PL225683B1

PL225683B1 - Sposób sterowania elektrownią wiatrową oraz zespół sterowania elektrownią wiatrową

Info

Publication number: PL225683B1
Application number: PL409044A
Authority: PL
Inventors: Zdzisław Ząber
Original assignee: Ząber Zdzisław Przedsiębiorstwo Produkcyjno Usługowe Dr Ząber
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2017-05-31
Also published as: PL409044A1; EP2980402A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania elektrownią wiatrową, pracującą ze zmienną prędkością obrotową wirnika, w której uzyskiwany prąd o różnej częstotliwości, przetwarza się na prąd o częstotliwości używanej w sieci energetycznej. Przedmiotem wynalazku jest też zespół sterowania elektrownią wiatrową, realizujący sposób według wynalazku. Przedmiotowy sposób i zespół sterowania stosuje się w małych elektrowniach wiatrowych, w których nastawia się jednolicie wszystkie łopaty wirnika silnika wiatrowego.

Stan techniki. Znane są urządzenia do sterowania elektrowniami wiatrowymi i związane z nimi sposoby sterowania poprzez zmianę kąta natarcia łopat, stosowane w elektrowniach dużej mocy, polegające na oddzielnym nastawianiu każdej z łopat serwomechanizmami umieszczonymi w piaście silnika wiatrowego. Te systemy sterowania są kosztowe, zwłaszcza w małych elektrowniach. Znane są też sposoby sterowania elektrowniami wiatrowymi wyposażonymi w wolnoobrotowe prądnice, polegające na tym, iż w razie wzrostu prędkości obrotowej wirnika, przy silnym wietrze, ponad jego prędkość nominalną, nadwyżkę wytwarzanej energii wytraca się w rezystorach, natomiast dla zatrzymania elektrowni zwiera się styki jego prądnicy głównej. Znane są także mechanizmy sterowania, według patentów polskich nr 170684 albo 180251, bądź zgłoszenia P.330698, wyposażone w śrubę, która okresowo napędzana jest albo od wirnika silnika wiatrowego, poprzez przekładnię, albo oddzielnym silnikiem elektrycznym, tak aby miała prędkość obrotową większą niż prędkość obrotowa wirnika, albo zatrz ymuje się tę śrubę hamulcem. Ze śrubą współpracuje nakrętka, która poprzez układ dźwigniowy zmienia położenie łopat wirnika.

ISTOTA ROZWIĄZANIA.

Sposób sterowania elektrownią wiatrową, wyposażoną w silnik wiatrowy z nastawnymi łopatami wirnika, pracującą ze zmienną prędkością obrotową wirnika, zależną od prędkości wiatru, polega na regulowaniu kąta ustawienia łopat silnika wiatrowego siłownikiem śrubowym, umieszczonym wewnątrz wirnika silnika wiatrowego, współosiowo z nim. Siłownik śrubowy składa się głównie z elementu wykonawczego, osadzonego w wirniku silnika wiatrowego przesuwnie wzdłuż jego osi obrotu, oraz z elementu sterującego, zaś sposób sterowania charakteryzuje się tym, iż w poszczególnych stanach pracy elektrowni, element sterujący siłownika śrubowego napędza się silnikiem elektrycznym, określanym dalej jako „silnik sterujący”, nadając mu prędkość obrotową nominalną silnika wiatrowego, albo nie napędza się tego elementu, bądź w niektórych stanach pracy, hamuje się element sterujący siło wnika śrubowego. Prędkością nominalną wirnika silnika wiatrowego jest jego prędkość obrotowa odpowiadająca nominalnej prędkości obrotowej prądnicy elektrowni wiatrowej, albo prędkość obrotowa wirnika mniejsza, celowo ustalona dla szczególnych warunków pracy elektrowni. Z prędkością nom inalną prądnicy wiąże się także jej moc nominalna, a te parametry są podstawą obliczeń konstrukcyjnych w projektowaniu mechanicznych i elektrycznych zespołów roboczych elektrowni.

Głównymi elementami siłownika śrubowego: sterującym i wykonawczym, są śruba oraz nakrętka, przy czym korzystnie elementem sterującym tego siłownika jest nakrętka sterująca, a elementem wykonawczym jest śruba napędowa. Element wykonawczy siłownika śrubowego sprzężony jest z mechanizmem napędu ruchu nastawczego łopat wirnika silnika wiatrowego. Kierunek zwojów gwintu w siłowniku śrubowym dobrany jest tak, iż przy prędkości obrotowej elementu sterującego siłownikiem śrubowym mniejszej, niż prędkość obrotowa wirnika, czyli przy prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego przekraczającej prędkość nominalną tego wirnika, a także przy unieruchomieniu elementu sterującego w siłowniku śrubowym, ten element wykonawczy siłownika śrubowego zwiększa kąt ustawienia łopat silnika wiatrowego. Maksymalny kąt ustawienia łopat występuje w elektrowni unieruch omionej, jest to kąt zbliżony do prostego, przy którym na profilu aerodynamicznym łopaty wiejący wiatr nie wytwarza siły nośnej.

W elektrowni sterowanej sposobem według wynalazku, wirnik silnika wiatrowego ma oś obrotu zasadniczo równoległą do kierunku wiatru, to jest oś poziomą z dopuszczalnym odchyleniem o kąt kilku stopni od położenia poziomego. Głowica elektrowni nastawiana jest pod wiatr znanymi systemami nastawczymi. Uzyskiwany w elektrowni wiatrowej prąd przemienny, o częstotliwości wynikającej z prędkości obrotowej wirnika, przetwarzany jest w inwerterze, czyli urządzeniu elektronicznym będącym połączeniem prostownika i falownika, na prąd o częstotliwości stosowanej w sieci energetycznej.

Sposób sterowania elektrownią wiatrową, w poszczególnych charakterystycznych stanach jej pracy, przebiega jak opisano poniżej.

PL 225 683 B1

W zakresie prędkości obrotowych wirnika silnika wiatrowego sterowanej elektrowni nie mniejszych od jego prędkości nominalnej, napędza się silnikiem sterującym element sterujący siłownika śrubowego, nadając mu prędkość obrotową nominalną wirnika silnika wiatrowego, w kierunku obrotów zgodnym z kierunkiem obrotów wirnika silnika wiatrowego. W wyniku tego występują alternatywnie trzy stany pracy elektrowni wiatrowej, zależne od aktualnej prędkości obrotowej napędzanego wiatrem wirnika w jej silniku.

Pierwszy - gdy prędkość obrotowa wirnika silnika wiatrowego równa się jego prędkości nominalnej, wówczas zarówno wirnik silnika wiatrowego, jak też osadzony w nim przesuwnie element w ykonawczy siłownika śrubowego, oraz napędzany silnikiem sterującym, element sterujący tego siłownika, wirują z identyczną prędkością i w tym samym kierunku. Pomiędzy elementami siłownika śrubowego: sterującym i wykonawczym, z których jeden jest nakrętką, a drugi śrubą, brak jakiegokolwiek względnego ruchu obrotowego, w rezultacie nie następuje przesuwanie się na gwincie jednego elementu siłownika śrubowego względem drugiego elementu tego siłownika. Wszystkie omówione elementy elektrowni pozostają w ruchu jednostajnym, z zachowaniem równowagi energ ii pobieranej od wiatru i oddawanej do sieci elektrycznej.

Drugi - gdy prędkość obrotowa wirnika silnika wiatrowego i osadzonego w nim przesuwnie elementu wykonawczego siłownika śrubowego, jest większa od prędkości nominalnej, tym samym większa od prędkości obrotowej elementu sterującego w siłowniku śrubowym napędzanego silnikiem sterującym. Wówczas występuje różnica prędkości obrotowych elementów: sterującego i wykonawczego w siłowniku śrubowym. Ta różnica prędkości skutkuje względnym ruchem obrotowym je dnego elementu siłownika śrubowego względem drugiego, który poprzez gwint łączący oba elementy, przekształca się w ruch przesuwny elementu wykonawczego siłownika śrubowego wzdłuż osi wirnika, a ten ruch przenosi się na nastawczy obrót łopat wirnika, zwiększający kąt ustawienia tych łopat, czyli kąt między cięciwą profilu aerodynamicznego łopaty, a płaszczyzną ruchu wirnika. Większa od nom inalnej prędkość obrotowa wirnika elektrowni spowodowana jest nadwyżką energii pobieranej przez wirnik od wiejącego wiatru, nad energią prądu elektrycznego oddawaną do sieci energetycznej, natomiast zwiększenie kąta ustawienia łopat wirnika powoduje, iż pobór energii wiatru zmniejsza się i elektrownia dąży do osiągnięcia stanu pracy ustalonej.

