Ветроэнергетическая установка

Область, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области ветроэнергетики и электротехники, в частности к ветроэнергетическим установкам, и может быть использована в автономных системах электроснабжения трехфазным переменным током, использующим энергию ветра и регулятор стабилизации оборотов асинхронного генератора.
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 формированием 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 (см. патент RU №113615 H02J 3/00 от 22.09.2011).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием реверсивного тиристорного 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 ветроэнергетическая установка, включающая лопасти на валу с узлом соединения с рабочей машиной, электропривод с изменяемой частотой вращения, электрогенератор, обгонную муфту, контроллер с датчиками частоты вращения лопастей, при этом узел соединения вала лопастей с рабочей машиной выполнен в виде механического сцепления автоматически управляемого контроллером, а электропривод выполнен как пусковой двигатель, оснащенный датчиком частоты вращения, и соединен через обгонную муфту с валом рабочей машины, причем контроллер обеспечивает включение и синхронизацию частоты вращения пускового двигателя с частотой вращения лопастей по достижении эмпирически заданной величины в режиме импульсного режима работы установки, а электрогенератор постоянно соединен с валом лопастей (см. патент RU №2548320 F03D 9/02 от 20.04.2015).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием контроллера, датчиков вращения лопастей, пускового двигателя, низкая надежность за счет использования большого количества элементов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту принятый авторами за прототип является ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо, соединенное посредством вала с мультипликатором, выходной вал которого соединен с обгонной муфтой, соединенной с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором, который электрически соединен с батареей пусковых конденсаторов, трансформаторами напряжения, диодным мостом, блоком управления, электрически соединенным с аккумуляторной батареей. Ветроэнергетическая установка дополнительно снабжена электромеханическим аккумулятором с переменой энергоемкостью, системой управления электромеханическим аккумулятором и электромагнитной муфтой скольжения. Обмотки электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью намотаны на статор, закрепленный неподвижно к раме ветроэнергетической установки. Ротор выполнен из немагнитного материала, к которому с внутренней стороны закреплены ферромагнитные вставки, а с наружной стороны полукольца инерционного маховика, который соединен с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором при помощи электромагнитной муфты скольжения с возможностью передачи необходимого количества момента от электромеханического аккумулятора с переменной энергоемкостью на ротор асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором. Изобретение направлено на упрощение обслуживания и ремонта элементов, повышение коэффициента использования ветрового потока при различных скоростях ветра за счет отказа от двойного преобразования энергии (см. патент RU №2615564 F03D 9/12 Н02К 7/02 от 10.03.2016).
Недостатком данного устройства являются: сложность изготовления и дороговизна конструкции за счет применения полуколец маховика в электромеханическом аккумуляторе с переменной энергоемкостью, а так же отсутствие плавности передачи момента электромагнитной муфтой скольжения за счет постоянного напряжения подаваемого на катушку управления электромагнитной муфтой скольжения.
Раскрытие полезной модели
Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка ветроэнергетической установки, имеющей переменную энергоемкость, в котором изменен режим работы электромагнитной муфты скольжения на импульсный, а так же в конструкцию внедряется промежуточный вал, на котором устанавливаются стальные диски маховика и эластичная муфта, соединяющая промежуточный вал с двигателем постоянного тока, что дает возможность, за счет отказа от применения полуколец маховика в электромеханическом аккумуляторе с переменной энергоемкостью стабилизировать обороты генератора, упростить обслуживание и ремонт элементов системы, а также снизить стоимость изделия.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к стабилизации оборотов генератора.
Технический результат достигается с помощью ветроэнергетической установки, содержащей ветроколесо, соединенное посредством вала с мультипликатором, выходной вал которого соединен с обгонной муфтой, которая соединена с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором, при этом она дополнительно снабжена регулятором стабилизации оборотов генератора с системой управления, включающим электромагнитную муфту скольжения, промежуточный вал, диски маховика, эластичную муфту и двигатель постоянного тока, при этом двигатель постоянного тока через эластичную муфту и промежуточный вал соединен с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором при помощи электромагнитной муфты скольжения с возможностью передачи необходимого количества момента от дисков маховика и двигателя постоянного тока через электромагнитную муфту скольжения на ротор асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором.
