SE521083C2

SE521083C2 - Method for protection of wind turbine, particularly of Savonius(RTM) type, comprises rotor with electrical generator driven via transmission and supporting framework which can comprise stay and acting against overloading at high wind speeds

Info

Publication number: SE521083C2
Application number: SE9902379A
Authority: SE
Inventors: Goeran Emil Lagstroem
Original assignee: Goeran Emil Lagstroem
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2003-09-30
Also published as: SE9902379D0; SE9902379L

Abstract

The method is for protection of a wind turbine, particularly of the Savonius(RTM) type (1), and involves a rotor (2) with an electrical generator (7) driven via a transmission (8) and supporting a framework (3), which can comprise a stay (3a) and acting against overloading at high wind speeds. The protection also acts against other faults which may occur such as runaway rotation of the rotor or faults in the electrical mains to which the turbine is connected. The turbine is provided with a brake device (10) and monitoring and breaker components (21-23,26) which form an unbroken relay chain during the operation of the turbine. The chain is broken and activates the brake device for bringing the rotor to a stationary state and disconnects the electrical generator from the mains when the pre-selected highest wind speed is exceeded or another fault occurs.

Description

521 085 2 utgångspunkt från denna dimensionering, en lägre tillåten maximigräns för vindhas- tigheten beräknas för drift av generatom, och att rotom styres till att automatiskt stoppas vid överskridande av denna gräns. Ett ytterligare syftemål är att även skydda rotor och generator mot överbelastningar orsakade av uppkommande fel i till turbi- nen hörande utrustning eller i elektriskt distributionsnät eller annat belastningsobjekt, till vilket turbinen är ansluten. 521 085 2 starting from this dimensioning, a lower permissible maximum limit for the wind speed is calculated for operation of the generator, and that the rotor is controlled to be stopped automatically when this limit is exceeded. A further purpose is to also protect the rotor and generator against overloads caused by faults in the equipment belonging to the turbine or in the electrical distribution network or other load object to which the turbine is connected.

Slutligen är det ännu ett syftemål att åstadkomma att generatom kopplas till det nämnda elektriska nätet endast då vindhastigheten minst är tillräcklig för att täcka generatoms egna tomgångsförluster och samtidigt ge en låg startström, vilket medger minskad storlek på säkringen och elabonnemanget.Finally, it is another object to achieve that the generator is connected to the said electrical network only when the wind speed is at least sufficient to cover the generator's own idle losses and at the same time provide a low starting current, which allows reduced size of the fuse and electricity subscription.

Närmare bestämt uppnås, tillsammans med ovannämnda sätt att dimensionera turbinema, dessa syftemål därigenom att turbinema förses med en bromsanordning och en reläkedja som är så utförd att den automatiskt aktiverar bromsen och stoppar rotom samt frånkopplar generatom från nät eller annat belastningsobjekt så snart ett förvalt värde på vindstyrkan överskrídes eller något av de ovannämnda felen uppstår, samt även övervakar och styr inkopplingen av generatom till nätet/belastnings- objektet med hänsyn till nämnda minsta tillräckliga vindhastighet.More specifically, together with the above-mentioned ways of dimensioning the turbines, these objects are achieved by providing the turbines with a brake device and a relay chain which is designed to automatically activate the brake and stop the rotor and disconnect the generator from the mains or other load object as soon as a preselected value of the wind force is exceeded or any of the above-mentioned errors occur, and also monitors and controls the connection of the generator to the network / load object with regard to the said minimum sufficient wind speed.

Ritningar Uppﬁnningen beskrives närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritningar.Drawings The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings.

F ig. 1 är en schematisk sidovy av en vertikal turbin enligt uppfinningen med tillhörande ramverk och övrig utrustning.F ig. 1 is a schematic side view of a vertical turbine according to the invention with associated frameworks and other equipment.

Fig. 2 är en schematisk vy uppifrån av turbinen och ramverket.Fig. 2 is a schematic top view of the turbine and the framework.

F ig. 3 är ett schema av en skyddsreläkedja som ingår i uppfinningen.F ig. 3 is a diagram of a protection relay chain included in the invention.

