ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ
WIND TURBINE BLADES ANGLE HYDRAULIC CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при разработке конструкции ветроагрегатов.
Известна система (Патент SU №1562519, опубл. 07.05.90. Бюл. №17), выбранная за прототип, позволяющая управлять ветроагрегатом изменением угла установки лопастей.
Недостатками известной системы является сложность конструкции, снижающая ее надежность, отсутствие возможности ограничения тока генератора. Кроме того, для функционирования системы требуются постоянно действующий гидронасос с приводом от постороннего источника энергии и источник сжатого воздуха, что снижает энергетическую эффективность использования ветроагрегата.
Задача изобретения заключается в повышении надежности и точности регулирования угла установки лопастей ветротурбины с целью поддержания на заданном уровне тока и частоты вращения генератора ветроагрегата, а также в снижении затрат энергии на регулирование.
Технический результат достигается за счет того, что в гидравлической системе регулирования угла установки лопастей ветротурбины с установленным горизонтально в головке ветроагрегата валом, содержащей пропущенную через вал штангу, одним концом системой тяг связанную с закрепленными на валу с возможностью поворота вокруг осей, перпендикулярных валу, лопастями, а также содержащей устройство управления, вал кинематически связан с генератором, штанга вторым концом через упорный подшипник связана с выходом регулирующего органа, включающего гидроцилиндр двухстороннего действия, гидронасос, гидравлически связанный с первой и второй полостями гидроцилиндра и сливной емкостью, и распределитель, на первый, второй и третий входы устройства управления поступают сигналы соответственно от датчика скорости ветра, датчика частоты вращения вала и от системы управления верхнего уровня, а первый выход соединен с входом первого исполнительного органа устройства управления, при этом выход первого исполнительного органа соединен с входом регулирующего органа, шток гидроцилиндра является непосредственно выходом регулирующего органа и соединен с входом датчика угла установки лопастей, сливная емкость выполнена в форме изолированного от атмосферы гофра, гидронасос реверсивного действия, первая и вторая магистрали которого присоединены непосредственно к выводам соответственно первой и второй полостей гидроцилиндра и к выводам первой и второй полостей распределителя, выполненного в виде гильзы, разделенной помещенным в нее диском на первую и вторую полости, сообщающиеся через отверстия в центральной части каждого из двух днищ гильзы, перекрываемые с внешних сторон клапанами, механически связанными с диском, с полостью сливной емкости, вал гидронасоса является входом регулирующего органа, устройство управления снабжено вторым исполнительным органом, установленным между электрической сетью и обмотками генератора, а к четвертому и пятому входам устройства управления подключены соответственно выходы датчика угла установки лопастей и датчика тока генератора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом.
Объектом регулирования является ветроагрегат с установленным горизонтально валом 1 в корпусе редуктора 2, являющегося составной частью головки 3 ветроагрегата. Вал 1 является одновременно первичным валом редуктора 2, к выходу которого присоединен генератор 4. В систему входит пропущенная через вал 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 со штоком 10 гидроцилиндра 11, который вместе с реверсивным гидронасосом 12, сливной емкостью 13, выполненной в форме изолированного от атмосферы гофра, и распределителем 14, составляют регулирующий орган гидравлической системы регулирования угла установки лопастей ветротурбины. Шток 10 является выходом регулирующего органа. Все его перечисленные элементы жестко привязаны к корпусу редуктора 2. Распределитель 14, размещенный для наглядности при данном конкретном выполнении системы непосредственно в сливной емкости 13, выполнен в виде гильзы 15, разделенной помещенным в нее подвижным диском 16 на первую 17 и вторую 18 полости. Полости сообщаются через отверстия в центральной части каждого из двух днищ гильзы с полостью сливной емкости 13. Отверстия в днищах гильзы 15, перекрываются с внешних сторон гильзы клапанами 19 и 20, механически связанными через отверстия в днищах гильзы с диском 16.