Trzeci - w przypadkach chwilowego zmniejszenia się prędkości obrotowej wirnika poniżej prędkości nominalnej, na przykład wskutek osłabnięcia wiatru albo wzrostu obciążenia w sieci energetycznej. W tym przypadku element sterujący siłownika śrubowego, napędzany silnikiem sterującym, nadal wiruje z prędkością nominalną, wskutek czego chwilowa prędkość silnika wiatrowego i osadzonego w nim przesuwnie elementu wykonawczego siłownika śrubowego jest mniejsza od prędkości obrotowej elementu sterującego w siłowniku śrubowym. Występuje więc różnica prędkości obrotowych elementów: sterującego i wykonawczego w siłowniku śrubowym, skutkująca względnym ruchem obrotowym jednego elementu siłownika śrubowego względem drugiego z nich, który to ruch poprzez gwint łączący oba elementy siłownika śrubowego, przekształca się w ruch przesuwny elementu wykonawczego tego siłownika wzdłuż osi wirnika, w stronę przeciwną niż w opisanym wcześniej stanie pracy, w którym prędkość wirnika przewyższała nominalną. Ruch przesuwny przenosi się na nastawczy obrót łopat wirnika, zmniejszając kąt ustawienia tych łopat, w stronę kąta nominalnego, a w rezultacie pobór energii wiatru zwiększa się, przy czym elektrownia dąży do osiągnięcia stanu pracy ustalonej.

W zakresie prędkości obrotowych wirnika silnika wiatrowego elektrowni, mniejszych od jego prędkości nominalnej, w dłuższym przedziale czasu - elementu sterującego w siłowniku śrubowym nie napędza się. Natomiast łopaty wirnika silnika wiatrowego, w wyniku działań sterowniczych poprzedzających ten stan pracy elektrowni wiatrowej, nastawione są w położeniu charakteryzującym się nom inalnym kątem ustawienia tych łopat do płaszczyzny ruchu wirnika silnika wiatrowego, przy którym sprawność wirnika jest największa, a zatem pozwala w najwyższym stopniu wykorzystać siłę wiatru. Prędkość obrotowa wirnika silnika wiatrowego elektrowni wynika, w tym stanie pracy, z równowagi energii pobieranej przez wirnik od wiejącego wiatru oraz poboru energii do sieci elektrycznej. Gd y wzrasta siła wiatru, lub zmniejsza się pobór energii, wirnik silnika wiatrowego przyspiesza, a po osiągnięciu prędkości nominalnej włącza się silnik sterujący i elektrownia przechodzi w opisany powyżej stan pracy przy prędkościach nie mniejszych od nominalnej.

W celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego, w tym całkowitego zatrzymania tego silnika, odłącza się zasilanie prądem elektrycznym silnika sterującego oraz hamuje się element sterujący siłownika śrubowego. W wyniku tych działań, różnica prędkości obrotowych względnych wirują4

PL 225 683 B1 cego elementu wykonawczego w siłowniku śrubowym oraz unieruchomionego elementu sterującego w tym siłowniku, jest największa z możliwych, powodując szybki ruch w połączeniu gwintowym tych dwóch elementów, a w rezultacie szybki przesuw elementu wykonawczego siłownika śrubowego, który z kolei przenosi się na nastawczy obrót łopat wirnika, zwiększając kąt ustawienia tych łopat, czyli kąt między cięciwą profilu aerodynamicznego łopaty, a płaszczyzną ruchu wirnika. Zwiększanie kąta ustawienia łopat trwa do chwili osiągnięcia kąta ustawienia żądanego przez obsługę elektrowni, bądź w stanach awaryjnych, albo chroniących przed awarią - do osiągnięcia maksymalnego kąta ustawienia łopat, bliskiego kątowi prostemu, co zatrzymuje wirnik silnika wiatrowego i zabezpiecza zespoły elektrowni przed przeciążeniem, na przykład przy prędkościach wiatru znacznie przewyższających prędkości nominalne dla niej.

W celu uruchomienia zatrzymanego wirnika silnika wiatrowego, włącza się silnik sterujący, który obraca element sterujący siłownika śrubowego, w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów wirnika silnika wiatrowego. W rezultacie tego obrotu, poprzez gwint łączący element wykonawczy z elementem sterującym siłownika śrubowego, wywołuje się ruch przesuwny elementu wykonawczego względem wirnika, który zmienia kąt ustawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego. Wirnik ten może, już w trakcie obracania łopat, rozpocząć swą pracę, jeśli wiatr jest wystarczająco silny, ale mimo to, siłownik śrubowy napędzany silnikiem sterującym, nadal zmniejsza kąt ustawienia łopat wirnika, aż do osiągnięcia kąta nominalnego.

W pierwszym wariancie wynalazku, dotyczącego sposobu sterowania, elektryczny silnik sterujący, który w elektrowni wiatrowej napędza element sterujący siłownika śrubowego, jest silnikiem synchronicznym. Silnik synchroniczny zapewnia stabilność prędkości obrotowej, z którą napędza się element sterujący siłownika śrubowego. Korzystnie, jest to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi. W trakcie normalnej pracy elektrowni, przy prędkościach wirnika silnika wiatrowego nie mniejszych od prędkości nominalnej, a także podczas rozruchu elektrowni po jej postoju, silnik sterujący zasila się prądem elektrycznym o częstotliwości, która napędzanemu tym silnikiem elementowi sterującemu w siłowniku śrubowym, nadaje prędkość obrotową równą nominalnej prędkości wirnika silnika wiatrowego. Natomiast przy prędkościach wirnika silnika wiatrowego mniejszych od nominalnej, silnika sterującego nie zasila się, zaś elementy wirujące silnika sterującego obracają się ruchem jałowym, napędzane od wirnika silnika wiatrowego, w wyniku sprzężenia z siłownikiem śrubowym, w tym z jego elementem sterującym.

W celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego, także przy jego prędkościach mniejszych od nominalnej, w tym w celu całkowitego zatrzymania tego wirnika, zwiera się styki silnika sterującego. Wówczas silnik sterujący napędzany jest, w tym stanie pracy, przez wirnik silnika wiatrowego elektrowni, za pośrednictwem wirującego z nim siłownika śrubowego, w wyniku czego silnik sterujący przechodzi w stan pracy prądnicowej, zaś zwarcie jego styków wywołuje w tym silniku duży moment obciążenia, zwany hamowaniem dynamicznym. Na hamowanie silnikiem pozwala duża odporność na zwarcie silników synchronicznych z magnesami trwałymi. Hamowanie dynamiczne silnika sterującego skutkuje tym, iż w siłowniku śrubowym hamowany jest element sterujący, a to, poprzez gwint łączący go z elementem wykonawczym tego siłownika, wywołuje przesuw elementu wykonawczego, a w rezultacie, opisane wcześniej, zwiększanie kąta nastawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego.

W drugim wariancie wynalazku dotyczącego sposobu sterowania elektrownią, silnik sterujący, który napędza element sterujący siłownika śrubowego, jest sprzężony z hamulcem ciernym, normalnie zahamowanym, posiadającym luzownik elektromagnetyczny albo elektrohydrauliczny. Luzownik, w wyniku zasilania jego uzwojeń prądem elektrycznym, przestawia hamulec w położenie zluzowane (odhamowane), zaś bez zasilania prądem pozwala hamulcowi samoczynnie przejść w stan zahamowany. W niniejszym wariancie sposobu sterowania elektrownią, silnik sterujący zasila się prądem elektrycznym, a w rezultacie napędza się element sterujący siłownika śrubowego, przy prędkościach wirnika silnika wiatrowego nie mniejszych od nominalnej, a także w celu uruchomienia elektrowni, po jej zatrzymaniu. Przebieg czynności sterowniczych oraz ich skutki dla tych stanów pracy elektrowni wiatrowej zostały przedstawione we wcześniejszej, ogólnej, części opisu istoty wynalazku, są one bowiem identyczne dla obu wariantów sterowania. Natomiast odmiennie niż w wariancie pierwszym przebiega sterowanie przy prędkościach wirnika silnika wiatrowego mniejszych od jego prędkości nominalnej, oraz przy zmniejszaniu prędkości tego wirnika, w tym dla jego całkowitego zatrzymania.

W tym wariancie wynalazku można zastosować silnik z wbudowanym hamulcem ciernym, stosowany w napędach dźwignic, przy czym wymaga to zmiany systemu zasilania, w ten sposób, aby luzownik jego hamulca był zasilany prądem elektrycznym niezależnie od zasilania uzwojeń silnika.