Таким образом, технический результат достигается с помощью ветроэнергетической установки, содержащей ветроколесо, вал ветроколеса, мультипликатор, вал мультипликатора, обгонную муфту, асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором, батарею пусковых конденсаторов, трансформаторы напряжения, потребитель электрической энергии, диодный мост, блок управления, аккумуляторную батарею, систему управления регулятором стабилизации оборотов генератора, регулятор стабилизации оборотов генератора, опорные подшипники, при этом мультипликатор с помощью вала соединен с обгонной муфтой, а обгонная муфта, в свою очередь, с помощью выходного вала на опорных подшипниках соединена со сквозным ротором асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором с одной стороны, а с другой с высокоскоростным регулятором стабилизации оборотов генератора который содержит электромагнитную муфту скольжения, соединенную с промежуточным валом, на котором устанавливаются стальные диски маховика, соединенным с якорем двигателя постоянного тока через эластичную муфту. Выходной вал мультипликатора, валы обгонной муфты, ротора асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, электромагнитной муфты скольжения, промежуточного вала и якоря двигателя постоянного тока установлены на одной горизонтальной оси, а мультипликатор, статор асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и статор двигателя постоянного тока в составе регулятора стабилизации оборотов генератора закреплены на раме ветроэнергетической установки неподвижно. Электрически соединены статорные обмотки асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором с батареей пусковых конденсаторов, потребителем электрической энергии и трансформаторами напряжения, трансформаторы напряжения электрически соединены с диодным мостом, который электрически соединен с блоком управления, который электрически соединен с аккумуляторной батареей, к которой подключена система управления регулятором стабилизации оборотов генератора электрически соединенная с двигателем постоянного тока в составе регулятора стабилизации оборотов генератора, электромагнитной муфтой скольжения и блоком управления.
Краткое описание чертежей и иных материалов
На фиг. 1 представлена структурная схема ветроэнергетической установки.
На фиг. 2 схематично изображен регулятор стабилизации оборотов генератора
Осуществление полезной модели
Ветроэнергетическая установка содержит: ветроколесо 1, соединенное посредством вала 2 с мультипликатором 3, выходной вал 4 которого соединен с обгонной муфтой 5, которая соединена со сквозным ротором (на фиг. 1 не показан) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, к которому присоединен регулятор 7 стабилизации оборотов генератора, к выходам статорных обмоток (на фиг. 1 не показаны) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором электрически подсоединены: батарея 8 пусковых конденсаторов, трансформаторы 9 напряжения, потребитель 10 электрической энергии, трансформаторы 9, электрически соединенные с диодным мостом 11, который электрически соединен с блоком управления 12, блок управления 12 электрически соединен с аккумуляторной батареей 13 и системой управления 14 регулятором 7 стабилизации оборотов генератора, которая электрически соединена с обмотками двигателя постоянного тока (на фиг. 1 не показано) в составе регулятора 7 стабилизации оборотов генератора, вал 4 закреплен в опорных подшипниках 15, при этом мультипликатор 3, статор асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором и статор двигателя постоянного тока (на фиг. 1 не показан) в составе регулятора 7 стабилизации оборотов генератора закреплены на раме ветроэнергетической установки (на фиг. 1 не показана) неподвижно.
На фиг. 2 схематически изображен регулятор 7 стабилизации оборотов генератора, состоящий из электромагнитной муфты 16 скольжения промежуточного вала 17, который закреплен в опорных подшипниках 15, дисков (на фиг. не показаны) маховика 18, эластичной муфты 19 и двигателя 20 постоянного тока, якорь 21 двигателя 20 постоянного тока через эластичную муфту 19 и промежуточный вал 17 соединен с электромагнитной муфтой 16 скольжения, которая управляется катушкой 22 электромагнитной муфты 16 скольжения, подключенной к системе управления 14 регулятором 7 стабилизации оборотов генератора
-1
В качестве ветроколеса 1 может быть использован любой преобразователь энергии ветра в механическую энергию, асинхронный генератор 6 с короткозамкнутым ротором со сквозным ротором стандартной конструкции. Блок управления 12 должен обеспечивать заряд аккумуляторной батареи 13, осуществлять управление системой управления 14 регулятором 7 стабилизации оборотов генератора. Система управления 14 регулятором 7 стабилизации оборотов генератора должна обеспечивать работу электромагнитной муфты 16 скольжения в импульсном режиме, а также поддерживать частоту вращения якоря 21 двигателя 20 постоянного тока около 3000 мин. Маховик 18 регулятора 7 стабилизации оборотов генератора состоит из нескольких стальных дисков (на фиг.2 не показано).
