Многофазный ветрогенератор переменного тока
MULTIPHASE AC WIND GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано, например, в качестве преобразователя кинетической энергии ветра в электрическую энергию переменного тока.
Известен аксиальный двухвходовый бесконтактный ветро-солнечный генератор (пат. РФ №2561504, авторы Гайтов Б.Х., Кашин Я.М. и др.), содержащий корпус, возбудитель и основной генератор, установленные на одном валу, закрепленном в корпусе в подшипниковых узлах, при этом возбудитель состоит из индуктора возбудителя и аксиального магнитопровода с обмоткой якоря возбудителя, основной генератор состоит из бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью, в пазы которого уложена обмотка якоря основного генератора, и внутреннего аксиального магнитопровода с двумя активными торцовыми поверхностями, в пазы которого со стороны бокового аксиального магнитопровода уложена обмотка возбуждения основного генератора, причем боковой аксиальный магнитопровод с одной активной торцовой поверхностью жестко установлен в корпусе, а внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями установлен посредством диска на валу с возможностью вращения относительно бокового аксиального магнитопровода с одной активной торцовой поверхностью. Индуктор возбудителя в известном генераторе выполнен из постоянного многополюсного магнита и однофазной дополнительной обмотки возбуждения возбудителя, причем постоянный многополюсный магнит индуктора возбудителя выполнен с пазами, многосекционным, неподвижным и жестко установлен в корпусе, а однофазная дополнительная обмотка возбуждения возбудителя уложена в пазы между секциями постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя и подключена к источнику постоянного тока, при этом внутренний аксиальный магнитопровод с двумя активными торцовыми поверхностями с пазами установлен в корпусе между постоянным многополюсным магнитом индуктора возбудителя с дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя и боковым аксиальным магнитопроводом с одной активной торцовой поверхностью с возможностью вращения относительно постоянного многополюсного магнита индуктора возбудителя с дополнительной обмоткой возбуждения возбудителя.
Генерируемое в известном аксиальном двухвходовом ветро-солнечном генераторе за счет преобразования механической энергии вращения напряжение пропорционально скорости вращения ротора относительно неподвижного корпуса:
1
где С - конструктивный коэффициент, w - скорость вращения ротора относительно неподвижного корпуса, прямо пропорциональная продольной составляющей скорости ветра; Ф - магнитный поток возбуждения.
Недостатком такого ветрогенератора является нестабильное по величине и частоте генерируемое напряжение.
Другим недостатком такого ветрогенератора является его низкая чувствительность к скорости ветра. При малой продольной составляющей скорости ветра известный аксиальный двухвходовый ветро-солнечный генератор не выходит на свою номинальную мощность, что приводит к уменьшению его КПД.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности, достигаемому техническому результату и принятой за прототип является ветроэлектрическая установка Fortis Alize фирмы «Fortis Wind Energy» (Нидерланды) (B.C. Кривцов, A.M. Олейников, А.И. Яковлев «Неисчерпаемая энергия», книга 1 «Ветроэлектрогенераторы». Севастополь: изд. Севастопольский национальный технический университет, 2003. - 400 с.), содержащая обтекатель, синхронный генератор с внутренним неподвижным статором с магнитопроводом якоря и наружным вращающимся ротором с постоянными магнитами, имеющими радиальную форму, лопасти, жестко закрепленные на переднем диске ротора, муфту, несущий вал, опорно-поворотное устройство, трос аварийного останова, демпфер, вал механизма свертывания, балку хвостовика, хвостовой стабилизатор, токосъемное устройство, опору головки, башню и лебедку ручного свертывания.
Однако известная ветроэлектрическая установка Fortis Alize фирмы «Fortis Wind Energy» имеет низкие массогабаритные показатели из-за большого диаметра лопастей, нестабильное по величине и частоте выходное напряжение, низкую надежность из-за наличия токосъемного устройства с подвижными контактами и недостаточной жесткости конструкции, связанной с раздельной сборкой напорной турбины (обтекателя и переднего диска для крепления лопастей) и наружного ротора ветрогенератора.
