ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2075640

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

Имя изобретателя: Забегаев А.И.; Горбунов Ю.Н.; Клещенко В.Г.; Новак Ю.И.; Демкин В.В. 
Имя патентообладателя: Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "Общемаш- Инжиниринг"
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1995.04.20 

Использование: изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ), вырабатывающим электроэнергию с использованием синхронных генераторов, работающих на сеть. Сущность изобретения: способ управления ветроэнергетической установкой включает выработку электроэнергии установкой при работе генератора на сеть, аэродинамическое ограничение мощности, развиваемой ветроколесом, и остановку ветроколеса. В режиме работы генератора на сеть при неисправности системы поворота лопастей к вращающимся элементам установки прикладывают тормозной момент, по величине соответствующий номинальному моменту в трансмиссии, затем выводят генератор из сети и создают дополнительное торможение, переводя генератор в режим дополнительного гистерезисного тормоза, задавая при гистерезисном торможении момент по величине, не превосходящий номинального момента в трансмиссии, а время t приложения дополнительного тормозного момента с одной стороны выбирают из соотношения t і (2...5)T, где T - период низшей частоты колебаний лопасти ветроколеса, а с другой - по наступлению условия wmax= 2wном , где wmax - максимально допустимая скорость ветроколеса, wном - номинальная скорость ветроколеса. Дополнительно в процессе торможения вращающихся элементов установки монотонно уменьшают величину момента Mт1, развиваемого электромагнитным тормозом, по уменьшению угловой скорости w вращения ветроколеса до 0,3. . . 0,5 номинальной скорости wном вращения отключают электромагнитный тормоз, при этом в качестве электромагнитного тормоза используют генератор в режиме гистерезисного торможения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ), вырабатывающим электроэнергию с использованием синхронных генераторов, работающих на сеть.

Исследование работы ВЭУ большой мощности, например 250 кВт, показали, что при работе ВЭУ при сильных ветрах свыше 13.15 м/с могут возникать аварийные ситуации при саморазгоне ветроколеса.

Систему управления ВЭУ настраивают на превышение угловой скорости над номинальной, например на 4.5% При w = (1,04...1,05)w по команде системы управления ВЭУ производится перевод лопастей ветроколеса во флюгерное положение.

Однако в ряде случаев, например при неисправности механизма поворота лопастей, отказе гидросистемы, поломке тяг, других неисправностях, а также при недостатке мощности привода, например, при низких температурах и возросшем трении, возможен невыход лопастей ветроколеса во флюгерное положение.

В результате этого ветроколесо, продолжая отбирать мощность от ветропотока, начинает саморазгоняться. При превышении угловой скорости ветроколеса на 4.5% номинальной величины нарушается работа синхронного генератора с сетью, в результате чего генератор может сгореть от перегрузки. Ветроколесо при потере отбора от него мощности продолжает разгон, в результате скорость вращения может достигать 2-х, 3-х и более кратной номинальной. Мощность, отбираемая от ветропотока, нарастает и аварийная ситуация становится неизбежной.

По рассмотренному "сценарию" в 1993 г. произошел ряд аварий ВЭУ мощностью 250 кВт на Украине, сопровождавшихся разрушением ветроколеса. В России также возникали аварийные ситуации.

Исследование работы ВЭУ в потенциально аварийных ситуациях показали, что задача аварийного останова ВЭУ при отказе системы регулирования положения лопастей имеет принципиальное значение и не может быть решена простой установкой тормозных устройств. Так, при w = 2wном мощность на ветроколесе может в 2 и более раз превышать номинальную. Установка механического тормоза для останова ветроколеса, мощностью по меньшей мере превышающей указанную мощность, развиваемую ветроколесом, с одной стороны приводит к высокодинамичному нагружению лопастей ветроколеса, а с другой стороны к необходимости утилизации тепла, выделяемого тормозом, например 400.500 кВт в течение десятков секунд, что является сложной инженерной задачей, так как помимо агрегатов, в которых происходит выделение тепла, нарушается температурный режим гондолы в целом, что может приводить к выходу из строя аппаратуры от перегрева.

