СИСТЕМА ОГРАНИЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И МОЩНОСТИ ВЕТРОАГРЕГАТА
ROTATION FREQUENCY AND POWER LIMITATION SYSTEM OF WIND-DRIVEN UNIT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей.
Известно устройство RU 2354845, выбранное за прототип, позволяющее при вращении лопастей изменять их наклон к потоку с целью ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, снижающая ее надежность из-за наличия двух систем воздействия на угол установки лопастей (электродвигателя и тормозных устройств дисков), а также заклинивание системы при попытке затормозить вращение одного из дисков. Кроме того, регулирующее воздействие на угол установки лопастей пропорционально времени существования сигнала рассогласования регулируемого и задающего параметров на входе системы регулирования, что характерно для астатических систем автоматики, склонных к автоколебаниям и перерегулированию.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности и точности ограничения (поддержания на заданном уровне) мощности и частоты вращения ветроагрегата.
Технический результат достигается за счет того, что в системе ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата, содержащей установленный горизонтально в корпусе подшипника вал с пропущенной через него штангой, одним концом системой тяг связанной с закрепленными на валу с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных валу, лопастями, а другим - с регулирующим органом, выполненным в виде винта с навинченным на него и зафиксированным от продольного перемещения диском с приводом для вращения от первого исполнительного органа устройства управления, согласно изобретению другой конец штанги связан с винтом регулирующего органа через упорный подшипник, винт регулирующего органа зафиксирован от проворачивания и механически связан с датчиком угла установки лопастей, устройство управления снабжено вторым исполнительным органом, установленным между электрической сетью и обмотками генератора, а к соответствующим входам устройства управления подключены выходы датчиков: угла установки лопастей, скорости ветра, частоты вращения, мгновенных значений тока и напряжения генератора, а также управляющий выход системы управления верхнего уровня.
Сущность заявляемой системы поясняется чертежом.
Система, согласно предлагаемому изобретению, содержит ориентированный горизонтально вал 1, установленный в корпусе 2 подшипника. Вал 1 является одновременно первичным валом редуктора 3, к выходу которого присоединен генератор 4. Через вал пропущена штанга 5 с возможностью перемещения ее в осевом направлении. Один из концов штанги системой тяг 6 связан с закрепленными на валу 1 лопастями 7, которые могут поворачиваться вокруг осей 8, перпендикулярных валу 1. На втором конце штанги установлен упорный подшипник 9 двухстороннего действия. Через подшипник 9 штанга связана с винтом 10, на который навинчен диск 11, зафиксированный от продольного перемещения относительно корпуса редуктора 3 и, следовательно, вала 1. Винт 10 и диск 11 в совокупности являются регулирующим органом системы ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата.
Венец диска 11 кинематически связан с выходом первого исполнительного органа 12, подключенного к первому выходу устройства управления 13. Второй выход устройства управления 13 соединен с входом вновь введенного исполнительного органа 14, включенного между электрической сетью и обмотками генератора. На соответствующие входы устройства управления поступают сигналы от датчиков (на чертеже не показаны): скорости ветра (1вх), частоты вращения вала генератора, а, следовательно, и вала 1 ветроагрегата (2вх), мгновенного значения тока генератора (3вх), мгновенного значения напряжения генератора (4вх), а также выходной сигнал от датчика 15 угла установки лопастей (5вх). На шестой вход устройства управления поступает сигнал на запуск или отключение ветроагрегата от системы управления верхнего уровня.
В данном конкретном исполнении системы ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата в качестве первого исполнительного органа 12 принят реверсивный электродвигатель постоянного тока с якорным управлением, связанный с венцом диска 11 зубчатым зацеплением. Функцию второго исполнительного органа 14 выполняет магнитный пускатель. В качестве датчика угла установки лопастей 15 принят потенциометр, движок которого имеет жесткую механическую связь с винтом 10. Устройство управления 13 выполнено на базе микроконтроллера с биполярным усилителем постоянного тока (на первом выходе) и с релейным усилителем (на втором выходе).
Заявляемая система ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата работает следующим образом.
Исполнительный орган 12 (электродвигатель) приводит во вращение диск 11 и тем самым осуществляет осевое перемещение винта 10 и штанги 5 и, в конечном итоге, изменяет угол установки лопастей 7 в ту или другую сторону со скоростью, соответствующей величине и полярности поданного на его якорь напряжения.
В исходном состоянии штанга 5 находится в крайнем левом положении, что соответствует флюгерному положению лопастей, и вал 1 ветроагрегата не вращается. Запуск ветроагрегата осуществляется по команде «пуск», поступающей на вход 6 устройства управления 13 от системы управления верхнего уровня или от оператора.
