RU2358151C2

RU2358151C2 - Wind-driven power plant

Info

Publication number: RU2358151C2
Application number: RU2007103494/06A
Authority: RU
Inventors: Валентин Иванович Власов (RU); Валентин Иванович Власов; Артем Валентинович Власов (RU); Артем Валентинович Власов; Юрий Николаевич Федоров (RU); Юрий Николаевич Федоров; Вячеслав Петрович Тигров (RU); Вячеслав Петрович Тигров
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2009-06-10
Also published as: RU2007103494A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: wind-driven power plant comprises wind-powered engine self-oriented at wind and electric generator joined with it by means of transmission. Power plant wind-powered engine is arranged in the form of at least one rectangular sail, which is movably fixed by shear bolts on cranks of two crankshafts equidistant from power axis and sitting in support-thrust bearings of beams. Rotation of crankshafts and beams is synchronised by planetary gear by rolling of central wheel, angular position of which is determined by weather vane so that angular position of crankshafts, beam planes, sail and wind direction are interrelated, rotation torques are summed up, and useful load is removed from the other central wheel as differential mechanism. Electric generator used is asynchronised synchronous machine.

EFFECT: increased efficiency of transformation at increase of wind energy application efficiency factor, provision of guaranteed power supply of domestic loads within the range of power plant rated energy intensity.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для гарантированного автономного энергоснабжения бытовых потребителей, а также для энергосбережения при параллельной работе с энергосистемой.The invention relates to the field of wind energy and can be used for a guaranteed autonomous power supply for household consumers, as well as for energy saving in parallel operation with the power system.

Хорошо известны наиболее распространенные горизонтально-осевые ветродвигатели ветроэнергетических станций (ВЭС) в виде так называемых ветроколес.The most common horizontal-axis wind turbines of wind power stations (WES) in the form of the so-called wind wheels are well known.

Их основными недостатками являются низкая эффективность использования энергии ветра, не превышающая 45% и незначительная единичная мощность агрегатов ВЭС из-за конструкторско-технологических барьеров (см., например, Л-1, стр.77-79).Their main disadvantages are the low efficiency of using wind energy, not exceeding 45% and the insignificant unit power of wind farm units due to the design and technological barriers (see, for example, L-1, p. 77-79).

Известны также вертикально-осевые ВЭС, принцип работы которых основан на эффекте возникновения подъемной силы на прямых лопастях постоянного аэродинамического профиля. Они имеют такие преимущества перед горизонтально-осевыми, как независимость направления ветра, низкий уровень быстроходности, удобство обслуживания и др., но коэффициент использования энергии ветра не превосходит их (см., например, Л-2, стр.48-52).Also known are vertical-axis wind turbines, the principle of which is based on the effect of the occurrence of lifting force on the straight blades of a constant aerodynamic profile. They have such advantages over horizontal axial as independence of the wind direction, low speed, ease of maintenance, etc., but the coefficient of utilization of wind energy does not exceed them (see, for example, L-2, p. 48-52).

Несмотря на предложения многочисленных вариантов конструктивных и агрегатных решений ВЭС, их применение ограничено из-за несовершенства технологий, не решающих основных проблем использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.Despite the proposals of numerous options for constructive and modular solutions of wind farms, their use is limited due to the imperfection of technologies that do not solve the main problems of using non-traditional renewable energy sources.

Главная проблема, возникающая при преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую, связана с непостоянством скорости ветра, изменяющейся не только по величине, но и по направлению в довольно короткие промежутки времени. Следовательно, кроме низкой эффективности преобразования масштабы использования ВЭС в значительной мере зависят от решения проблем резервирования мощности или аккумулирования энергии, так как высокие требования к аккумуляторам по надежности, простоте обслуживания, сроку службы, массе и др. показателям значительно превосходят возможности используемых в настоящее время (Л-2).The main problem that arises when converting the kinetic energy of the wind into electrical energy is related to the inconsistency of the wind speed, which changes not only in magnitude, but also in direction over fairly short periods of time. Therefore, in addition to low conversion efficiency, the scale of the use of wind farms largely depends on solving the problems of power reservation or energy storage, since high requirements for batteries in terms of reliability, ease of maintenance, service life, weight and other indicators significantly exceed the capabilities currently used ( L-2).