PL 225 683 B1

W zakresie prędkości obrotowych wirnika silnika wiatrowego mniejszych od jego prędkości nominalnej - silnika sterującego nie zasila się, zaś luzownik zasila się prądem elektrycznym. W wyniku tego, hamulec jest odhamowany, natomiast silnika sterującego, i wraz z nim elementu sterującego w siłowniku śrubowym, nie napędza się, zatem silnik sterujący nie zmienia położenia łopat wirnika w silniku wiatrowym, które ustawione są pod maksymalnym kątem względem płaszczyzny ruchu tego wirnika.

W celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego, także przy jego prędkościach mniejszych od nominalnej, w tym, w celu całkowitego zatrzymania tego wirnika, odłącza się zasilanie prądem elektrycznym zarówno silnika sterującego jak i luzownika hamulca. Wówczas hamulec przechodzi w stan zahamowany, unieruchamiając element sterujący w siłowniku śrubowym, a to poprzez gwint łączący element sterujący z elementem wykonawczym tego siłownika, wywołuje przesuw elementu wykonawczego, a w rezultacie, opisane wcześniej, zmniejszanie kąta nastawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego.

W obu wariantach wynalazku dotyczącego sposobu sterowania elektrownią wiatrową, silnik sterujący korzystnie umieszczony jest współosiowo z wirnikiem silnika wiatrowego, a tym samym, współosiowo z siłownikiem śrubowym. Silnik sterujący usytuowany jest po przeciwnej, aniżeli wirnik silnika wiatrowego, stronie prądnicy głównej elektrowni, natomiast siłownik śrubowy przechodzi przez wnętrze wirnika prądnicy głównej. Części wirujące silnika sterującego połączone są z elementem sterującym siłownika śrubowego, bez pośrednictwa przekładni. Pozwala to uzyskać zwartą konstrukcję głó wnych zespołów elektrowni wiatrowej.

W innym wariancie połączenia silnika sterującego z siłownikiem śrubowym, silnik sterujący m oże być połączony z elementem sterującym tego siłownika za pośrednictwem przekładni mechanicznej. Pozwala to umieścić silnik sterujący w innym miejscu niż w osi prądnicy głównej, jeśli byłoby to dogodne ze względu na szczególne warunki usytuowania zespołów elektrowni wiatrowej.

Sposób sterowania elektrownią wiatrową umożliwia także pracę elektrowni przy ograniczonej prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego. W razie potrzeby uzyskania takiego stanu pracy, zmniejsza się prędkość obrotową silnika sterującego, co w rezultacie zmniejsza prędkość nominalną wirnika silnika wiatrowego. Korzystnie, ograniczenie prędkości uzyskuje się poprzez zmianę częstotliwości prądu zasilającego silnik sterujący. Zmniejszenie prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego można wykorzystać na przykład w celu obniżenia, w porze nocnej, szumu powstającego na łopatach elektrowni.

Zespół sterowania elektrownią wiatrową, mającą silnik wiatrowy o osi obrotu zasadniczo równoległej do kierunku wiatru, które to sterowanie realizowane jest poprzez zmianę kąta ustawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego, posiada silnik elektryczny określany dalej jako „silnik sterujący”, osadzony swym korpusem w nieruchomych elementach elektrowni, a także zawiera siłownik śrubowy, składający się z elementu sterującego oraz elementu wykonawczego, połączonych z sobą gwintem napędowym. Siłownik śrubowy usytuowany jest w wirniku silnika wiatrowego współosiowo z tym wirn ikiem, przy czym element wykonawczy siłownika śrubowego osadzony jest w wirniku silnika wiatrowego przesuwnie, wzdłuż jego osi obrotu, oraz sprzężony jest z mechanizmem napędu ruchu nastawczego łopat wirnika. Silnik sterujący napędza element sterujący siłownika śrubowego, nadając mu prędkość obrotową nominalną, z jaką powinien obracać się wirnik silnika wiatrowego.

Silnik sterujący jest elektrycznym silnikiem synchronicznym, z magnesami trwałymi. Osadzony jest on współosiowo z wirnikiem silnika wiatrowego sterowanej elektrowni, a tym samym współosiowo z siłownikiem śrubowym. Części wirujące silnika sterującego połączone są z elementem sterującym siłownika śrubowego bez pośrednictwa przekładni.

Sterowana elektrownia wiatrowa posiada prądnicę prądu przemiennego, korzystnie trójfazową, w której wytwarzany jest prąd o częstotliwości wynikającej z aktualnej prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego, zależnej od prędkości wiatru. Uzyskany z energii wiatru prąd elektryczny przetwarzany jest w inwerterze na prąd o częstotliwości wymaganej w sieci energetycznej. Inwerter jest zespołem połączonych dwóch urządzeń elektronicznych: prostownika oraz falownika. W prostowniku, prąd przemienny o częstotliwości wynikającej z aktualnej prędkości wiatru, przetwarzany jest na prąd stały, a w falowniku przetwarzany jest na prąd przemienny o częstotliwości wymaganej w sieci energetycznej.

Silnik sterujący w zespole sterowania elektrowni wiatrowej zasilany jest, podczas pracy elektrowni, prądem elektrycznym uzyskanym z jej prądnicy, przetworzonym przez inwerter na wymaganą częstotliwość, pobieranym bezpośrednio z inwertera. Podczas rozruchu elektrowni, po jej zatrzymaniu,

PL 225 683 B1 silnik sterujący zasilany jest z innego źródła energii, korzystnie z sieci energetycznej. Wariantem jest zasilanie silnika sterującego, zarówno podczas pracy elektrowni, jak i jej rozruchu, ze źródła energii innego niż z prądnicy elektrowni poprzez jej inwerter, korzystnie zasilanie z sieci energetycznej.

Zespół sterowania elektrownią wiatrową, w swym układzie elektrycznym, posiada łącznik, zwierający styki silnika sterującego, w celu wykorzystania tego silnika do hamowania dynamicznego wirnika silnika wiatrowego elektrowni. W stanie zwarcia, silnik sterujący, pracujący jako prądnica, wytwarza moment hamujący kilkakrotnie wyższy do jego momentu nominalnego. Ponieważ jednak zadaniem silnika sterującego na tym etapie pracy, jest zatrzymanie tylko elementu sterującego w siłowniku śrubowym, aby zmienić kąt ustawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego, potrzeba znacznie mniejszej energii hamowania, niż dla bezpośredniego hamowania wirnika silnika wiatrowego, poprzez zwarcie styków prądnicy głównej elektrowni.

Zamykanie obwodu w łączniku zwierającym styki silnika sterującego napędzane jest mechanicznie, korzystnie sprężyną. Otwieranie i podtrzymanie stanu otwarcia dokonuje się elektrycznie, z zasilaniem prądem napędu łącznika, niezależnie od zasilania silnika sterującego. Ta niezależność zasilania oznacza, że istnieje możliwość zasilania prądem samego napędu łącznika, celem rozwarcia styków tego łącznika, przy jednoczesnym braku zasilania silnika sterującego. Realizuje się to w stanie pracy elektrowni, w którym wirnik silnika wiatrowego obraca się z prędkością mniejszą od nominalnej, a więc nie zasila się prądem silnika sterującego. Istnieje też możliwość zasilania prądem zarówno napędu łącznika, celem rozwarcia styków tego łącznika, jak i zasilania silnika sterującego, by napędzał element sterujący siłownika śrubowego. Realizuje się to w stanie pracy elektrowni, w którym wirnik silnika wiatrowego obraca się z prędkością nie mniejszą od nominalnej, oraz podczas rozruchu elektrowni.

Zespół sterowania, w swym układzie elektrycznym, ma także czujnik położenia elementu wykonawczego siłownika śrubowego. Czujnik ten, po osiągnięciu przez element wykonawczy pozycji odpowiadającej nominalnemu kątowi ustawienia łopat wirnika, rozłącza obwód zasilania prądem elektrycznym silnika sterującego. Czujnik może funkcjonować w systemie zero-jedynkowym, to jest albo sygnalizować położenie elementu wykonawczego siłownika śrubowego skutkujące rozłączeniem zasilania silnika sterującego, albo nie sygnalizować położenia. Można tu zastosować czujniki różnego typu, na przykład magnetyczne, optyczne, albo wyłączniki krańcowe o mechanicznej zasadzie działania. Korzystnym jest, zastosowanie przyrządu pomiarowego określającego położenie elementu wyk onawczego siłownika śrubowego, bądź połączenie czujnika z takim przyrządem. Pozwala to pośrednio, poprzez położenie elementu wykonawczego siłownika śrubowego, na pomiar i rejestrację aktualnego kąta nastawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego elektrowni.

