Ветроэнергетическая установка

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Горностай Александр Владимирович(72) Авторы Горностай Александр ВладимировичРолик Юрий АнатольевичГончар Анатолий Андреевич(73) Патентообладатель Горностай Александр Владимирович(57) Ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор, блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей, а также балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и логическое устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумуляторной батарее через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического устройства, подключенного своими входами к выходу выпрямителя, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство ограничения вращающего момента, состоящее из датчика управляющего тока, датчика Холла, порогового усилителя, блока сигнализации, исполнительного органа и тормозной муфты, при этом датчик управляющего тока включен в цепь на выходе выпрямителя, выход датчика управляющего тока подключен к входам датчика Холла,помещенного в магнитное поле, создаваемое генератором, выходы датчика Холла через пороговый усилитель подключены к логическому устройству, выходы которого подключены к блоку сигнализации и исполнительному органу, выход которого подключен к тормозной муфте, расположенной на валу между ветродвигателем и генератором.(56) 1. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии Пер. с англ. - М. Энергоатомиздат, 1990. - С. 234, рис. 9.23 (в). 2. Ахрем Я., Левин Н.Н., Ролик Ю.А. и др. Способ и устройство управления ветрогенератором. Патент Латвийской Республики 12022 от 20.04.1998. Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а точнее - к технике преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию. Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор и блок управления, включенный между генератором, приоритетной и обычной нагрузкой 1. Недостатком такой установки является невозможность регулирования вращающего момента на валу генератора при возрастании скорости ветра. Здесь используется электрическое управление, осуществляемое путем подключения дополнительной нагрузки и тем самым ограничения частоты вращения генератора. Однако это происходит с запаздыванием, т.к. нагрузка подключается ступенчато и с определенным уровнем дискретизации. Описанное управление недостаточно эффективно, т.к. приводит к возможности работы генератора в течение некоторого времени на возросших оборотах, возникновению повышенного осевого давления и увеличению вибраций. Это значительно снижает срок службы подшипников генератора, при этом снижается ресурсный срок работы генератора и самой ветроэнергетической установки. Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор,блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей, а также балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и логическое устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумуляторной батарее через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического устройства, подключенного своими входами к выходу выпрямителя 2 - прототип. Недостатком этой установки является невозможность оперативного ограничения вращающего момента на валу генератора при увеличении скорости ветра, поскольку в этом случае осуществляется также электрическое регулирование путем изменения величины подключаемой нагрузки, в качестве которой используется аккумуляторная батарея и балластное сопротивление. При таком управлении, если произошло увеличение скорости ветра, а аккумуляторная батарея оказалась полностью заряженной, ограничение мощности генератора осуществляется только за счет подключения балластной нагрузки, которая в этот момент может и не соответствовать значению возросшей мощности или оказаться настолько большой, что будет происходить перегрев генератора. Процесс ограничения возрастания скорости вращения в этом случае происходит и с определенным запаздыванием, и с последующим перегревом генератора. Поэтому установка в этих случаях будет работать в экстремальном режиме. Такой режим при возросшем осевом давлении на вал генератора и увеличившейся вибрации приводит к быстрому износу подшипников, старению изоляции,скорому разбалтыванию обойм и сдвигу подшипниковых щитов, возникновению эксцентриситета ротора относительно статора в генераторе и другим возможным неисправностям. Все это также значительно уменьшает срок службы генератора, который приходится заменять раньше положенного срока. Последнее в свою очередь приводит к снижению ресурса всей ветроэнергетической установки. Задача, которую решает данная полезная модель, заключается в увеличении ресурсного срока ветроэнергетической установки путем ограничения вращающего момента, осевого давления и вибраций. Это достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель,генератор, блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей,а также балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и логическое устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумулятор 2 65512010.08.30 ной батарее через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического устройства, подключенного своими входами к выходу выпрямителя, отличается тем, что дополнительно содержит устройство ограничения вращающего момента, состоящее из датчика управляющего тока, датчика Холла, порогового усилителя, блока сигнализации,исполнительного органа и тормозной муфты, при этом датчик управляющего тока включен в цепь на выходе выпрямителя, выход датчика управляющего тока подключен к входам датчика Холла, помещенного в магнитное поле, создаваемое генератором, выходы датчика Холла через пороговый усилитель подключены к логическому устройству, выходы которого подключены к блоку сигнализации и исполнительному органу, выход которого подключен к тормозной муфте, расположенной на валу между ветродвигателем и генератором. Функциональная схема ветроэнергетической установки представлена на фигуре. Установка (см. фигуру) содержит ветродвигатель 1, генератор 2 и блок управления 3. Блок управления 3 включен между генератором 