Наиболее близким техническим решением ВЭС (прототипом) может быть принята энергоустановка, в которой применяются ветродвигатели с вертикальной силовой осью. Силовая ось соединена с электрогенератором и вращается вертикальными парусами, которые надеты на подвижные горизонтальные стержни, поворачивающиеся в подшипниках. При обратном ходе парусов против ветра их лобовое сопротивление уменьшается за счет поворота в горизонтальной плоскости на 90° вокруг стержней под действием направляющего диска, угловое положение которого определяется флюгером (Л-3).The closest technical solution to a wind farm (prototype) can be a power plant that uses wind turbines with a vertical power axis. The power axis is connected to the generator and rotates with vertical sails, which are worn on movable horizontal rods that rotate in bearings. During the reverse course of the sails against the wind, their drag decreases due to a 90 ° rotation in the horizontal plane around the rods under the action of the guide disc, the angular position of which is determined by the weather vane (L-3).

На двойной принудительный поворот парусов вокруг стержней затрачивается значительная доля работы активного участка, что делает такую энергоустановку малоэффективной.A double forced rotation of the sails around the rods requires a significant share of the active section, which makes such an energy installation ineffective.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования за счет повышения КПД использования энергии ветра и обеспечение заданной длительности питания потребителей при скоростях ветра, отличных от используемых в настоящее время (от 5 до 24 м/сек), т.е. создание источника постоянного (гарантированного) электроснабжения потребителей.The aim of the invention is to increase the conversion efficiency by increasing the efficiency of using wind energy and providing a given duration of power supply to consumers at wind speeds different from those currently used (from 5 to 24 m / s), i.e. creating a source of constant (guaranteed) power supply to consumers.

Цель достигается полным отсутствием тормозящих моментов при вращении рабочих органов в любой фазе движения парусов, в том числе и против ветра, а также применением электрического генератора, обеспечивающего стабильность частоты и напряжения электрического тока при переменной скорости вращения вплоть до полного останова при отсутствии ветра или срабатывании защиты от превышения предельно допустимой скорости.The goal is achieved by the complete absence of braking moments during the rotation of the working bodies in any phase of the sail movement, including against the wind, as well as by the use of an electric generator that ensures the stability of the frequency and voltage of the electric current at a variable speed of rotation up to a complete stop in the absence of wind or protection from exceeding the maximum permissible speed.

Сущность изобретения заключается в том, что ветродвигатель ВЭС выполнен в виде по крайней мере одного прямоугольного паруса, подвижно закрепленного срезаемыми болтами на кривошипах двух равноудаленных от силовой оси коленчатых валов, сидящих в опорно-упорных подшипниках балок. Вращение балок и коленчатых валов синхронизировано планетарной передачей через обкатывание центрального зубчатого колеса, угловое положение которого определяется флюгером таким образом, что угловое положение коленчатых валов, плоскостей балок и направление ветра взаимосвязано, а вращающие моменты суммируются. Полезная нагрузка при этом снимается с другого центрального колеса как дифференциального механизма. В качестве электрогенератора применена асинхронизированная синхронная машина (АСМ), в которой возбудитель, механически с ней не связанный, выполняет все необходимые для работы АСМ структурные функции.The essence of the invention lies in the fact that the wind turbine is made in the form of at least one rectangular sail, movably fixed with shear bolts on the cranks of two crankshafts equally spaced from the power axis, sitting in the support-thrust bearings of the beams. The rotation of the beams and crankshafts is synchronized by a planetary gear through the rolling of the central gear, the angular position of which is determined by the weather vane in such a way that the angular position of the crankshafts, the planes of the beams and the wind direction are interconnected, and the torques are summed. The payload is then removed from the other central wheel as a differential mechanism. As an electric generator, an asynchronized synchronous machine (AFM) is used, in which the pathogen, which is not mechanically connected with it, performs all the structural functions necessary for the operation of the AFM.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие ВЭС с предлагаемой совокупностью признаков.A patent search showed the absence of a wind farm with the proposed set of features.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают ВЭС новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано обладающим существенными отличиями.Thus, in this case, the known elements are united by new bonds, give the wind farm new properties that are manifested in positive effects, as a result of which the solution can be recognized as having significant differences.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 показаны принципиальная электрическая и конструктивная (вертикально-осевой вариант) схемы работы ВЭС с одним парусом;- figure 1 shows the principal electrical and structural (vertical-axial version) of the scheme of the wind farm with one sail;

