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

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для формирования стабильных параметров выходного напряжения и частоты ветроэнергетических установок.
Известно устройство (авт. св. СССР 1443119, 1988), состоящее из асинхронного генератора, реакторов, конденсаторов, блоков фазового управления, инвертора, коммутационных тиристоров и трансформатора. Установка состоит из ветродвигателя, сочлененного с асинхронным генератором, статорная обмотка которого через последовательно соединенные индуктивные и емкостные сопротивления, шунтированные первой и второй группами встречно-параллельных тиристоров, подключена к электрической сети большой мощности, причем блоки управления первой и второй тиристорных групп измерительными входами соединены соответственно с выходами узла выделения переменной составляющей момента датчика момента, установленного на валу ветродвигателя, и инвертора, подключенного на выход узла выделения переменной составляющей момента. Величины заказанных сопротивлений при таком подключении регулируются таким образом, что существенно снижаются колебания выходной мощности (тока) установки. Недостатками устройства являются низкие эксплуатационно-технические характеристики.
Известно устройство (патент РФ 2225531, F03D 7/04, бюл. 7, 2004), представляющую собой ветроэнергетическую установку, состоящую 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.
Наиболее близким по техническому решению является устройство ветроэнергетической установки (патент РФ 2443903, МПК F03D 9/00, 2012), которое содержит ветроколесо, соединенное с мультипликатором, выход которого соединен через ведущий вал с электромагнитной муфтой, имеющей обмотку управления, с ротором синхронного генератора с постоянными магнитами, к выводам генератора подключены блок конденсаторов возбуждения, блок стабилизации напряжения, блок стабилизации частоты. Блок стабилизации напряжения содержит первый трансформаторно-выпрямительный блок, задающий генератор, формирователь импульсов, первый усилитель импульсов, первый транзистор, эмиттер-коллекторный переход которого последовательно соединен с обмоткой подмагничивания, размещенной в пазах статора синхронного генератора с постоянными магнитами с основной обмоткой, блок стабилизации частоты содержит генератор ведущих импульсов, второй усилитель импульсов, второй трансформаторно-выпрямительный блок и второй транзистор, эмиттер-коллекторный переход которого последовательно соединен с обмоткой управления электромагнитной муфты.
Недостатками устройства являются большая масса и габариты электротехнической части. А именно: электромагнитная муфта с обмоткой управления и блоком стабилизации частоты, генератор с существенными доработками в виде последовательной обмотки подмагничивания, размещенной в пазах статора.
Заявляемое изобретение направлено на решение технической задачи создания несложной и недорогой конструкции устройства стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки.
Техническим результатом заявляемого устройства является увеличение передаваемой мощности в установившемся и динамическом режимах при улучшении массогабаритных показателей.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки, содержащем мультипликатор, соединенный с ветроколесом и через выходной вал - с синхронным генератором с постоянными магнитами, в соответствии с изобретением в качестве мультипликатора устройство содержит электромагнитный редуктор, содержащий статор с многофазной обмоткой, а также первый и второй роторы, жестко установленные на входном и выходном валах соответственно, обмотка размещена в пазах внутренней поверхности статора с образованием полюсов и подключена к выходу преобразователя частоты, при этом конструктивный коэффициент редукции редуктора равен:
, где
z - число зубцов ротора на входном, соединенном с ветроколесом валу электромагнитного редуктора;
p - число пар полюсов статора электромагнитного редуктора 2;
(z-p) - число зубцов второго ротора на выходном валу редуктора,
а выходная величина частоты преобразователя соответствует выражению
2
1
ω=Ω(z-p)-zΩ; где
ω - выходная частота преобразователя;
1
Ω - скорость вращения ветроколеса;
2
Ω - выходная скорость электромагнитного редуктора, она же входная скорость генератора,
причем управляющий вход преобразователя частоты подсоединен к выходу пропорционально-интегрального регулятора, выполненного с возможностью настройки коэффициентов усиления и постоянной времени, один из входов которого подсоединен к выходу датчика скорости генератора, а другой вход подсоединен к устройству задания скорости вращения вала генератора, который соединен с выходным валом редуктора.
На рис. 1 представлена принципиальная конструктивная схема заявляемого устройства стабилизации напряжения и частоты, на рис. 2 - график изменения скорости генератора и частоты преобразователя от изменения скорости ветра, на рис. 3 - результаты моделирования работы устройства.
Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки (рис. 1) содержит ветроколесо 1, соединенное с мультипликатором - электромагнитным редуктором 2 - с регулируемым коэффициентом редукции, содержащим статор 18 с многофазной обмоткой, а также первым 16 и вторым роторами 17, жестко установленными на входном и выходном валах соответственно, обмотка размещена в пазах внутренней поверхности статора с образованием полюсов (на рис. не показано), при этом первый ротор расположен коаксиально со статором и жестко связан с концом входного вала, а второй ротор расположен внутри первого. Выходной вал 3 редуктора 2 соединен с входным валом 19 синхронного генератора 4, выполненного с возбуждением от постоянных магнитов, второй конец вала генератора соединен с датчиком скорости 5. Обмотка статора 18 электромагнитного редуктора 2 подключена к выходу преобразователя частоты 6, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора 7, выполненного с возможностью настройки коэффициентов усиления и постоянной времени. Для этого регулятор 7 имеет два входа, один из которых 9 (отрицательный) через резистор 12 соединен с выходом датчика скорости 5, а другой вход 8 (положительный), соединенный с устройством 20 задания частоты и напряжения, для задание скорости вращения входного вала 19 генератора 4, в результате осуществляют необходимое задание частоты и напряжения на выходе 15 генератора 4. Таким образом, величина стабилизированной частоты и напряжения выхода 15 задаются через вход 8 регулятора 7 с устройства 20. При этом регулятор 7 состоит из операционного усилителя 10, входных резисторов 11 и 12, резистора 13 и конденсатора 14, установленных в цепи обратной связи усилителя 10, причем коэффициенты усиления регулятора 7 - отношение величин сопротивлений резисторов 13 и 11 - осуществляется по схеме, включающей вход 8, а отношение величин сопротивления резисторов 13 и 12 - по входу 9, интегральная постоянная времени регулятора - произведение сопротивления входного резистора 12 и емкости конденсатора 14.
1
2
Устройство стабилизации напряжения и частоты работает следующим образом. В квазиустановившемся режиме угловая скорость вращения Ω ветроколеса 1 меняется в определенных пределах, заданных конструкцией ветроустановки, и зависит от скорости ветра V. Требуемая скорость вращения Ω вала 19 синхронного генератора 4 задается сигналом задания от устройства 20 через вход 8 регулятора 7, при этом выходные параметры на выходе 15 генератора 4 поддерживаются на определенном, заданном сигналом задания через вход 8 уровне. Поддержание параметров осуществляется заявляемым устройством стабилизации согласно зависимости:
Где ω - выходная (регулируемая) частота преобразователя 6,
постоянный (конструктивный) коэффициент редукции электромагнитного редуктора при выходной частоте ω преобразователя 6, равной нулю,
1
Ω - скорость вращения ветроколеса 1,
2
Ω - выходная скорость электромагнитного редуктора 2, она же входная скорость генератора 4,
z - число зубцов ротора 16 на входном, соединенном с ветроколесом 1 валу электромагнитного редуктора 2,
p - число пар полюсов статора электромагнитного редуктора 2,
(z-p) - число зубцов второго ротора 17 на выходном валу 3 редуктора 2,
причем выходная (регулируемая) частота преобразователя 6
2
1
ω=Ω(z-p)-zΩ.
1мах
2
1
1
2
2
1
Если скорость ветра достигает предельного уровня (скорость вращения ветроколеса 1 максимальна Ω, (рис. 2) согласно конструкции установки), выходная частота преобразователя ω=0 при постоянном напряжении возбуждения обмотки статора 18 электромагнитного редуктора 2. Выходная скорость редуктора, она же входная скорость генератора 4 - Ω равна произведению скорости вращения ветроколеса 2 - Ω на постоянный коэффициент редукции i. При этом сумма входных сигналов 8 и 9 регулятора 7 равна нулю, а выходной сигнал регулятора 7 также равен нулю. При уменьшении скорости ветра V и ветроколеса 1 скорость вращения вала генератора 4 уменьшается, следовательно, уменьшается сигнал с выхода датчика скорости 5 на вход 9 регулятора 7. Сумма входных сигналов 8 и 9 регулятора 7 становится положительной. Регулятор 7 начинает интегрировать, увеличивая выходной сигнал, который в свою очередь увеличивает выходную частоту ω преобразователя 6. Появляется составляющая , при этом уменьшается составляющая iΩ, а их сумма остается после переходного периода первоначальной - Ω. Рис. 2 Восстановлению скорости способствует регулятор 7 с его пропорционально-интегральной функцией. Время регулирования будет зависеть от коэффициента усиления по схеме с входом 9 и постоянных времени регулятора 7. На рис. 2 показан график неизменной скорости Ω, а также изменение выходной частоты ω преобразователя 6 при изменении скорости вращения ветроколеса Ω (скорости ветра V). Таким образом, получена стабилизация выходной скорости вращения электромагнитного редуктора 2 и стабилизация выходной скорости вращения состыкованного с ним входного вала 19 генератора 4. Отсюда величины частоты и напряжения на выходе генератора 4 и, следовательно, на выходе 15 заявляемого устройств являются стабилизированными.
2
На рис. 3 приведены результаты измерения угловой скорости Ω входного вала 19 генератора 4 на изготовленной модели устройства. Установившаяся скорость вращения генератора 4 имеет незначительные колебания, которые зависят от настройки регулятора 7. А колебания выходных параметров 15 будут еще меньше благодаря постоянным времени самого генератора.
Устройство по конструкции существенно отличается от известных малым количеством конструктивных элементов, весом и габаритами, простотой стандартных комплектующих, что предопределяет повышение кпд, надежности, удешевление всей ветроэнергетической установки, не требует дополнительных доработок уже известных устройств. Ветроколеса в рабочем режиме имеют относительно небольшую скорость вращения. Устройство позволяет снизить массу электрогенератора, приводимого во вращение ветроколесом через редуктор, то есть используются сравнительно легкий быстроходный электрогенератор. Преобразователь частоты можно применить любой конструкции с регулированием частоты от нуля. Для автономных ветроустановок напряжение питания преобразователя возможно от аккумулятора.