Известен способ управления торможения и останова ветроколеса ВЭУ, реализуемый при работе устройства по а.с. СССР N 1076617, кл. F 03 D 1/00 от 28.05.82, в котором при отсутствии ветра колесо с помощью пневматического тормоза удерживается в неподвижном положении, а при работе в режиме затормаживания и останова ветроколеса тормозной момент прикладывают от тормоза непосредственно к валу ветроколеса.

Недостатком этого известного способа является то, что тормозной момент прикладывают непосредственно к валу ветроколеса, что требует развития больших усилий в тормозном устройстве, так как момент от ветроколеса максимален именно на его валу.

Кроме того, применение пневмотормоза снижает надежность останова ВЭУ, так как требует создания еще одной энергосистемы ВЭУ пневматической в дополнение к существующей электрической энергосистеме, а также компрессора, трубопроводов, пневмоарматуры. Это является недостатком (кроме случаев применения ВЭУ для узкоспециализированных целей производства сжатого воздуха).

Как показано выше непосредственное механическое торможение, приложенное к валу ветроколеса, не решает однозначно задачу останова ветроколеса при его разгоне сверх номинальной скорости вращения, так как потребная мощность торможения может значительно превышать номинальную величину мощности ВЭУ. Поэтому решение задачи необходимо искать в направлении аэродинамического ограничения мощности в сочетании с механическим торможением.

Указанные недостатки ограничивают использование этого известного способа и не позволяют практически использовать его в рассмотренных выше аварийных ситуациях.

Известен способ управления торможения и останова ветроколеса ВЭУ, реализуемый при работе устройства по а. с. СССР N 1325189, кл. F 03 D 7/04, 07.01.76 г. в котором мощность, развиваемую ветроколесом ВЭУ в штатных и аварийных ситуациях регулируют с помощью системы регулирования положения лопастей, которая получает управляющие сигналы от датчиком ветра и системы управления ВЭУ.

Недостатком этого известного способа является прежде всего то, что его возможно реализовать только при исправной системе регулирования положения лопастей. Дублирование систем устройства не означает однозначного повышения надежности, так как возможны случаи, когда при исправной системе может не хватить мощности для вывода лопастей с углов отбора мощности во флюгерное положение. Эти случаи характерны для ВЭУ большой мощности. Ветроколесо в этом случае разгоняется до увеличенной скорости, разрываемая им мощность еще более возрастает, соответственно дополнительно возрастают нагрузки, что ведет к потенциально аварийной ситуации.

Этот известный способ управления торможения и останова ветроколеса ВЭУ, по а. с. СССР N 1325189, кл. F 03 D 7/04 от 07.01.76 г. является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту и выбран за прототип, так как основное направление в борьбе с рассматриваемым классом аварий это добиться аэродинамического ограничения мощности, развиваемой ветроколесом, после достижения которого задача останова ветроколеса уже может решаться с применением тормозных устройств.

Отсюда видно, что только аэродинамического торможения, или только механического торможения недостаточно для эффективного торможения и останова ВЭУ при возникновении аварийной ситуации, недостаточно и их простой комбинации.

Для устранения этой проблемы необходимо комплексное решение, не достижимое простой суммой известных результатов, а имеющее изобретательский уровень.

Необходима разработка новой технологии аварийного торможения ВЭУ - способа управления ВЭУ, при которой достигается сохранение прочности и рабочего ресурса ветроколеса, трансмиссии ВЭУ и исключается аварийная ситуация.