- на фиг.2 показаны горизонтально-осевой вариант ВЭС и восемь промежуточных положений паруса за один оборот силовой оси при виде сбоку, а для вертикально-осевого варианта - виде сверху ВЭС с двумя парусами;- figure 2 shows the horizontal-axis version of the wind farm and eight intermediate positions of the sail for one revolution of the power axis when viewed from the side, and for the vertical-axial version - top view of the wind farm with two sails;

- на фиг.3 показан вертикально-осевой вариант самоориентируемого ветродвигателя с четырьмя парусами.- figure 3 shows a vertical-axial version of a self-orientating wind turbine with four sails.

ВЭС состоит из ветродвигателя 1, электрического генератора 2, не связанного с ним механически возбудителя 3 и системы управления (СУ) 4.A wind farm consists of a wind turbine 1, an electric generator 2, a mechanically exciter 3 not connected with it, and a control system (CS) 4.

Ветродвигатель 1 содержит один, два, четыре и т.д. прямоугольных парусов 5, каждый из которых подвижно закреплен срезаемыми при превышении предельно допустимой скорости ветра болтами 6 на кривошипах 7 двух коленчатых валов 8, равноудаленных от горизонтальной или вертикальной оси вращения 0.Wind turbine 1 contains one, two, four, etc. rectangular sails 5, each of which is movably fixed with bolts 6 that are cut off when the maximum permissible wind speed is exceeded on the cranks 7 of two crankshafts 8 equidistant from the horizontal or vertical axis of rotation 0.

Калиброванные срезаемые болты 6 устанавливаются только с одной из сторон паруса 5 с тем, чтобы сорванный шквальным ветром парус 5 останавливался в положении флюгера.Calibrated shear bolts 6 are installed only on one of the sides of the sail 5 so that the sail 5, torn by a heavy wind, stops in the position of the wind vane.

Парус 5 может быть выполнен из любой плотной ткани (парусины) или в виде ветрового щита для упрощения механизма синхронизации вращения коленчатых валов 8, так как жесткость паруса 5 выполняет синхронизирующие функции по правилу параллелограмма (фиг.3).Sail 5 can be made of any dense fabric (canvas) or in the form of a wind shield to simplify the mechanism for synchronizing the rotation of crankshafts 8, since the stiffness of the sail 5 performs synchronization functions according to the parallelogram rule (figure 3).

Коленчатые валы 8 закреплены в опорно-упорных подшипниках балок 9, которые могут быть связаны между собой выносными за траекторию движения паруса 5 стойками 10, или трансмиссиейCrankshafts 8 are fixed in the thrust bearings of the beams 9, which can be connected with each other by the posts 10 for the sail trajectory 5, or by transmission

Силовая ось вращения 0 ветродвигателя 1 проходит через середину балок 9 и может быть снабжена шкивом 11 (фиг.1) для передачи вращающего момента электрическому генератору 2.The power axis of rotation 0 of the wind turbine 1 passes through the middle of the beams 9 and can be equipped with a pulley 11 (figure 1) for transmitting torque to the electric generator 2.

В этом случае (вертикально-осевой вариант) шкив 11 может опираться через подшипник 12 на неподвижную платформу 13 прочного фундамента. При этом концы нижних балок 9 для увеличения устойчивости конструкции при сильном ветре могут быть снабжены подвижными опорами 14, немного не достающими до земли в нормальном режиме.In this case (vertical-axial version), the pulley 11 can be supported through the bearing 12 on a fixed platform 13 of a solid foundation. In this case, the ends of the lower beams 9 to increase the stability of the structure during strong winds can be equipped with movable supports 14, slightly not reaching the ground in normal mode.

На силовой оси балок 9 располагаются центральное зубчатое колесо 15, жестко связанное с флюгером 16, для вертикально-осевого варианта (фиг.1) и колесо отбора мощности 17, когда передача полезного вращающего момента через шкив 11 не рациональна (фиг.2).On the power axis of the beams 9 there is a central gear wheel 15, rigidly connected with a weather vane 16, for the vertical-axial version (Fig. 1) and a power take-off wheel 17, when the transmission of the useful torque through the pulley 11 is not rational (Fig. 2).

