Способ преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию аккумуляторной батареи и система для его реализации
Изобретение относится к энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения, использующим возобновляемые виды энергии (энергию ветра, воды, энергию приливов и отливов и т. д.) с применением первичных двигателей, реализация режима отдачи возможного максимума энергии которых требует изменения скорости в широких пределах. Технический результат, заключающийся в минимизации установленной мощности силового электрооборудования, повышении кпд системы преобразования энергии и повышении надежности, обеспечивается за счет того, что в способе преобразования ЭДС аккумуляторной батареи выбирается несколько ниже выпрямленной ЭДС неуправляемого выпрямителя в режиме максимальной скорости ветроколеса и максимальном токе возбуждения генератора, регулирование тока заряда аккумулятора ведут с помощью повышающего импульсного преобразователя постоянного тока по закону максимума отбираемой от ветроколеса мощности, а ток возбуждения генератора регулируют по закону максимума кпд системы, причем для съема возможного максимума энергии, вырабатываемой ветроколесом, скорость вращения генератора ставится в зависимость от скорости ветра, а максимум кпд системы обеспечивается за счет регулирования тока возбуждения генератора в функции скорости генератора. Указанный способ реализуется в соответствующей системе. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения, использующим возобновляемые виды энергии.
Известен способ преобразования энергии ветроколеса в энергию заряда аккумуляторной батареи (АБ) [1], заключающийся в том, что на первой ступени преобразования используют синхронный генератор, работающий в режиме самовозбуждения, а на второй ступени энергия переменного тока синхронного генератора выпрямителем преобразуется в энергию постоянного тока заряда аккумулятора. В такой системе рабочая зона скоростей 
Г генератора определяется условиями его самовозбуждения ( Г
0,7-0,8 ГН), ГН - номинальная скорость генератора. Для выполнения этого условия необходимо иметь соответствующую - высокую - скорость ветра, но в зоне средних и малых скоростей ветра, когда возможный максимум вырабатываемой ветроколесом мощности существенно превышает сумму мощностей собственных нужд и механических потерь установки и это превышение могло бы быть использованным для заряда аккумулятора, система оказывается неработоспособной. Существенным недостатком такой системы является низкое качество электрической энергии, вырабатываемой ею (нестабильные частота и действующее значение напряжения).
Известен способ преобразования энергии ветроколеса или другого первичного двигателя в энергию заряда аккумулятора [2], состоящий в том, что мощность возбуждения синхронного генератора отбирается от выпрямителя или аккумулятора через регулятор тока возбуждения, и ток возбуждения может регулироваться в широких пределах независимо от скорости вращения ветроколеса и генератора.
Эта система, наряду с ветроустановками, широко применяется в двигателях внутреннего сгорания [3 и др.].
В такой системе существенно расширяется рабочий диапазон скоростей ветра. Регулирование тока заряда аккумулятора при этом способе осуществляется путем регулирования магнитного потока и ЭДС генератора, которые снижаются при увеличении частоты его вращения.
При таком способе преобразования энергии ветроколеса в энергию заряда аккумуляторной батареи:
а) внизу рабочего диапазона скоростей генератора, когда выпрямленная ЭДС Ed меньше ЭДС аккумулятора, мощность ветроколеса теряется полностью; минимальная скорость заряда без искусственного повышения Еd (например, введением вольтодобавочного или повышающего трансформатора между генератором и преобразователем), или изменением схемы соединения обмоток генератора (например, переходом с треугольника при больших скоростях вращения на звезду при малых), или за счет комбинации этих средств оказывается большой. Введение же указанных средств требует капитальных затрат и сопровождается дополнительными потерями энергии, хотя и не решает проблемы полностью. В любом случае регулирование оказывается многозонным (как минимум, двухзонным), что усложняет систему управления. И, наконец, внизу диапазона - при малой скорости и мощности, вырабатываемой ветроколесом, - генератор работает с максимальным - номинальным - током возбуждения; поток ослабляется с увеличением скорости. Это находится в противоречии с оптимальным управлением - по критерию минимума потерь или максимума кпд системы преобразования энергии “генератор - выпрямитель - регулирующее устройство”;
б) оказывается повышенной установленная мощность генератора. Действительно, если номинальная скорость генератора выбрана равной ее максимальному значению, то генератор должен иметь запас по напряжению, равный отношению его номинальной скорости к минимальной скорости, обеспечивающей заряд аккумулятора при максимальном токе возбуждения. Известно, что
E d· Id
EАБ· IАБ.