Целью изобретения является:

  • повышение надежности и безопасности работы ВЭУ за счет предупреждения развития аварийной ситуации при отказе системы поворота лопастей ветроколеса;

  • повышение безопасности эксплуатации ВЭУ;

  • повышение ресурса ВЭУ за счет снижения динамических нагрузок, действующих на лопасти ветроколеса, трансмиссию, генератор в режимах торможения, в том числе аварийного.

Поставленная цель достигается за счет того, что при функционировании ВЭУ в режиме работы генератора на сеть и возникновении неисправности системы поворота лопастей ветроколеса, к вращающимся элементам установки прикладывают тормозной момент, по величине соответствующий номинальному моменту в трансмиссии, затем выводят генератор из сети и создают дополнительное торможение, переводя генератор в режим дополнительного электромагнитного тормоза, задавая при электромагнитном торможении момент, по величине не превосходящий номинального момента в трансмиссии, а интервал времени между приложением первого и дополнительного тормозных моментов выбирают с одной стороны не меньшим времени затухания колебаний лопастей, вызванных первым приложением тормозного момента, а с другой стороны не превышающим время разгона ветроколеса до удвоенной от номинальной скорости вращения.

В процессе торможения дополнительно монотонно уменьшают величину дополнительного тормозного момента, а по достижению ветроколесом угловой скорости, равной 0,3.0,5 номинальной, отключают электромагнитный тормоз.

   

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 график мощности, вырабатываемой ветроколесом на примере ветроустановки АВЭ-250 с диаметром ветроколеса 25,0 м в режиме с переменной скоростью вращения w(t); фиг. 2 баланс мощностей: подводимой от ветроколеса к трансмиссии и мощности торможения; фиг. 3 график ступенчато возрастающего тормозного момента, прикладываемого к трансмиссии и ветроколесу и скорость w(t) ветроколеса. Колебания лопастей ветроколеса A (t), возникающие при приложении к трансмиссии тормозных моментом MтMт1; фиг. 4 схема ВЭУ, иллюстрирующая осуществление заявляемого способа на примере ВЭУ однопоточного выполнения с разделяемой трансмиссией.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ

На чертежах и в тексте обозначено: 1 лопасти ветроколеса; 2 - генератор; 3 входной, низкоскоростной вал мультипликатора; 4 большое зубчатое колесо мультипликатора; 5 промежуточный вал мультипликатора; 6 - выходной, высокоскоростной вал мультипликатора; 7 маховик; 8 - многоступенчатый (двух и более) мультипликатор; 9 система управления положением лопастей ветроколеса; 10 управляемый тормоз; 11 -выключаемая муфта сцепления; 12 ведомый фрикционный диск муфты; 13 ведущий фрикционный диск муфты; 14 электродвигатель привода выключения муфты; 15 редуктор привода выключения муфты; 16 тормозные колодки; 17 дополнительный быстроходный вал мультипликатора; 18 выходной элемент выключаемой муфты; 19 входной элемент выключаемой муфты; 20 полый вал ветроколеса; 21 -зубчатая муфта; 22 пружина; 23 нажимной элемент; 24 электродвигатель привода выключения муфты; 25 редуктор; 26 винт; 27 гайка; 28 рычаг; 29 толкатель; 30 большая шестерня промежуточного вала мультипликатора; 31 малая шестерня промежуточного вала мультипликатора; 32 система управления ВЭУ; Mт величина тормозного момента; Mн номинальная величина момента, передаваемого в трансмиссии при работе ВЭУ на номинальной мощности Nном;

Mн= Nном/wном

wном номинальная скорость вращения ветроколеса; wmax максимально допустимая скорость ветроколеса; T период низшей частоты колебаний лопасти ветроколеса; Z быстроходность ветроколеса; Cp коэффициент мощности.

Способ управления ветроэнергетической установкой заключается в следующем.