Beskrivning av ett utföringsexemgel enligt uppfinningen I rítningsfigurema betecknas turbinen med 1, dess rotor med 2 och ett denna uppbärande ramverk med 3. Till ramverket hör stag 3a. Rotom har rotorblad 2a, 2b , som i två motstående ändar är hopsvetsade med gavlar 9a, 9b och med en axel 4, vid vilken även gaviarna är fastsvetsade. Axein 4 är med lager 5, 6 lagrad upptill och nedtill i ramverket 3. En elgenerator 7 drivs av axeln 4, lämpligen via en utväxlings- Lfl 521 083 transmission såsom en kuggväxel 8 med kugghiul 8a, 8b. Generatorn bör företrädes- vis vara en växelströmsgenerator av asynkron typ . som är driftsäker och även auto- matiskt reglerar försläpningen mot nätfrekvensen.Description of an embodiment example according to the invention In the drawing figures, the turbine is denoted by 1, its rotor by 2 and a framework supporting it by 3. The framework includes struts 3a. The rotor has rotor blades 2a, 2b, which at two opposite ends are welded together with ends 9a, 9b and with a shaft 4, to which the ends are also welded. The shaft 4 is with bearings 5, 6 mounted at the top and bottom of the frame 3. An electric generator 7 is driven by the shaft 4, suitably via a gear transmission Lfl 521 083 transmission such as a gear 8 with gears 8a, 8b. The generator should preferably be an asynchronous AC generator. which is reliable and also automatically regulates the delay to the mains frequency.

En bromsanordnidng 10 är anordnad att kunna ingripa med företrädesvis den nedre gaveln 9a och innefattar ett bromsorgan l 1 monterat i en ände 12a av en bromsarm 12, som är svängbar kring en horisontell axel 13. En pistong 14 påverkas av en kraftig fjäder 15 för att trycka ned motsatt ände l2b av bromsarmen och därvid trycka bromsorganet 1 1 i änden l2a till bromsande anliggniiig mot gaveln 9a, och av en pneumatisk kolv 16 för att mot verkan av ljäderkraﬁen utföra en rörelse i motsatt riktning för frånkoppliiig av bronisorgziiiel. Kolvcn 16 är zinorditad i en trycklufley- linder 17, som via en luftledning 18 trycksättes av en kompressor 19 med en tillhö- rande tryckluftstank 20.A brake device 10 is arranged to be able to engage with preferably the lower end wall 9a and comprises a brake member 11 mounted in one end 12a of a brake arm 12, which is pivotable about a horizontal axis 13. A piston 14 is actuated by a strong spring 15 to pressing down the opposite end l2b of the brake arm and thereby pressing the brake member 11 1 at the end l2a to a braking abutment against the end wall 9a, and of a pneumatic piston 16 to perform a movement in the opposite direction against the action of a leather collar for disconnecting the bronze structure. The piston 16 is zinorditated in a compressed air cylinder 17, which is pressurized via an air line 18 by a compressor 19 with an associated compressed air tank 20.

Trycksättning resp. avluftning av cylindem 17 sker via en elmagnetstyrd pneu- matisk ventil 21, som i turbinens driftsläge är öppen för lufttillförsel till cylindem och sluten för avluftning. En vindhastighetsmätare 22 ger vid otillåtet hög vindhas- tighet, exempelvis 20 m/s, impuls till ventilen för avbrott av lufttillförseln och ut- släpp av luft ur cylindem 17. Fjädem 15 trycker härvid bromsorganet 1 1 på armen 12 till bromsande läge. Med hjälp av en ställskruv 23 kan utsläppshastigheten på luften ﬁnregleras för erhållande av en mjuk inbromsning.Pressurization resp. deaeration of the cylinder 17 takes place via an electromagnet-controlled pneumatic valve 21, which in the operating position of the turbine is open for air supply to the cylinder and closed for deaeration. A wind speed meter 22 gives an impatiently high wind speed, for example 20 m / s, impulse to the valve for interruption of the air supply and discharge of air from the cylinder 17. The spring 15 thereby presses the brake member 11 on the arm 12 to the braking position. With the help of an adjusting screw 23, the emission speed of the air can be adjusted to obtain a soft deceleration.

