Ветроэнергетическая установка
WIND POWER PLANT

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники, в частности к автономным системам электроснабжения, использующим энергию ветра.
Уровень техники
Известна «Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии», содержащая ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с сформированием двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки, и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, отличающаяся тем, что в систему введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии (патент RU №113615 H02J3/00 от 22.09.2011).
Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием реверсивного теристорного преобразователя, дизель-генераторной установки, снабженного системой автоматического регулирования мощности, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения дизель-генераторной установки, работающей на органическом топливе.
Известна «Система для автономного электроснабжения потребителей», содержащая ветроэлектрическую установку, подключенную к общим шинам через выпрямитель, инвертор, стабилизатор, реле обратного тока, аккумуляторную батарею, подключенную между выпрямителем и инвертором, автономный источник питания, работающий на органическом топливе, снабженный синхронизатором и регулятором вырабатываемой мощности (патент RU № 2382900 F03D9/02, H02K7/18, H02J7/34 от 27.02.2010).
Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием стабилизатора, реле обратного тока, автономного источника питания, снабженного синхронизатором и регулятором вырабатываемой мощности, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения автономного источника питания, работающего на органическом топливе.
Известна «Ветроэнергетическая установка», содержащая зубчатую дифференциальную передачу, ветроколесо, датчик частоты вращения вала ветроколеса, машину постоянного тока, инвертор напряжения, аккумуляторную батарею, регулятор возбуждения, блок отключения возбуждения и электрическую нагрузку (патент RU № 2287718 F03D9/02 от 20.11.2006).
Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием зубчатой дифференциальной передачи, машины постоянного тока в качестве генератора, регулятора возбуждения, блока отключения возбуждения, низкая надежность за счет использования машины постоянного тока в качестве генератора, невысокое качество вырабатываемой электрической энергии за счет использования инвертора напряжения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту принятый авторами за прототип является «Ветроэнергетическая установка», содержащая башню, ветроколесо, мультипликатор, инерционный аккумулятор, генератор. В качестве генератора используется синхронная машина (патент RU № 2313693 F03D9/02 от 27.12.2007).
Недостатком данного устройства являются невысокая надежность и дороговизна конструкции, связанная с использованием синхронного генератора, вертикальным расположением элементов ветроэнергетической установки, затрудняющее техническое обслуживание и ремонт, использование инерционного аккумулятора.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка системы автономного электроснабжения, на основе энергии ветра, со стабилизацией выходного напряжения асинхронного генератора при изменении ветровой нагрузки и мощности потребителей, обеспечивающей энергией потребителей переменного и постоянного тока.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление конструкции, уменьшение металлоемкости за счет отказа от использования инерционного аккумулятора, стабилизация выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором за счет работы бесколлекторной синхронной машины в двигательном или генераторном режимах, повышение надежности за счет использования асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, упрощение обслуживания и ремонта элементов системы за счет горизонтального их расположения, повышение коэффициента использования ветрового потока при различных скоростях ветра.
Технический результат достигается с помощью ветроэнергетической установки, содержащей ветродвигатель, обгонную муфту, соединенную с короткозамкнутым ротором асинхронного генератора, другой конец короткозамкнутого ротора соединен с синхронной машиной, состоящей из расщепленного ротора на внешнее и внутреннее кольца, на внешнем и внутреннем кольце расщепленного ротора расположен магнитопровод и постоянные магниты, неподвижного статора с расположенными в нем обмотками, расщепленный ротор синхронной машины свободно вращается относительно статора синхронной машины благодаря встроенному в статор синхронной машины подшипнику, к статорным обмоткам асинхронного генератора подключена батарея пусковых конденсаторов и нагрузка, обмотки статора асинхронного генератора и обмотки статора синхронной машины электрически соединены с системой управления, которая электрически соединена с контроллером заряда аккумуляторной батареи, аккумуляторной батареей, инвертором, блоком коммутации, который соединен с обмотками статора синхронной машины, контроллер заряда соединен с балластной нагрузкой.
Новизна технического решения обусловлена тем, что сквозному короткозамкнутому ротору асинхронного генератора с одной стороны через обгонную муфту подсоединен ветродвигатель, с другой стороны подсоединен ротор синхронной машины, в зависимости от величины ветровой нагрузки синхронная машина работает в двигательном или генераторном режиме, причем ротор синхронной машины расщеплен на два кольца, внешнее и внутреннее, с расположенными на них магнитопроводом и постоянными магнитами, что позволяет увеличить мощность синхронной машины за счет увеличения магнитного потока синхронной машины, при избытке ветровой нагрузки крутящий момент с вала ветродвигателя через обгонную муфту поступает на ротор асинхронного генератора и ротор синхронной машины, свободно вращающийся относительно неподвижно закрепленного статора синхронной машины, при этом синхронная машина работает в генераторном режиме, излишки энергии, поступающие с ветродвигателя, преобразуются синхронной машиной в электроэнергию и через систему управления, контроллер заряда, накапливаются в аккумуляторной батарее, при этом синхронная машина создает дополнительный тормозной крутящий момент на роторе асинхронного генератора, тем самым стабилизируя обороты вращения ротора асинхронного генератора, стабилизируя напряжение на его статоре, в случае недостатка ветровой нагрузки синхронная машина работает в двигательном режиме, используя энергию, накопленную в аккумуляторной батарее, через инвертор и блок коммутации напряжение подается к обмоткам статора синхронной машины, причем уровень напряжения и тока, подаваемого к обмотке статора синхронной машины формируется системой управления в зависимости от напряжения на статоре асинхронного генератора, создавая при этом дополнительный крутящий момент на роторе асинхронного генератора, что приводит к увеличению напряжения до номинального значения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема ветроэнергетической установки.