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Вращающий момент от ветроколеса 1 через вал 2 поступает в мультипликатор 3, в котором в соответствии с передаточным отношением преобразуется угловая скорость ветроколеса 1 к скорости асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором. Выходной вал 4 мультипликатора 3 соединен с обгонной муфтой 5, которая соединена с ротором (на фиг 1. не показан) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, при этом сквозной ротор асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором позволяет с другой стороны присоединить регулятор 7 стабилизации оборотов генератора, тем самым приобретая дополнительный инерционный момент и сглаживая импульсные изменения момента на роторе асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором при изменении ветровой и электрической нагрузки. При повышении ветровой нагрузки, для стабилизации выходного напряжения, блок управления 12 подключает аккумуляторную батарею 13, забирая часть электрической энергии с асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором на аккумуляторную батарею 13, при этом, если вращающего момента выходного вала 4 мультипликатора 3 недостаточно для работы асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, то регулятор 7 стабилизации оборотов генератора, который запас некоторое количество инерционной энергии, отдает ее в виде крутящего момента на асинхронный генератор 6 с короткозамкнутым ротором, также двигатель постоянного тока 20 в составе регулятора 7 стабилизации оборотов генератора работает в двигательном режиме, тем самым добавляя недостающие обороты и момент для работы асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, причем предаваемый момент регулятора 7 стабилизации оборотов генератора регулируется с помощью электромагнитной муфты 16 скольжения, в которой, под воздействием электромагнитного поля катушки 22 изменяется коэффициент сцепления. Создаваемый момент на мультипликатор 3 не передается за счет обгонной муфты 5. Таким образом, независимо от мощности на валу 2 ветроколеса 1 и соответственно выходного вала 4 мультипликатора 3, посредством регулятора 7 стабилизации оборотов генератора и обгонной муфты 5 производится стабилизация оборотов и выходных параметров асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором.
Батарею 8 пусковых конденсаторов используют для возбуждения асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором, трансформаторы 9 напряжения снимают информацию об уровне напряжения на потребителе 10 электрической энергии и через диодный мост 11 передают в блок управления 12. По результатам обработки поступившей информации об уровне напряжения на потребителе 10 электрической энергии и оборотов асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором блок управления 12 формирует управляющие сигналы системе управления 14 регулятором 7 стабилизации оборотов генератора, управляет зарядом аккумуляторной батареи 13, а система управления 14 регулятором стабилизации оборотов генератора 7 регулирует ток якоря 21 двигателя 20 постоянного тока, который входит в состав регулятора 7 стабилизации оборотов генератора, возникающий крутящий момент накапливается на дисках маховика 18 и в определенном количестве передается через электромагнитную муфту 16 скольжения, что позволяет стабилизировать частоту вращения вала ротора (на фиг. 1 не показан) асинхронного генератора 6 с короткозамкнутым ротором и соответственно его выходные параметры как при изменении мощности на валу ветроколеса 1, так и при изменении мощности потребителя 10 электрической энергии.
Регулятор 7 стабилизации оборотов генератора выполнен следующим образом: двигатель 20 постоянного тока, который крепится к раме (на фиг. 2 не показана) ветроэнергетической установки неподвижно, через эластичную муфту 19 соединен с промежуточным валом 17, на котором крепятся стальные диски маховика 18 в определенном количестве, в зависимости от заданных параметров нагрузки, что позволяет изменять массогабаритные параметры устройства, соединенным с электромагнитной муфтой 16 скольжения, которая управляется катушкой 22.
-1
Система управления 14 регулятором 7 стабилизации оборотов генератора работает следующим образом, получая сигналы от блока управления 12, регулирует ток якоря 21 двигателя 20 постоянного тока, раскручивая диски маховика 18 до необходимых оборотов (до 3000 мин), а так же управляет электромагнитной муфтой 16 скольжения для регулирования передаваемого момента на асинхронный генератор 6 с короткозамкнутым ротором.
Новизна технического решения обусловлена тем, что дополнительно включены: промежуточный вал, эластичная муфта, стальные диски маховика, двигатель постоянного тока, которые входят в состав регулятора стабилизации оборотов генератора, режим работы электромагнитной муфты скольжения изменен на импульсный. Регулятор стабилизации оборотов генератора в энергетической установке сглаживает импульсные изменения момента на роторе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором при изменении ветровой и электрической нагрузки, а также обладает инерционным моментом, причем энергоемкость регулятора стабилизации оборотов генератора можно изменять в зависимости от заданных параметров нагрузки, тем самым оптимизируя работу узлов и агрегатов ветроэнергетической установки.
Исходя из вышеизложенного, достигается уменьшение стоимости ветроэнергетической установки, стабилизация выходных параметров асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, повышение обслуживания и ремонта элементов системы, повышение коэффициента использования ветрового потока.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- стабилизация оборотов генератора;
- повышение коэффициента использования ветрового потока.