De ovarmämnda arrangemangen av den elmagnetstyrda pneumatiska ventilen 21 och vindhastighetsmätaren 22 ingår i en reläkedia 34 som visas i fig. 3. Förutom att ventilen 21 aktiverar bromsanordningen 10 vid för hög vindhastighet så som ovan beskrivits, gör den samma sak även då reläkedjan 34 av annan orsak brytes. Vidare gäller för reläkedjan 34 att alla brytare i densamma måste vara i tilläge för att en kontaktor 24 som ansluter elgeneratorn 7 till ett befintligt elektriskt distributionsnät skall vara inkopplad. 1 reläkedjan 34 ingår även en varvtalsvakt 26, ett tidrelä 27, ett bimetallrelä 28 och ett spänningsrelä 29. Vidare tillkommer en för hand manövrerad brytare 30, som är tillslagen vid drift av turbinen och öppnad vid service eller när man av annat skäl inte vill ha turbinen i drift. l tig. 3 visas även en elcentral 31 och en elmätare 32 för ett förelströmﬁšrsörjning från generatorn 7 anslutet hus eller annan lokal förbrukare, och med 33 betecknas de ingående elledningarna till nämnda förbrukare.The above-mentioned arrangements of the solenoid-controlled pneumatic valve 21 and the anemometer 22 are included in a relay medium 34 shown in Fig. 3. In addition to the valve 21 activating the braking device 10 at too high a wind speed as described above, it does the same even when the relay chain 34 of other cause is broken. Furthermore, it applies to the relay chain 34 that all switches in the same must be in position for a contactor 24 which connects the electricity generator 7 to an existing electrical distribution network to be connected. The relay chain 34 also includes a speed monitor 26, a time relay 27, a bimetallic relay 28 and a voltage relay 29. Furthermore, a manually operated switch 30 is added, which is switched on during operation of the turbine and opened during service or when for some other reason you do not want the turbine in operation. l tig. 3 also shows a power station 31 and an electricity meter 32 for a preload power supply from the generator 7 connected house or other local consumer, and 33 denotes the input power lines to said consumer.

Lfl 521 085 Varvtalsvakten 26 bryter reläkediari 34 vid ett varvtal som mer än tillåtligt överstiger det som ger synkront generatorvarvtal, detta lör att lörhindra att rotom 2 kommer upp i rusningsvarvtal vid fel på transmissioneri 8 mellan denna och elgenera- tom 7.Lfl 521 085 The speed monitor 26 breaks relay gear 34 at a speed that more than permissibly exceeds that which gives synchronous generator speed, this is to prevent the rotor 2 from coming up in rush speed in the event of a fault in transmission 8 between it and the electric generator 7.

Tidreläet 27 fördröjer inkopplingen av kontaktorn 24 till dess rotom 2 kommer upp i det varvtal som ger synkront eller något högre varvtal för elgeneratom 7, vilket ju tar en viss tid från start av rotom. Härigenom undvikes startströmstryck på elnätet och användning av en onödigt stor arbetsbrytare och säkring före kontaktom 24.The time relay 27 delays the connection of the contactor 24 until the rotor 2 reaches the speed which gives a synchronous or slightly higher speed for the electric generator 7, which of course takes a certain time from the start of the rotor. This avoids starting current pressure on the mains and the use of an unnecessarily large work switch and fuse before the contactor 24.

Bimetallreläet 28 bryter ur kontaktorn 24 vid överbelastning på elgeneratom 7.The bimetallic relay 28 breaks out of the contactor 24 in the event of an overload on the electric generator 7.

Detta relä liksom även varvtalsvakten 26 skall företrädesvis kunna återställas endast manuellt efter utlösning.This relay as well as the speed monitor 26 should preferably be able to be reset only manually after tripping.

Spänningsreläet 29 övervakar att alla faser på elnätet 25 har spänning och bry- ter kretsen om så ej är fallet, så att driftläge lör elgeneratorn 7 inte kan uppnås förrän elnätet åter är i drift.The voltage relay 29 monitors that all phases on the mains 25 have voltage and breaks the circuit if this is not the case, so that the operating mode of the electricity generator 7 cannot be reached until the mains is in operation again.