При выработке электроэнергии в режиме работы генератора на сеть осуществляют аэродинамическое ограничение мощности, развиваемой ветроколесом, вывод генератора из сети и остановку ветроколеса, при этом при неисправности системы поворота лопастей в режиме работы генератора на сеть к вращающимся элементам установки прикладывают тормозной момент, по величине соответствующий номинальному моменту в трансмиссии, затем выводят генератор из сети и создают дополнительное торможение, переводя генератор в режим дополнительного электромагнитного тормоза, задавая при гистерезисном торможении момент по величине, не превосходящий номинального момента в трансмиссии, а время t приложения дополнительного тормозного момента с одной стороны выбирают из соотношения

t і (2.5)T,

где T период низшей частоты колебаний лопасти ветроколеса, а с другой по наступлению условия

wmax= 2wном,

где wmax максимально допустимая скорость ветроколеса,

wном номинальная скорость ветроколеса.

В процессе торможения вращающихся элементов установки монотонно уменьшают величину момента Mт1, развиваемого электромагнитным тормозом, а по достижению угловой скорости w вращения ветроколеса до 0,3.0,5 номинальной скорости wном вращения отключают электромагнитный тормоз.

Рассмотрим реализацию заявляемого способа управления ВЭУ на примере работы ВЭУ однопоточного выполнения, конструктивно-компоновочная схема которой приведена на фиг. 4 (подробно эта ВЭУ рассмотрена в заявке "Ветроэнергетическая установка" того же заявителя, направленной во ВНИИГПЭ, исх. N 34/4-95 от 12.04.95 г.).

Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо с поворотными лопастями 1, многоступенчатый мультипликатор 8, генератор 2, систему управления 9 положением лопастей 1, выключаемую муфту сцепления 11, управляемый тормоз 10, маховик 7. Ветроколесо установлено в гондоле на полом валу 20, связанном через соединительную зубчатую муфту 21 с входным тихоходным валом 3 многоступенчатого мультипликатора 8, имеющего силовой корпус. В выключаемой муфте сцепления 11, выходной 18 и входной 19 элементы, передающие крутящий момент, выведены с одной и той же стороны муфты 11, входной элемент 18, выполненный в виде полой ступенчатой ведущей обоймы, установлен коаксиально выходному элементу 19 муфты 11 и связан с выходной ступенью мультипликатора 8. Центральный выходной элемент 18 вал муфты 11 пропущен через полый быстроходный вал 6 мультипликатора 8 и связан с маховиком 7, последовательно соединенным с генератором 2. Выключаемая муфта сцепления 11 своим корпусом закреплена на силовом корпусе мультипликатора 8.

Момент, передаваемый муфтой 11, регулируется за счет регулировки величины осевого усилия поджатия фрикционных дисков 12 и 13 с помощью нажимного элемента 23, состоящего из внешней невращающейся и внутренней вращающейся частей, поджатых пружиной 22. Включение-выключение муфты 11 производится с помощью привода, включающего электродвигатель 24, редуктор 25, винт 26, гайку 27, связанный с ней одним концом рычаг 28, который другим концом шарнирно прикреплен к корпусу муфты, третья точка рычага 28 шарнирно связана через толкатель 29 с нажимным элементом 23 муфты 11.

Управляемый тормоз 10 монтирован на корпусе мультипликатора 8 со стороны, противоположной генератору 2 и ветроколесу, как и выключаемая муфта 11 с приводом. Тормоз 10 выполнен механическим, например колодочного типа, содержащим тормозной барабан и колодки 16, или дисковым. Возможен вариант выполнения тормоза электромагнитным, например гистерезисным (в качестве механического тормоза, например, может быть применен стандартный колодочный тормоз типа ТКП [3]).

Тормоз 10 связан с дополнительным быстроходным валом 17 мультипликатора 8 и через большую шестерню 30 промежуточного вала 5, малую шестерню 31 промежуточного вала 5 с большой шестерней 4 входного тихоходного вала 3 мультипликатора 8.