Входящий в устройство управления 13 микроконтроллер по заложенной в него программе обработки входных сигналов от датчиков скорости V ветра и частоты вращения n вала 1 формирует сигнал, направленный на поворот лопастей на угол установки β, при котором при данной скорости ветра и частоте вращения вала 1 на нем создается максимальный вращающий момент. Сигнал поступает с выхода микроконтроллера через биполярный усилитель на первый выход устройства управления 13 и далее на исполнительный орган 12 (якорь электродвигателя), на регулирующий орган (диск 11-винт 10), штангу и лопасти. Требуемый угол установки лопастей контролируется устройством управления 13 по сигналу обратной связи, поступающему на его пятый вход с выхода датчика 14 угла установки лопастей. При наличии ветра вал 1 набирает обороты. Устройство управления 13 по мере увеличения частоты вращения вала 1 ветроагрегата (контроль ее осуществляет подсоединенный ко второму входу устройства управления датчик частоты вращения вала 1) угол установки непрерывно корректирует. Цель корректировки - поддержание (в соответствии с характеристикой ветроагрегата M=f(V, n, β)) развиваемого момента на максимальном для достигнутой частоты вращения и существующей скорости ветра уровне.
Если генератор 4 ветроагрегата предназначен для работы параллельно с централизованной электрической сетью, то устройство управления 13 в тот момент, когда частота вращения вала генератора достигает (при достаточной скорости ветра) синхронной частоты вращения, со второго выхода выдает сигнал на вход второго исполнительного органа 14 (в данном конкретном случае магнитного пускателя) на подключение генератора к электрической сети. С этого момента нарастание частоты вращения вала генератора 4 прекращается. Она становится равной синхронной частоте вращения, если используется синхронный генератор, или близкой к синхронной, если используется асинхронный генератор. Неизменной остается, следовательно, и частота вращения вала 1 ветроагрегата.
Мощность же, отдаваемая генератором в сеть (рассчитывается микроконтроллером по известным мгновенным значениям тока i и напряжения u, поступающим от датчиков мгновенных значений тока и напряжения генератора), с увеличением скорости ветра увеличивается и достигает допустимой для данного генератора величины при расчетной для ветроагрегата скорости ветра. Если скорость ветра превышает расчетную, то устройство управления 13 в диапазоне скоростей выше расчетной переходит на другой закон регулирования угла установки лопастей. В этом диапазоне микроконтроллер поддерживает необходимую мощность генератора теперь уже по сигналам о величине тока и напряжения, поступающим с генератора. Поддержание осуществляется путем увода угла установки лопастей от оптимального значения. В сторону увеличения при некотором превышении развиваемой генератором мощности или в сторону уменьшения, если мощность генератора становится несколько меньше допустимой величины.
Таким образом, при параллельной работе генератора ветроагрегата с электрической сетью в нормальном рабочем режиме система осуществляет ограничение развиваемой генератором мощности.
При нарушении рабочего режима (неисправность генератора, обрыв линии связи генератора с электрической сетью и др.) система переходит в режим ограничения частоты вращения. В этом случае, когда частота вращения генератора становится несколько выше синхронной, устройство управления 13, как и при ограничении мощности, по сигналу от датчика частоты вращения выдает сигнал на увеличение угла установки лопастей. Нарастание частоты вращения из-за ухода, как было показано выше, угла установки лопастей от оптимального значения прекращается.
Если генератор используется для питания электрической нагрузки, в автономном режиме, то устройство управления 13 описанным выше способом ограничивает частоту вращения генератора на уровне синхронной частоты вращения. Мощность генератора при этом не зависит от скорости ветра, а зависит только от количества и мощности подключенных к нему потребителей. Ограничение мощности в этом случае осуществляется системой управления верхнего уровня или оператором. Это достигается путем отключения от генератора, как правило, потребителей 3-ей группы по надежности электроснабжения.
Таким образом, система ограничения частоты вращения и мощности ветроагрегата, согласно предлагаемому изобретению, по сравнению с прототипом имеет меньшее количество составляющих ее элементов, следовательно, более надежна в эксплуатации. В ней исключается возможность заклинивания винтовой пары. Кроме того, за счет введения датчика угла установки лопастей становится возможной организация отрицательной обратной связи, позволяющей устройству управления вести статическое или, при необходимости, пропорционально интегрально дифференциальное (ПИД) регулирование. При этом повышается по сравнению с астатическим регулированием, осуществляемом в прототипе, устойчивость системы, исключается возможное качание лопастей и перерегулирование, что в конечном итоге повышает точность регулирования (ограничения) параметров.
Все это в совокупности и составляет положительный эффект предлагаемого изобретения.
Источники информации
Патент RU №2354845; опубликовано 10.05.2009.