Siłownik śrubowy, jak wspomniano we wcześniejszej części opisu, składa się z elementu sterującego oraz elementu wykonawczego, połączonych z sobą gwintem napędowym. Korzystnie, elementem sterującym siłownika śrubowego jest nakrętka sterująca, a elementem wykonawczym tego siło wnika jest śruba napędowa, zwłaszcza z gwintem trapezowym. Śruba napędowa połączona jest z nastawnymi łopatami wirnika za pośrednictwem mechanizmów dźwigniowych z przegubami kulowymi, które to mechanizmy przekształcają ruch przesuwny śruby względem wirnika silnika wiatrowego, na nastawczy ruch obrotowy łopat tego wirnika. Alternatywnie, przeniesienie napędu ze śruby napędowej na łopaty może być realizowane za pomocą zębatek, osadzonych na tej śrubie i przesuwających się wraz z nią oraz współpracujących z zębatkami kół zębatych, osadzonych na czopach łopat wirnika silnika wiatrowego, które to czopy usytuowane są w podzespołach łożyskowania łopat w wirniku silnika wiatrowego.

Korzystne skutki stosowania wynalazku. W wyniku nadania silnikowi sterującemu prędkości nominalnej silnika wiatrowego, uzyskuje się ciągłą regulację prędkości obrotowej wirnika w silniku wiatrowym. Sterowanie elektrownia szybko reaguje na najmniejsze odchylenia od prędkości nominalnej wirnika silnika wiatrowego, a jej układ sterowania dąży do utrzymania stanu równowagi między energią wiatru a energią oddawaną do sieci. Hamowanie poprzez zwarcie uzwojeń silnika sterującego, a nie prądnicy głównej, zmniejsza obciążenie prądem elektrycznym układu hamowania elektrowni. Ponadto sterowanie elektrownią poprzez zasilanie silnika sterującego prądem o częstotliwości nadającej mu prędkość nominalną, pozwala zmniejszyć w razie potrzeby prędkość obrotową elektrowni, na przykład w celu ograniczenia, zwłaszcza w porze nocnej, szumu powstającego w pracy elektrowni.

Przykłady realizacji. Zespół sterowania elektrownią wiatrową oraz elementy elektrowni współpracujące z tym zespołem, uwidocznione są w przykładzie realizacji, w opisie wynalazku i na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

PL 225 683 B1

Fig. 1 - Silnik wiatrowy elektrowni z prądnicą i silnikiem sterującym oraz innymi podzespołami w przekroju wzdłużnym.

Fig. 2 - Połączenie silnika sterującego z siłownikiem śrubowym - zaznaczone na fig. 1 jako szczegół „A”.

Fig. 3 - Silnik wiatrowy z prądnicą i silnikiem sterującym z fig. 1 (pokazany z pominięciem łopat) - w widoku aksonometrycznym.

Sposób sterowania elektrownią wiatrową według wynalazku, przedstawiony jest w przykładzie realizacji, wykorzystującym zespół sterowania przedstawiony na rysunkach, a także w innych przykładach opisanych, w tym poprzez określenie cech wspólnych z przykładem sposobu wskazanym pow yżej oraz różnic między nimi. Na schematach elektrycznych przedstawione są przykłady zasilania silnika sterującego:

Fig. 4 - Układ elektryczny sterowania, z zasilaniem silnika sterującego prądem trójfazowym z inwertera,

Fig. 5 - Układ elektryczny sterowania, z zasilaniem silnika sterującego prądem jednofazowym, poprzez inwerter sterowniczy.

Przykład 1. Zespół sterowania elektrownią wiatrową posiada siłownik śrubowy 1, składający się z elementu wykonawczego, którym jest śruba napędowa 11 z gwintem trapezowym, posiadająca z jednej strony niegwintowany drążek przesuwny 12, oraz elementu sterującego w postaci nakrętki sterującej 13, która współpracuje z gwintem śruby napędowej 12. Bezpośrednio z nakrętką sterującą 13 siłownika śrubowego 1, współpracuje elektryczny silnik sterujący 2, będący silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi 21 osadzonymi na jego wirniku 22, współpracującymi z uzwojeniem 23 umieszczonym w stojanie tego silnika. Wirnik 22 w silniku sterującym 2 połączony jest z nakrętką sterującą 13 siłownika śrubowego, za pośrednictwem wielowypustu 24, naciętego wewnątrz wału wirnika 22, zazębionego z wielowypustem zewnętrznym na nakrętce sterującej 13. Stojan silnika sterującego 2 zamocowany jest na prądnicy 3 elektrowni wiatrowej, tak iż wirnik 22 silnika sterującego 2 oraz wirnik 31 prądnicy 3, są współosiowe. Prądnica 3 jest maszyną elektryczną z osadzonymi na jej wirniku 31 magnesami trwałymi 32, które współpracują z uzwojeniem 33 wchodzącym w skład stojana prądnicy 3, umieszczonym wewnątrz jej korpusu 34. Prądnica 3 posiada tarczę łożyskową przednią 35 oraz tarczę łożyskową tylną 36, a w obu tych tarczach ma toczne łożyska główne 37, w których osadzony jest wał główny 38 będący wałem zarówno prądnicy 3, jak i współpracującego z nią silnika wiatrowego. Na tarczy łożyskowej tylnej 36 prądnicy 3 zamocowana jest płyta 39, do której przytwierdzony jest korpus 25 silnika sterującego 2, przylegający do tej płyty swym kwadratowym kołnierzem 26 i zamocowany przechodzącymi przez ten kołnierz śrubami.

Silnik wiatrowy 4 sterowanej elektrowni posiada piastę 41, w której zamocowane są trzy łopaty 42, a każda z nich osadzona jest w piaście 41, obrotowo, za pośrednictwem tocznego łożyska wieńcowego 43, co umożliwia podczas pracy elektrowni, regulowanie kąta β ustawienia tych łopat względem płaszczyzny ruchu wirnika, w zależności od aktualnej siły wiatru oraz zapotrzebowania na uzyskiwaną z silnika wiatrowego energię prądu elektrycznego. Piasta 41 wirnika silnika wiatrowego 4, zamocowana jest śrubami 44 do powierzchni czołowej wału głównego 38 prądnicy 3, w wyniku czego jej łożyska główne 37 stanowią jednocześnie ułożyskowanie całego wirnika silnika wiatrowego 4. Korpus 34 prądnicy 3 zamontowany jest w wieży (nie pokazanej na rysunku) elektrowni wiatrowej, w jej głowicy obracanej wokół pionowej osi, dla ustawienia wirnika silnika wiatrowego w kierunku aktualnie wiejącego wiatru. W wirniku silnika wiatrowego 4 w osi jego obrotu osadzony jest również prowadnik przedni 45 oraz prowadnik tylny 46, w których przemieszcza się, wzdłuż osi obrotu silnika wiatrowego, drążek przesuwny 12 śruby napędowej 11. Czoło piasty 41 silnika wiatrowego osłonięte jest owiewką 47, o opływowym, aerodynamicznym kształcie.

Osadzony w prądnicy 3 wał główny 38 jest wydrążony przelotowo wzdłuż jego osi geometrycznej, a poprzez to wydrążenie wału głównego 38 przechodzi śruba napędowa 11 wraz z jej odcinkiem drążkiem przesuwnym 12 siłownika śrubowego 1. Od strony silnika sterującego 2, wał główny 38 posiada gniazdo dla nakrętki sterującej 13, która w tym gnieździe, w wale głównym 38, osadzona jest za pośrednictwem pary łożysk tocznych stożkowych 14. W celu kasowania luzów w łożyskach tocznych stożkowych 14, ten zespół łożysk ma tarczę dociskową 15, mocowaną do wału głównego 38 śrubami 16, która naciska na zewnętrzny pierścień łożyska tocznego stożkowego 14, usytuowanego od strony 30 silnika sterującego 2. Między tarczą dociskową 15 i wewnętrznym pierścieniem łożyska tocznego 27 silnika sterującego 2, rozparty jest łącznik sprężysty 17, który siłą tarcia pomiędzy tym łącznikiem, a pierścieniem łożyska tocznego 27 w silniku sterującym 2, przenosi napęd z wału głównego 38, po8

PL 225 683 B1 przez zamocowaną na nim tarczę dociskową 15, na wewnętrzny pierścień łożyska tocznego 27, a w rezultacie na wirnik 22 silnika sterującego 2, na którym to wirniku łożysko toczne 27 jest osadzone. To przeniesienie napędu z wału głównego 38 na wirnik 22 silnika sterującego 2, zapobiega niekorzystnemu wpływowi oporów ruchu w silniku sterującym 2, na położenie nakrętki 13 siłownika śrubowego 1, w stanie pracy zespołu sterowania, w którym silnika sterującego 2 nie napędza się.