Кроме того, конструкция ротора известной ветрогенераторной установки вследствие сравнительно большого диаметра лопастей не обеспечивает минимального лобового сопротивления потоку ветра, а следовательно, потери кинетической энергии при преобразовании ее в электрическую велики. Вследствие этого чувствительность ветрогенератора к скорости ветра низка, то есть минимальная скорость ветра, необходимая для преобразования его кинетической энергии в механическую энергию вращения ротора с последующим преобразованием в электрическую энергию, должна быть большой. При низкой скорости ветра КПД такого ветрогенератора низок.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения ветрогенератора за счет улучшения его массогабаритных показателей, стабилизации выходного напряжения по величине и частоте, повышения чувствительности ветрогенератора к скорости ветра, повышения коэффициента полезного действия (КПД) и надежности.
Технический результат заявленного изобретения - уменьшение осевого и диаметрального размеров ветрогенератора, минимизация разности частоты номинального и фактического выходного напряжения, уменьшение порогового значения минимально необходимой для генерирования напряжения скорости ветра, снижение потерь энергии при преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую энергию переменного тока, повышение жесткости конструкции.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом многофазном ветрогенераторе переменного тока, содержащем вал, внутренний статор, наружный ротор с постоянными магнитами и обтекателем, лопасти, при этом основание внутреннего статора выполняется в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, а боковая поверхность внутреннего статора образуется наружной стороной выполненного в форме усеченного конуса магнитопровода якоря с пазами, в которые уложена многофазная обмотка якоря, при этом магнитопровод якоря одной торцевой стороной жестко закрепляется на неподвижной платформе, на которой устанавливается регулятор напряжения, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода якоря устанавливается передний подшипник, во внутреннее кольцо которого устанавливается диск, жестко связанный с валом, наружный ротор также выполняется в форме усеченного конуса, содержит ступицу, на внутренней поверхности которой жестко закрепляется выполненный в форме усеченного конуса магнитопровод индуктора с постоянными магнитами, выполненными в форме сегментов усеченного конуса, и жестко закрепляется на валу, установленном в переднем и заднем подшипниках, при этом задний подшипник устанавливается в центре неподвижной платформы и закрепляется от перемещения в осевом направлении упорной шайбой, а в передней части ступицы устанавливается обтекатель, вокруг которого в ступице по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора выполняются вентиляционные отверстия, а в боковой части ступицы выполняются отверстия, в которые устанавливаются поворотные оси, жестко связанные с лопастями, закрепленными на внешней стороне ступицы, при этом на диске со стороны неподвижной платформы жестко устанавливаются кронштейны, в которых закрепляются центробежные грузы, связанные с поворотными осями посредством тросов, пропущенных через ролики, устанавливаемые на внутренней поверхности ступицы, и ролики, жестко устанавливаемые на валу, при этом между поворотными осями и роликами устанавливаются сжатые пружины, а между центробежными грузами и валом устанавливаются растянутые пружины.
Предлагаемое изобретение, выполняя функцию ветрогенератора переменного тока, как и прототип, в отличие от него, позволяет расширить область применения ветрогенератора за счет улучшения его массогабаритных показателей, стабилизации выходного напряжения по величине и частоте, повышения чувствительности ветрогенератора к скорости ветра, коэффициента полезного действия (КПД), надежности.
Улучшение массогабаритных показателей достигается путем уменьшения осевых и диаметральных размеров ветрогенератора за счет выполнения наружного ротора, внутреннего статора, магнитопровода якоря и магнитопровода индуктора, жестко закрепленного на внутренней поверхности ступицы, в форме усеченного конуса, и выполнением постоянных магнитов, установленных на внутренней поверхности магнитопровода индуктора в форме сегментов усеченного конуса.