2, аккумуляторной батареей 4, балластной нагрузкой 5 и содержит выпрямитель 6, ключ 7 и логическое устройство 8. Балластная нагрузка 5 включена параллельно аккумуляторной батарее 4 через ключ 7, управляющий вход которого подключен к выходу логического устройства 8. Логическое устройство 8 подключено своими входами к выходу выпрямителя 6. Ветроэнергетическая установка дополнительно содержит устройство ограничения вращающего момента 9, состоящее из датчика управляющего тока 10, датчика Холла 11,порогового усилителя 12, блока питания 13, блока сигнализации 14, исполнительного органа 15 и тормозной муфты 16. Датчик Холла 11 включен в цепь на выходе выпрямителя 6. Выход датчика управляющего тока 10 подключен к управляющим входам датчика Холла 11, который помещен в магнитное поле -, создаваемое генератором 2. На фигуре знаками иобозначено направление силовых линий в магнитном поле генератора 2 между полюсамии . Выходы датчика Холла 11 через пороговый усилитель 12 подключены к логическому устройству 8. Выходы логического устройства 8 подключены к входам блока сигнализации 14 и исполнительного органа 15. Выход исполнительного органа 15 подключен к тормозной муфте 16, которая расположена на валу между ветродвигателем 1 и генератором 2. Датчик управляющего тока 10 является чувствительным элементом тока якорягенератора 2. Датчик Холла 11 является чувствительным элементом величины вращающего момента М на валу генератора. Известно, что вращающий момент М пропорционален магнитному потоку Ф и току якоряМ 1 Ф. Если поместить датчик Холла 11 в магнитное поле -, создаваемое генератором 2, и принять, что 2 Ф,а через датчик 11 пропустить управляющий ток , снимаемый с датчика 10 и пропорциональный току якорягенератора 2, то 3. Вместе с тем сигнал с датчика Холла 11 может быть определен как 4. Тогда выражение для определения вращающего момента М можно записать М 1 Ф 1(/2)3(13/24). Вращающий момент М, следовательно, прямо пропорционален выходному напряжениюдатчика Холла 11. Значение напряжениядатчика Холла используется после усиления (блок 12) для ограничения вращающего момента (муфта 16) и для сигнализации о превышении определенного его значения (блок 15). Пороговый усилитель 12 предназначен для сравнения значений вращающих моментов текущего, снимаемого в виде напряженияс выхода датчика Холла 11, и допустимого,3 65512010.08.30 задаваемого блоком питания 13 в виде напряжения 0. Пороговый элемент усилителя 12 формирует сигнал рассогласования, получаемый в результате сравнения двух напряженийи 0. Блок питания 13 служит для создания напряжения 0 и обеспечения нормальной работы порогового усилителя 12, который имеет, например, коэффициент усиления, равный . Блок сигнализации 14 служит для оповещения обслуживающего персонала ветроэнергетической установки о текущей величине вращающего момента на валу генератора 2. Он запускается логическим устройством 8. Исполнительный орган 15 предназначен для включения и выключения тормозной муфты 16 по командам логического устройства 8. Тормозная муфта 16 располагается на валу между ветродвигателем 1 и генератором 2 и предназначена для ограничения вращающего момента на валу генератора 2 путем торможения вала при увеличении оборотов ветродвигателя 1, и освобождения вала при уменьшении оборотов ветродвигателя 1. Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. При малой скорости ветра устройство ограничения вращающего момента 9 выполняет свои функции не полностью - только до исполнительного органа 15. При этом напряжение, пропорциональное вращающему моменту М и снимаемое с датчика 10, поступает на вход датчика Холла 11. С выхода датчика Холла 11 напряжениепоступает к пороговому усилителю 12 с коэффициентом усиления А. После усиления часть напряжения ,соответствующая определенному значению вращающего момента М, устанавливается с помощью порогового элемента усилителя и компенсируется напряжением 0 блока 13. В рассматриваемом случае, когда текущее значение вращающегося момента М не превышает допустимого, разность между напряжениямии 0 будет равна нулю. Сигнал с выхода усилителя 12 будет соответствовать нормальному значению вращающего момента М. Логическое устройство 8 выдает в этом случае в блок 14 сигнал оповещения обслуживающего персонала о нормальной величине текущего значения вращающего момента М. При этом сигнал на исполнительный орган 15 не выдается и тормозная муфта 16 не включается. При увеличении скорости ветра возрастает частота вращения генератора 2. При этом возрастает и текущее значение вращающего момента М на его валу. В какой-то момент времени это значение превысит допустимый уровень. В случае изменения величины вращающего момента М относительно установленного значения в усилителе 12 появляется разность между напряжениямии 0, которая приводит к появлению сигнала рассогласования на его выходе. Этот сигнал подается на вход логического устройства 8, которое в этом случае выдает сигналы в блок 14 для оповещения обслуживающего персонала о превышении величины момента М допустимого значения и на исполнительный орган 15. Исполнительный орган 15 включает тормозную муфту 16, которая начинает тормозить вал генератора 2, ограничивая тем самым имеющийся вращающий момент. Это будет происходить до тех пор, пока текущее значение вращающего момента не станет равным допустимому. Как только это произойдет, сигнал с выхода усилителя 12 снова станет равным нулю, по которому исполнительный орган отключит тормозную муфту 16. При изменении скорости ветра процесс управления величиной вращающего момента повторяется. При этом исполнительный орган 15 будет периодически включать и отключать муфту 16, тормозя или освобождая вал генератора 2, обеспечивая тем самым эффективное регулирование величины вращающего момента. Таким образом, за счет работы ветродвигателя в режиме ограничения вращающего момента на валу генератора, снижения осевого давления на вал и уменьшения вибраций конструкции обеспечивается увеличение ресурсного срока ветроэнергетической установки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4