Wirnik 22 silnika sterującego 2 posiada centralne wydrążenie na swej długości, nie obejmującej wielowypustu 24, przy czym średnica tego wydrążenia jest większa od maksymalnej średnicy wrębów wielowypustu. W wydrążeniu wirnika 22 usytuowany jest odcinek śruby napędowej 11, wystający z nakrętki sterującej 13. Na przedłużeniu silnika sterującego 2 jest osłona 5, która swym kołnierzem 51 przylega do tarczy łożyskowej 28 silnika sterującego 2 oraz jest do niej zamocowana śrubami przechodzącymi przez kołnierz 51 tej osłony. Zależnie od aktualnego położenia śruby napędowej 11, jej koniec może mieścić się wewnątrz wydrążenia w wirniku 22, albo wystając poza silnik sterujący 2, wchodzić do osłony 5. Na przeciwległym do kołnierza 51, końcu osłony 5 zamontowany jest czujnik ultradźwiękowy 52, osadzony centralnie w dnie 53, zamykającym tę osłonę. Czujnik ultradźwiękowy 52 mierzy odległość do czoła śruby napędowej 11, ukształtowanego jako tarcza pomiarowa 18. Czas przebiegu sygnału od czujnika ultradźwiękowego 54 do tarczy pomiarowej 18 i na powrót do tego czujnika, pozwala zmierzyć aktualne położenie śruby napędowej 11, co pośrednio wskazuje na kąt β ustawienia łopat 42 w wirniku silnika wiatrowego 4, względem płaszczyzny ruchu tego wirnika.

Przeniesienie napędu z siłownika śrubowego 1 na nastawne łopaty 42 silnika wiatrowego 4, realizowane jest mechanizmem dźwigniowym 6, umieszczonym wewnątrz piasty 41 silnika wiatrowego. Mechanizm dźwigniowy 6 posiada łącznik trójramienny 61, o ramionach rozstawionych co 120°, który jest osadzony na drążku przesuwnym 12 śruby napędowej 11 i przemieszcza się wraz z nim wzdłuż osi obrotu wirnika silnika wiatrowego 4 elektrowni, oraz posiada trzy dźwignie 62, o kształcie zbliżonym do wielkiej litery „A”. Każda dźwignia 62 na swym wierzchołku połączona jest, przegubem kulowym 63, z jednym ramieniem łącznika trójramiennego 61, a po przeciwnej stronie ma dwa podwójne ucha 64, które przegubami płaskimi połączone są z uchwytami 65, przytwierdzonymi śrubami do wewnętrznego pierścienia łożyska wieńcowego 43, obracającego się wraz z łopatą 42 silnika wiatrowego, w jej ruchu nastawczym.

Ze względów bezpieczeństwa wymagane jest, aby elektrownia wiatrowa posiadała co najmniej dwa niezależnie działające układy hamulcowe. Z tego względu zespół sterowania według niniejszego przykładu realizacji wynalazku posiada także tarczę hamulcową 7, która usytuowana jest pomiędzy tarczą łożyskową tylną 36 prądnicy 3, a płytą 39 tej prądnicy. Tarcza hamulcowa 7 zamocowana jest śrubami 16 do wału głównego 38 prądnicy 3, z możliwością niewielkiego przesuwu wzdłuż osi jego wału. Z tarczą hamulcową współpracują dwie pary klocków hamulcowych, a każda z nich składa się z klocka hamulcowego stałego 71, osadzonego w tarczy łożyskowej tylnej 36 prądnicy 3, i klocka hamulcowego ruchomego 72, który współpracuje z silnikiem krokowym 73, zamocowanym na płycie 39. Klocki hamulcowe ruchome 72 dociskane są do tarczy hamulcowej 7 sprężynami umieszczonymi w korpusach silników krokowych 73, co powoduje hamowanie prądnicy 3 oraz wirnika silnika wiatrowego 4, zaś przemieszczenie klocków hamulcowych ruchomych 72 w stan odhamowany, realizowane jest działaniem silnika krokowego 73, przy zasilaniu go prądem elektrycznym. Moc silników krokowych 73 oraz siła zawartych w nich sprężyn dobrana jest tak, by każdy z nich samodzielnie mógł swymi sprężynami zahamować tarczę hamulcową 7, również w sytuacjach awaryjnych. W normalnej pracy elektrowni, gdy hamuje się ją silnikiem sterującym 2, tarcza hamulcowa 7 służy do końcowego unieruchomienia elektrowni i utrzymania jej w tym stanie, gdy hamowanie dynamiczne silnikiem sterującym 2 przestanie już działać.

Układ elektryczny sterowanej elektrowni (rysunek - fig. 4) wyposażony jest w inwerter 8, będący połączeniem prostownika 81 i falownika 82. Uzyskany z energii wiatru prąd przemienny trójfazowy, o częstotliwości wynikającej z aktualnej siły wiatru, przekazywany jest z prądnicy 3 do prostownika 81, gdzie jest przetwarzany na prąd stały, po czym w falowniku 82, przetwarzany jest na prąd przemienny trójfazowy, o częstotliwości wymaganej w sieci energetycznej, i taki prąd jest do niej odprowadzany. Bezpośrednio za inwerterem odprowadzona jest wiązka przewodów 3-fazowych, zasilających silnik sterujący 2, wyposażona w wyłącznik, którym odłącza się zasilanie tego silnika w okresie pracy elektrowi poniżej jej prędkości nominalnej. W układzie elektrycznym jest też łącznik - stycznik 83, mający styki R, poprzez które zasilany jest silnik sterujący 2 w jego pracy regulacyjnej, oraz styki H zwierające obwody silnika sterującego 2, dla realizacji hamowania dynamicznego. W styczniku 83 jest sprężyna S zamykająca styki H dla zwarcia uzwojeń silnika sterującego 2, natomiast przestawienie stycznika

PL 225 683 B1 w stan przeciwny, czyli zamknięcie styków R z jednoczesnym rozwarciem styków H, i podtrzymanie w tym stanie, napędzane jest cewką L, zasilaną prądem elektrycznym niezależnie od zasilania silnika sterującego.

P r z y k ł a d 2. Sposób sterowania elektrownią wiatrową według niniejszego przykładu realizacji wynalazku wykorzystuje zespół sterowania przedstawiony w pierwszym przykładzie realizacji. W trakcie normalnej eksploatacji elektrowni wiatrowej, najczęściej występuje jeden z dwóch stanów jej pracy, zależny od bilansu energii wiatru i zapotrzebowania na energię elektryczną oddawaną z tej elektrowni. Pierwszym stanem jest praca elektrowni z prędkością obrotową wirnika silnika wiatrowego nie większą od prędkości nominalnej wirnika, czyli z prędkością mniejszą albo równą prędkości nominalnej, natomiast drugim stanem jest praca z prędkością obrotową tego wirnika większą od jego prędkości nominalnej. Optymalnym stanem, jest praca elektrowni wiatrowej z prędkością obrotową wirnika dokładnie równą prędkości nominalnej, czyli prędkością maksymalną z pierwszego wskazanego stanu pracy, co jest celem sposobu sterowania, albo co najmniej oscylującą wokół tej prędkości.

Podczas pracy elektrowni wiatrowej, z prędkością obrotową wirnika mniejszą od nominalnej, co występuje wówczas gdy prędkość wiatru jest niższa od jego prędkości nominalnej, czyli ten wiatr jest słabszy, wirnik 4 silnika wiatrowego elektrowni obraca się z prędkością mniejszą od prędkości nom inalnej tego wirnika. Wówczas prądnica 3, będąca prądnicą synchroniczną, wytwarza prąd elektryczny zmienny trójfazowy, o częstotliwości mniejszej niż wymagana w sieci energetycznej, a wynikającej z prędkości obrotowej silnika wiatrowego 4 oraz prądnicy 3. Uzyskany z energii wiatru prąd elektryczny, przetwarza się w inwerterze 8 na prąd elektryczny o żądanej częstotliwości. W inwerterze 8 prąd trój-fazowy, płynący z prądnicy 3, przetwarzany jest w pierwszej kolejności, w prostowniku 81, na prąd stały, po czym w falowniku 82 przetwarzany jest na prąd przemienny trójfazowy, o częstotliwości wymaganej w sieci energetycznej.

