PL237028B1 - Układ automatycznego przełącznika uzwojeń generatora - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ automatycznego przełącznika uzwojeń generatora synchronicznego z magnesami trwałymi, napędzanego turbiną wiatrową o pionowej osi obrotu.

W generatorach synchronicznych tego typu wartość napięcia zależna jest od prędkości obrotowej silnika wiatrowego, a co za tym idzie i od prędkości wiatru. Zależność ta jest liniowa, co oznacza, że przy silnych wiatrach prędkość obrotowa może znacznie przekraczać wartość znamionową czyli wartość prędkości, przy której napięcie na zaciskach generatora osiąga wartość znamionową. Z powodu zmiennej prędkości obrotowej turbiny generowana jest energia elektryczna o zmiennej wartości częstotliwości i amplitudy napięcia, różna od wartości częstotliwości i amplitudy napięcia sieci. Istnieje zatem konieczność przetworzenia tej energii na energię elektryczną o częstotliwości i amplitudzie napięcia odpowiadającej napięciu sieci. Elektrownie wiatrowe o takich konstrukcjach wyposażone są w przekształtniki energoelektroniczne zapewniające uzyskanie energii elektrycznej o odpowiednich parametrach to jest o odpowiedniej wartości amplitudy napięcia i częstotliwości. Przekształtniki te w obwodzie DC zawierają kondensatory, które przystosowane są do pracy przy określonych wartościach napięć. Przekroczenie wartości dopuszczalnych napięć powoduje uszkodzenie kondensatorów, a tym samym i przekształtnika. Zastosowanie kondensatorów na wyższe napięcia znacznie zwiększa koszty wykonania przekształtnika. W związku z powyższym istnieje potrzeba zabezpieczenia przekształtnika przed pojawieniem się w jego obwodzie DC napięcia o zbyt dużej wartości.

Przekształtniki stosowane w siłowniach wiatrowych z turbinami o pionowej osi obrotu wyposażone w generatory synchroniczne z magnesami trwałymi, które w swojej konstrukcji zawierają układ podwyższający napięcie, pracujący gdy napięcie na zaciskach generatora jest zbyt niskie. Ze względu na moc niezbędną do pracy układu podwyższającego napięcie, jego działanie jest możliwe jedynie gdy napięcie generatora przekroczy odpowiednią dla danego przekształtnika wartość i moc generowana jest większa od mocy niezbędnej do zasilania przekształtnika.

Ze względu na zmienną prędkość wiatru i wynikającą z niej zmienną prędkość obrotową silnika wiatrowego, a co za tym idzie i zmienną wartość napięcia na zaciskach generatora istnieje konieczność opracowania układu umożliwiającego uzyskanie odpowiedniej wartości napięcia przy niskiej prędkości obrotowej silnika wiatrowego. Ponadto niezbędne jest zabezpieczenie układu przed pojawieniem się zbyt dużej wartości napięcia w obwodzie DC przekształtnika, co może skutkować jak już wspomniano uszkodzeniem kondensatorów w obwodzie DC, a w wyniku ich eksplozji, pozostałych elementów przekształtnika.

Istniejące rozwiązania dotyczą głównie elektrowni wiatrowych z poziomymi osiami obrotu. W przeważającej części, rozwiązania te związane są ze zmianą kąta ustawienia łopat silnika wiatrowego względem kierunku wiatru lub zmianą kąta pomiędzy osią obrotu silnika wiatrowego i kierunkiem wiatru. Ten sposób regulacji nie jest możliwy do zastosowania w układzie turbiny z pionową osią obrotu ze względu na inną konstrukcję jej wirnika. Regulacja prędkości obrotowej poprzez zmianę obciążenia generatora stosowana w istniejących rozwiązaniach elektrowni wiatrowych, jest możliwa w zakresie mniejszym lub równym mocy znamionowej zespołu lub w szerszym zakresie w przypadku gdy moc generatora jest większa niż moc turbiny wiatrowej. W praktyce stosuje się również konstrukcje generatorów umożliwiające pracę elektrowni przy dwóch różnych prędkościach obrotowych turbiny. Wymaga to jednak zastosowania dwóch różnych uzwojeń o różnych liczbach par biegunów. Rozwiązanie to jest możliwe do zastosowania jedynie w przypadku maszyn asynchronicznych.

