RU2225531C1 - Windmill-electric power plant - Google Patents

Windmill-electric power plant Download PDF

Info

Publication number
RU2225531C1
RU2225531C1 RU2002117609/06A RU2002117609A RU2225531C1 RU 2225531 C1 RU2225531 C1 RU 2225531C1 RU 2002117609/06 A RU2002117609/06 A RU 2002117609/06A RU 2002117609 A RU2002117609 A RU 2002117609A RU 2225531 C1 RU2225531 C1 RU 2225531C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
generator
voltage
speed
Prior art date
Application number
RU2002117609/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002117609A (en
Inventor
Н.И. Богатырев
В.Н. Ванурин
Н.Н. Курзин
А.С. Креймер
Е.А. Зайцев
Д.А. Ерашов
Original Assignee
Кубанский государственный аграрный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Кубанский государственный аграрный университет filed Critical Кубанский государственный аграрный университет
Priority to RU2002117609/06A priority Critical patent/RU2225531C1/en
Publication of RU2002117609A publication Critical patent/RU2002117609A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2225531C1 publication Critical patent/RU2225531C1/en

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: windmill-electric power plant designed to convert wind energy into electricity at steady parameters of output frequency and voltage has electromagnetic clutch with control winding, additional capacitors, voltage regulation device, pulse shaper, master frequency oscillator, synchronizing device, and amplifier; windmill is connected through transfer device to speed sensor and drive shaft of electromagnetic clutch whose output shaft is joined with rotor of n-pole variable- speed induction generator whose windings are connected to input of switching unit whose output is connected to field capacitors, additional capacitors, output terminals, voltage regulator device, and pulse shaper; the latter is connected to first input of synchronizing device whose second input is connected to master frequency oscillator; synchronizing device output is connected to input of amplifier and the latter is connected to control winding of electromagnetic clutch. EFFECT: enlarged range of wind load for generator voltage and frequency regulation. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, в частности к ветроэнергетическим установкам, и предназначено для преобразования энергии ветра в электрическую при стабильных параметрах частоты и напряжения. The invention relates to energy, in particular to wind power plants, and is intended to convert wind energy into electrical energy with stable parameters of frequency and voltage.

Известна "Ветроэлектрическая установка с инерционным аккумулятором энергии" (а. с. 951626, МКИ Н 02 Р 9/42 от 15.08.82г.), содержащая ветроколесо, выходной вал которого соединен с валом генератора переменного тока, к которому подключен блок возбуждения и регулирования, и снабжена дополнительной электрической машиной, а генератор переменного тока выполнен в виде асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, а вал дополнительной асинхронной машины соединен с валом инерционного аккумулятора энергии. The well-known "wind electric installation with an inertial energy accumulator" (a. P. 951626, MKI N 02 P 9/42 of 08/15/82) containing a wind wheel, the output shaft of which is connected to the shaft of an alternating current generator, to which an excitation and regulation unit is connected , and is equipped with an additional electric machine, and the alternator is made in the form of an asynchronous machine with a squirrel-cage rotor, and the shaft of the additional asynchronous machine is connected to the shaft of the inertial energy accumulator.

Недостатком известного устройства являются низкие энергетические показатели по причине многократного преобразования электроэнергии. A disadvantage of the known device is the low energy performance due to the multiple conversion of electricity.

Наиболее близким по технической сущности является изобретение (см. патент RU 2133375, F 03 D 7/00 от 20.07.1997 г.), состоящее из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика частоты, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации. При этом подключение нагрузки происходит в функции скорости ветра. The closest in technical essence is the invention (see patent RU 2133375, F 03 D 7/00 from 07/20/1997), consisting of a wind turbine, a transmission device, a frequency sensor, an n-pole asynchronous generator with field capacitors, switching devices. In this case, the load is connected as a function of wind speed.

