ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МИКРОГЭС
ELECTRICAL GENERATOR UNIT FOR MICROHYDROELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к альтернативной энергетике и предназначено для использования в качестве электрической машины в микроГЭС, а также в пикоГЭС на реках с любой скоростью течения для получения переменного напряжения постоянной частоты и поддержания выходного напряжения генератора на заданном уровне при изменении скорости вращения ротора.
Известен однофазный коллекторный двигатель, содержащий якорь, соединенный последовательно с обмоткой возбуждения и включенный в сеть через трансформатор с секционированной вторичной обмоткой (Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины: в 2-х ч. Ч. 2. Машины переменного тока: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. - Изд. 3-е, перераб. - Ленинград: Энергия, 1973 - С. 573, рис. 28-10).
Недостатками такого двигателя являются невозможность регулирования магнитного потока, создаваемого индуктором, колебания ЭДС в обмотке якоря, при изменении скорости вращения, и, следовательно, необходимость использования дополнительного трансформатора для стабилизации выходного напряжения.
Известна автономная водопогружная свободнопоточная электрогенераторная установка для микроГЭС, содержащая вращающуюся гидротурбину с механизмом регулирования угла поворота лопастей, электрогенератор, расположенный ниже уровня воды в герметичном корпусе, вал которого соединен с гидротурбиной через зубчатую передачу, и управляемую балластную нагрузку. Механизм регулирования угла поворота лопастей, предназначенный для регулировки скорости вращения вала гидротурбины, выполнен в виде автоматического привода с обеспечением возможности поворота лопастей гидротурбины относительно их продольных осей в свою очередь с приводом от потока (патент RU 62995, МПК F03B 13/10 (2006.01)).
Недостатками данной электрогенераторной установки являются повышенная трудоемкость ее изготовления вследствие сложности механизма регулирования угла поворота лопастей турбины и необходимости подключения к мощной балластной нагрузке; жесткие требования к скорости вращения вала гидротурбины, так как иначе электрогенератор не может вырабатывать электроэнергию нужной частоты.
6
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ветроэлектрическая генераторная установка, предназначенная для работы параллельно с сетью переменного тока, содержащая вращающуюся турбину, коллекторную машину переменного тока, ротор которой связан с валом вращающейся турбины, и устройство регулирования выходного напряжения, выполненное в виде механизма автоматического сдвига щеток коллекторной машины в зависимости от скорости ветра (авторское свидетельство СССР №72210, МПК H02K 27/00, Н02Р 9/42).
Недостатками описанной установки являются пониженная эффективность работы за счет сдвига щеток, снижающего суммарную ЭДС ветви якоря коллекторной машины, отсутствие возможности автоматического регулирования выходного напряжения и учета колебания напряжения сети, связанного с изменением нагрузки.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы установки и обеспечение автоматизации регулирования выходного напряжения.
Поставленная задача решается тем, что электрогенераторная установка для микроГЭС, предназначенная для работы параллельно с сетью переменного тока, содержащая вращающуюся турбину и коллекторную машину переменного тока, ротор которой связан с валом вращающейся турбины, согласно изобретению снабжена устройством автоматического регулирования магнитного потока, содержащим симисторы, предназначенные для переключения отпаек обмотки возбуждения коллекторной машины, связанные с управляющим микроконтроллером.
При изменении скорости вращения ротора пропорционально изменяется скорость движения обмоток в магнитном поле, и по закону электромагнитной индукции электродвижущая сила, наводимая в проводящем контуре, перемещающемся в магнитном поле,  прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Поэтому при уменьшении скорости вращения ротора необходимо увеличивать поток, создаваемый обмоткой возбуждения коллекторной машины, что приведет к возрастанию изменения скорости магнитного потока и увеличению ее выходного напряжения. Соответственно, при увеличении скорости вращения ротора поток возбуждения нужно уменьшить, для чего в электрогенераторную установку для микроГЭС введено устройство автоматического регулирования магнитного потока, которое изменяет количество витков обмотки возбуждения, тем самым изменяя магнитный поток машины.
В отличие от других типов генераторов переменного тока частота на выходе коллекторной машины переменного тока не зависит от скорости вращения ротора и равна частоте тока возбуждения. Таким образом, обеспечивается постоянство частоты и напряжения на выходе генератора микроГЭС, даже при отсутствии гидротехнических сооружений, предназначенных для стабилизации скорости водного потока и уровня воды.