Выполнение наружного ротора, внутреннего статора, магнитопровода якоря и магнитопровода индуктора в форме усеченного конуса, а постоянных магнитов - в форме сегментов усеченного конуса, закрепление лопастей на внешней стороне ступицы наружного ротора, выполненного в форме усеченного конуса, позволяет уменьшить диаметр лопастей. В связи с этим осевые и диаметральные размеры всего ветрогенератора в целом уменьшаются, что приводит к улучшению массогабаритных показателей, а именно - к уменьшению габаритных размеров, а соответственно, уменьшению расхода электротехнических материалов на изготовление ветрогенератора, а соответственно, и массы всего ветрогенератора.
Стабилизация выходного напряжения по величине достигается за счет установки внутри внутреннего статора на неподвижной платформе регулятора напряжения.
Стабилизация выходного напряжения по частоте достигается за счет выполнения ступицы с отверстиями, установки в эти отверстия поворотных осей, жестко связанных с лопастями, закрепленными на внешней стороне ступицы, установки во внутреннее кольцо переднего подшипника диска, жестко связанного с валом, и жесткой установки на диске со стороны неподвижной платформы кронштейнов, в которых закреплены центробежные грузы, связанные с поворотными осями посредством тросов, пропущенных через ролики, установленные на внутренней поверхности ступицы, и ролики, жестко установленные на вращающейся оси, установкой между поворотными осями и роликами сжатых пружин, а между центробежными грузами и валом - растянутых пружин. Минимизация разности номинальной и фактической частоты выходного напряжения достигается путем автоматической стабилизации частоты вращения наружного ротора за счет центробежных сил, действующих на центробежные грузы, которые через системы роликов, пружин и поворотных осей изменяют угол атаки лопастей.
Повышение чувствительности ветрогенератора к скорости ветра достигается за счет уменьшения порогового значения минимально необходимой для генерирования напряжения скорости ветра путем выполнения наружного ротора и магнитопровода якоря в форме усеченного конуса, закрепления на внешней стороне ступицы, выполненной с отверстиями, в которые установлены поворотные оси, лопастей, жестко связанных с поворотные осями. Выполнение наружного ротора в форме усеченного конуса с лопастями с регулируемым углом атаки лопастей позволяет выбрать оптимальный угол раствора конуса, что в свою очередь позволяет обеспечить сонаправление продольной составляющей скорости отраженного потока со скоростью ветра, а это, в свою очередь, позволяет снизить требуемое пороговое значение минимально необходимой для производства электроэнергии скорости ветра.
Повышение КПД ветрогенератора достигается путем снижения потерь энергии при преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую энергию переменного тока за счет выполнения наружного ротора, внутреннего статора и магнитопровода якоря в форме усеченного конуса, установкой в передней части ступицы обтекателя, выполнением в передней части ступицы вентиляционных отверстий, расположенных вокруг обтекателя по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора. Вследствие выполнения наружного ротора в форме усеченного конуса и установки в передней части ступицы обтекателя лобовое сопротивление наружного ротора ветровому потоку уменьшается. Выполнение в передней части ступицы вентиляционных отверстий обеспечивает эффективное охлаждение ветрогенератора, препятствуя его перегреву, что также повышает КПД ветрогенератора.
Повышение КПД ветрогенератора достигается также путем повышения его чувствительности к скорости ветра (уменьшение требуемого порогового значения минимально необходимой для генерирования напряжения скорости ветра).
Повышение надежности ветрогенератора достигается путем повышения жесткости его конструкции за счет выполнения основания внутреннего статора в форме неподвижной платформы, жестко закрепленной на штанге-держателе, жесткого закрепления на неподвижной платформе магнитопровода якоря, в пазы которого уложена многофазная обмотка якоря, закрепления магнитопровода якоря одной торцевой стороной на неподвижной платформе. Закрепление на внешней стороне ступицы лопастей позволяет избежать дополнительного изготовления переднего диска ротора для крепления лопастей, ветроколеса или напорной турбины. Описанная конструкция обеспечивает возможность повышения жесткости путем выполнения наружного ротора, ступицы и лопастей единым агрегатом: закреплением на внешней стороне ступицы лопастей, а на внутренней стороне ступицы - магнитопровода индуктора с постоянными магнитами, жестким закреплением наружного ротора на валу, установленном в переднем и заднем подшипниках. Кроме того, повышение жесткости конструкции достигается за счет выполнения механического соединения всех элементов наружного ротора (магнитопровода индуктора с постоянными магнитами, корпуса ротора со ступицей и лопастями и обтекателем) между собой.