Функцию флюгера 16 может выполнять традиционная вертикальная плоскость Ф (фиг.1) или эксцентричное подвижное закрепление 18 станины 19 на земле (фиг.2) или на мачте 20 (фиг.3).The function of the weather vane 16 can be performed by a traditional vertical plane Ф (Fig. 1) or an eccentric movable fastening 18 of the frame 19 on the ground (Fig. 2) or on the mast 20 (Fig. 3).

В последнем случае (фиг.2 и 3) центральное зубчатое колесо 15 жестко закрепляется уже не на флюгере 16, а на станине 19.In the latter case (FIGS. 2 and 3), the central gear wheel 15 is rigidly fixed not on the weather vane 16, but on the frame 19.

Центральное зубчатое колесо 15 связано непроскальзывающей передачей 21 (цепью, зубчатым ремнем, шестернями-сателлитами и т.п.) с таким же колесом 22 одного (фиг.3) или всех (фиг.2) коленчатых валов 8 в зависимости, как уже отмечалось, от жесткости парусов 5.The Central gear wheel 15 is connected by a non-slip gear 21 (chain, gear belt, satellite gears, etc.) with the same wheel 22 of one (Fig. 3) or all (Fig. 2) crankshafts 8 depending, as already noted , from rigidity of sails 5.

Для уравновешивания сил и моментов инерции коленчатые валы 8 могут быть снабжены противовесами (не показаны).To balance the forces and moments of inertia, the crankshafts 8 can be equipped with counterweights (not shown).

Исходное угловое положение паруса 5, балок 9, кривошипов 7, колеса 15 флюгера 16 или 19 устанавливается таким образом, чтобы парус 5, максимально выдвинутый кривошипами 7 за ось вращения 0, располагался всей своей плоскостью перпендикулярно к направлению ветра (положение 1 на фиг.2).The initial angular position of the sail 5, beams 9, cranks 7, wheels 15 of the weather vane 16 or 19 is set so that the sail 5, maximally extended by the cranks 7 for the axis of rotation 0, is located with its entire plane perpendicular to the direction of the wind (position 1 in figure 2 )

Под действием ветра парус 5 поворачивает в одну и ту же сторону, например по часовой стрелке, одновременно плоскость балок 9, кривошипы 7 вместе с жестко закрепленными на коленчатых валах 8 колесами 22 и непроскальзывающую передачу 21, которая обкатывает при этом относительно неподвижное центральное колесо 15, обеспечивая жесткую взаимосвязь углового положения паруса 5 и других подвижных частей с направлением ветра.Under the influence of wind, sail 5 turns in the same direction, for example, clockwise, at the same time, the plane of the beams 9, cranks 7 together with wheels 22 rigidly fixed on crankshafts 8 and non-slip gear 21, which then rolls around the relatively stationary central wheel 15, providing a rigid relationship of the angular position of the sail 5 and other moving parts with the direction of the wind.

Такая передача называется планетарной.Such a transmission is called planetary.

Парус 5 в своем движении по ветру плавно «меняет галс», проходит из положения 1 максимального вращающего момента через положения 2, 3 и 4 в положение 5 нулевого вращающего момента (фиг.2).Sail 5 in its movement in the wind smoothly "changes tack", passes from position 1 of the maximum torque through position 2, 3 and 4 to position 5 of zero torque (figure 2).

Но это только одна неустойчивая точка параллелограмма сил, которая может быть пройдена парусом 5 по инерции (фиг.1) или при помощи другого паруса 5, смещенного в это время по фазе движения в положение 1 максимального вращающего момента (фиг.2 и 3).But this is only one unstable point of the parallelogram of forces, which can be traversed by sail 5 by inertia (Fig. 1) or by using another sail 5, displaced at this time by the phase of movement to position 1 of the maximum torque (Figs. 2 and 3).

Дальнейшее движение паруса 5 из положения 5 в положения 6, 7, 8 и, наконец, в исходное положение 1 происходит опять же по ветру, так как сторона паруса 5, обдуваемая ветром, в положении 5 меняется на обратную, что равносильно смене направления ветра на 180° и увеличению эффективности преобразования энергии в два раза.The further movement of sail 5 from position 5 to positions 6, 7, 8 and, finally, to the initial position 1 occurs again in the wind, since the side of sail 5, blown by the wind, in position 5 is reversed, which is equivalent to a change in the direction of the wind by 180 ° and double the energy conversion efficiency.