Практическое осуществление способа заключается в следующем

При неисправности системы управления положением лопастей ветроколеса (поворота лопастей) или невозможности выведения лопастей во флюгерное положение из-за перегрузки ветроколеса (что эквивалентно неисправности, так как система не выполняет свои функции) в режиме работы генератора на сеть, к вращающимся элементам трансмиссии прикладывают тормозной момент, одновременно выводят генератор из сети (в заявляемом решении речь идет о ВЭУ с синхронными генераторами: в случае невыведения генератора из сети и уменьшения угловой скорости ветроколеса, генератор начинает вращать ветроколесо, работая как двигатель).

Тормозной момент Мт прикладывают от механического тормоза 10 к вращающимся элементам трансмиссии, например, к промежуточному 5 или выходному 6 валу мультипликатора 8. Предпочтительным является приложение тормозного момента к промежуточному валу 6 (или валам), так как это позволяет равномернее нагрузить трансмиссию и в целом повысить суммарную величину тормозного момента.

Приложение тормозного момента Мт от механического тормоза 10 при прижатии колодок 16 к тормозному барабану происходит практически внезапно, скачком. Мощность тормоза 10, определяемую как произведение величины тормозного момента Мт на угловую скорость ветроколеса wн, и равную номинальной мощности, передаваемой через трансмиссию ВЭУ на генератор 2, при реализации режима торможения задают из условия приложения величины тормозного момента, соответствующего номинальному моменту в трансмиссии при работе ВЭУ на номинальной мощности. В этом случае перегрузки трансмиссии не происходит, так как она рассчитана на длительную работу с указанной величиной передаваемого момента.

Однако только одного тормозного момента Мт, равного по мощности в начале торможения мощности Мном генератора 2 ВЭУ для безаварийного останова ВЭУ недостаточно. По существу механический тормоз 10 заменяет нагрузку от генератора на ветроколесо. Ветроколесо при этом продолжает разгоняться, отбирая все увеличивающуюся мощность от ветропотока и уже через 30.60 секунд работы тормоз может перегреться и выйти из строя. Чтобы этого не произошло в заявляемом способе к выходному валу трансмиссии выходному валу 6 мультипликатора 8 прикладывают дополнительный тормозной момент Мт1, создавая это дополнительное торможение за счет перевода генератора 2 в режим электромагнитного, например гистерезисного тормоза. Момент Мт1 при гистерезисном торможении также задают равным или по крайней мере не превышающим величины номинального момента Мн в трансмиссии при работе ВЭУ на номинальной мощности. Таким образом, выходной вал 6 в трансмиссии нагружен тормозным моментом Мт, не превосходящим по величине номинальный момент при работе ВЭУ, а часть трансмиссии от промежуточного вала 5 мультипликатора до ветроколеса оказывается нагружена в пределе двойным моментом М Мтт1. Как показывает анализ прочности узлов трансмиссии ВЭУ и вала ветроколеса, при расчете их работы на срок 10.15 лет в режиме переменных нагрузок для обеспечения долговечности коэффициенты запасов прочности закладываются не менее 2,5.4,0. Поэтому кратковременное нагружение трансмиссии и вала ветроколеса с превышением нагрузок в два раза против номинальных эксплуатационных не наносит ущерба конструкции ВЭУ и практически не сокращает ее ресурс, тем более что имеет место аварийная ситуация, которая в случае ее непредотвращения приведет к большому ущербу.

Важным обстоятельством является динамическое нагружение лопастей ветроколеса при внезапном включении механического тормоза. При этом лопасти ветроколеса изгибаются, развиваются интенсивные колебания лопастей, сопровождаемые высокими нагрузками. Лопасти при этом находятся на углах отбора мощности и ориентированы таким образом, что периферийная часть лопастей лежит практически в плоскости вращения, а корневая сильно закрученная часть находится относительно плоскости вращения под углом от 10o для слабо закрученных лопастей и до 34o 35o для сильно закрученных лопастей, последнее теоретический предел.

