ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2225531

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ( ВЕТРЯК )

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ( ВЕТРЯК )

Имя изобретателя: Богатырев Н.И.; Ванурин В.Н.; Курзин Н.Н.; Креймер А.С.; Зайцев Е.А.; Ерашов Д.А. 
Имя патентообладателя: Кубанский государственный аграрный университет
Адрес для переписки: 350044, г.Краснодар, ул. Калинина, 13, КГАУ, ПИО
Дата начала действия патента: 2002.07.01 

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.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ( ВЕТРЯК )

Фиг.1 представлена принципиальная схема

Фиг.2 - графики, поясняющие работу схемы

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, Uсин). Задающий генератор частоты 19 формирует импульсы прямоугольной формы заданной частоты, например 100 Гц (фиг.2, Uзад). Устройство синхронизации 18 сравнивает фазу между частотой асинхронного генератора и задающего генератора частоты и формирует импульс управления (фиг. 2, iупр), 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 iупр 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 iупр, 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.

Версия для печати
Дата публикации 31.01.2007гг


вверх