Недостатком известного технического решения являются низкие энергетические показатели в диапазоне переключения полюсов и невысокая стабильность частоты и напряжения. A disadvantage of the known technical solution is the low energy performance in the switching range of the poles and the low stability of frequency and voltage.

Техническим решением предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно стабилизация частоты и напряжения генератора в широком диапазоне изменения ветровой нагрузки. The technical solution of the invention is to eliminate these drawbacks, namely, stabilization of the frequency and voltage of the generator in a wide range of changes in wind load.

Поставленная задача достигается тем, что ветроэнергетическая установка, состоящая из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации, дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем ветродвигатель через передающее устройство соединен с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора, обмотки которого соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами с выходными зажимами, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний - с обмоткой управления электромагнитной муфты. The task is achieved in that the wind power installation, consisting of a wind turbine, transmission device, speed sensor, n-pole asynchronous generator with field capacitors, switching device, additionally contains an electromagnetic coupling with a control winding, additional capacitors, voltage stabilization device, pulse shaper, defining a frequency generator, a synchronization device and an amplifier, the wind turbine being connected via a transmitting device to a speed sensor and the drive shaft of the electromagnetic coupling, which is connected to the rotor of the n-pole asynchronous multi-speed generator by the output shaft, the windings of which are connected to the input of the switching unit, the output of which is connected to field capacitors, additional capacitors with output terminals, a voltage stabilization device and a pulse shaper that is connected with the first input of the synchronization device, and its second input is connected to the master frequency generator, the output of the synchronization device is connected to the input amplifier, and the last - with a control winding of an electromagnetic clutch.

Новизна технического решения обусловлена тем, что дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, что позволяет стабилизировать напряжение и частоту n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора в больших пределах изменения ветрового потока. The novelty of the technical solution is due to the fact that it additionally contains an electromagnetic coupling with a control winding, additional capacitors, a voltage stabilization device, a pulse shaper, a frequency generator, a synchronization device and an amplifier, which makes it possible to stabilize the voltage and frequency of an n-pole asynchronous multi-speed generator within large variation limits wind flow.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения. According to the scientific, technical and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task, and this solution does not follow clearly from the prior art, which allows us to conclude that the solution corresponds to the level of the invention.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема; на фиг.2 - графики, поясняющие работу схемы; на фиг.3 - механические характеристики установки. The invention is illustrated by drawings, where figure 1 presents a schematic diagram; figure 2 - graphs explaining the operation of the circuit; figure 3 - mechanical characteristics of the installation.

Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, соединенное с передающим устройством 2 (мультипликатор), выход передающего устройства соединен с датчиком скорости 3 и ведущим валом 4 электромагнитной муфты 5, имеющей обмотку управления 6 и выходной вал 7, соединенный с ротором 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 с обмотками 10 и 11, соединенными с входом блока коммутации 12, выход которого соединен конденсаторами возбуждения 13, дополнительными конденсаторами 14 с выходными зажимами 15, устройством стабилизации напряжения 16 и формирователем импульсов 17, который соединен с первым входом устройства синхронизации 18, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты 19, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя 20, который соединен с обмоткой управления 6 электромагнитной муфты 5. The wind power installation contains a wind wheel 1 connected to the transmitting device 2 (multiplier), the output of the transmitting device is connected to the speed sensor 3 and the drive shaft 4 of the electromagnetic clutch 5, which has a control winding 6 and the output shaft 7 connected to the rotor 8 of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 with windings 10 and 11 connected to the input of the switching unit 12, the output of which is connected by field capacitors 13, additional capacitors 14 with output terminals 15, voltage stabilization device 16 and a pulse shaper 17, which is connected to the first input of the synchronization device 18, and its second input is connected to the master frequency generator 19, the output of the synchronization device is connected to the input of the amplifier 20, which is connected to the control winding 6 of the electromagnetic coupling 5.

