращения ветроколеса, содержащее две электрические машины, одна из которых выполнена в виде синхронного генератора, а вторая-в виде генератора постоянного тока, подсоединенные к ним блоки возбуждения и тахогенератор, электрохимический аккумулятор и инвертор. Устройство поддерживает частоту враще2002131532
IIIMIiniUDlllilillllli
-  3 1 5 2
МПК : F 03 D 7 / 00
ния ветроколеса в заданных пределах путем увеличения электромагнитного тормозящего момента на валу генератора.
Недостатком прототипа является узкий диапазон скоростей ветра, в котором возможно регулирование указакшоым устройством, а также неиспользование возможностей аэродинамики в регулировании ветроколес.
В основу полезной модели положена задача обеспечения регулирования частоты вращения ветроколеса во всем рабочем диапазоне скоростей ветра, а также повышение на 25...30% выработки электроэнергии, путем работы в окрестности оптимального значения быстроходности z opt.
Для достижения этого технического результата, устройство регулирования частоты вращения быстроходного ветроколеса содержит блок управления, подключеьшые к нему тормозное устройство в виде ленточного тормоза, нагрузки потребителей и генератор. Генератор через тормозное устройство и редуктор соединен с ветроколесом, лопасти которого, на длине не более 0,5 R относительного радиуса отсчитывая от внешнего торца, имеют аэродинамический профиль с интенсивной срывной характеристикой, а тормозное устройство установлено с возможностью дополнительного выполнения функций управляющих воздействий, по командам из блока управления. В состав нагрузок потребителей входят также накопительная ёмкость и/или буферный нагрузочный элемент.
Тормозное устройство может быть выполнено в виде дискового или колодочного (барабанного) тормоза с электромагнитным приводом, гидравлического тормоза с регулируемым дросселем, электромагнитного тормоза вихревого шш пороппсового типа, аэродинамического щитка, установлен ного на торце концевого сечения лопасти и отклоняемого на угол   90° к плоскости вращения ветроколеса.
Кроме того, генератор может быть установлен с возможностью создания управляющего электромагнитного тормозящего воздействия, путем автоматического изменения блоком управления уровня нагрузки генератора.
на фиг. 2 - регуляторная характеристика ветродвигателя,
на фиг.З - характеристика выработки электроэнергии при различных законах регулирования,
на фиг. 4 - план скоростей воздушного потока и сил, действующих на лопасти ветроколеса.
Предлагаемое устройство регулирования частоты вращения быстроходного ветроколеса (фиг.1) содержит блок управления, подключенные к нему тормозное устройство 2 в виде ленточного тормоза, нагрузки потребителей 3 и генератор 4. Генератор через тормозное устройство и редуктор 5 соединен с ветроколесом 6, лопасти которого, на длине не более 0,5 R относительного радиуса отсчитывая от внешнего торца, имеют аэродинамический профиль с интенсивной срывной характеристикой, а тормозное устройство установлено с возможностью дополнительного выполнения функций управляющих воздействий, по командам из блока зшравления. В состав нагрузок потребителей входят также накопительная ёмкость и/или буферный нагрузочный элемент.
Тормозное устройство может быть выполнено в виде дискового или колодочного (барабанного) тормоза с электромагнитным приводом, гидравлического тормоза с регулируемым дросселем, электромагнитного тормоза вихревого или порошкового типа, аэродинамического щитка, установлен ного на торце концевого сечения лопасти и отклоняемого на угол v|/  90° к плоскости вращения ветроколеса.
Кроме того, генератор может быть установлен с возможностью создания управляющего электромагнитного тормозящего воздействия, путем автоматического изменения блоком управления уровня нагрузки генератора.
Блок управления структурно можно разделить на силовой контур и контур управления. Силовой контур включает в себя: входной регулятор тока, зарядное устройство, датчики тока, ключи и обеспечивает передачу электрической энергии по цепям. Контур управления, выполненный на базе микропроцессора, измеряет текуводе параметры в цепях силового контура и в соответствии с заложенным в микропроцессор алгоритмом, упраS OOlf
вляет узлами силового контура.
В качестве накопительной ёмкости используется блок аккумуляторных батарей, в качестве буферного нагрузочного элемента может быть использован нагревательный прибор, являющийся резервирующим устройством, преобразующим электрическую энергию в тепловую.
Устройство регулироваЕШЯ частоты вращения быстроходного ветроколеса работает следующим образом.
Блок управления 1 (фиг. 1) измеряет элеюрические параметры в цепи генератора 4, а следовательно, и текущее значение частоты вращения ветроколеса 6, сравнивает измеренные параметры с заданными, и при изменении частоты вращения в диапазоне скоростей ветра от vmin до унач.рег., не подает управляющих команд на тормозное устройство 2. При этом ветроколесо 6, связанное через редуктор 5 и тормозное устройство 2 с генератором 4, вращается с переменной (ш  var) частотой со L  (z / г) v t в окрестности оптимальной быстроходности z opt  const, обеспечивая наибольпгую выработку. Вся вырабатываемая электроэнергия направляется нагрузкам потребителей 3, при отсутствии включеных потребителей, электроэнергия направляется в накопительную ёмкость.
Как видно из фиг.2 при скорости ветра VL  VI и переменной частоте вращения (со  var), мощность ветродвигателя N составляет около 35 % расчетной, в то время как при постоянной частоте вращения (со  const) она равна нулю.
Фиг.З иллюстрирует разницу в выработке электроэнергии ДА, обеспеченную предлагаемым устройством регулирования, над устройствами, обеспечивающими работу с G)  const.
План скоростей воздупшого потока и сил, действующих на лопасти ветроколеса 6, для концевого сечения, приведен на фиг. 4 - а). Здесь, при скорости ветра соответствующей началу регулирования v нач. per., сечение лопасти встречает результкфующий вектор скорости vTi с углом атаки ai, а проекция вектора результирующей силы R la направлена в сторону
вращения ветроколеса 6.
При появлении скорости ветра в диапазоне от v нач. per. до УОТКЛ., увеличивается частота вращения ветроколеса 6, что приводит к изменению электрических параметров в цепи генератора 4. Для восстановления частоты вращения и предотвращения перегрузки генератора сверх допустимой, блок управления 1 измеряет электрические параметры, сравнивает измеренные параметры с заданными и подает утфавляюп ую команду на тормозное устройство 2. Управляющий момент торможения, созданный тормозным устройством 2 и увеличенный пропорционально степени редукции в редукторе 5, прикладывается к ветроколесу 6, что вызывает снижение его частоты вращения до величины, обеспечивающей изменение направления действия движущих аэродинамических сил на лопастях.
Сечение лопасти ветроколеса 6, встречает результирующий вектор скорости 2 С углом атаки а 2, а проекция вектора результирующей силы R2a, направлена в сторону, противоположную вращению ветроколеса 6 (фиг. 4 -б).
Торможение ветроколеса происходит в результате изменения направления действия проекции вектора результ ующей силы Ra в сторону, гфотивоположную направлению вращения.
При уменьщении скорости ветра Vi, блок управления 1 подает управляющую команду на тормозное устройство 2, на снятие части управляющего момента торможения. Происходит восстановление прежнего угла атаки а и частота вращения ветроколеса, восстанавливается до номинальной.
Таким образом, предлагаемое устройство регулирования частоты вращения быстроходного ветроколеса, созданное на серийно выпускаемых промыщленностью узлах и элементной базе, обеспечивает регулирование частоты вращения во всем диапазоне скоростей ветра и повьппает на 25...30% выработку электроэнергии, путем работы в окрестности оптимального значения быстроходности zopt.
)//3/.r5