Den skyddsverkan som erhålles enligt ovan är sammanfattningsvis att turbinro- tom 2 bromsas till stillestånd och elgeneratom 7 bortkopplas från elnätet 25 såväl vid för hög vindhastighet som vid fel på transmissioneri 8, kortslutningar eller andra fel på elgeneratom, elavbrott på nätet eller fel i ett belastningsobjekt som leder till över- ström.In summary, the protective effect obtained according to the above is that the turbine rotor 2 is braked to a standstill and the electric generator 7 is disconnected from the mains 25 both in case of too high wind speed and in the event of transmission failure 8, short circuits or other faults in the generator, mains failure or fault in a load object leading to overcurrent.

Som nämnt i det föregående måste alla de ovan angivna brytarna och reläema sluta kretsen vid normal drift av turbinen. Så snart ett relä i kedjan 34 bryter kopplas kontaktom 24 ifrån och turbinrotorn 2 bromsas till stillestånd. Med detta övervak- nings- och skyddssystem blir det möjligt att bygga en turbin av det slag som avses i denna ansökning med optimal och riktig dimensionering för en så hög effekt under bibehållande av driftsäkerhet, att den kan användas för en ekonomisk, och mot pro- pellerturbiner konkurrenskraftig, elproduktion. Uppﬁnningens skyddsmetod och an- ordning kan tillämpas på alla vertikala vindturbincr.As mentioned above, all of the above switches and relays must close the circuit during normal operation of the turbine. As soon as a relay in the chain 34 breaks, the contactor 24 is switched off and the turbine rotor 2 is braked to a standstill. With this monitoring and protection system, it will be possible to build a turbine of the type referred to in this application with optimal and correct dimensioning for such a high power while maintaining operational reliability, that it can be used for an economical, and against pro- pellet turbines competitive, electricity generation. The invention's protection method and device can be applied to all vertical wind turbines.

En turbin enligt uppfinningen kan göras användbar och lönsam upp till relativt stora effekter, som åtminstone väl täcker behovet for fritidshus, villor och bondgårdar m.m. Den kan även placeras på bostadshus i tätorter, då den på liknande sätt som skorstenar kan anpassas till stadsbiiden exempelvis genom målning i lämplig färg, och därvid utgöra ett roterande konstverk eller reklampelare, som producerar elener- 1.0 521 083 gi. Turbinen kan inkopplas direkt på fastighetens lågspäiida elcentral, varvid en stor besparing i form av nätavgift och energiskatt samt rnervärdeskatt erhålles lör den enskilde användaren.A turbine according to the invention can be made usable and profitable up to relatively large effects, which at least well cover the need for holiday homes, villas and farms, etc. It can also be placed on residential buildings in urban areas, as it can be adapted to the city side in a similar way as chimneys, for example by painting in a suitable color, and thereby constitute a rotating work of art or advertising pillar, which produces electricity 1,0521,083 g. The turbine can be connected directly to the property's low - voltage power plant, whereby a large saving in the form of network fee and energy tax as well as value added tax is obtained for the individual user.

Genom att rotom i en turbín av Savoniustyp enligt uppfinningen har låg perife- rihastighet kan turbinen uppställas i eller nära bebyggelse, som ovan angivits, utan att bullerstömingar uppstår. Andra fördelar med denna typ av turbín är att den har lågt startmoment och startar redan vid en vindhastighet av l-Z m/s samt att rotorn roterar åt samma håll oberoende av vindriktningen. Man behöver alltså inte som vid propel- lerturbiner med vissa intervall återställa elledningama till nolläget och behöver inte arrangera strömavdraget med hjälp av släpringar och borstar. som slits och kräver service och underhåll.Because the rotor in a Savonia type turbine according to the invention has a low peripheral speed, the turbine can be set up in or near buildings, as stated above, without noise disturbances occurring. Other advantages of this type of turbine are that it has a low starting torque and starts already at a wind speed of 1-Z m / s and that the rotor rotates in the same direction regardless of the wind direction. Thus, as with propeller turbines at certain intervals, it is not necessary to restore the power lines to the zero position and it is not necessary to arrange the power deduction with the aid of slip rings and brushes. which wears out and requires service and maintenance.