Благодаря этому потенциально использование данной установки для универсальных микроГЭС и пикоГЭС, которые устанавливаются на реки с любой скоростью течения. Кроме того, изменение уровня воды в результате паводков, дождей или других факторов не влияет на частоту и напряжение получаемой электроэнергии.
Таким образом, повышение эффективности работы установки и обеспечение автоматизации регулирования выходного напряжения обусловлены тем, что частота напряжения на выходе коллекторной машины не зависит от скорости вращения ротора, но, в отличие от прототипа, регулирование выходного напряжения коллекторной машины переменного тока осуществляется автоматически изменением магнитного потока поля возбуждения машины при помощи введенного электронного устройства автоматического регулирования магнитного потока, которое содержит управляющий микроконтроллер и симисторы, переключающие отпайки витков обмотки возбуждения, изменяя ее индуктивность, подобно стабилизатору напряжения или однофазному коллекторному двигателю.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена электрическая принципиальная схема устройства автоматического регулирования магнитного потока с восемью отпайками крайних витков обмотки возбуждения коллекторной машины переменного тока.
Кроме того, на чертеже дополнительно изображено следующее:
- ОВ - обмотка возбуждения;
- пунктирные линии - управляющие цепи микроконтроллера.
Электрогенераторная установка для микроГЭС содержит турбину, непосредственно вращаемую движущейся водой, коллекторную машину переменного тока, обеспечивающую постоянство частоты, ротор которой связан с валом вращающейся турбины (на чертеже не показаны), и устройство автоматического регулирования магнитного потока, изменяющее количество витков обмотки возбуждения, тем самым регулируя магнитный поток коллекторной машины.
Устройство автоматического регулирования магнитного потока содержит симисторы 1, предназначенные для переключения отпаек крайних витков 2 обмотки возбуждения 3 коллекторной машины, связанные с управляющим программируемым микроконтроллером 4. Каждая отпайка соединена с клеммой питания 5 через свой симистор. Устройство автоматического регулирования магнитного потока обеспечивает стабильность напряжения изменением амплитуды синусоидального магнитного потока коллекторной машины при помощи изменения числа витков обмотки возбуждения 3.
Электрогенераторная установка для микроГЭС предназначена для работы параллельно с сетью переменного тока, от которой запитывается устройство автоматического регулирования магнитного потока и обмотка возбуждения 3 коллекторной машины.
Так же, как и трансформаторе, при переключении отпаек напряжение питания возбуждения подается на различное количество витков 2 обмотки возбуждения, от чего изменяется величина создаваемого магнитного потока. Переключение отпаек производится при помощи симисторов 1, управляемых микроконтроллером 4, на который подаются сигналы от датчиков, измеряющих скорость вращения ротора и напряжения сети (на чертеже не показаны).
Электрогенераторная установка для микроГЭС работает следующим образом. При уменьшении скорости вращения ротора и уменьшении ЭДС на выходе управляющий программируемый микроконтроллер 4 подает на симисторы 1 сигнал к переключению от некоторой отпайки к следующей, соответствующей меньшему количеству витков в обмотке возбуждения 3, что приведет к увеличению магнитного потока машины. При этом ЭДС коллекторной машины увеличится, возвращаясь на номинальный уровень. И, наоборот, при увеличении скорости вращения ротора возрастает ЭДС, симистор текущей отпайки закрывается и открывается симистор отпайки, соответствующей большему числу витков обмотки возбуждения 3, магнитный поток уменьшается, напряжение на выходе коллекторной машины также уменьшается, и так далее, пока напряжение на выходе не достигнет необходимого уровня.
Чтобы не происходило размыкания цепи возбуждения машины, переключение отпаек происходит в момент прохождения синусоиды тока через ноль. При этом, если одновременно открыты два симистора, ток через короткозамкнутый виток, находящийся в переменном магнитном поле, будет минимальным, так как магнитный поток машины совпадает по фазе с током, создающим его.
Кроме того, предложенное устройство может использоваться для выработки электроэнергии из других источников, у которых скорость вращения вала генератора непостоянна, например, для ветроэлектрических установок.
Следовательно, применение данной электрогенераторной установка для микроГЭС позволяет обеспечить повышенную эффективность работы и автоматизацию регулирования выходного напряжения.