Zabezpieczenie falownika współpracującego z generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi napędzanym turbiną wiatrową przed napięciem o zbyt dużej wartości można zrealizować na kilka sposobów. Pierwszy sposób polega na odłączeniu falownika od generatora i zahamowaniu turbiny, co skutkuje przerwaniem generowania energii elektrycznej, czyli brakiem możliwości wykorzystania dużej energii wiatru. Inny sposób związany jest z obniżeniem napięcia generowanego przez prądnicę. W przypadku prądnic z magnesami trwałymi zmiana napięcia może odbywać się przez odwzbudzanie, a to niestety prowadzi do zmniejszenia mocy oddawanej. Rozwiązanie to jest stosowane w elektrowniach wiatrowych wyposażonych w generatory synchroniczne.

Celem wynalazku jest uzyskanie automatycznej zmiany sposobu połączenia sekcji uzwojeń generatora w zależności od prędkości obrotowej turbiny wiatrowej w taki sposób, aby uzyskać wartości napięcia w zakresie umożliwiającym bezpieczną pracę przekształtnika.

PL 237 028 B1

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że generator wyposażony jest w urządzenie lub układ do pomiaru prędkości obrotowej turbiny podłączone do wejścia cyfrowego sterownika, a pasma fazowe uzwojenia generatora podzielone są na sekcje o równej liczbie zwojów szeregowych i o takiej samej wartości amplitudy napięcia w obrębie sekcji i takiej samej fazie, przy czym sekcje uzwojeń są połączone ze sobą szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, gdy ich liczba jest większa niż 2. Końce każdej sekcji wyprowadzone są do tabliczki zaciskowej. Natomiast sterownik połączony jest z automatycznym przełącznikiem uzwojeń generatora, wyposażonym w system łączników, w tym co najmniej jeden łącznik powodujący przełączenie sekcji uzwojeń do pracy szeregowej i co najmniej jeden łącznik powodujący przełączenie sekcji uzwojeń do pracy równoległej. Automatyczny przełącznik uzwojeń połączony jest z kolei z układem zabezpieczającym, którym jest zespół rezystorów hamowania turbiny.

Korzystnie układ do pomiaru prędkości obrotowej generatora stanowi czujnik indukcyjny oraz obrotowa tarcza z otworami rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie zamocowana do wału generatora.

Korzystnie układ do pomiaru prędkości obrotowej generatora stanowi czujnik pojemnościowy oraz obrotowa tarcza z otworami rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie zamocowana do wału generatora.

Korzystnie układ do pomiaru prędkości obrotowej generatora stanowi czujnik optyczny oraz obrotowa tarcza z otworami rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie zamocowana do wału generatora.

Korzystnie liczba sekcji pasm fazowych uzwojenia generatora jest parzysta.

Korzystnie automatyczny przełącznik wyposażony jest w układ zabezpieczający przed jednoczesnym załączeniem łączników powodujących połączenie uzwojeń generatora do pracy szeregowej i równoległej, który składa się z odpowiednio połączonych styków pomocniczych łączników głównych w obwodach zasilania ich cewek sterujących.

Korzystnie przełącznik uzwojeń generatora jest rozbudowany do układu o dowolnej liczbie faz.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość obniżania napięcia poprzez zmianę liczby zwojów pasma fazowego generatora połączonych szeregowo w sposób skokowy w zależności od aktualnej wartości prędkości obrotowej turbiny wiatrowej. W konsekwencji można uzyskać n-krotne zwiększenie wyjściowej mocy generatora przy wietrze o odpowiedniej prędkości i przekształtniku dobranym do prądu n-krotnie większego od prądu znamionowego generatora, gdzie n jest liczbą sekcji uzwojeń generatora.

Sterowanie pracą układu może być realizowane przez dowolny układ logiki programowalnej.

Ponadto układ wyposażony jest w zabezpieczenia uniemożliwiające jednoczesne załączenie łączników powodujących połączenie uzwojeń do pracy szeregowej i równoległej. W przypadku braku sygnału z układu mierzącego poziom prędkości obrotowej turbiny układ załączany jest do pracy równoległej. Ma to na celu zabezpieczenie obwodu DC falownika przed zbyt wysokim napięciem w przypadku uszkodzenia urządzenia lub układu pomiarowego przy występującym jednocześnie silnym wietrze.