В результате при приложении тормозного момента лопасти изгибаются в двух плоскостях, в том числе возникают и крутильные колебания, возможен флаттер. Поэтому данный режим нагружения допустим только минимально возможное время, в течение которого только за счет понижения скорости вращения лопасти, достигаемой путем отбора от колеса на торможение мощности, превышающей мощность, отбираемую ветроколесом от потока, возможно аэродинамическое ограничение мощности.

В технических заданиях на ВЭУ режим механического торможения ветроколеса считается аварийным, его реализация строго регламентирована, например, допускается не более 20.50 случаев торможения за весь период эксплуатации ветроколеса 15.20 лет.

Заявляемый способ предназначен для реализации по существу в режиме аварии. В этом случае расцепление трансмиссии не производят, в силу чего имеет место наибольший момент инерции вращающихся частей ВЭУ. Приложение тормозного момента Мт создает при этом "щадящий" режим нагружения ветроколеса, который составляет 40.50% по величинам нагрузок по сравнению с действием момента Мт на "разделенную" трансмиссию, см. фиг. 3.

Например, когда происходит авария и ВЭУ лишается связи с сетью и оказывается обеспеченной -это вероятно в случае выхода из строя генератора или устройств электросилового управления и связи с сетью, жжение, а тормозное устройство, лишенное питания, перестает удерживать колодки 16 в отведенном от шкива положении, за счет чего возникает тормозной момент, приложенный к промежуточному валу трансмиссии и ветроколесу, после чего через определенный выше временной интервал или по достижению заданной величины угловой скорости ветроколеса по команде системы управления ВЭУ, запитываемой от независимого автономного энергоисточника, производится включение электромагнитного тормоза.

При нахождении ВЭУ в нерабочем состоянии ветроколесо удерживается в заторможенном состоянии, причем механический тормоз "отпускают" только при переводе ВЭУ в рабочее состояние перед пуском ветроколеса. Таким образом, исключается несанкционированный разгон ветроколеса и повышается безопасность работ на ВЭУ и безопасность эксплуатации.

Время приложения дополнительного момента Мт1 выбрано из следующих ограничений:

  • из условия затухания колебаний лопастей, возбужденных приложением момента Мт;

  • предельно допустимой скоростью, до которой может разгоняться ветроколесо, после достижения которой из-за возросшей мощности торможение будет невозможно даже при приложении дополнительного момента Мт1, как это показано на фиг. 1, где изображенный график "1" иллюстрирует рост мощности в несколько раз при увеличенной скорости вращения, см. также фиг. 2, где изображен баланс поступающей мощности и мощности, затрачиваемой на торможение.

Разгон ветроколеса до увеличенной скорости вызывает увеличенный отбор мощности и соответственно дальнейшее увеличение моментов трения в механизме поворота лопастей из-за повышенных нагрузок на лопасть, что при отказе системы управления положением лопастей ветроколеса создает условия дальнейшего саморазгона ветроколеса.

Процесс саморазгона должен останавливаться по достижении двух условий:

аэродинамического самоторможения при высокой скорости вращения за счет снижения значений Ср до 0 при высоких Z;

балансом подводимой мощности и мощности потерь.

Расчетные данные по некоторым характерным нештатным режимам работы ветроколеса для варианта трехлопастного исполнения с номинальной мощностью 250 кВт и диаметром 25 м при wн 4,98 с-1 представлены в нижеприведенной таблице, [4] рассмотрен вариант вращения ветроколеса на переменной скорости вращения с углами установки лопастей на наибольший отбор мощности, что соответствует кривой 1 на фиг. 1.

При увеличении скоростей ветропотока опасность саморазгона и его последствий повышается. Так, при скорости V і 15,0 м/с (20,25.30 м/с) за счет снижения быстроходности числа Z = R/v (при росте V) положительные значения коэффициента мощности Ср сохраняются для все более высоких скоростей v~ и w. При этом из-за увеличения скорости v~ продолжает возрастать мощность, даже при низких значениях Ср.