Первая 21 и вторая 22 магистрали гидронасоса 12 присоединены непосредственно к выходам соответственно первой 23 и второй 24 полостей гидроцилиндра 11, разделенных поршнем 25, и к выходам первой 17 и второй 18 полостей распределителя 14.
Вал гидронасоса 12, являющийся входом регулирующего органа, соединен с выходом первого исполнительного органа 26 устройства управления 27. На входы устройства управления 27 поступают сигналы от датчиков: скорости ветра (1вх), частоты вращения вала генератора, а следовательно, и вала 1 ветроагрегата (2вх), тока генератора (5вх), а также выходной сигнал от датчика 28 угла установки лопастей (4вх). На третий вход устройства управления поступает сигнал на запуск или отключение ветроагрегата от системы управления верхнего уровня.
Второй выход устройства управления 27 соединен с входом второго исполнительного органа 29, включенного между электрической сетью и обмотками генератора 4.
Исполнительный орган 26 устройства управления 27 в данном конкретном варианте системы представлен электродвигателем постоянного тока с якорным управлением, обмотка которого присоединена к первому выходу устройства управления. Функцию второго исполнительного органа 29 выполняет магнитный пускатель. В качестве датчика 28 положения лопастей принят потенциометр, движок которого имеет жесткую механическую связь со штоком 10. Устройство управления 27 выполнено на базе микроконтроллера с биполярным усилителем постоянного тока (на первом выходе) и с релейным усилителем (на втором выходе). Гидронасос - шестеренчатого типа.
Заявляемая гидравлическая система регулирования угла установки лопастей ветротурбины работает следующим образом.
Если от устройства управления 27 на обмотку якоря электродвигателя 26 напряжение не поступает, движения жидкости в системе не происходит, а следовательно, не происходит перемещения поршня 25 и штока 10. Угол установки лопастей 7 остается постоянным. Вращение вала 1 при наличии ветра, как показано на чертеже, если смотреть со стороны ветра, происходит по часовой стрелке.
При поданном от устройства управления на якорь электродвигателя напряжении положительной полярности электродвигатель и приводимый им во вращение гидронасос 12 вращаются, если смотреть сверху, против часовой стрелки. При данном направлении вращения вала гидронасоса давление в магистрали 22 больше, чем в магистрали 21, поэтому разностью давлений диск 16 распределителя 14 смещен влево, клапан 20 закрыт, а клапан 19 открыт, обеспечивая надежное сообщение первых полостей 17 и 23 соответственно распределителя 14 и гидроцилиндра 11. Через гидронасос 12 жидкость протекает слева направо, заполняя полость 24 гидроцилиндра 11. Поршень 22 перемещается справа налево, угол установки лопастей 7 увеличивается, а жидкость из полости 23 перекачивается гидронасосом 8 в полость 24, при этом недостаток или излишек ее компенсируется за счет сообщения полости 23 с полостью сливной емкости 14. Когда поршень 22 достигает крайнего левого положения, что соответствует флюгерному положению лопастей, по сигналу датчика 28 устройство управления 27 блокирует подачу положительного напряжения на обмотку якоря электродвигателя 26. Перемещение поршня и поворот лопастей прекращаются.
Если на обмотку якоря электродвигателя 26 подано напряжение отрицательной полярности, все процессы в системе протекают в обратном порядке.
Электродвигатель и приводимый им во вращение гидронасос 12 вращаются, если смотреть сверху, по часовой стрелке. При данном направлении вращения вала гидронасоса давление в магистрали 21 больше, чем в магистрали 22, поэтому разностью давлений диск 16 распределителя 14 смещен вправо, клапан 19 закрыт, а клапан 20 открыт, обеспечивая надежное сообщение вторых полостей 18 и 24 соответственно распределителя 14 и гидроцилиндра 11. Через гидронасос 12 жидкость протекает справа налево, заполняя полость 23 гидроцилиндра 11. Поршень 22 перемещается слева направо, угол установки лопастей 7 уменьшается, а жидкость из полости 24 перекачивается гидронасосом 8 в полость 23, при этом недостаток или излишек ее компенсируется за счет сообщения данной полости с полостью сливной емкости 14. Когда поршень 22 достигает крайнего правого положения, что соответствует номинальному (расчетному) положению лопастей, по сигналу датчика 28 устройство управления 27 блокирует подачу отрицательного напряжения на обмотку якоря электродвигателя 26. Перемещение поршня и поворот лопастей прекращаются.