Наличие пары парусов 5, расположенных на взаимно перпендикулярных балках 9, обеспечивает ветродвигателю 1 суммарный малоизменяемый вращающий момент, равный максимальному одного паруса 5 (фиг.2).The presence of a pair of sails 5 located on mutually perpendicular beams 9, provides the wind turbine 1 with a total unchanged torque equal to the maximum of one sail 5 (figure 2).

И, наконец, возможно симметричное расположение двух пар парусов 5 на станине 19, подвижно закрепленной на силовой мачте 20, с синхронизацией их вращения в противоположные стороны передачей вращающих моментов на полезную нагрузку (фиг.3).And finally, it is possible a symmetrical arrangement of two pairs of sails 5 on the frame 19, movably mounted on the power mast 20, with the synchronization of their rotation in opposite directions by transmitting torques to the payload (figure 3).

Ширина паруса 5 на фиг.1 и 2 равна расстоянию между коленчатыми валами 8, как наиболее оптимальная, и в положении 1 внутренним краем совпадает с осью вращения 0 балок 9, но следует отметить, что ветродвигатель 1 в принципе не создает тормозного момента при любой относительной ширине паруса 5, так как в итоге действует результирующее плечо, которое всегда смещено относительно оси вращения 0. Лишь бы паруса 5, расположенные в один или несколько ярусов, не мешали друг другу при движении, т.е. равна до двух расстояний между коленчатыми валами 8 (фиг.3).The width of the sail 5 in FIGS. 1 and 2 is equal to the distance between the crankshafts 8, as the most optimal, and in position 1 the inner edge coincides with the axis of rotation 0 of the beams 9, but it should be noted that the wind turbine 1 in principle does not create braking torque at any relative the width of the sail 5, since in the end the resulting shoulder acts, which is always offset relative to the axis of rotation 0. As long as the sails 5, located in one or more tiers, do not interfere with each other when moving, i.e. equal to two distances between the crankshafts 8 (figure 3).

Скорость вращения ω коленчатых валов 8 и балок 9 одинаковы. Включение в планетарную передачу 21 подвижного центрального колеса отбора мощности 17 дает дифференциальный механизм и результирующее перемещение (вращение) колеса 17 как сумму вращений коленчатых валов 8 и балок 9, т.е. 2ω.The rotation speed ω of the crankshafts 8 and beams 9 are the same. The inclusion in the planetary gear 21 of the movable central power take-off wheel 17 gives a differential mechanism and the resulting movement (rotation) of the wheel 17 as the sum of the rotations of the crankshafts 8 and beams 9, i.e. 2ω.

Так как габариты электрических машин при той же мощности обратно пропорциональны частоте вращения ротора, то целесообразнее снимать полезную нагрузку не со шкива 11, имеющего одинарную частоту вращения ω, а с подвижного центрального колеса отбора мощности 17, которая имеет двойную частоту вращения, т.е. 2ω.Since the dimensions of electric machines at the same power are inversely proportional to the rotor speed, it is more expedient to remove the payload not from the pulley 11 having a single speed ω, but from the moving central power take-off wheel 17, which has a double speed, i.e. 2ω.

В принципе высокоэффективный ветродвигатель 1 описанной конструкции может быть агрегатирован с электрическим генератором 2 любой конструкции. И если ВЭС работает на нагрузку, не требующую высокого качества электроэнергии, например нагрев воды для отопления, то целесообразно применить простейший синхронный генератор 2 переменного тока с возбуждением постоянными магнитами или самовозбуждением (Л-4, стр.11) без каких-либо регуляторов.In principle, a highly efficient wind turbine 1 of the described design can be aggregated with an electric generator 2 of any design. And if the wind farm operates on a load that does not require high quality electricity, for example, heating water for heating, then it is advisable to use the simplest synchronous alternator 2 with excitation by permanent magnets or self-excitation (L-4, p. 11) without any regulators.

Но целью изобретения является обеспечение потребителей электроэнергией стандартного качества. Поэтому электрический генератор 2 ВЭС представляет собой асинхронизированную синхронную машину (АСМ), главным достоинством которой является стабильность частоты и напряжения при переменной скорости вращения.But the purpose of the invention is to provide consumers with electricity of standard quality. Therefore, the electric generator 2 of the wind farm is an asynchronous synchronous machine (AFM), the main advantage of which is the stability of frequency and voltage at variable speed.