При w » (4...5w)н из-за повышенной скорости движения периферийной части лопастей, классическая картина обтекания лопасти нарушается: возникают отрывные течения, что создает "тормозящий эффект" и ограничивает скорость вращения ветроколеса свыше w » (4...5)wн.

При этих условиях, как видно из таблицы, наличие только одного механического тормоза мощностью, равной мощности генератора Nмех 250,0 кВт может гарантировать остановку ветроколеса при скорости ветроколеса не более 13,5 15,0 м/с.

При разгоне ветроколеса мощность торможения при включенном тормозе также возрастает. Рост мощности торможения происходит пропорционально увеличению скорости вращения, так как тормозной момент, реализуемый в трансмиссии - постоянен.

Выделение тепла при работе механического тормоза предопределяет режим его работы как аварийный и кратковременный.

Рассмотрим режим торможения ветроколеса.

Расчетный случай.

Вращающееся ветроколесо нагружено механическим тормозом с Nт 250,0 кВт.

Подвод мощности от ветропотока в режиме торможения не учитывается.

Угловое ускорение при торможении (Mт Mном трансмиссии)



где J момент инерции вращающихся масс трансмиссии и ветроколеса, приведенных к низкоскоростному валу.

J 6,8Ч103 (кгЧсек2Чм)

С учетом момента маховика и вращающихся элементов трансмиссии величина J увеличивается в 1,5 раза и составляет

Jо 10,2Ч103 (кгЧсек2Чм).

Момент Мт, развиваемый тормозом



(далее рассмотрим приведение параметров к низкоскоростному валу: при (механическая мощность)

wн= 4,98 с-1.

Время торможения ветроколеса:



Указанное время t соответствует случаю торможения при отсутствии подвода мощности от ветроколеса.

Очевидно, что для рассматриваемого случая при поступлении в трансмиссию мощности от ветроколеса, превышающей номинальную, приложение Мт снимает только часть проблемы: ветроколесо под действием избыточной мощности DN, см. фиг. 2, продолжает разгоняться и может быть остановлено только дополнительным приложением Мт1 при условии, что ветроколесо не набрало мощность, превышающую мощность торможения при приложении обоих тормозных моментов: Мт + Мт1.

Количество энергии, выделенной в тормозе в виде тепла, может быть определено как



Как показывают анализ движения при разгоне ветроколеса при наличии только одного тормозного момента Мт от wн до w = 2wн под действием DN движение происходит при переменном угловом ускорении J



Поэтому в качестве критерия наступления предельного состояния, после которого авария не может быть предотвращена, выбраны условия достижения угловой скорости ветроколеса

wmax= 2wном

Таким образом, при непревышении wmax= 2wном возможно достижение аэродинамического ограничения мощности, развиваемой ветроколесом.

Это иллюстрировано на фиг. 3, где изображен разгон ветроколеса, начиная со скорости, превышающей номинальную на Dw = (4...5%)w приложение момента Мт, снижение темпа разгона ветроколеса, достижение его скорости до wmax= 2wном при времени t2 и достижение замедления при приложении момента Мт1. После достижения устойчивого процесса торможения ветроколеса и снижении его скорости вращения достигается устойчивое аэродинамическое ограничение его мощности (так как для эффективного торможения и минимизации тепловыделения в гондоле необходимо не только тормозить, но и уменьшать мощность, поступающую от ветроколеса и расходуемую на торможение, а это достигается аэродинамическим путем), в результате чего уже по достижению w = wном возможно снижение величины дополнительного тормозного момента, развиваемого электромагнитным тормозом.

Далее в процессе торможения вращающихся элементов установки монотонно уменьшают величину момента, развиваемого электромагнитным гистерезисным тормозом, а по достижению угловой скорости вращения ветроколеса до 0,3.0,5 номинальной скорости вращения открывают гистерезисный тормоз.