Podczas pracy z prędkością obrotową mniejszą od nominalnej, łopaty 42 wirnika silnika wiatrowego 4 ustawione są pod kątem β nominalnym, przy którym sprawność silnika wiatrowego jest najwyższa. Silnika sterującego 2 nie zasila się prądem elektrycznym, silnik ten obraca się wraz z wirnikiem silnika wiatrowego 4 i prądnicą 3, z tą samą prędkością obrotową, przy czym silnik sterujący 2 otrzymuje napęd, poprzez wielowypust 24, od nakrętki sterującej 13 siłownika śrubowego 1, która w tym stanie pracy, nie przesuwa się po śrubie napędowej 11. Dodatkowo wirnik 22 silnika sterującego 2 napędzany jest łącznikiem sprężystym 17, który siłą tarcia pomiędzy tym łącznikiem, a pierścieniem wewnętrznym łożyska tocznego 27 w silniku sterującym 2, przenosi napęd z wału głównego 38 prądnicy. Przeniesienie napędu na wirnik 22 silnika sterującego 2 kompensuje opory ruchu wirnika 22 w silniku sterującym 2, zapobiegając przesuwaniu nakrętki 13 siłownika śrubowego 1, które mogłoby nastąpić w razie braku skompensowania tych oporów ruchu.

Po osiągnięciu w silniku wiatrowym 4 nominalnej prędkości obrotowej wirnika, co następuje wówczas gdy wzrasta prędkość i zarazem siła wiatru, albo gdy zmniejszy się pobór energii elektrycznej, załącza się silnik sterujący 2, zasilając go prądem przemiennym trójfazowym o częstotliwości, która nadaje mu prędkość obrotową równą nominalnej prędkości obrotowej silnika wiatrowego. Silnik sterujący 2 zasila się z falownika 82 wchodzącego w skład inwertera 8, z przyłącza usytuowanego bezpośrednio za inwerterem. Z tą samą prędkością co silnik sterujący 2 wiruje nakrętka sterująca 13, połączona wielowypustem 24 z wirnikiem 22 silnika sterującego.

Jeżeli prędkość obrotowa wirnika w silniku wiatrowym 4, a tym samym prędkość obrotowa śruby napędowej 12 nadal wzrasta, występuje różnica prędkości obrotowych elementów: sterującego i wykonawczego, czyli nakrętki sterującej 13 i śruby napędowej 11, w siłowniku śrubowym 1. Ta różnica prędkości skutkuje względnym ruchem obrotowym nakrętki sterującej 13 i śruby napędowej 11, który poprzez gwint łączący oba elementy, przekształca się w ruch przesuwny śruby napędowej 11 oraz jej drążka przesuwnego 12 wzdłuż osi wirnika silnika wiatrowego 4. Wraz z drążkiem sterującym 12 przesuwa się, wchodzący w skład mechanizmu dźwigniowego 6, łącznik trójramienny 61, który naciska poprzez przeguby kulowe 63, na trzy dźwignie 62, w wyniku czego obraca każdą z tych dźwigni wokół współpracującego z nią pierścienia wewnętrznego łożyska wieńcowego 43 w piaście 41 silnika wiatrowego 4. Jednoczesny obrót we wszystkich trzech łożyskach wieńcowych 43 powoduje obrót zamocowanych w nich łopat 42 wirnika i zwiększenie kąta β ustawienia tych łopaty względem płaszczyzny ruchu wirnika silnika wiatrowego 4.

W wyniku zwiększenia kąta β ustawienia łopat 42, prędkość obrotowa wirnika silnika wiatrowego 4 zmniejsza się, dążąc do jego prędkości nominalnej, przy której zarówno wirnik silnika wiatrowego 4, jak też osadzona w nim przesuwnie śruba napędowa 11, oraz napędzana silnikiem sterującym 2,

PL 225 683 B1 nakrętka sterująca 13, wirują z identyczną prędkością i w tym samym kierunku. Pomiędzy elementami siłownika śrubowego 1, czyli nakrętką sterującą 13 i śrubą napędową 11, brak jakiegokolwiek względnego ruchu obrotowego, w rezultacie nie następuje przesuwanie się na gwincie śruby napędowej 11 względem nakrętki sterującej 13. Wszystkie omówione elementy elektrowni pozostają w ruchu jednostajnym, z zachowaniem równowagi energii pobieranej od wiatru i od dawanej do sieci elektrycznej.

W przypadkach chwilowego zmniejszenia się prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego 4 poniżej jego prędkości nominalnej, na przykład wskutek osłabnięcia wiatru, albo wzrostu obciążenia w sieci energetycznej, nakrętka sterująca 13, napędzana silnikiem sterującym 2, nadal wiruje z prędkością nominalną, wskutek czego chwilowa prędkość obrotowa śruby napędowej 11 jest mniejsza od prędkości obrotowej nakrętki sterującej 13. Ta różnica prędkości skutkuje względnym ruchem obrotowym nakrętki sterującej 13 i śruby napędowej 11, który poprzez gwint łączący oba elementy, przekształca się w ruch przesuwny śruby napędowej 11 wzdłuż osi wirnika silnika wiatrowego 4, w stronę przeciwną, niż przy nadwyżce prędkości ponad nominalną. W wyniku tego śruba napędowa 11 i jej drążek przesuwny 12, działając poprzez mechanizm dźwigniowy 6, zmniejszają kąt β ustawienia łopat 42 w stronę kąta nominalnego, w rezultacie czego pobór energii wiatru zwiększa się, a elektrownia dąży do osiągnięcia stanu pracy ustalonej.

W celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego 4, także przy jego prędkościach mniejszych od nominalnej, w tym również w celu całkowitego zatrzymania silnika wiatrowego, odłącza się zasilanie prądem elektrycznym silnika sterującego 2 oraz zwiera się uzwojenia tego silnika stykami

H, łącznika - stycznika 83. Wówczas silnik sterujący 2 napędzany jest przez wirnik silnika wiatrowego 4, za pośrednictwem wirującej z nim śruby napędowej 11 i nakrętki sterującej 13 siłownika śrubowego

I, w wyniku czego silnik sterujący 2 przechodzi w stan pracy prądnicowej, zaś zwarcie jego styków wywołuje w tym silniku duży moment obciążenia, zwany hamowaniem dynamicznym. Skutkuje to unieruchomieniem nakrętki sterującej 13, w wyniku czego względna, wobec niej, prędkość obrotowa śruby napędowej 11 jest największa z możliwych, powodując szybki przesuw śruby napędowej 11, a w rezultacie szybkie zwiększenie kąta β ustawienia łopat 42. Zwiększanie kąta β ustawienia łopat 42 trwa do chwili osiągnięcia kąta ustawienia żądanego przez obsługę elektrowni, bądź w stanach awaryjnych, albo chroniących przed awarią - do osiągnięcia maksymalnego kąta ustawienia łopat, bliskiego kątowi prostemu, co zatrzymuje wirnik silnika wiatrowego. W końcowej fazie hamowania zaciska się, przy użyciu silnika krokowego 73, klocki hamulcowe 71, 72, na tarczy hamulcowej 7. Ten układ hamowania ciernego utrzymuje stan zahamowany elektrowni, gdy hamowanie dynamiczne silnikiem sterującym 2, przestanie już działać wobec braku ruchu obrotowego silnika sterującego.

W celu uruchomienia zatrzymanego wirnika silnika wiatrowego 4, włącza się silnik sterujący 2, nadając mu prędkość obrotową równą prędkości nominalnej silnika wiatrowego, w kierunku zgodnym z jego kierunkiem obrotów. W tym stanie pracy silnik sterujący 2 zasila się ze źródła innego niż falownik inwertera, w szczególności zasila się go z sieci energetycznej, z którą współpracuje sterowana elektrownia wiatrowa. Silnik sterujący 2, obraca nakrętkę sterującą 13, co wywołuje ruch przesuwny śruby napędowej 11, a w rezultacie zmniejsza kąt β ustawienia łopat 42 w wirniku silnika wiatrowego. Wirnik silnika wiatrowego 4 może, już w trakcie nastawiania łopat 42, rozpocząć swą pracę, jeśli wiatr jest wystarczająco silny, ale mimo to, siłownik śrubowy 1, napędzany silnikiem sterującym 2, nadal zwiększa kąt β ustawienia łopat 42 wirnika, aż do osiągnięcia kąta nominalnego.

