Ветроэнергетическая установка

 

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для преобразования энергии ветра в электрическую при стабильных параметрах выходной частоты и напряжения. Технический результат, заключающийся в стабилизации частоты и напряжения генератора в широком диапазоне изменения ветровой нагрузки, достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем ветродвигатель через передающее устройство соединен с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором n-полюсного многоскоростного асинхронного генератора, обмотки которого соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами, с выходными зажимами, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний - с обмоткой управления электромагнитной муфты. 3 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности к ветроэнергетическим установкам, и предназначено для преобразования энергии ветра в электрическую при стабильных параметрах частоты и напряжения.

Известна "Ветроэлектрическая установка с инерционным аккумулятором энергии" (а. с. 951626, МКИ Н 02 Р 9/42 от 15.08.82г.), содержащая ветроколесо, выходной вал которого соединен с валом генератора переменного тока, к которому подключен блок возбуждения и регулирования, и снабжена дополнительной электрической машиной, а генератор переменного тока выполнен в виде асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, а вал дополнительной асинхронной машины соединен с валом инерционного аккумулятора энергии.

Недостатком известного устройства являются низкие энергетические показатели по причине многократного преобразования электроэнергии.

Наиболее близким по технической сущности является изобретение (см. патент RU 2133375, F 03 D 7/00 от 20.07.1997 г.), состоящее из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика частоты, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации. При этом подключение нагрузки происходит в функции скорости ветра.

Недостатком известного технического решения являются низкие энергетические показатели в диапазоне переключения полюсов и невысокая стабильность частоты и напряжения.

Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно стабилизация частоты и напряжения генератора в широком диапазоне изменения ветровой нагрузки.

Поставленная задача достигается тем, что ветроэнергетическая установка, состоящая из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации, дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем ветродвигатель через передающее устройство соединен с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора, обмотки которого соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами с выходными зажимами, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний - с обмоткой управления электромагнитной муфты.

Новизна технического решения обусловлена тем, что дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, что позволяет стабилизировать напряжение и частоту n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора в больших пределах изменения ветрового потока.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема; на фиг.2 - графики, поясняющие работу схемы; на фиг.3 - механические характеристики установки.

Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, соединенное с передающим устройством 2 (мультипликатор), выход передающего устройства соединен с датчиком скорости 3 и ведущим валом 4 электромагнитной муфты 5, имеющей обмотку управления 6 и выходной вал 7, соединенный с ротором 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 с обмотками 10 и 11, соединенными с входом блока коммутации 12, выход которого соединен конденсаторами возбуждения 13, дополнительными конденсаторами 14 с выходными зажимами 15, устройством стабилизации напряжения 16 и формирователем импульсов 17, который соединен с первым входом устройства синхронизации 18, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты 19, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя 20, который соединен с обмоткой управления 6 электромагнитной муфты 5.

В качестве ветроколеса 1 может быть использован любой механический преобразователь энергии ветра в механическую, n-полюсный асинхронный многоскоростной генератор 9 с различным числом пар полюсов стандартной конструкции с короткозамкнутым ротором 8. В качестве электромагнитной муфты 5 можно использовать порошковую или асинхронную с допустимой скоростью вращения и передаваемым моментом. Блок коммутации 12 переключает обмотки генератора с высоким быстродействием и может быть контактным и бесконтактным. В качестве стабилизатора напряжения 16 применяется широтно-импульсный регулятор или аналогичный с минимальными потерями в регулирующих элементах. Формирователь импульсов 17 формирует короткие импульсы при переходе синусоиды напряжения через ноль (фиг.2, U_син). Задающий генератор частоты 19 формирует импульсы прямоугольной формы заданной частоты, например 100 Гц (фиг.2, U_зад). Устройство синхронизации 18 сравнивает фазу между частотой асинхронного генератора и задающего генератора частоты и формирует импульс управления (фиг. 2, i_упр), который усиливается усилителем 20 и управляет работой электромагнитной муфты. Датчик скорости 3 имеет на выходе исполнительные элементы (контакты, импульсы) по количеству, равному числу переключаемых пар полюсов генератора.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

В начальный момент на обмотку 6 электромагнитной муфты 5 подается постоянное напряжение, создается максимальный крутящий момент, и ротор 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора вращается со скоростью ведущего вала 4. Блок коммутации 12 подключает конденсаторы возбуждения 13 и дополнительные 14 к обмотке генератора 11 с большим числом пар полюсов.

При достижении скорости ветра соответственно ветроколеса 1 и ротора 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 заданной скорости последний возбуждается и напряжение подается к нагрузке (рабочая точка А на механической характеристике установки, фиг.3). Дальнейшее увеличение скорости ветроколеса 1 и ведущего вала 4 электромагнитной муфты 5 (отрезок А-В, фиг.3) вызывает уменьшение тока управления i_упр в обмотке 6 электромагнитной муфты 5 (холостой ход, фиг.2). Ротор 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 при этом вращается с постоянной скоростью и генерирует стабильную частоту, заданную задающим генератором частоты 19.

При подключении нагрузки к выходным зажимам 15 (А, В, С) момент сопротивления на валу n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 возрастает, частота n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 по фазе отстает, длительность импульсов i_упр, а следовательно, и эквивалентный ток управления электромагнитной муфты 5 возрастает, возрастает вращающий момент электромагнитной муфты 5 и скорость ротора 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 стабилизируется, а соответственно стабилизируется и частота тока (нагрузка, фиг.2).

Таким образом, в диапазоне скоростей от А до В (фиг.3) за счет скольжения в электромагнитной муфте 5 происходит стабилизация скорости и частоты n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9.

При дальнейшем увеличении скорости ветра и скорости вращения ведущего вала 4 электромагнитной муфты 5 (выше точки В, фиг.3) датчик скорости 3 выдает сигнал и блок коммутации 12 переключает конденсаторы 13 и 14 на обмотку 10 с меньшим числом пар полюсов, и процесс стабилизации частоты и скорости происходит аналогично рассмотренным ранее.

При любых условиях по отклонению напряжения стабилизатор 16 регулирует емкостный ток дополнительных конденсаторов 14, тем самым стабилизируя напряжение n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора.

Точка С на фиг.3 ограничивает диапазон регулирования скорости по механической прочности вращающихся элементов и определяется техническими условиями заказчика и производителя.

Формула изобретения

Ветроэнергетическая установка, состоящая из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем ветродвигатель через передающее устройство соединен с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором n-полюсного многоскоростного асинхронного генератора, обмотки которого соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами с выходными зажимами, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний - с обмоткой управления электромагнитной муфты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3