Повышение надежности достигается также установкой заднего подшипника в центре неподвижной платформы и закреплением его от перемещения в осевом направлении упорной шайбой.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого многофазного ветрогенератора переменного тока в разрезе, на фиг. 2 - его электрическая схема.
Многофазный ветрогенератор переменного тока содержит: вал 13, внутренний статор и наружный ротор с постоянными магнитами 4 и обтекателем 11, лопасти 2.
Основание внутреннего статора выполнено в форме неподвижной платформы 24, жестко закрепленной на штанге-держателе 25, а боковая поверхность внутреннего статора образована наружной стороной выполненного в форме усеченного конуса магнитопровода 17 якоря с пазами, в которые уложена многофазная обмотка 16 якоря. Магнитопровод 17 якоря одной торцевой стороной жестко закреплен на неподвижной платформе 24, на которой установлен регулятор напряжения 18, а на противоположной торцевой стороне магнитопровода 17 якоря установлен передний подшипник 15, во внутреннем кольце которого установлен диск 14, жестко связанный с валом 13.
Наружный ротор выполнен в форме усеченного конуса, содержит ступицу 1, на внутренней поверхности которой жестко закреплен выполненный в форме усеченного конуса магнитопровод 3 индуктора с постоянными магнитами 4, выполненными в форме сегментов усеченного конуса, и жестко закреплен на валу 13, установленном в переднем 15 и заднем 22 подшипниках.
Задний подшипник 22 установлен в центре неподвижной платформы 24 и закреплен от перемещения в осевом направлении упорной шайбой 23.
В передней части ступицы 1 установлен обтекатель 11, вокруг которого в ступице 1 по окружности с центром на оси симметрии наружного ротора выполнены вентиляционные отверстия 12. В боковой части ступицы 1 выполнены отверстия, в которые установлены поворотные оси 5, жестко связанные с лопастями 2, закрепленными на внешней стороне ступицы 1.
На диске 14 со стороны неподвижной платформы 24 жестко установлены кронштейны 19, в которых закреплены центробежные грузы 20, связанные с поворотными осями 5 посредством тросов 8, пропущенных через ролики 7, установленные на внутренней поверхности ступицы 1, и ролики 9 и 10, жестко установленные на валу 13. Между поворотными осями 5 и роликами 7 установлены сжатые пружины 6, а между центробежными грузами 20 и валом 13 установлены растянутые пружины 21.
Поворотные оси 5 соединены с центробежными грузами 20 через тросы 8 таким образом, что при перемещении центробежных грузов 20 от вала 13 к внутренней поверхности магнитопровода 17 якоря лопасти 2 одновременно поворачиваются вместе с осями 5 на некоторый угол.
Многофазный ветрогенератор переменного тока работает следующим образом.
При набегании ветра на обтекатель 11 и лопасти 2, закрепленные на внешней стороне ступицы 1, его кинетическая энергия посредством лопастей 2 преобразуется в механическую энергию вращения: набегающий воздушный поток ветра посредством обтекателя 11 разделяется на два контура, при этом воздушный поток первого воздушного контура воздействует на лопасти 2 и приводит наружный ротор, жестко закрепленный на валу 13, установленном в переднем 15 и заднем 22 подшипниках, во вращение.
Воздушный поток второго воздушного контура, направленный обтекателем 11 через входные вентиляционные отверстия 12 во внутреннюю полость ветрогенератора, охлаждает расположенные во внутренней полости ветрогенератора узлы (передний 15 и задний 22 подшипники, магнитопровод 3 индуктора с постоянными магнитами 4, магнитопровод 17 якоря с многофазной обмоткой 16 якоря).
