ветроэнергетическая установка

Формула изобретения

Ветроэнергетическая установка, состоящая из последовательно соединенных ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, электромагнитной муфты, n-полюсного асинхронного генератора, выводы которого соединены через устройство коммутации с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами, устройством стабилизации напряжения, 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, выход которого соединен с обмоткой управления электромагнитной муфты, отличающаяся тем, что устройство коммутации выполнено в виде ячеек на бесконтактных силовых элементах - симисторах, а датчик скорости - однолинейным, при этом ветроэнергетическая установка содержит блок анализа и управления, вход которого соединен с датчиком скорости, а выходы - с ячейками устройства коммутации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для преобразования энергии ветра в электрическую при стабильных параметрах выходной частоты и напряжения.

Известна "Ветроэлектрическая установка с инерционным аккумулятором энергии" (а.с. №951626, МКИ Н02Р 9/42 от 15.08.82 г.), 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.

Известно изобретение (см. патент RU №2133375, F03D 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.

В качестве прототипа нами выбрано изобретение (патент RU №222531, 7 F03D 7/04 от 01.07.2002 г.), состоящее из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации, дополнительно содержащее 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.

Такое изобретение, как показал опыт его эксплуатации, имеет серьезные преимущества по сравнению с другими. Однако известное изобретение имеет недостатки, заключающиеся в невысокой надежности и конструктивной сложности системы управления и коммутации обмоток n-полюсного асинхронного генератора, в частности:

1. Сложность конструктивного исполнения датчика скорости (как указано, он имеет на выходе исполнительные элементы по количеству, равному числу переключаемых пар полюсов генератора).

2. Невысокая надежность блока коммутации обмоток n-полюсного асинхронного генератора.

Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение надежности работы ветроэнергетической установки в режимах переключения обмоток n-полюсного асинхронного генератора.

Поставленная задача достигается тем, что в ветроэнергетической установке, состоящей из последовательно соединенных ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, электромагнитной муфты, n-полюсного асинхронного генератора, выводы которого соединены через устройство коммутации с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами, устройством стабилизации напряжения, 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, выход которого соединен с обмоткой управления электромагнитной муфты, согласно изобретению устройство коммутации выполнено в виде ячеек на бесконтактных силовых элементах - симисторах, а датчик скорости - однолинейным, при этом ветроэнергетическая установка содержит блок анализа и управления, вход которого соединен с датчиком скорости, а выходы - с ячейками устройства коммутации.

Новизна технического решения обусловлена тем, что применена более надежная система переключения обмоток n-полюсного асинхронного генератора: однолинейный датчик скорости - блок анализа и управления - бесконтактный блок коммутации обмоток n-полюсного асинхронного генератора на симисторах.

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 изображена схема ветроэнергетической установки; на фиг.2 - таблица состояний переключающих ячеек и механические характеристики ветроэнергетической установки в различных режимах работы.

Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, соединенное с передающим устройством 2, выход передающего устройства соединен с однолинейным датчиком скорости 3 и ведущим валом электромагнитной муфты 4, выходной вал которой соединен ротором n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 5 с обмотками 6, 7 и 8, соединенными со входом блока коммутации 10, состоящего из бесконтактных ячеек 11, 12, 13 и 14, при этом датчик скорости соединен со входом блока анализа и управления 9, выход которого соединен с управляющими входами ячеек 11, 12, 13 и 14 блока коммутации 10, выход блока коммутации соединен с конденсаторами возбуждения 15, дополнительными конденсаторами 16, устройством стабилизации напряжения 17 и формирователем импульсов 18, который соединен с первым входом устройства синхронизации 19, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты 20, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя 21, который соединен с обмоткой управления 22 электромагнитной муфты 4.

Установка работает следующим образом. В начальный момент времени на обмотку 22 электромагнитной муфты 4 подается постоянное напряжение, создается максимальный крутящий момент, и ротор асинхронного генератора вращается со скоростью ведущего вала. Ячейка 11 блока коммутации подключает конденсаторы возбуждения 15 и дополнительные 16 к обмотке 6 генератора с большим числом пар полюсов. При достижении ротором асинхронного генератора заданной скорости последний возбуждается, и, посредством ячейки 14, напряжение подается к нагрузке (рабочая точка А на механической характеристике, фиг.2). В диапазоне скоростей от А до В стабилизация скорости и частоты асинхронного генератора происходит за счет скольжения в электромагнитной муфте 4, управляемой через усилитель 21, устройством синхронизации 19, выходной сигнал которого зависит от разницы выходных сигналов формирователя импульсов 18 и задающего генератора 20. При дальнейшем увеличении скорости ветра и скорости вращения ведущего вала электромагнитной муфты (выше точки В, фиг.2) блок анализа и управления 9, анализирующий сигнал с датчика скорости 3, вырабатывает управляющие сигналы для соответствующих ячеек блока коммутации, и происходит переключение конденсаторов 15 и 16 на обмотку 7 с меньшим числом пар полюсов. Асинхронный генератор переходит в следующий режим работы (участок В-С, фиг.2), где стабилизация частоты и скорости опять достигается за счет электромагнитной муфты. Аналогичным образом, при достижении верхней отметки скорости вала в этом диапазоне, происходит переключение конденсаторов на обмотку 8, и асинхронный генератор переходит в следующий режим (участок С-D, фиг.2).

Таким образом, переключение обмоток асинхронного генератора происходит по закону:

где ₁ - радиальная скорость вращения вала передаточного устройства.

Вышесказанное позволяет заключить, что коммутационному блоку необходимо обладать большим быстродействием, что легко достигается при использовании бесконтактных переключающих элементов.

Схема одной переключающей ячейки проста: три оптоэлектронных симистора, управляющие электроды которых объединены в один общий управляющий вывод. Датчик скорости выдает сигнал (напряжение, импульсы), зависящий от скорости вращения выходного вала передающего устройства. Блок анализа и управления может быть реализован на микросхемах ТТЛ-логики либо на микроконтроллере.

Достоинства представленного технического решения заключаются в высокой надежности работы ветроэнергетической установки за счет полного отсутствия контактной схемы при переключении обмоток генератора, сравнительно простой схемной реализации при стабильных параметрах выходной частоты и напряжения.