Способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки и устройство для его реализации


 


Владельцы патента RU 2563877:

ЕСАКОВ Сергей Михайлович (RU)
ЕСАКОВ Михаил Сергеевич (RU)

Изобретения относятся к электротехнике, а именно к средствам защиты ветроэнергетических установок при значительном увеличении скорости ветра. Технический результат заключается в обеспечении возможности полной остановки ветроколеса при его торможении. Устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включает датчик оборотов вала генератора, контроллер, переключающее устройство и аккумуляторную батарею. Переключающее устройство выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый и второй транзисторы p-n-p-n структуры и два диода, отрицательные электроды которых соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а положительные электроды соединены между собой и с эмиттерами транзисторов. Двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов между одним концом обмотки статора генератора и положительным полюсом аккумуляторной батареи, отрицательный полюс которой соединен с другим концом обмотки статора генератора. Датчик оборотов вала генератора подключен к первому входу контроллера, первый и второй выходы которого подключены к затворам соответственно первого и второго транзисторов, а третий выход контроллера соединен с эмиттерами транзисторов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретения относятся к электротехнике, а именно к средствам защиты ветроэнергетических установок при значительном увеличении скорости ветра.

Известен способ торможения ветроколеса ветроэнергоустановки, при котором ротором с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, поток дополнительно тормозят и уменьшают усилие его взаимодействия с подвижными элементами ротора при увеличении скорости потока, а результат взаимодействия ротора с потоком подводят к нагрузке; дополнительное усилие торможения сосредотачивают по оси ротора, сравнивают усилие дополнительного торможения с расчетным усилием, возникающим на роторе от центробежных и аэродинамических сил при минимальной рабочей скорости потока, и при превышении усилия дополнительного торможения прикладывают его к каждому подвижному элементу одновременно, RU 2172864 С2, опубл. 27.08.2001.

Недостатком данного способа является узкий диапазон регулировки, поскольку торможение ветроколеса прямо связано с жесткостью пружин. При весьма больших скоростях ветра (ураган) необходима достаточно большая жесткость пружин, однако при субураганных скоростях ветра слишком большая жесткость пружин не позволит осуществить сложение лопастей и торможение ветроколеса.

Известен электромеханический способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки путем фиксации ротора электрогенератора электромагнитным устройством (УЭ) при превышении скорости вращения лопастей ветроколеса допустимого предела, RU 2336433 С1, опубл. 20.10.2008.

Недостатком данного способа является то обстоятельство, что он может быть эффективен лишь при низком пороговом значении скорости ветра ввиду больших ударных воздействий на элементы УЭ, в частности на «пальцы» тормоза.

Более эффективны и надежны электрические способы торможения ветроколеса ветроэнергетической установки.

Известен способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения; согласно известному способу определяют частоту вращения ветроколеса с помощью датчика оборотов вала генератора и, если частота вращения ветроколеса достигла порогового значения, закорачивают, по меньшей мере, одну из обмоток генератора, RU 2430463 С2, опубл. 27.09.2011. Как отмечается в формуле изобретения (п.89) и в описании указанного выше технического решения, принятого за прототип настоящего изобретения в части способа, при нормальной работе крутящий момент подстраивается под оптимальные характеристики и/или максимальную выдаваемую мощность. При ветре, превышающем допустимую силу, схема управления регулирует момент для снижения аэродинамических характеристик, что необходимо для поддержания выдачи желаемого уровня мощности. В режимах включения, например, при одном или нескольких отказах схем управления, потере мощности в какой-либо части устройства для генерирования электрической энергии при ураганном ветре управление ветроколесом осуществляется путем повышения крутящего момента посредством закорачивания обмоток. При этом ток в обмотках генератора начинает резко нарастать, однако явление самоиндукции препятствует любым изменениям тока в обмотках, создавая встречный момент, тормозящий вращение вала генератора. Собственная энергия тока самоиндукции численно равна работе, которую должен выполнить ветер для преодоления э.д.с. самоиндукции. Ветроколесо таким образом тормозится, но полностью остановиться не может, так как при полной остановке исчезает ток самоиндукции, а значит и сопротивление вращению ветроколеса. Ветроколесо в конечном счете будет медленно вращаться, что является основным недостатком способа по RU 2430463 С2, поскольку ремонтные и профилактические работы возможны только при полностью остановленном ветроколесе. При реализации данного способа указанные работы возможны только с использованием дополнительных механических средств для фиксации ветроколеса. Кроме того, при весьма сильном (ураганном) ветре ток короткого замыкания может достичь величины, которая вызовет повреждение обмоток генератора.

Задачей изобретения в части способа является обеспечение полной остановки ветроколеса при его торможении, а также предотвращение повреждения обмоток генератора.

Известно устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включающее датчик оборотов вала генератора, контроллер и переключающее устройство, RU 2430463 С2, фиг.6, опубл. 27.09.2011.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа изобретения в части устройства.