Rozwiązanie to ze względu na bezpośrednie łączenie równoległe sekcji uzwojeń generatora wymaga bardzo dokładnego wykonania generatora synchronicznego w celu uniknięcia przepływu prądów wyrównawczych. W przypadku generatora tarczowego bezrdzeniowego wpływ procesu technologicznego na rozbieżność fazy napięć i amplitudy łączonych równolegle sekcji uzwojeń jest bardzo mały. W przypadku, generatorów z rdzeniem ferromagnetycznym należy stosować w generatorach odpowiednie konstrukcje uzwojeń lub inny sposób ich łączenia.

Przedmiot wynalazku został zilustrowany przykładem wykonania zobrazowanym na rysunku Fig. 1 przedstawiającym schemat blokowy generatora, Fig. 2 - schemat uzwojeń generatora z dwoma sekcjami uzwojeń, Fig. 3 - schemat układu sterowania przełącznika uzwojeń, Fig. 4 - wykres zależności sposobu połączenia sekcji uzwojeń w funkcji prędkości.

Na rysunku Fig. 2 pokazano schemat uzwojeń generatora G posiadającego dwie sekcje uzwojeń SU1 i SU2, w którym przy zastosowaniu falownika o mocy dwukrotnie większej niż moc znamionowa generatora G czyli moc dla szeregowego połączenia sekcji uzwojeń SU1 i SU2 i odpowiedniej sile wiatru możliwe jest uzyskanie dwukrotnie większej mocy generowanej niż moc znamionowa generatora G. W układzie tym do pomiaru prędkości obrotowej turbiny zastosowano czujnik indukcyjny K1 i tarczę metalową z wyciętymi na jej obwodzie prostokątnymi otworami.

Generator G wyposażony jest w układ zabezpieczający przed jednoczesnym załączeniem łączników powodujących połączenie uzwojeń generatora do pracy szeregowej i równoległej. W przedstawionym układzie układ taki stanowi szeregowe połączenie styków normalnie zamkniętych łączników

PL 237 028 B1

SR1, SG1 i cewki łącznika SSz1 oraz styku normalnie zamkniętego łącznika SSz1 i cewek łączników SG1 i SR1.

Łączniki SG1, SR1, SSz1 dobrane są ze względu na prąd znamionowy i napięcie znamionowe uzwojeń generatora przy połączeniu szeregowym. Natomiast łącznik SH powinien być dobrany ze względu na napięcie znamionowe uzwojeń generatora i prąd równy iloczynowi liczby sekcji uzwojeń generatora i prądu znamionowego pojedynczej sekcji uzwojenia. Każdy z łączników powinien być wyposażony w trójfazowy tor styków głównych i zestaw styków pomocniczych zawierający przynajmniej jeden styk normalnie otwarty NO i przynajmniej jeden styk normalnie zamknięty NC. Wszystkie łączniki są łącznikami prądu przemiennego.

Prawidłowe funkcjonowanie przełącznika PU wymaga informacji o aktualnej prędkości obrotowej generatora G. Prędkość ta jest mierzona za pomocą układu złożonego z czujnika indukcyjnego K1 i tarczy z wyciętymi na obwodzie otworami prostokątnymi zamocowanej do wału generatora G. Impulsy generowane przez czujnik indukcyjny K1, podłączony do wejścia cyfrowego sterownika US przy obracającej się tarczy zliczane są w określonym czasie t1. Sygnał ten jest przetwarzany przez sterownik US i na jego podstawie generowane są sygnały sterujące załączeniem odpowiednich łączników SSz1, SG1 i SR1. Przy prędkości obrotowej mniejszej od nmin sterownik US wysyła sygnały do załączenia łączników SG1 i SR1. W przypadku tym sterownik nie generuje sygnału załączającego falownik na wyjściu Wy3. Po przekroczeniu prędkości obrotowej n = 0,2 nn sterownik odłącza zasilanie cewek łączników SG1 i SR1 i włącza zasilanie cewki łącznika SSz1, a więc następuje przełączenie uzwojeń do pracy szeregowej i wysyłany jest sygnał włączenia falownika na wyjściu Wy3. Prędkość n1, przy której napięcie na zaciskach generatora G osiąga wartość umożliwiającą pracę falownika, układ zaczyna oddawać energię do sieci. W zakresie prędkości od n do 1,1 nn przełącznik zapewnia połączenie szeregowe uzwojeń generatora G. Po przekroczeniu prędkości 1,1 nn następuje przełączenie uzwojeń do pracy równoległej. Przy spadku prędkości powrót do połączenia szeregowego następuje przy prędkości 0,9 nn. Takie rozwiązanie zabezpiecza przed częstym przełączaniem uzwojeń w przypadku oscylacji prędkości wokół wartości progowych. Zależność sposobu połączenia sekcji uzwojeń w funkcji prędkości obrotowej wirnika generatora pokazano na rysunku Fig. 4.

