Ветроэлектрическая установка

Реферат

 

Использование: изобретение относится к ветроэлектрическим установкам малой мощности и может быть использовано при их разработке и проектировании. Сущность изобретения: предлагается ветроэлектрическая установка, в которой статор электрического генератора содержит две обмотки с числом витков в фазах w1 и , каждая из которых соединена с аккумулятором через отдельный выпрямитель, причем их секции разнесены по пазам в пространстве, образуя независимые полюса статора, а количество секций на полюс и фазу выбирается из соотношения где n0, n1 - скорости вращения ветроколеса, при которых обеспечивается напряжение начального заряда аккумуляторных батарей соответственно от обмоток w2 и w1, q1, q2 - количество секций обмоток на полюс и фазу, p1, p2 - полезные мощности обмоток генератора. Предложенное устройство позволяет расширить рабочий ветровой диапазон ветроустановки без снижения ее энергетических характеристик. 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к ветроэлектрическим установкам (ВЭУ) малой мощности. Изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении ВЭУ.

В ВЭУ малой мощности широко используются синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. Конструктивно такие установки состоят из ветроколеса с несколькими лопастями, соединенного непосредственно или через редуктор с осью генератора. На оси генератора собран ротор, состоящий, как правило, из закрепленных в магнитопроводе постоянных магнитов. Ротор вращается внутри статора, состоящего из пакета с пазами и уложенной в них обмотки, однофазной или трехфазной.

Особенностью магнитоэлектрического генератора является прямая зависимость выходных параметров (напряжения и частоты) от скорости вращения.

В связи с нестабильностью ветрового потока наведенная в обмотке ЭДС имеет переменную частоту. Устойчивая работа потребителей с ВЭУ малой мощности возможна только при наличии буферного устройства (аккумуляторной батареи). Аккумуляторная батарея выполняет функции накопителя энергии и стабилизатора напряжения путем увеличения снимаемой мощности за счет роста тока (без аккумулятора на нагрузке растут одновременно ток и напряжение).

Один из существенных недостатков ВЭУ малой мощности заключается в невозможности использования энергии в широком диапазоне ветров. Известны ВЭУ (ветрогенератор SWIAB 065 фирмы Swedish Windpawer AB-SWIAB; ABE-500, AC-500, AC-750 фирмы "ABE Моравна" г. Брно и "Аэрокрафт" г. Либерец, Чехословакия, ВEТЭН-0,16, Рыбинский завод приборостроения, УВЭ-300-2, ЦНИИ "Электроприбор" г. Санкт-Петербург), в которых номинальная мощность достигается при ветрах 8-10 м/с. При слабых ветрах 1,5-3,5 м/с скорость генератора недостаточна для осуществления заряда аккумулятора. В то же время в ряде регионов страны именно этот диапазон преобладает в розе ветров. Попытки снизить начало заряда до скорости n0, соответствующей скорости ветра 1,5-3 м/с, за счет обмоточных данных генератора приводят к снижению номинальной мощности (срезается верхняя часть нагрузочной характеристики вследствие более раннего проявления размагничивающей реакции якоря на скоростях 8-12 м/с).

Например, в установке C-100-12, описанной в монографии Heinz Schulz "Kleine Windkpaftanlagen", 2-е повторное издание, 1993 г. ISB N 3-922964-31-1 Okobuch Verlag, Stanfen bei Freiburg, стр. 21, 41, начало заряда аккумулятора осуществлено при скорости ветра 1,5 м/с. Однако при ветрах 5-10 м/с отдаваемая мощность значительно ниже, чем в аналогичной ей установке УВЭ-200 разработки ЦНИИ "Электроприбор", С.-Петербург.

За аналог принята установка УВЭ-300-2, 1991, которая развивает мощность 300 Вт на скорости генератора nн = 600 об/мин (при ветре 9 м/с), максимальную мощность 450 Вт на скорости nмакс = 1000 об/мин. Начальный зарядный ток аккумулятора обеспечивается на скорости n1 = 250 об/мин (при ветре 3,5 м/с).

Для решения задачи расширения полезного ветрового диапазона работоспособности ВЭУ в данном изобретении предлагается установить двухобмоточный генератор, выдающий зарядное напряжение при двух значениях скорости вращения ветроколеса n0 и n1.

Сущность этого устройства заключается в следующем. В статоре генератора наряду с основной обмоткой w1 предусматриваются пазы под закладку дополнительной обмотки w2. При этом выполняется условие выбора зубцов статора Zст и ротора Zр, не имеющих общего кратного делителя, а также независимости расположения секций каждой из обмоток под полюсами ротора.

Соотношение витков в фазах обмоток выбирается в обратной пропорции к скоростям, при которых должно обеспечиваться зарядное напряжение: w2/w1 = n1/n0 (1).

Следовательно, в диапазоне скоростей генератора от n0 до n1 зарядный ток аккумулятора поступает с дополнительной обмотки через отдельный выпрямитель. В дальнейшем при n > n1 обе обмотки работают впараллель каждая через свой выпрямитель. Независимо от того, что полюсами ротора в них наводится разная ЭДС, стабилизатором напряжения служит аккумулятор.