В качестве ветроколеса 1 может быть использован любой механический преобразователь энергии ветра в механическую, n-полюсный асинхронный многоскоростной генератор 9 с различным числом пар полюсов стандартной конструкции с короткозамкнутым ротором 8. В качестве электромагнитной муфты 5 можно использовать порошковую или асинхронную с допустимой скоростью вращения и передаваемым моментом. Блок коммутации 12 переключает обмотки генератора с высоким быстродействием и может быть контактным и бесконтактным. В качестве стабилизатора напряжения 16 применяется широтно-импульсный регулятор или аналогичный с минимальными потерями в регулирующих элементах. Формирователь импульсов 17 формирует короткие импульсы при переходе синусоиды напряжения через ноль (фиг.2, Uсин). Задающий генератор частоты 19 формирует импульсы прямоугольной формы заданной частоты, например 100 Гц (фиг.2, Uзад). Устройство синхронизации 18 сравнивает фазу между частотой асинхронного генератора и задающего генератора частоты и формирует импульс управления (фиг. 2, iупр), который усиливается усилителем 20 и управляет работой электромагнитной муфты. Датчик скорости 3 имеет на выходе исполнительные элементы (контакты, импульсы) по количеству, равному числу переключаемых пар полюсов генератора.As a windwheel 1, any mechanical converter of wind energy into a mechanical, n-pole asynchronous multi-speed generator 9 with a different number of pole pairs of a standard design with a squirrel-cage rotor 8 can be used. As an electromagnetic coupling 5, powder or asynchronous with an acceptable rotation speed and transmitted moment. The switching unit 12 switches the windings of the generator with high speed and can be contact and non-contact. As a voltage stabilizer 16, a pulse-width regulator or the like with minimal losses in the regulating elements is used. The pulse shaper 17 generates short pulses during the transition of the voltage sinusoid through zero (figure 2, U syn ). The master frequency generator 19 generates rectangular pulses of a given frequency, for example 100 Hz (figure 2, U ass ). The synchronization device 18 compares the phase between the frequency of the asynchronous generator and the master frequency generator and generates a control pulse (Fig. 2, i control ), which is amplified by the amplifier 20 and controls the operation of the electromagnetic clutch. The speed sensor 3 has actuators (contacts, pulses) at the output in an amount equal to the number of switched pairs of generator poles.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Wind power installation works as follows.

В начальный момент на обмотку 6 электромагнитной муфты 5 подается постоянное напряжение, создается максимальный крутящий момент, и ротор 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора вращается со скоростью ведущего вала 4. Блок коммутации 12 подключает конденсаторы возбуждения 13 и дополнительные 14 к обмотке генератора 11 с большим числом пар полюсов. At the initial moment, a constant voltage is applied to the winding 6 of the electromagnetic coupling 5, maximum torque is created, and the rotor 8 of the n-pole asynchronous multi-speed generator rotates at the speed of the drive shaft 4. The switching unit 12 connects the field capacitors 13 and an additional 14 to the winding of the generator 11 with a large the number of pairs of poles.

При достижении скорости ветра соответственно ветроколеса 1 и ротора 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 заданной скорости последний возбуждается и напряжение подается к нагрузке (рабочая точка А на механической характеристике установки, фиг.3). Дальнейшее увеличение скорости ветроколеса 1 и ведущего вала 4 электромагнитной муфты 5 (отрезок А-В, фиг.3) вызывает уменьшение тока управления iупр в обмотке 6 электромагнитной муфты 5 (холостой ход, фиг.2). Ротор 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 при этом вращается с постоянной скоростью и генерирует стабильную частоту, заданную задающим генератором частоты 19.Upon reaching the wind speed, respectively, of the wind wheel 1 and rotor 8 of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 of the given speed, the latter is excited and the voltage is supplied to the load (operating point A on the mechanical characteristic of the installation, Fig. 3). A further increase in the speed of the wind wheel 1 and the drive shaft 4 of the electromagnetic coupling 5 (segment AB, FIG. 3) causes a decrease in the control current i control in the winding 6 of the electromagnetic coupling 5 (idle, FIG. 2). The rotor 8 of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 in this case rotates at a constant speed and generates a stable frequency specified by the master frequency generator 19.