Но АСМ известных конструктивных и электрических схем при ограниченном диапазоне изменения частоты вращения сложны и слишком дороги.But AFMs of well-known structural and electrical circuits with a limited range of changes in speed are complex and too expensive.

В принципе работа АСМ невозможна без преобразователей частоты, электромагнитного источника энергии возбуждения и регуляторов напряжения. А их применение в АСМ известных конструкций проблематично из-за недостатков, связанных с наличием статического преобразователя частоты, управляемого выпрямителя, возбудителя в виде механически связанного с АСМ синхронного генератора, полупроводниковых регуляторов и фильтров высших гармонических составляющих напряжения и тока (Л-5).In principle, AFM operation is impossible without frequency converters, an electromagnetic excitation energy source and voltage regulators. And their use in AFMs of known designs is problematic due to the disadvantages associated with the presence of a static frequency converter, a controlled rectifier, a pathogen in the form of a synchronous generator mechanically connected to the AFM, semiconductor regulators and filters of higher harmonic components of voltage and current (L-5).

В то же время уже существует многофункциональное недорогое и компактное устройство, называемое Выравниватель нагрузки (ВН), не требующее обслуживания и обладающее свойствами преобразователя частоты, выпрямителя, регулятора напряжения, выключателя нагрузки, усилителя, источника энергии возбуждения и др. структурных составляющих АСМ, а главное - аккумулятора рекордной энергоемкости (Л-6).At the same time, there is already a multifunctional inexpensive and compact device called a load balancer (HV), which does not require maintenance and has the properties of a frequency converter, rectifier, voltage regulator, load switch, amplifier, excitation energy source, and other structural components of the AFM, and most importantly - a battery of record energy intensity (L-6).

Но использование его по прямому назначению с питанием от генератора нестабильных параметров (частоты и напряжения) предполагает преобразование всей вырабатываемой и потребляемой энергии, что завышает требуемую мощность ВН.But using it for its intended purpose with the power from the generator of unstable parameters (frequency and voltage) involves the conversion of all generated and consumed energy, which overestimates the required HV power.

Более рациональным представляется использование ВН в качестве возбудителя АСМ, когда преобразуется только часть вырабатываемой ВЭС энергии - недостающая или, наоборот, избыточная по сравнению с потребляемой в данный момент времени. Применение ВН по патенту РФ №2119708, разделяющего во времени процессы выработки и потребления энергии и имеющего высокий КПД, перспективно со всех точек зрения.It seems more rational to use HV as the AFM causative agent, when only a part of the energy produced by the wind farm is converted - lacking or, conversely, excess compared to the current consumed time. The use of VN according to the patent of the Russian Federation No. 2119708, which separates in time the processes of energy production and consumption and has high efficiency, is promising from all points of view.

Как известно, АСМ является машиной двойного питания со стороны ротора и со стороны статора (Л-5).As you know, AFM is a dual power machine on the rotor side and on the stator side (L-5).

Структурная схема электрического генератора ВЭС включает: собственно генератор 2, состоящий из обмотки статора и фазного ротора с датчиком положения ротора 23, возбудитель 3, питающий обмотку ротора через контактные кольца К, и систему автоматического управления 4 (см. электросхему фиг.1).The structural diagram of an electric generator of a wind farm includes: a generator 2 itself, consisting of a stator winding and a phase rotor with a rotor position sensor 23, a pathogen 3 supplying the rotor winding through slip rings K, and an automatic control system 4 (see wiring diagram of Fig. 1).

Возбудитель 3 представляет собой безобмоточную систему генератор-двигатель (Г-Д) с супермаховиком, совмещенную с трехэлектродной электронной лампой (Л-6).Pathogen 3 is a winding-free generator-engine (GD) system with a super-flywheel combined with a three-electrode electron lamp (L-6).

Для обеспечения стабильности выдаваемых параметров магнитное поле ротора генератора 2 должно вращаться относительно самого ротора с частотой

, где ω_с=60f_c/ρ, а ρ - число пар полюсов генератора 2.To ensure the stability of the issued parameters, the magnetic field of the rotor of the generator 2 should rotate relative to the rotor with a frequency

, where ω _c = 60f _c / ρ, and ρ is the number of pairs of poles of the generator 2.