We wszystkich stanach pracy elektrowni wiatrowej, szczególnie w trakcie rozruchu po jej postoju, mierzy się czujnikiem ultradźwiękowym 52 osadzonym w osłonie 5, odległość czoła śruby napędowej 11, ukształtowanego jako tarcza pomiarowa 18 od tego czujnika. Ze względu na powiązanie mechanizmami śruby napędowej 11 z łopatami 42 w wirniku silnika wiatrowego 4, pomiar aktualnego położenia śruby napędowej 11 pośrednio wskazuje na kąt β ustawienia tych łopat 42. Gdy w trakcie zmniejszania kąta β ustawienia łopat 42 kąt ten osiągnie wartość nominalną, sygnał z czujnika 52 rozłącza zasilanie prądem elektrycznym silnika sterującego.

P r z y k ł a d 3. Sposób sterowania elektrownią wiatrową według niniejszego przykładu realizacji wynalazku wykorzystuje siłownik śrubowy, w tym jego śrubę napędową i nakrętkę sterującą, z zespołu sterowania przedstawionego w pierwszym przykładzie realizacji. Wykorzystuje się także z tego zespołu połączenie śruby napędowej, a konkretnie jej drążka przesuwnego, z nastawnymi łop atami wirnika silnika wiatrowego, za pośrednictwem mechanizmów dźwigniowych z przegubami kulowymi.

Odmiennym jest zastosowanie innego rodzaju silnika sterującego, który w niniejszym przykładzie realizacji jest silnikiem trójfazowym synchronicznym, z wbudowanym hamulcem ciernym, normalPL 225 683 B1 nie zahamowanym, a luzowanym elektromagnetycznie. Może to być silnik stosowany w napędach dźwignic, lecz o zmienionym systemie zasilania silnika, w ten sposób, aby uzwojenia luzownika jego hamulca były zasilane prądem elektrycznym niezależnie od zasilania uzwojeń napędowych tego silnika. W konsekwencji zastosowania innego silnika sterującego, zmienia się także sposób sterowania pracą elektrowni.

Podczas pracy elektrowni wiatrowej, z prędkością obrotową wirnika mniejszą od nominalnej, uzwojeń napędowych silnika sterującego nie zasila się prądem elektrycznym, natomiast zasila się prądem luzownik hamulca wbudowanego w silnik sterujący, dzięki czemu hamulec jest odhamowany. W tym stanie pracy łopaty wirnika silnika wiatrowego ustawione są pod kątem nominalnym, przy którym sprawność silnika wiatrowego jest najwyższa. Silnik sterujący obraca się wraz z wirnikiem silnika wiatrowego i prądnicą, z tą samą prędkością obrotową, przy czym silnik sterujący otrzymuje napęd od nakrętki sterującej siłownika śrubowego - jak w sposobie według drugiego przykładu realizacji.

Po osiągnięciu w silniku wiatrowym nominalnej prędkości obrotowej wirnika, włącza się zasilanie uzwojeń napędowych silnika sterującego, prądem elektrycznym trójfazowym o częstotliwości, która nadaje mu prędkość obrotową równą nominalnej prędkości obrotowej silnika wiatrowego. Jednocześnie nadal zasila się prądem elektrycznym luzownik hamulca wbudowanego w silnik sterujący, celem odhamowania tego hamulca. Silnik sterujący napędza nakrętkę sterującą siłownika śrubowego, także w razie chwilowego zmniejszenia się prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego. Nakrętka sterująca współdziała ze śrubą napędową i pozostałymi elementami mechanizmu w zespole sterowania, identycznie jak w drugim przykładzie realizacji, dla analogicznego stanu pracy.

W celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego, także przy jego prędkościach mniejszych od nominalnej, w tym również w celu całkowitego zatrzymania silnika wiatrowego, odłącza się zasilanie prądem elektrycznym uzwojeń napędowych silnika sterującego. Odłącza się również zasilanie prądem luzownika hamulca wbudowanego w silnik sterujący, w wyniku czego pod działaniem sprężyn hamulec przestawia się automatycznie w stan zahamowany. Unieruchamia to nakrętkę sterującą siłownika śrubowego, co wywołuje działanie zespołu sterującego identyczne jak w drugim przykładzie realizacji, a w rezultacie powoduje zwiększenie kąta ustawienia łopat wirnika silnika wiatrowego do wartości żądanej przez obsługę elektrowni, bądź w stanach awaryjnych, albo chroniących przed awarią - do osiągnięcia kąta ustawienia łopat, bliskiego kątowi prostemu, co zatrzymuje wirnik silnika wiatrowego.

W celu uruchomienia zatrzymanego wirnika silnika wiatrowego, zasila się prądem elektrycznym silnik sterujący, nadając mu prędkość obrotową równą prędkości nominalnej silnika wiatrowego, w kierunku zgodnym z jego kierunkiem obrotów. Jednocześnie zasila się prądem luzownik hamulca wbudowanego w silnik sterujący, dzięki czemu hamulec jest odhamowany. Silnik sterujący obraca nakrętkę sterującą, która współdziała ze śrubą napędową i pozostałymi elementami mechanizmu w zespole sterowania, identycznie jak w drugim przykładzie realizacji dla analogicznego stanu pracy. W trakcie sterowania elektrowni mierzy się czujnikiem ultradźwiękowym, odległość czoła śruby napędowej od tego czujnika - identycznie jak w drugim przykładzie realizacji. Elektrownia, oprócz silnika sterującego z wbudowanym hamulcem, posiada także drugi hamulec cierny, normalnie zahamowany, zamontowany na jej wale głównym, celem zapewnienia dwóch niezależnych systemów hamowania.

P r z y k ł a d 4. Sposób sterowania elektrownią wiatrową według niniejszego przykładu realizacji wynalazku (rysunek - fig. 5) jest zbliżony do sposobu przykładu drugiego. Różnica polega jedynie na zasilaniu silnika sterującego 2 prądem jednofazowym, co jest możliwe z uwagi na niewielką moc potrzebną do sterowania. Prąd pobierany jest z sieci energetycznej, nie tylko podczas rozruchu elektrowni, ale również w stanie pracy z prędkościami wirnika nie niższymi od prędkości nominalnej. Prąd przemienny jednofazowy przetwarzany jest w inwerterze sterowniczym 84 na prąd trójfazowy, którym zasilany jest silnik sterowniczy 2. Rozłączanie zasilania dla stanu pracy z prędkościami wirnika niższymi od nominalnej, realizuje inwerter sterowniczy.

P r z y k ł a d 5. Celem zmniejszenia prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego, silnik sterujący zasila się prądem o częstotliwości mniejszej niż częstotliwość stosowana w normalnej pra cy elektrowni. Wówczas silnik sterujący wiruje ze zmniejszoną prędkością, nastawiając łopaty silnika wiatrowego elektrowni dla utrzymywania proporcjonalnie zmniejszonej prędkości nominalnej. Pracę elektrowni z obniżoną prędkością nominalną można realizować zarówno w sposobie sterowania według drugiego, trzeciego, jak i według czwartego przykładu realizacji wynalazku. Zmniejszanie prędk ości nominalnej jest przydatne zwłaszcza w porze nocnej, dla obniżenia szumów powstających po dczas pracy elektrowni, w tym będących skutkiem przecinania powietrza końcami łopat.