В общем случае мощность, отдаваемая генератором, определяется выпрямленной ЭДС Ed, которая выше ЭДС аккумулятора ЕАБ на величину падения напряжения в элементах силовой схемы системы и в первом приближении может быть принята равной ей, и выпрямленным током Id - током заряда IАБ аккумулятора.
При минимальной частоте min вращения генератора условие заряда Еd =ЕАБ получают подачей номинального напряжения на обмотку возбуждения генератора. При максимальной частоте max вращения генератора
где 
- коэффициент использования генератора по напряжению, выпрямленная ЭДС могла бы составить
но ее снижают до величины ЕАБ уменьшением тока возбуждения. Таким образом, номинальная мощность генератора определяется:
где 
для трехфазной мостовой схемы, в то время как используемая мощность
Рисп=ЕАБ· I d,
и коэффициент использования генератора по мощности составляет
Введение специальных методов повышения Еd поднимает КиспP, но сообщает системе недостатки, указанные выше:
в) понижен кпд при высоких рабочих частотах вращения генератора по сравнению с другими способами, например, основанными на регулировании Еd при полном магнитном потоке.
Известен способ преобразования энергии ветроколеса в энергию заряда аккумулятора [4], отличающийся от предыдущего тем, что ток возбуждения генератора сохраняется постоянным - номинальным - во всем диапазоне изменения частот вращения ветроколеса и генератора, а регулирование тока заряда аккумулятора осуществляется за счет регулирования выходного напряжения выпрямителя фазовым методом (этот метод сложно реализуем при переменной частоте и действующем значении напряжения), широтно-импульсным или другими известными методами. Режим максимального кпд электрических машин требует примерного равенства постоянных и переменных потерь. Поэтому в зоне высоких рабочих скоростей вращения ветроколеса, когда его мощность, пропорциональная третьей степени скорости, близка к номинальной, работа с номинальным магнитным потоком будет более экономичной. Вместе с тем, все остальные недостатки, изложенные выше применительно к способу, при котором ток заряда регулируется за счет изменения магнитного потока, сохраняются в полной мере и при данном способе.
Данный способ принят нами за прототип.
Предлагаемый способ так же, как и способ, реализованный в прототипе, содержит две ступени преобразования энергии. На первой механическую энергию ветроколеса, частота вращения которого изменяется в широких пределах, преобразуют в электрическую энергию переменного тока с помощью синхронного генератора, частота и действующее значение напряжения которого также изменяются в широких пределах; на второй - электрическую энергию переменного тока преобразуют в энергию постоянного тока заряда аккумуляторной батареи. Вместе с тем, предлагаемое изобретение лишено указанных выше недостатков прототипа. Это достигается следующим образом:
а) ЭДС аккумулятора выбирается меньшей, чем выпрямленная ЭДС неуправляемого выпрямителя, соответствующая максимальному току возбуждения и максимальной скорости генератора, на величину падения напряжения в силовых элементах системы в режиме максимальной ее отдачи (в активных сопротивлениях обмоток статора генератора, коммутационной потери напряжения выпрямителя, вызванной перекрытием его анодных токов и во внутренних сопротивлениях аккумулятора);
б) в систему вводят регулятор тока возбуждения генератора, получающий питание от независимого источника (аккумуляторной батареи) и импульсный регулятор постоянного тока, повышающий выходное напряжение выпрямителя до величины, обеспечивающей заряд аккумулятора во всем рабочем диапазоне скоростей ветроколеса;
в) ток заряда аккумулятора, пропорциональный при данной его ЭДС вырабатываемой ветроколесом мощности, регулируют в функции скорости ветра по закону, обеспечивающему максимум отбираемой от ветроколеса мощности;
г) ток возбуждения, генератора регулируют в функции частоты напряжения на статоре, которая пропорциональна скорости вращения генератора, по закону, обеспечивающему максимум кпд системы;
д) при скоростях вращения ветроколеса и генератора, близких к максимальным рабочим, когда повышающий регулятор тока заряда оказывается выведенным из работы, ток возбуждения генератора поддерживают на постоянном, близком к его номинальному значению уровне, и контролируют ток заряда аккумулятора. При его повышении до максимально допустимого уровня, фиксируемого максимальной токовой защитой, накладывают механический тормоз, и установку выводят из работы.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в минимизации установленной мощности силового электрооборудования, повышении кпд и надежности системы.