При подключении нагрузки к выходным зажимам 15 (А, В, С) момент сопротивления на валу n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 возрастает, частота n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 по фазе отстает, длительность импульсов iупр, а следовательно, и эквивалентный ток управления электромагнитной муфты 5 возрастает, возрастает вращающий момент электромагнитной муфты 5 и скорость ротора 8 n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9 стабилизируется, а соответственно стабилизируется и частота тока (нагрузка, фиг.2).When the load is connected to the output terminals 15 (A, B, C), the moment of resistance on the shaft of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 increases, the frequency of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 lags behind in phase, the pulse duration i ctr , and therefore the equivalent current control of the electromagnetic clutch 5 increases, the torque of the electromagnetic clutch 5 increases and the speed of the rotor 8 of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 stabilizes, and accordingly, the current frequency stabilizes ( ruzka, figure 2).

Таким образом, в диапазоне скоростей от А до В (фиг.3) за счет скольжения в электромагнитной муфте 5 происходит стабилизация скорости и частоты n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора 9. Thus, in the speed range from A to B (Fig. 3), due to sliding in the electromagnetic coupling 5, the speed and frequency of the n-pole asynchronous multi-speed generator 9 are stabilized.

При дальнейшем увеличении скорости ветра и скорости вращения ведущего вала 4 электромагнитной муфты 5 (выше точки В, фиг.3) датчик скорости 3 выдает сигнал и блок коммутации 12 переключает конденсаторы 13 и 14 на обмотку 10 с меньшим числом пар полюсов, и процесс стабилизации частоты и скорости происходит аналогично рассмотренным ранее. With a further increase in the wind speed and the rotation speed of the drive shaft 4 of the electromagnetic coupling 5 (above point B, FIG. 3), the speed sensor 3 gives a signal and the switching unit 12 switches the capacitors 13 and 14 to the winding 10 with a smaller number of pole pairs, and the frequency stabilization process and speed occurs similarly to those previously considered.

При любых условиях по отклонению напряжения стабилизатор 16 регулирует емкостный ток дополнительных конденсаторов 14, тем самым стабилизируя напряжение n-полюсного асинхронного многоскоростного генератора. Under any conditions for voltage deviation, the stabilizer 16 regulates the capacitive current of the additional capacitors 14, thereby stabilizing the voltage of the n-pole asynchronous multi-speed generator.

Точка С на фиг.3 ограничивает диапазон регулирования скорости по механической прочности вращающихся элементов и определяется техническими условиями заказчика и производителя. Point C in figure 3 limits the range of speed control according to the mechanical strength of the rotating elements and is determined by the technical conditions of the customer and manufacturer.

Claims (1)

Ветроэнергетическая установка, состоящая из ветродвигателя, передаточного устройства, датчика скорости, n-полюсного асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения, устройства коммутации, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электромагнитную муфту с обмоткой управления, дополнительные конденсаторы, устройство стабилизации напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор частоты, устройство синхронизации и усилитель, причем ветродвигатель через передающее устройство соединен с датчиком скорости и ведущим валом электромагнитной муфты, которая выходным валом соединена с ротором n-полюсного многоскоростного асинхронного генератора, обмотки которого соединены со входом блока коммутации, выход которого соединен с конденсаторами возбуждения, дополнительными конденсаторами с выходными зажимами, устройством стабилизации напряжения и формирователем импульсов, который соединен с первым входом устройства синхронизации, а его второй вход соединен с задающим генератором частоты, выход устройства синхронизации соединен со входом усилителя, а последний - с обмоткой управления электромагнитной муфты.A wind power installation consisting of a wind turbine, a transmission device, a speed sensor, an n-pole asynchronous generator with field capacitors, a switching device, characterized in that it further comprises an electromagnetic coupling with a control winding, additional capacitors, a voltage stabilization device, a pulse shaper, a frequency generator , a synchronization device and an amplifier, and a wind turbine through a transmitting device is connected to a speed sensor and a drive shaft electromagnetic coupling, which is connected by the output shaft to the rotor of the n-pole multi-speed asynchronous generator, the windings of which are connected to the input of the switching unit, the output of which is connected to field capacitors, additional capacitors with output terminals, a voltage stabilization device and a pulse shaper, which is connected to the first input of the device synchronization, and its second input is connected to the master frequency generator, the output of the synchronization device is connected to the input of the amplifier, and the last third - the control winding of the electromagnetic clutch.
RU2002117609/06A 2002-07-01 2002-07-01 Windmill-electric power plant RU2225531C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002117609/06A RU2225531C1 (en) 2002-07-01 2002-07-01 Windmill-electric power plant