На фиг. 1 приведена схема включения обеих 3-фазных обмоток генератора через собственные выпрямители на аккумулятор. Поскольку из генератора конструктивно выходит 6 концов статора, мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей целесообразно монтировать в корпусе генератора (или располагать рядом), с тем чтобы передающий кабель ВЭУ имел меньшее число проводов (в приведенном варианте кабель двухжильный).

Опасность перегрузки дополнительной обмотки w2 по плотности тока на высоких скоростях генератора устраняется размагничивающей природой реакции якоря.

При вращении полюсов ротора в зоне секции wC2 за счет реакции якоря происходит их кратковременное размагничивание, чем достигается стабилизация тока I2 на более ранней стадии. Учитывая, что с основной и дополнительной обмоток поочередно взаимодействуют магниты ротора с одинаковой коэрцитивной силой, уровень стабилизированных токов обмоток определится условием: I1wc1= I2wc2 I1w1/q1= I2w2/q2 Если принять стабильным напряжение на аккумуляторе, из последнего условия вытекает выражение, приведенное в формуле изобретения для выбора соотношения числа пазов на полюс и фазу обмоток Этим условием обеспечивается требуемое распределение мощностей между обмотками, не приводящее к тормозящим моментам, превышающим вращающие моменты ветропривода в диапазоне скоростей от n0 до nн.

Нагрузочные характеристики предлагаемой ВЭУ и прототипа приведены на фиг. 2 и отличаются наличием полезной мощности на участке n0 - n1 (заштрихованная часть характеристики), согласованной с вращающими моментами ветроколеса. Поскольку малые ветра (2-5) м/с являются в ряде регионов преобладающими, появление дополнительной мощности P2 в зоне низких скоростей генератора существенно повышает эксплуатационно-энергетические характеристики ВЭУ. В то же время по предельной мощности такая ВЭУ не уступает прототипу, т. к. обе обмотки в номинальном режиме работают на нагрузку одновременно (параллельно), тем самым полезно используется весь объем пазов статора. Следовательно, предложенное изобретение позволяет расширить ветровой диапазон ВЭУ вследствие качественно новой нагрузочной характеристики.

В качестве примера на фиг. 3 приведена схема 3-фазной обмотки статора тихоходного двухдиапазонного синхронного генератора типа ГСПМ-300, имеющего по аналогии с прототипом число полюсов ротора 2р=16 и число зубцов на статоре Zст = 21. Основная обмотка имеет по 5 секций в фазе (на 2 меньше, чем в прототипе): w1 = q1wc1 = 5,34 = 168 Освободившиеся 2 паза занимает дополнительная обмотка: w2 = q2wc2 = 2,120 = 240 При таком соотношении витков начало заряда обеспечивается на скорости вращения в 1,5 раза ниже: Распределение мощностей между обмотками (или кратность токов) определится по выражению (2): На фиг. 4 приведены векторные диаграммы ЭДС обеих обмоток, которые построены для случая совпадения полюса ротора с осью секции wс1 первого паза статора (1-я фаза основной обмотки). Угловые положения wci последующих секций wci определяются по масштабу зубцового деления статора, выраженному в электрических градусах полюсов ротора и приведены в таблице.

Тот факт, что фазные ЭДС дополнительной и основной обмоток образуют 3-фазную систему векторов (с незначительным перекосом), подтверждает возможность реализации предложенного устройства в многополюсном генераторе с постоянными магнитами.

Рассмотрим энергетические характеристики, данные в примере двухобмоточного генератора. Коэрцитивная сила магнитных полюсов, изготовленных из феррита бария 22БА-220, составляет Hc 2200 А/см. При ширине магнита bM = 0,8 см его частичное размагничивание будет происходить под каждой секцией дополнительной обмотки статора при токе I2 = 3,2 А (ток стабилизации). Реакция якоря при этом составит намагничивающую силу В то время как такая реакция якоря от основной обмотки возникнет при токе Таким образом, предельной суммарный ток от генератора составит Iзар = I1 + I2 = 14,7 А ( 450 Вт), что эквивалентно прототипу (фиг. 2). Следовательно, расширение ветрового диапазона ВЭУ предложенным путем не ухудшает ее энергетических характеристик, а также не приводит к перегреву статора генератора.

Формула изобретения

Ветроэлектрическая установка, состоящая из ветроколеса, электрического генератора с постоянными магнитами и электрического аккумулятора, отличающаяся тем, что статор электрического генератора содержит две обмотки с числом витков в фазах w1 и w2= w1(n1/no), каждая из которых соединена с аккумулятором через отдельный выпрямитель, причем секции разнесены по пазам в пространстве, образуя независимые полюса статора, а количество секций на полюс и фазу выбирается из соотношения где n0, n1 - частоты вращения ветроколеса, при которых обеспечивается напряжение начального заряда аккумуляторных батарей соответственно от обмоток w2 и w1; q1, q2 - количество секций обмоток на полюс и фазу; P1, P2 - полезные мощности обмоток генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5