Технический эффект в системе, реализованной по предлагаемому способу, обеспечивается:
а) равенством максимальной скорости генератора номинальному ее значению и возможностью полного использования генератора по потоку во всех режимах при ограничении максимального напряжения уровнем, не превышающим допустимых нормами ПУЭ пределов для данного типа генератора, а также равенством максимальной мощности продолжительного режима генератора ее номинальному значению. Таким образом, обеспечивается минимум установленной мощности генератора, а также параметров и габаритов выпрямителя;
б) отбором максимума энергии, которую способно выработать ветроколесо при данной скорости ветра. При изменении скорости ветра отбираемая от ветроколеса мощность изменяется, оставаясь на максимально возможном уровне;
в) оптимизацией по критерию максимума кпд режима работы системы;
г) выводом из режима регулирования как системы регулирования возбуждения, так и системы регулирования тока заряда аккумулятора при максимальной скорости ветра. Таким образом, повышается надежность системы в целом, а также упрощается контроль состояния системы в предугонном режиме максимальной отдачи и возможность применения простой и надежной ее защиты - токовой.
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.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “новизны” по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “изобретательский уровень”.
Заявленный способ может быть реализован в системе, схема которой представлена на чертеже. Здесь обозначено: 1 - ветроколесо, 2 - мультипликатор (повышающий редуктор), 3 - синхронный трехфазный генератор, 4 - неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель, 5 - дроссель, 6 - импульсный короткозамыкатель, 7 - диод, 8 - аккумуляторная батарея, 9 - нагрузка (электроприемники постоянного тока и автономный инвертор напряжения с электроприемниками переменного тока), 10 - регулятор тока возбуждения генератора, 11 - преобразователь частоты напряжения генератора в аналоговый сигнал, 12 - функциональный преобразователь, 13 - CAP тока возбуждения генератора, 14 – датчик скорости ветра, 15 - функциональный преобразователь, формирующий задание на скорость вращения генератора, 16 - CAP тока заряда аккумулятора, 17 - датчик тока возбуждения генератора.
Система работает следующим образом. Механическая мощность, вырабатываемая ветроколесом 1, через мультипликатор 2 передается на вал синхронного генератора 3; статорные обмотки генератора подсоединяются к зажимам переменного тока неуправляемого выпрямителя 4. Цепь постоянного тока выпрямителя содержит элементы повышающего импульсного регулятора постоянного тока: между положительными полюсами выпрямительного моста 4 и аккумулятора 8 включены последовательно дроссель 5 и диод 7, причем катод диода 7 соединен с положительным полюсом аккумулятора 8, а между анодом диода и объединенными отрицательными полюсами выпрямительного моста и аккумулятора включен полупроводниковый ключевой элемент 6. От аккумулятора получает питание нагрузка 9 - потребители энергии постоянного тока и преобразователь энергии постоянного тока в энергию трехфазного переменного тока - автономный инвертор напряжения с нагрузкой переменного тока. Обмотка возбуждения синхронного генератора 3 получает питание от аккумулятора 8 через регулятор тока возбуждения 10.