Признаки заявляемого способа в части:

  • "монотонного уменьшения величины момента, развиваемого электромагнитным тормозом";

  • "отключения электромагнитного тормоза по достижению угловой скорости вращения ветроколеса до 0,3.0,5 номинальной скорости вращения", а также в части использования в качестве электромагнитного тормоза генератора в режиме гистерезисного торможения";

  • усиливают положительный эффект от реализации совокупности признаков, изложенных в основном пункте формулы изобретения, и вынесены в дополнительные пункты: пп. 2, 3 и 4 формулы изобретения.

Заявляемый способ по сути впервые решить практическую задачу быстрого и эффективного (и многократного) останова ветроколеса при разного рода аварийных ситуациях, включая отказ механизмов системы регулирования положения лопастей ветроколеса во всем диапазоне скоростей ветропотоков, позволяя при этом реализовать тормозной момент наибольшей величины, объективно ограниченный прочностными возможностями конструкции ВЭУ и имеющимися в наличии на автономной ВЭУ, работающей в автоматическом режиме, техническими средствами и создавать автономно работающие ВЭУ, не требующие обслуживающего персонала, даже в аварийных ситуациях, так как аварийные алгоритмы работы ВЭУ могут быть четко регламентированы, в рассматриваемом режиме управления с помощью заявляемого способа.

На практике это ВЭУ для объектов Минобороны, удаленных фермерских хозяйств, маяков и др. объектов, доступ к которым затруднен.

Таким образом, заявляемый способ является прогрессивным, а его использование создает положительный эффект:

  • повысить надежность и безопасность работы ВЭУ за счет предупреждения развития аварийной ситуации при отказе системы поворота лопастей ветроколеса;

  • повысить безопасность эксплуатации ВЭУ;

  • повысить ресурс ВЭУ за счет снижения динамических нагрузок, действующих на лопасти ветроколеса, трансмиссию, генератор в режимах торможения, в том числе аварийного.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР N 1076617, кл. F 03 D 1/00 от 28.05.82.

2. Авторское свидетельство СССР N 1325189, кл. F 03 D 7/04 от 07.01.76 - прототип.

3. Тормоз колодочный. Тип ТКП 300 У2 ПВ 25% 220v, ТУ 24-1-1787-78.

4. Техническое предложение. Разработка мер по предотвращению колебательных режимов при работе агрегата "Ветроэн-250". ТП.ВЭТ-250.03.94, М. Фирма "Общемаш-инжиниринг", 1994.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ управления ветроэнергетической установкой, включающий выработку электроэнергии установкой при работе генератора на сеть, аэродинамическое ограничение мощности, развиваемое ветроколесом, и остановку ветроколеса, отличающийся тем, что в режиме работы генератора на сеть при неисправности системы поворота лопастей к вращающимся элементам установки прикладывают тормозной момент, по величине соответствующий номинальному моменту в трансмиссии, затем выводят генератор из сети и создают дополнительное торможение, переводя генератор в режим дополнительного гистерезисного тормоза, задавая при гистерезисном торможении момент по величине, не превосходящей номинального момента в трансмиссии, а время t приложения дополнительного тормозного момента, с одной стороны, выбирают из соотношения t і (2 - 5)Т, где Т период низшей частоты колебаний лопасти ветроколеса, а с другой - по наступлению условия wmax = 2wном, где wmax максимально допустимая скорость ветроколеса, wном номинальная скорость ветроколеса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе торможения вращающихся элементов установки монотонно уменьшают величину момента, развиваемого электромагнитным тормозом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при уменьшении угловой скорости вращения ветроколеса до 0,3 0,5 wном вращения отключают электромагнитный тормоз.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного тормоза используют генератор в режиме гистерезисного торможения.

Версия для печати
Дата публикации 02.04.2007гг


вверх