Осуществление изобретения
Ветроэнергетическая установка содержат ветродвигатель 1, соединенный с одной стороны через обгонную муфту 2 с сквозным короткозамкнутым ротором (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3, с другой стороны ротор (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 соединен с ротором 4 синхронной машины 5, причем ротор 4 расщеплен на внешнее кольцо 6 и внутреннее кольцо 7, на которых расположены магнитопровод 8 и постоянные магниты 9, ротор 4 закреплен относительно неподвижного статора 10 при помощи подшипника 11 и ротор 4 свободно вращается относительно статора 10, в статоре 10 расположены обмотки 12, электрически соединенные с системой управления 13, которая соединена с контроллером заряда 14, аккумуляторной батареей 15, инвертором 16, и блоком коммутации 17, контроллер заряда 14 соединен с балластной нагрузкой 18 и аккумуляторной батареей 15, аккумуляторная батарея 15 соединена с инвертором 16, инвертор 16 соединен с блоком коммутации 17, блок коммутации 17 соединен с обмотками 12 синхронной машины 5, статор (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 соединен с системой управления 13, батареей пусковых конденсаторов 19 и нагрузкой 20 переменного тока, аккумуляторная батарея 15 соединена с нагрузкой 21 постоянного тока.
В качестве ветродвигателя 1 может быть использован любой преобразователь энергии ветра в механическую энергию, асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором 3 стандартной конструкции. Синхронная машина 5 может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Конструкция синхронной машины 5 представлена в патенте на изобретение № 2642442.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Вращающий момент от ветродвигателя 1 через обгонную муфту 2 поступает на сквозной короткозамкнутый ротор (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 и ротор 4 синхронной машины 5. Для возбуждения асинхронного генератора к статору (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 подключена батарея пусковых конденсаторов 19. Напряжение со статора (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 подается к нагрузке 20.
Электроснабжение нагрузки 21 постоянного тока осуществляется от аккумуляторной батареи 15 при любом режиме работы ветроэнергетической установки.
При избытке ветровой нагрузки обороты ротора (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 возрастают, что приводит к увеличению уровня напряжения на его статоре (на фиг. не обозначен). При этом сигнал об уровне напряжения на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 поступает в систему управления 13. Так как ротор (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 непосредственно соединен с ротором 4 синхронной машины 5, то механический момент с ветродвигателя 1 передается на ротор 4 синхронной машины 5, вследствие вращения ротора 4 синхронной машины 5 на обмотке 12 статора 10 синхронной машины 5 индуцируется напряжение, подаваемое в систему управления 13, при этом синхронная машина 5 работает в генераторном режиме. Синхронная машина 5, работающая в генераторном режиме, создает на роторе (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 дополнительный тормозной момент, что ведет к снижению угловой скорости вращения ротора (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3, уменьшению напряжения на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 до номинального значения. Вырабатываемая электроэнергия синхронной машиной 5, работающей в генераторном режиме, через систему управления 13 и контроллер заряда 14 накапливается в аккумулятор батарее 15. Если аккумуляторная батарея 15 полностью заряжена, то излишки энергии поступают с контроллера заряда 14 на балластную нагрузку 18.
При недостатке ветровой нагрузки обороты ротора (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 недостаточны для генерирования напряжения необходимого уровня на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3. Сигнал об уровне напряжения на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 поступает в систему управления 13. Так как напряжения на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 ниже необходимого уровня, то система управления 13 подает управляющий сигнал на инвертор 16 и блок коммутации 17, в результате чего электроэнергия с аккумуляторной батареи 15 через инвертор 16 и блок коммутации 17 поступает на обмотку 12 статора 10 синхронной машины 5. Синхронная машина 5 работает в двигательном режиме, создавая на роторе (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 дополнительный крутящий момент, так как ротор (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 и ротор 4 синхронной машины 5 механически соединены. Обороты ротора (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 увеличиваются, что влечет увеличения уровня напряжения на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 до необходимого уровня.
В случае отсутствия ветровой нагрузки поступления механической энергии от ветродвигателя 1 нет. Напряжение на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 ровно нулю, сигнал об уровне напряжения на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 подается в систему управления 13. Сигнал от системы управления 13 подается на инвертор 16 и блок коммутации 17, в результате чего электрическая энергия с аккумуляторной батареи 15 через инвертор 16 и блок коммутации 17 поступает на обмотку 12 синхронной машины 5. Синхронная машина 5 работает в двигательном режиме и создает на роторе 4 синхронной машины 5 крутящий момент, передающийся на ротор (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3, в результате чего на статоре (на фиг. не обозначен) асинхронного генератора 3 появляется напряжение необходимого уровня для электроснабжения нагрузки 20.
Исходя из вышеизложенного достигается уменьшение стоимости и металлоемкости ветроэнергетической установки, стабилизация выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, повышение надежности, упрощение обслуживания и ремонта элементов системы, повышение коэффициента использования ветрового потока.