PL 225 683 B1

I - Siłownik śrubowy

II - Śruba napędowa

- Drążek przesuwny

- Nakrętka sterująca

- Łożysko toczne stożkowe

- T arcza dociskowa

- Śruba

- Łącznik sprężysty

- T arcza pomiarowa

2. - Silnik sterujący

- Magnesy trwałe

- Wirnik

- Uzwojenie

- Wielowypust

- Korpus

- Kwadratowy kołnierz

- Łożysko toczne

- Tarcza łożyskowa

- Prądnica

- Wirnik

- Magnesy trwałe

- Uzwojenie

- Korpus

- Tarcza łożyskowa przednia

- Tarcza łożyskowa tylna

- Łożysko główne

- Wał główny

- Płyta

WYKAZ OZNACZEŃ

- Silnik wiatrowy

- Piasta

- Łopata

- Łożysko wieńcowe

- Śruba

- Prowadnik przedni

- Prowadnik tylny

- Owiewka

- Osłona

- Kołnierz

- Czujnik ultradźwiękowy

- Dno

- Mechanizm dźwigniowy

- Łącznik trójramienny

- Dźwignia

- Przegub kulowy

- Ucho

- Uchwyt

- Tarcza hamulcowa

- Klocek hamulcowy stały

- Klocek hamulcowy ruchomy

- Silnik krokowy

- Inwerter

- Prostownik

- Falownik

- Łącznik-stycznik

- Inwerter sterowniczy

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Sposób sterowania elektrownią wiatrową, wyposażoną w silnik wiatrowy z nastawnymi łopatami wirnika, o osi obrotu zasadniczo równoległej do kierunku wiatru, która to elektrownia pracuje ze zmienną prędkością obrotową wirnika, zależną od prędkości wiatru, a uzyskiwany w niej prąd przemienny o częstotliwości wynikającej z prędkości obrotowej wirnik a przetwarzany jest w inwerterze na prąd o częstotliwości stosowanej w sieci energetycznej, zaś sposób sterowania polega na regulowaniu kąta ustawienia łopat silnika wiatrowego przy użyciu siłownika śrubowego umieszczonego wePL 225 683 B1 wnątrz wirnika, współosiowo z nim, przy czym siłownik śrubowy składa się z elementu sterującego tym siłownikiem, oraz elementu wykonawczego, osadzonego w wirniku przesuwnie wzdłuż jego osi obrotu, sprzężonego z mechanizmem napędu ruchu nastawczego łopat wirnika, a kierunek zwojów gwintu dobrany jest tak, iż przy prędkości obrotowej elementu sterującego siłownikiem śrubowym mniejszej, niż prędkość obrotowa wirnika, oraz przy unieruchomieniu elementu sterującego siłownikiem śrubowym, element wykonawczy siłownika śrubowego zwiększa kąt ustawienia łopat wirnika, czyli kąt między cięciwą profilu aerodynamicznego łopaty wirnika, a płaszczyzną ruchu wirnika, znamienny tym, że:

- w zakresie prędkości obrotowych wirnika nie mniejszych od jego prędkości nominalnej, element sterujący siłownika śrubowego napędza się silnikiem elektrycznym, określanym dalej jako „silnik sterujący”, nadając elementowi sterującemu siłownika śrubowego prędkość obrotową nominalną wirnika silnika wiatrowego, w kierunku obrotów zgodnym z kierunkiem obrotów tego wirnika;

- w zakresie prędkości obrotowych wirnika silnika wiatrowego elektrowni mniejszych od jego prędkości nominalnej, elementu sterującego siłownika śrubowego nie napędza się, a łopaty wirnika silnika wiatrowego są w położeniu nominalnego kąta ich ustawienia.

- w celu zmniejszenia prędkości wirnika, w tym całkowitego zatrzymania silnika wiatrowego, odłącza się zasilanie prądem elektrycznym silnika sterującego oraz hamuje się element sterujący siłownika śrubowego.

- w celu uruchomienia zatrzymanego wirnika silnika wiatrowego, włącza się silnik sterujący, którym obraca się element sterujący siłownika śrubowego, do osiągnięcia nominalnego kąta ustawienia łopat wirnika elektrowni wiatrowej.

2. Sposób sterowania, według zastrz. 1, znamienny tym, że silnik sterujący, który napędza element sterujący siłownika śrubowego, jest silnikiem synchronicznym.

3. Sposób sterowania, według zastrz. 2, znamienny tym, że silnik sterujący, synchroniczny, jest silnikiem z magnesami trwałymi.

4. Sposób sterowania, według zastrz. 3, znamienny tym, że w celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego, w tym całkowitego jego zatrzymania, zwiera się styki silnika sterującego, wywołując hamowanie dynamiczne tego silnika oraz elementu sterującego w siłowniku śrubowym.

5. Sposób sterowania, według zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że silnik sterujący, który napędza element sterujący siłownika śrubowego jest sprzężony z hamulcem normalnie zahamowanym, wyposażonym w luzownik, przy czym:

- w zakresie prędkości obrotowych wirnika silnika wiatrowego mniejszych od jego prędkości nominalnej, silnika sterującego nie zasila się, a luzownik zasila się prądem elektrycznym, natomiast łopaty wirnika silnika wiatrowego są w położeniu nominalnego kąta ich ustawienia.

- w celu zmniejszenia prędkości wirnika silnika wiatrowego, w tym całkowitego jego zatrzymania, odłącza się zasilanie prądem elektrycznym zarówno silnika sterującego jak i luzownika hamulca.

6. Sposób sterowania, według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że silnik sterujący jest współosiowy z wirnikiem silnika wiatrowego, a części wirujące silnika sterującego połączone są z elementem sterującym siłownika śrubowego.

7. Sposób sterowania, według jednego spośród zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że zmniejsza się, w razie potrzeby, prędkość obrotową silnika sterującego, korzystnie poprzez zmianę częstotliwości prądu zasilającego ten silnik, dla ograniczenia prędkości nominalnej wirnika silnika wiatrowego.

8. Zespół sterowania elektrownią wiatrową, z silnikiem wiatrowym o osi obrotu zasadniczo równoległej do kierunku wiatru, które to sterowanie realizowane jest poprzez zmianę kąta ustawienia łopat w wirniku silnika wiatrowego, zawierający siłownik śrubowy usytuowany w wirniku silnika wiatrowego współosiowo z tym wirnikiem, przy czym siłownik śrubowy składa się z elementu sterującego oraz elementu wykonawczego, połączonych z sobą gwintem napędowym, a element wykonawczy siłownika śrubowego osadzony jest w wirniku silnika wiatrowego przesuwnie wzdłuż jego osi obrotu, oraz sprzężony jest z mechanizmem napędu ruchu nastawczego łopat wirnika, znamienny tym, że posiada silnik elektryczny (2), określany dalej jako „silnik sterujący”, osadzony swym korpusem (25) w nieruchomych elementach elektrowni, który napędza element sterujący (13) siłownika śrubowego (1), nadając mu prędkość obrotową nominalną, z jaką powinien obracać się wirnik silnika wiatrowego (4).

9. Zespół sterowania, według zastrz. 8, znamienny tym, że silnik sterujący (2) jest elektrycznym silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi (21), osadzonym współosiowo z wirnikiem silnika wiatrowego (4) sterowanej elektrowni, a części wirujące silnika sterującego (2) połączone są z elementem sterującym (13) siłownika śrubowego (1).

PL 225 683 B1

10. Zespół sterowania, według zastrz. 9, znamienny tym, że sterowana elektrownia wiatrowa ma prądnicę (3) prądu przemiennego, z której prąd o częstotliwości wynikającej z aktualnej prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego (4), przetwarzany jest w inwerterze (8) na prąd o częstotliwości wymaganej w sieci energetycznej, a silnik sterujący (2) zasilany jest, podczas pracy elektrowni, prądem elektrycznym z tej prądnicy poprzez inwerter (8), zaś podczas rozruchu zasilany jest z innego źródła energii, korzystnie z sieci energetycznej.

11. Zespół sterowania, według zastrz. 9, znamienny tym, że sterowana elektrownia wiatrowa ma prądnicę (3) prądu przemiennego, z której prąd o częstotliwości wynikającej z aktualnej prędkości obrotowej wirnika silnika wiatrowego (4), przetwarzany jest w inwerterze (8) na prąd o częstotliwości wymaganej w sieci energetycznej, a silnik sterujący (2), zarówno podczas pracy elektrowni, jak i jej rozruchu, zasilany jest ze źródła energii innego niż z prądnicy elektrowni poprzez inwerter, korzystnie z sieci energetycznej.

12. Zespół sterowania, według zastrz. 9, albo 10, albo 11, znamienny tym, że w swym układzie elektrycznym ma łącznik (83) zwierający styki silnika sterującego (2), przy czym zamykanie obwodu w tym łączniku napędzane jest mechanicznie, korzystnie sprężyną (S), a otwieranie i podtrzymanie stanu otwarcia dokonuje się elektrycznie, z zasilaniem prądem napędu (L) łącznika (83) niezależnie od zasilania silnika sterującego (2).

13. Zespół sterowania, według jednego z zastrzeżeń od 8 do 12, znamienny tym, że w swym układzie elektrycznym ma czujnik (52) położenia elementu wykonawczego (11) siłownika śrubowego (1), który to czujnik po osiągnięciu przez element wykonawczy pozycji odpowiadającej minimalnemu kątowi ustawienia (42) łopat wirnika, rozłącza obwód zasilania elektrycznego silnika sterującego (2).

14. Zespół sterowania, według jednego z zastrzeżeń od 8 do 13, znamienny tym, że elementem sterującym siłownika śrubowego (1) jest nakrętka sterująca (13), a elementem wykonawczym tego siłownika jest śruba napędowa (11), korzystnie z gwintem trapezowym.

15. Zespół sterowania, według zastrz. 14, znamienny tym, że śruba napędowa (11) połączona jest z nastawnymi łopatami (42) wirnika za pośrednictwem mechanizmu dźwigniowego (6) z przegubami kulowymi (63).