Для реализации положительных свойств заявленного в п.1 способа регулирование тока заряда аккумуляторной батареи осуществляется во всем рабочем диапазоне скоростей ветра и ветроколеса с помощью повышающего импульсного регулятора (элементы 5, 6, 7): при замыкании ключа 6 дроссель 5 накапливает энергию за счет увеличения тока, потребляемого схемой от генератора через выпрямитель; при размыкании ключа 6 энергия, запасенная дросселем 5, отдается в аккумулятор 8. Изменяя относительную длительность замыкания ключа 6, регулируют ток заряда АБ. Диод 7 исключает разряд аккумулятора через замкнутый ключ 6. Необходимо отметить, что среднее значение тока ключевого элемента 6 при правильно выбранных параметрах системы не превышает 10-15% от тока выпрямительного моста 4 в режиме номинальной мощности генератора: относительная длительность замкнутого состояния ключа, близкая к единице при малой скорости и мощности, вырабатываемой ветроколесом, снижается до малых значений при повышении скорости ветроколеса, а при номинальном значении скорости ключевой элемент полностью выводится из работы. Таким образом, параметры, габариты и стоимость ключевого элемента в системе невелики.
Для съема возможного максимума энергии, вырабатываемой ветроколесом, скорость вращения генератора ставится в зависимость от скорости ветра. Скорость ветра замеряется датчиком (анемометром) 14, а функциональный преобразователь 15 вырабатывает сигнал задания на частоту напряжения синхронного генератора - этот сигнал пропорционален скорости его вращения.
Сигнал управления ключевым элементом 6 снимается с выхода системы автоматического регулирования 16 тока заряда аккумулятора. Этот сигнал вырабатывается на основе сравнения сигнала задания на частоту напряжения статора синхронного генератора, пропорциональную скорости его вращения, с сигналом текущего значения этой частоты, причем сигнал задания снимается с выхода функционального преобразователя 15, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра 14 и который реализует оптимальное соотношение скоростей ветра и ветроколеса. Оптимальным соотношением указанных скоростей является такое, при котором мощность, вырабатываемая ветроколесом, остается максимальной во всех рабочих режимах установки. При этом сигнал текущего значения частоты напряжения генератора снимается с датчика частоты 11 - преобразователя частоты напряжения синхронного генератора в аналоговый сигнал.
Ток заряда в системе устанавливается в соответствии с оптимальным соотношением скоростей ветра и генератора, и при правильной настройке системы может быть получено максимально возможное значение тока заряда во всех рабочих режимах: каждой скорости ветра соответствует определенная скорость ветроколеса, при которой мощность, им вырабатываемая, максимальна. Это соответствие реализуется функциональным преобразователем 15.
Такая схема надежно работает в широком диапазоне напряжений и токов в системе и при разных уровнях Ed и ЕАБ, если сохраняется соотношение Еd<ЕАБ. Тем самым обеспечивается возможность регулирования тока возбуждения генератора не на поддержание соотношения Ed>ЕАБ и обеспечение тем самым заданного тока заряда аккумулятора, как это имеет место в аналоге [3], а, например, по критерию максимума кпд системы “генератор - выпрямитель - импульсный повышающий регулятор”.
Ток возбуждения генератора регулируется регулятором 10. Сигнал управления этим регулятором снимается с выхода системы автоматического регулирования 13 тока возбуждения. Указанный сигнал вырабатывается на основе сравнения сигнала задания на ток возбуждения и сигнала действительного его значения. Сигнал задания на ток возбуждения снимается с выхода функционального преобразователя 12, на вход которого подается выходной сигнал преобразователя 11 частоты напряжения синхронного генератора в аналоговый сигнал. Сигнал действительного значения тока возбуждения снимается с выхода датчика тока возбуждения 17. Сигнал задания на ток возбуждения является функцией мощности, передаваемой через генератор, которая, в свою очередь, определяется частотой напряжения на статоре и пропорциональной ей скоростью генератора. Сигнал частоты напряжения статора выбран в качестве входного для функционального преобразователя 12. Основой для расчета характеристики “вход-выход” функционального преобразователя 12 являются предварительно рассчитанные или экспериментально полученные зависимости кпд системы от мощности, подводимой к генератору с вала ветроколеса, и соответствующей ей скорости в функции тока возбуждения. Максимальные значения этой функции и определяют выходной сигнал функционального преобразователя.