При вращении наружного ротора с жестко закрепленными на его внутренней поверхности магнитопроводом 3 индуктора с постоянными магнитами 4 магнитный поток постоянных магнитов 4 взаимодействует с многофазной обмоткой 16 якоря, уложенной в пазы магнитопровода 17 якоря, жестко закрепленного одной торцевой стороной на неподвижной платформе 24, которая жестко закреплена на штанге-держателе 25.
В результате этого взаимодействия в многофазной обмотке 16 якоря генератора наводится многофазная система ЭДС, которая через регулятор напряжения 18 подается в сеть.
Упорная шайба 23 удерживает задний подшипник 22 от перемещения в осевом направлении.
Благодаря выполнению магнитопроводов индуктора 3 и якоря 17 в форме усеченного конуса при вращении наружного ротора под действием центробежных сил возникает ускорение движения воздушного потока через воздушный зазор в окружающую атмосферу, что способствует более эффективному охлаждению генератора.
Частота выходного напряжения определяется частотой вращения наружного ротора с магнитопроводом 3 индуктора с постоянными магнитами 4 относительно внутреннего статора с магнитопроводом 17 якоря с пазами, в которые уложена многофазная обмотка 16 якоря. Автоматическая стабилизация частоты вращения наружного ротора осуществляется следующим образом.
При номинальной частоте вращения наружного ротора предлагаемого многофазного ветрогенератора переменного тока центробежные грузы 20 под действием центробежных сил и сил упругости растянутых пружин 21 удерживаются относительно вала 13 в среднем положении. При этом лопасти 2 под действием сил упругости сжатых пружин 6 и при помощи тросов 8, жестко связанных с центробежными грузами 20, закрепленными на кронштейнах 19, закрепленных на диске 14, также удерживаются в среднем положении. Коэффициент упругости пружин 6 и 21 выбирается таким образом, чтобы центробежные грузы 20 находились в среднем положении при номинальной частоте вращения наружного ротора.
Если частота вращения наружного ротора становится выше номинальной, то центробежные силы, действующие на центробежные грузы 20, увеличиваются. При этом центробежные грузы 20 удаляются от вала 13, прижимаясь к внутренней поверхности магнитопровода 17 якоря, а растянутые пружины 21 растягиваются сильнее. При удалении центробежных грузов 20 от вала 13, тросы 8, протянутые через систему роликов 7, 9 и 10, жестко связанные с центробежными грузами 20 и поворотными осями 5, перемещаются, вследствие чего поворотные оси 5 поворачиваются и сильнее сжимают сжатые пружины 6. При этом лопасти 2, жестко связанные с поворотными осями 5, также поворачиваются, причем разворот лопастей 2 происходит таким образом, что угол атаки лопастей 2 уменьшается, вследствие чего воздушный поток первого воздушного контура оказывает на лопасти 2 меньшее воздействие, давление воздушного потока на лопасти 2 уменьшается, следовательно, частота вращения наружного ротора уменьшается до номинального значения.
Если частота вращения наружного ротора становится ниже номинальной, то центробежные силы, действующие на центробежные грузы 20, уменьшаются. При этом центробежные грузы 20 приближаются к валу 13, удаляясь от внутренней поверхности магнитопровода 17 якоря, а растяжение растянутых пружин 21 уменьшается. При приближении центробежных грузов 20 к валу 13, тросы 8, протянутые через систему роликов 7, 9 и 10, жестко связанные с центробежными грузами 20 и поворотными осями 5, перемещаются, при этом натяжение тросов 8 ослабевает, и сжатые пружины 6 разжимаются, вследствие чего поворотные оси 5 поворачиваются. При этом лопасти 2, жестко связанные с поворотными осями 5, также поворачиваются, причем разворот лопастей 2 происходит таким образом, что угол атаки лопастей 2 увеличивается, вследствие этого воздушный поток первого воздушного контура оказывает на лопасти 2 большее воздействие, давление воздушного потока на лопасти 2 увеличивается, и частота вращения наружного ротора увеличивается до номинального значения.