Operacje przełączania połączenia uzwojeń generatora G realizowane są w następujący sposób: po osiągnięciu przez zespół prędkości progowej przy której ma nastąpić przełączenie, w pierwszej kolejności wysyłany jest sygnał do wyłączenia falownika, następnie są wyłączane i włączane odpowiednie łączniki SSz1, SG1 i SR1 i po tej operacji wysyłany jest sygnał do ponownego włączenia falownika. W przypadku, gdy istnieje ryzyko nadmiernego wzrostu prędkości po odłączeniu falownika możliwe jest wykorzystanie do obciążenia zespołu rezystorów ZRH. Wówczas operacje przełączania połączenia uzwojeń generatora G realizowane są w następujący sposób: po osiągnięciu przez zespół prędkości progowej, przy której ma nastąpić przełączenie, w pierwszej kolejności wysyłany jest przez łącznik sygnał do załączenia łącznika SH włączającego zespół sygnał do włączenia zespołu rezystorów hamujących ZRH i wyłączenia falownika, następnie są wyłączane i włączane odpowiednie łączniki SSz1, SG1 i SR1 i po tej operacji wysyłany jest sygnał do ponownego włączenia falownika i odłączenia zespołu rezystorów hamujących.

Claims (7)

1. Układ automatycznego przełącznika uzwojeń generatora znamienny tym, że generator (G) wyposażony jest w urządzenie lub układ do pomiaru prędkości obrotowej turbiny (CPO) podłączone do wejścia cyfrowego sterownika (US), a pasma fazowe uzwojenia generatora (G) podzielone są na sekcje (SU) o równej liczbie zwojów szeregowych i o takiej samej wartości amplitudy napięcia w obrębie sekcji (SU), przy czym sekcje uzwojeń (SU) są połączone ze sobą szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, gdy ich liczba jest większa niż 2, przy czym końce każdej sekcji (SU) wyprowadzone są do tabliczki zaciskowej, natomiast sterownik (US) połączony jest z automatycznym przełącznikiem uzwojeń (PU) generatora (G), wyposażonym w system łączników (SSz, SG, SR), w tym co najmniej jeden łącznik (SSz) powodujący przełączenie sekcji uzwojeń (SU) do pracy szeregowej i co najmniej jeden łącznik (SR) powodujący przełączenie sekcji uzwojeń (SU) do pracy równoległej, automatyczny przełącznik uzwojeń (PU) połączony jest z kolei łącznikiem (SH) z układem zabezpieczającym (ZRH), którym jest zespół rezystorów hamowania turbiny.

PL 237 028 B1

2. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że układ do pomiaru prędkości obrotowej (CPO) generatora (G) stanowi czujnik indukcyjny (K1) oraz obrotowa tarcza z otworami rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie zamocowana do wału generatora.

3. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że układ do pomiaru prędkości obrotowej (CPO) generatora (G) stanowi czujnik pojemnościowy (K1) oraz obrotowa tarcza z otworami rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie zamocowana do wału generatora (G).

4. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że układ do pomiaru prędkości obrotowej (CPO) generatora (G) stanowi czujnik optyczny (K1) oraz obrotowa tarcza z otworami rozmieszczonymi równomiernie na obwodzie zamocowana do wału generatora.

5. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że liczba sekcji (SU) pasm fazowych uzwojenia generatora (G) jest parzysta.

6. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że przełącznik uzwojeń (PU) wyposażony jest w układ zabezpieczający przed jednoczesnym załączeniem łączników powodujących połączenie uzwojeń generatora do pracy szeregowej i równoległej, składający się z odpowiednio połączonych styków pomocniczych łączników głównych w obwodach zasilania ich cewek sterujących.

7. Układ według zastrz. 1 znamienny tym, że przełącznik uzwojeń (PU) generatora (G) jest rozbudowany do układu o dowolnej liczbie faz.