Источники, принятые во внимание
1. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.96, рис.46.
2. Галкин М.П., Горин А.Н. Выбор функциональных схем автономных ВЭУ малой мощности. // Энергетическое строительство. 1995, №3, с.43.
3. Фесенко М.Н. и др. Теория, конструкция и расчет автотранспортного электрооборудования. - М.: Машиностроение. 1992, с.153-156; 178-188, рис.94-96; 102-104.
4. Мишин В.Ф. Комплексная система электроснабжения автономных потребителей с максимальным использованием энергии ветра. // Энергетическое строительство. 1991, №3.
Формула изобретения
1. Способ преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию заряда аккумуляторной батареи, включающий две ступени преобразования: на первой ступени механическую энергию ветроколеса, скорость вращения которого изменяется в широких пределах, преобразуют в электрическую энергию переменного тока с помощью синхронного генератора, частота и действующее значение напряжения которого при переменной скорости также изменяются в широких пределах; на второй ступени электрическую энергию переменного тока преобразуют в энергию постоянного тока заряда аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что ЭДС аккумулятора выбирают меньшей выпрямленной ЭДС неуправляемого выпрямителя, которую он имеет при максимальной скорости вращения генератора и максимальном токе возбуждения генератора, на величину допустимого падения напряжения в силовых элементах системы (в активных сопротивлениях обмоток статора генератора, коммутационной потери напряжения выпрямителя, вызванной перекрытием его анодных токов, и во внутренних сопротивлениях аккумулятора), в систему вводят регулятор тока возбуждения генератора, получающий питание от независимого источника (аккумуляторной батареи), и импульсный регулятор постоянного тока, повышающий выходное напряжение выпрямителя до величины, обеспечивающей заряд аккумулятора во всем рабочем диапазоне изменения скорости ветроколеса, ток заряда аккумуляторной батареи регулируют в функции скорости ветра по закону, обеспечивающему максимум отбираемой от ветроколеса мощности, ток возбуждения генератора регулируют в функции частоты напряжения генератора по закону, обеспечивающему максимум КПД системы, а при скоростях ветроколеса и генератора, близких к максимальным рабочим, когда повышающий регулятор выводится из работы, ток возбуждения генератора поддерживают постоянным, близким к его номинальному значению.
2. Система для преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию заряда аккумуляторной батареи, содержащая ветроколесо, синхронный генератор и аккумуляторную батарею с нагрузкой, отличающаяся тем, что дополнительно содержит мультипликатор, неуправляемый выпрямитель и регулятор тока возбуждения синхронного генератора, а между положительными полюсами выпрямительного моста и аккумулятора включены последовательно соединенные дроссель и диод, причем катод диода соединен с положительным полюсом аккумулятора, а между анодом диода и объединенными отрицательными полюсами выпрямительного моста и аккумулятора включен полупроводниковый ключевой элемент; сигнал управления ключевым элементом снимается с выхода системы автоматического регулирования тока заряда аккумулятора и вырабатывается на основе сравнения сигнала задания на частоту напряжения статора синхронного генератора, пропорциональную скорости его вращения, с сигналом текущего значения этой частоты, причем сигнал задания снимается с выхода функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра и который реализует оптимальное соотношение скоростей ветра и ветроколеса, при котором мощность, вырабатываемая ветроколесом, остается максимальной во всех рабочих режимах установки, а сигнал текущего значения частоты напряжения генератора снимается с выхода датчика частоты - преобразователя частоты напряжения синхронного генератора в аналоговый сигнал; сигнал управления регулятором тока возбуждения синхронного генератора снимается с выхода системы автоматического регулирования тока возбуждения и вырабатывается на основе сравнения сигнала задания на ток возбуждения и сигнала его действительного значения, причем сигнал задания на ток возбуждения снимается с выхода функционального преобразователя, на вход которого подается выходной сигнал преобразователя частоты напряжения синхронного генератора в аналоговый сигнал.
РИСУНКИ