Используя параметр скольжения S, условие (1) можно представить в следующем виде:

, где S=(ω_c-ω_p)/ω_c.Using the slip parameter S, condition (1) can be represented as follows:

, where S = (ω _c -ω _p ) / ω _c .

Скольжение S может меняться как по величине, так и по знаку. В соответствии с изменениями S возбудитель 3 должен обеспечивать изменение величины и знака ω_п.Slip S can vary both in magnitude and in sign. In accordance with the changes in S, the pathogen 3 must provide a change in the magnitude and sign of ω _p .

Таким образом, закон управления (2) остается общим (единственным) для всех АСМ и заключается в обеспечении питания ротора генератора 2 с частотой скольжения.Thus, the control law (2) remains general (unique) for all AFMs and consists in providing power to the rotor of generator 2 with a sliding frequency.

Но генератору 2 присущи свои особенности, имеющие существенный характер.But generator 2 has its own essential features.

Во-первых, благодаря свойству накапливания электроэнергии достигается принципиальная независимость параметров выдаваемой электроэнергии от скорости вращения вала ветродвигателя 1. Следует заметить, что известные АСМ таким свойством не обладают, т.к. диапазон изменения частоты вращения приводного двигателя более - 0,25<S<+0,25 практически трудно достижим, (теоретически -0,5<S<+0,5) и в принципе ограничен наличием «жесткой» связи (зависимости) параметров источника энергии возбуждения от скорости вращения вала первичного двигателя.Firstly, due to the property of electric energy accumulation, a fundamental independence of the parameters of the supplied electric energy from the rotation speed of the wind turbine shaft 1 is achieved. It should be noted that the known AFMs do not have this property, because the range of variation of the rotational speed of the drive motor over - 0.25 <S <+0.25 is practically difficult to achieve, (theoretically -0.5 <S <+0.5) and, in principle, limited by the presence of a “hard” connection (dependence) of the source excitation energy from the rotation speed of the shaft of the prime mover.

Во-вторых, благодаря полной управляемости возбудителя 3 как выпрямителя, инвертора, преобразователя частоты, регулятора напряжения и усилителя мощности, схема управления существенно упрощается (см. фиг.1).Secondly, due to the complete controllability of the pathogen 3 as a rectifier, inverter, frequency converter, voltage regulator and power amplifier, the control circuit is greatly simplified (see figure 1).

Из этого следует, что при отсутствии скольжения, когда ω_р=ω_с, магнитное поле ротора неподвижно относительно самого ротора и вращается вместе с ротором с частотой ω_c=60f_c/ρ, а обмотки ротора генератора 2 обтекает постоянный ток, как в синхронном генераторе. По величине он составляет только 5÷10% от тока полной нагрузки генератора 2 (Л-4).It follows that in the absence of slip, when ω _p = ω _s , the magnetic field of the rotor is stationary relative to the rotor itself and rotates together with the rotor with a frequency of ω _c = 60 f _c / ρ, and the windings of the rotor of the generator 2 flow around a constant current, as in synchronous generator. In magnitude, it is only 5 ÷ 10% of the current of the full load of generator 2 (L-4).

Для дальнейшего снижения относительной мощности возбудителя 3 возможно категорирование приемников электрической энергии в рамках одного потребителя и использование двух генераторов - стабильных параметров и нерегулируемого, вращаемых одним ветродвигателем 1.To further reduce the relative power of the pathogen 3, it is possible to categorize the electric energy receivers within one consumer and use two generators - stable parameters and unregulated, rotated by one wind turbine 1.

На фиг.1 приведен пример исполнения принципиального схемы управления генератором 2 при его параллельной работе с сетью.Figure 1 shows an example of the execution of the control circuit of the generator 2 during its parallel operation with the network.

Для этого случая задатчиком частоты 34 является сама сеть, а датчик положения ротора ДП выполнен в виде синхронной машины с вращающимся постоянным магнитом 23, т.е. система управления 4, задатчик частоты 24 и датчик положения ротора объединены.For this case, the frequency setter 34 is the network itself, and the DP rotor position sensor is made in the form of a synchronous machine with a rotating permanent magnet 23, i.e. control system 4, frequency control 24 and rotor position sensor are combined.