Недостатки устройства-прототипа, реализующего описанный выше способ-прототип, состоят в невозможности полной остановки ветроколеса, а также в повреждении обмоток электрического генератора при достижении током короткого замыкания весьма большой величины в условиях ураганного ветра.

Задачей изобретения в части устройства является обеспечение полной остановки ветроколеса, а также предотвращение повреждения обмоток генератора.

Согласно изобретению в части способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения, увеличение указанного момента осуществляют путем подачи в обмотку электрического генератора постоянного тока, величина которого не превышает величину максимально допустимого рабочего тока электрического генератора.

Согласно изобретению в части устройства устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включающее датчик оборотов вала генератора, контроллер и переключающее устройство, дополнительно содержит аккумуляторную батарею, а переключающее устройство выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый и второй транзисторы p-n-p-n структуры и два диода, отрицательные электроды которых соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а положительные электроды соединены между собой и с эмиттерами транзисторов, при этом двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов между одним концом обмотки статора генератора и положительным полюсом аккумуляторным батареи, отрицательный полюс которой соединен с другим концом обмотки статора генератора, датчик оборотов вала генератора подключен к первому входу контроллера, первый и второй выходы которого подключены к затворам соответственно первого и второго транзисторов, а третий выход контроллера соединен с эмиттерами транзисторов.

Сущность изобретений поясняется чертежом, на котором изображена схема, поясняющая заявленный способ и устройство для его реализации.

Устройство для реализации заявленного способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки содержит электрический генератор 1, электронный датчик 2 оборотов вала генератора 1, контроллер 3, переключающее устройство 4 и аккумуляторную батарею 5. Переключающее устройство 4 выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый 6 и второй 7 транзисторы p-n-p-n структуры и два диода 8 и 9. Отрицательные электроды диодов 8 и 9 соединены соответственно с коллекторами первого 6 и второго 7 транзисторов, а положительные электроды диодов соединены между собой и с эмиттерами транзисторов. Двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов 6, 7 между одним концом обмотки 10 статора генератора 1 и положительным полюсом аккумуляторной батареи 5. В конкретном примере для простоты изложения описан однофазный генератор. Отрицательный полюс аккумуляторной батареи 5 соединен с другим концом обмотки 10 статора генератора 1. Датчик 2 оборотов вала генератора 1 подключен к первому входу контроллера 3. Первый и второй выходы контроллера 3 подключены к затворам соответственно первого 6 и второго 7 транзисторов. Третий выход контроллера 3 соединен с эмиттерами транзисторов 6, 7.

Заявленный способ реализуется следующим образом. В нормальном режиме работы напряжение с обмотки 10 через транзистор 6 и диод 9 поступает на аккумуляторную батарею 5 и к потребителям. Транзистор 7 закрыт. При достижении частоты вращения ветроколеса заданного порогового значения в результате увеличения скорости ветра датчик 2 оборотов вала генератора подает на первый вход контроллера 3 соответствующий сигнал, контроллер 3 открывает транзистор 7 и закрывает транзистор 6. Постоянный ток от аккумуляторной батареи 5 через транзистор 7 и диод 8 поступает в обмотку 10 статора генератора. Величина постоянного тока, поступающего в обмотку 10, не должна превышать величину максимально допустимого рабочего тока электрического генератора во избежание ее перегрева и повреждения и составляет от 70 до 95% величины последнего. Постоянный электрический ток в обмотке 10 статора генератора создает постоянное магнитное поле, противодействующее вращению ротора генератора и связанного с ним ветроколеса. Происходит торможение ветроколеса, а при дальнейшем увеличении крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса, последнее останавливается. Для торможения и остановки ветроколеса с целью проведения сервисных работ на второй вход контроллера 3 подается внешний управляющий сигнал, в результате которого в обмотку 10 статора генератора подается постоянный ток от аккумуляторной батареи 5, и происходит торможение и остановка ветроколеса.

В случае трехфазного электрического генератора торможение и остановка ветроколеса осуществляется аналогично путем подачи постоянного тока во все обмотки статора.

Реализация отличительных признаков заявленного способа и устройства для его реализации обеспечивает технический результат, состоящий в обеспечении полной остановки ветроколеса, что недостижимо в прототипе, поскольку в последнем случае при полной остановке ветроколеса исчезает э.д.с. самоиндукции, а следовательно, и сопротивление вращению ветроколеса. В заявленных изобретениях торможение и остановка ветроколеса обусловлены не э.д.с. самоиндукции, а взаимодействием постоянного магнитного поля, создаваемого в результате подачи постоянного тока в обмотку статора, с магнитным полем ротора электрического генератора.

Кроме того, предотвращается перегрев и повреждение обмоток генератора, которые могут иметь место при коротком замыкании обмоток.