Таким образом, увеличение угла установки лопастей производится устройством управления путем формирования на его первом выходе напряжения положительной полярности, а уменьшение - напряжения отрицательной полярности.
В обоих случаях исполнительный орган 26 (электродвигатель) приводит во вращение гидронасос и, в конечном итоге, изменяет угол установки лопастей 7 со скоростью, соответствующей величине поданного на его якорь напряжения. Это при заложенной в устройство управления алгоритме формирования напряжения на его первом выходе, пропорционального отклонению угла установки лопастей от заданного значения, ускоряет ликвидацию этого отклонения.
Предположим, что в исходном состоянии поршень 25 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 3 устройства управления 27 от системы управления верхнего уровня или от оператора.
Входящий в устройство управления 27 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 27 и далее на исполнительный орган 26 (якорь электродвигателя), на регулирующий орган (гидронасос, гидроцилиндр, распределитель, сливная емкость), штангу и лопасти. Требуемый угол установки лопастей контролируется устройством управления 27 по сигналу обратной связи, поступающему на его четвертый вход с выхода датчика 28 угла установки лопастей. При наличии ветра вал 1 набирает обороты Устройство управления 27 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 27 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 29 (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.
В то же время ток генератора с увеличением скорости ветра увеличивается и достигает допустимой для данного генератора величины (как правило, при расчетной для ветроагрегата скорости ветра). Если скорость ветра превышает расчетную, то устройство управления 27 в диапазоне скоростей выше расчетной переходит на другой закон регулирования угла установки лопастей. В этом диапазоне микроконтроллер поддерживает ток генератора на допустимом уровне теперь уже по сигналу о величине тока генератора, поступающему на пятый вход устройства управления от датчика тока. Поддержание осуществляется путем увода угла установки лопастей от оптимального значения (в сторону увеличения, если ток генератора становится несколько больше допустимого, или в сторону уменьшения, если ток генератора становится несколько меньше допустимой величины).
Следовательно, при параллельной работе генератора ветроагрегата с электрической сетью в нормальном рабочем режиме система осуществляет ограничение тока генератора.
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 27, как и при ограничении тока, по сигналу от датчика частоты вращения выдает сигнал на увеличение угла установки лопастей. Нарастание частоты вращения из-за отклонения, как было показано выше, угла установки лопастей от оптимального значения прекращается.
Если генератор используется для питания электрической нагрузки, в автономном режиме, то устройство управления 27 описанным выше способом ограничивает частоту вращения генератора на уровне синхронной частоты вращения. Ток генератора при этом не зависит от скорости ветра, а зависит только от количества и мощности подключенных к нему потребителей. Ограничение тока в этом случае осуществляется системой управления верхнего уровня или оператором. Это достигается путем отключения от генератора, как правило, потребителей 3-й группы по надежности электроснабжения.
Таким образом, система регулирования угла установки лопастей ветротурбины, согласно предполагаемому изобретению, по сравнению с прототипом имеет меньшее количество составляющих ее элементов, следовательно, более надежна в эксплуатации. 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 устойчивость системы, исключается возможное качание лопастей и перерегулирование, что в конечном итоге повышает точность регулирования параметров. Снижаются также затраты энергии на привод гидронасоса
Все это в совокупности и составляет положительный эффект предлагаемого изобретения.
Источник информации
Патент SU №1562519, опубл. 07.05.90. Бюл. №17.