В общем же случае для управления возбудителем 3 как преобразователем частоты ПЧ необходим датчик частоты вращения ротора 23, задатчик частоты 34 и система управления 4, обеспечивающая коммутацию силовых цепей возбудителя 3 с частотой, пропорциональной скольжению.In the general case, for controlling the pathogen 3 as an inverter of the frequency of the inverter, a rotor speed sensor 23, a frequency knob 34, and a control system 4 are needed that provide switching of the power circuits of the pathogen 3 with a frequency proportional to slip.

Система управления 4 представляет собой распределитель импульсов как разности частоты напряжения источника и частоты коммутации.The control system 4 is a pulse distributor as the difference between the frequency of the source voltage and the switching frequency.

Если в качестве источника энергии для системы управления 4 используется синхронная машина (ДП), ротор которой жестко связан с ротором генератора 2 и число пар полюсов ДП и генератора 2 одинаково, то частота напряжения синхронной машины пропорциональна частоте вращения ротора ω_р, и при частоте коммутации If a synchronous machine (DP) is used as the energy source for control system 4, the rotor of which is rigidly connected to the rotor of generator 2 and the number of pairs of poles of DP and generator 2 is the same, then the voltage frequency of the synchronous machine is proportional to the rotor speed ω _r , and at the switching frequency

f_к=f_c, равной частоте напряжения синхронной машины f_c, частота напряжения на выходе системы управления 4 определится как ω_п=ω_с-ω_р=ω_с S. Значит система управления 4 выполняет функции элемента сравнения, автоматически формирующего на выходе U_p с частотой скольжения S.f _k = f _c , equal to the frequency of the synchronous machine voltage f _c , the voltage frequency at the output of control system 4 is defined as ω _p = ω _s -ω _p = ω _s S. Therefore, control system 4 performs the functions of a comparison element that automatically generates U at the output _p with slip frequency S.

Система автоматического регулирования напряжения (АРН) первой ступени только меняет величину этого импульса в функции от величины напряжения сети. Вторая ступень регулирования напряжения генератора 2 уже относится к изменению магнитного потока током возбуждения самого возбудителя 3.The system of automatic voltage regulation (AVR) of the first stage only changes the magnitude of this pulse as a function of the magnitude of the mains voltage. The second stage of voltage regulation of the generator 2 already refers to a change in the magnetic flux by the excitation current of the pathogen 3 itself.

Таким образом, предлагаемая ВЭС более эффективно использует энергию ветра и обеспечивает гарантируемое качество электроэнергии как в автономном режиме, так и параллельной работе в сетью.Thus, the proposed wind farm more efficiently uses wind energy and ensures the guaranteed quality of electricity both in stand-alone mode and in parallel operation in the network.

Использованная литератураReferences

1. Энциклопедический словарь юного техника. М.: Педагогика, 1980 г., с.77-79.1. Encyclopedic dictionary of a young technician. M .: Pedagogy, 1980, pp. 77-79.

2. Галич В.Ф. Ветроэнергетические станции. Результаты эксплуатации и перспективы развития. Промышленная энергетика, 1993 г., №4, с.48-52.2. Galich V.F. Wind power stations. Operational results and development prospects. Industrial Energy, 1993, No. 4, p. 48-52.

3. Заявка Франции №2396878, кл. F03D 3/06, 1979 г.3. Application of France No. 2396878, cl. F03D 3/06, 1979

4. Электрические машины, ч.II, М.П.Костенко и Л.М.Пиотровский, Энергия, 1965 г., с.11.4. Electric machines, part II, MP Kostenko and L. M. Piotrovsky, Energy, 1965, p. 11.

5. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.5. Shakaryan Yu.G. Asynchronous synchronous machines. M .: Energoatomizdat, 1984

6. Патент РФ №2119708, кл. 6 H02J 3/30, 15/00, Н02К 31/00, 13/00, 25/00, 1997 г.6. RF patent No. 2119708, cl. 6 H02J 3/30, 15/00, Н02К 31/00, 13/00, 25/00, 1997

Claims

A wind power station containing a self-orienting wind turbine and an electric generator connected with it by means of a transmission, characterized in that the wind turbine is made in the form of at least one rectangular sail, movably fixed with shear bolts on the cranks of two crankshafts equally spaced from the power axis, sitting in the support thrust bearings of the beams, while the rotation of the crankshafts and beams is synchronized with the planetary gear through rolling in the central wheel, the angular position of orogo determined vane, the payload is removed from the other central wheel as a differential mechanism, and is applied as an electric synchronous machine asynchronized.