1. Способ торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, путем увеличения крутящего момента, противодействующего вращению ветроколеса при достижении частоты вращения ветроколеса предварительно заданного порогового значения, отличающийся тем, что увеличение указанного момента осуществляют путем подачи в обмотку статора электрического генератора постоянного тока, величина которого не превышает величину максимально допустимого рабочего тока электрического генератора.

2. Устройство для реализации способа торможения ветроколеса ветроэнергетической установки, содержащей электрический генератор, включающее датчик оборотов вала генератора, контроллер и переключающее устройство, отличающееся тем, что дополнительно содержит аккумуляторную батарею, а переключающее устройство выполнено в виде двунаправленного транзисторного ключа, содержащего соединенные между собой эмиттерами первый и второй транзисторы p-n-p-n структуры и два диода, отрицательные электроды которых соединены соответственно с коллекторами первого и второго транзисторов, а положительные электроды соединены между собой и с эмиттерами транзисторов, при этом двунаправленный транзисторный ключ включен коллекторами транзисторов между одним концом обмотки статора генератора и положительным полюсом аккумуляторным батареи, отрицательный полюс которой соединен с другим концом обмотки статора генератора, датчик оборотов вала генератора подключен к первому входу контроллера, первый и второй выходы которого подключены к затворам соответственно первого и второго транзисторов, а третий выход контроллера соединен с эмиттерами транзисторов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления резервным электрическим генератором постоянной частоты с изменяемым числом оборотов.

Изобретение относится к области электротехники, обеспечивающей электроснабжение автономных объектов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для самообеспечения электроэнергией газоперекачивающей станции, составленной из газотурбинного двигателя и связанного с ним компрессора, повышающего давление в газопроводе.

Изобретение относится к инверторному генератору, в частности к инверторному генератору, оснащенному блоком генератора с приводом двигателя внутреннего сгорания и выполненному с возможностью устранения из выходного значения переменного тока нелинейного гармонического искажения до предельно допустимой степени.

Изобретение относится к энергетике, к управлению торможением ветровой турбины. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электрозапуска и самообеспечения электроэнергией газоперекачивающих агрегатов турбокомпрессорных станций.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках электроэнергии для самообеспечения промышленных объектов, например компрессорных станций перекачки газа.

Изобретение относится к инверторному генератору, в частности к инверторному генератору, оснащенному блоком генератора с приводом от двигателя внутреннего сгорания, в котором частота вращения двигателя является в зависимости от нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания и управления электрическим оборудованием летательного аппарата. .
Изобретение относится к области гелио- и ветроэнергетики. Всесезонная гибридная энергетическая вертикальная установка содержит установленный с возможностью вращения вертикальный вал в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную полую ось.

Группа изобретений относится к ветроэнергетике и предназначена для регулирования скорости вращения ветроколеса. Способ управления ветроэлектрической установкой включает аэродинамическое ограничение мощности, развиваемой ветроколесом, за счет изменения положения его лопастей относительно ветра и остановку ветроколеса путем понижения мощности на ветроколесе до его номинального значения регулированием разницы вращающих моментов.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам автономного электроснабжения с диффузорным ускорителем воздушного потока, повышающим эффективность и безопасность установки.

Изобретение относится к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с постоянной скоростью вращения ветроколеса, вращающего электрогенератор. .

Изобретение относится к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам. .

Изобретение относится к системам и способам для ослабления влияния ветровых турбин на расположенную вблизи радарную систему. .

Изобретение относится к установкам по использованию ветровой энергии. Ветроэнергетическое сооружение оборудовано ветродвигателем лопастного типа. Лопасти получают давление ветра под углом к рабочим поверхностям. На вертикально расположенной опоре установлена ось в вертикальном положении. На ось смонтирован приводной рабочий орган, состоящий из рамы, с возможностью поворота рамы вокруг оси. На ось установлен передний приводной шкив на два посадочных места приводных ремней. На другом конце рамы установлена ось в вертикальном положении с устройством натяжения ремня, на ось установлен приводной шкив. Приводные шкивы между собой соединены бесконечным приводным ремнем. На бесконечный приводной ремень снаружи в вертикальном положении установлены лопасти на шарнирах с возможностью поворота в горизонтальное положение и установлены с интервалом между собой. Лопасти имеют полки, опирающиеся на пластину П-образной формы, установленную сзади лопастей переднего ряда вдоль рамы в вертикальном положении и горизонтальными стенками наружу. На раме под рабочим углом А к пластине установлена флюгарка. На раме установлен электрогенератор с ведомым шкивом и соединенным приводным бесконечным ремнем с передним приводным шкивом на два посадочных места приводных ремней. Спереди сооружение и лопасти защищены от движения ветра ширмой, смонтированной на раме. Изобретение направлено на более полное использование энергии ветра и снижение торможения между трущимися поверхностями. 6 ил.
Наверх