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002117609/06A RU2225531C1 (en) 2002-07-01 2002-07-01 Windmill-electric power plant

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002117609A RU2002117609A (en) 2004-01-27
RU2225531C1 true RU2225531C1 (en) 2004-03-10

Family

ID=32390525

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002117609/06A RU2225531C1 (en) 2002-07-01 2002-07-01 Windmill-electric power plant

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2225531C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2443903C2 (en) * 2010-05-12 2012-02-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Wind-driven power plant voltage and frequency regulation device
RU2499352C1 (en) * 2012-05-23 2013-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Device to stabilise voltage and frequency of wind-electric plant
RU2724622C1 (en) * 2019-12-13 2020-06-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина" Device for voltage stabilization of wind-driven power plant

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2443903C2 (en) * 2010-05-12 2012-02-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Wind-driven power plant voltage and frequency regulation device
RU2499352C1 (en) * 2012-05-23 2013-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" Device to stabilise voltage and frequency of wind-electric plant
RU2724622C1 (en) * 2019-12-13 2020-06-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина" Device for voltage stabilization of wind-driven power plant

Also Published As

Publication number Publication date
RU2002117609A (en) 2004-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4461957A (en) Speed tolerant alternator system for wind or hydraulic power generation
Basic et al. Transient performance study of a brushless doubly fed twin stator induction generator
EP2400655B1 (en) Power conversion system and method for a rotary power generation system
JP6306804B2 (en) Gas turbine power generation system and control system used therefor
EP1931009A2 (en) Methods for synchronising a plurality of generators
JP2008011607A (en) Speed-variable wind turbine power generation system
ES2914580T3 (en) Procedure and device for virtual mass inertia control for power plants with double feed asynchronous machine
KR102050174B1 (en) How to adjust wind turbine power draw
CN109301883B (en) Double-stator synchronous phase modulator with energy stored in rotor and control method thereof
CA1279368C (en) Variable-speed power generating system
Hopfensperger et al. Combined magnetising flux oriented control of the cascaded doubly-fed induction machine
RU2225531C1 (en) Windmill-electric power plant
JP3897365B2 (en) AC connection method of asynchronous generator and electrical connection used therefor
Shao et al. Vector control of the brushless doubly-fed machine for wind power generation
RU2133375C1 (en) Method for controlling windmill electric generating plant
RU2299356C1 (en) Wind power plant
KR101966199B1 (en) How to Reduce the Noise of an Electric Motor
RU2176329C1 (en) Energy conversion technique
RU2231686C1 (en) Wind-and-hydraulic power-generating plant
WO2000036298A1 (en) Method and device for the conversion of a fluid stream of varying strength into electrical energy
JP2001041074A (en) Inverter controlled engine generator
RU2253932C2 (en) Generator machine
JP2002010691A (en) Wind-power generation unit
WO1994003970A1 (en) Rotating induction generator adapted to be driven by a prime mover for generating electrical power
JP3495140B2 (en) Voltage control device for wound induction machine

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040702