Det ovan beskrivna utföringsexemplet kan varieras irioni ranien för uppfin- ningen. Detta gäller såväl bromsanordningens lO utförande som valet oeh arrange- manget av komponenter i reläkedjan. Likaså kan turbinens l utförande varieras. I utföringsexemplet visas två rotorblad 2:1. 2b, i l80° vinkel mot varandra, men ett annat tänkbart och vanligen förekommande utförande är exempelvis att anordna tre rotorblad i 120° vinkel mot varandra.The above-described exemplary embodiment can be varied within the scope of the invention. This applies to both the design of the braking device 10 and the choice and arrangement of components in the relay chain. The design of the turbine 1 can also be varied. In the exemplary embodiment, two rotor blades 2: 1 are shown. 2b, at an angle of 180 ° to each other, but another conceivable and commonly occurring embodiment is, for example, to arrange three rotor blades at an angle of 120 ° to each other.

Claims

10 15 20 25 L »1D 521 083 Patent claim

A method of protecting a non-loopable wind turbine, such as a Savonius turbine, (1) comprising a rotor (2), an electric generator (7) driven by it by means of a transmission (8) and one of the said units (2, 7, 8) supporting framework 3, to which braces 3a can belong, against overload at high wind speeds and against other faults that may occur during operation of the turbine (1), e.g. override wave on the rotor (2), fault in a mains (25), to which the turbine is connected, etc., characterized in that the framework (3) and the rotor (2) are dimensioned to hold too high on the turbine (1) when the rotor is at a standstill wind speed, that the rotor (2), the power generator (7) and the transmission (8) are dimensioned to maintain a preselected maximum wind speed lower than the said highest speed during operation of the rotor, and that the turbine is provided with a braking device (10 ) and monitoring and switching means (21-24, 26-30) forming a relay chain (34) unbroken during operation of the turbine (1), which breaks and activates the braking device (10) for braking the rotor (2) to a standstill and disconnects the power generator (7) from the mains (25), when said preselected maximum wind speed is exceeded or errors of the above kind occur.

Method according to claim 1, characterized in that in connection with the turbine (1) a wind speed meter (22) is arranged in the relay chain (34) in order to give an impulse to activate the brake device (10) and disconnect when said preselected wind speed is exceeded. of the power generator (7) from the mains (25).

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that at least one speed monitor (26) is arranged in the relay chain (34) for sensing the water / number on the rotor (2) and / or the generator (7) and at a preselected degree. by exceeding a speed corresponding to synchronous speed on the electric generator (7), activate the braking device (10) and disconnect the electric generator (7) from the mains (25).

Method according to claim 3, characterized in that the speed monitor (26) is arranged to be able to be reset only manually after having triggered braking of the turbine (1) and disconnection of the electric generator (7). Uï lO 5210-83

Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a relay, such as a bimetallic relay or winding protection relay (28), is arranged in the relay chain (34) for activating the braking device (10) and disconnecting the electric generator (7) from the mains. (25) in the event of an overload of the electric generator (7).

Method according to claim 5, characterized in that the relay (28) is arranged to be able to be reset only manually after having triggered braking of the turbine (I) and disconnection of the electric generator (7).

Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the generator (7) is connected to the mains (25) by means of a contactor (24) which is connected to the relay chain (34) by means of a time relay (27). which at the start of the turbine (1) delays said connection to its turbine rotor (2) has reached a speed which gives a synchronous or slightly higher speed of the electric generator (7).

Method according to one of Claims 1 to 7, characterized in that a voltage relay (29) is arranged in the relay chain (34) for monitoring that all phases on the mains (25) have voltage and for, if not , activate disconnection of the electric generator (7) from the mains (25) and, if this occurs when the turbine (1) is in operation, also activate braking thereof with the braking device (10).

Method according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the braking device (10) comprises a braking means (11) which can be arranged against a gable (9a) on the rotor (2) and a brake (14-17) acting on the braking means. such as a pneumatic cylinder (17) provided with a single-acting piston (16), which acts on a piston (14) in one direction, and a powerful spring (15), which acts on the piston (14) in an opposite direction, and a arranged in the relay chain (34), preferably electromagnetically controlled valve (21), which controls supply resp. discharge of pressure medium to the power doryet (I4-17), so that this can press the brake means (10) against resp. remove the same from the end (9a).

Method according to claim 9, characterized in that an adjusting means (23) is arranged in connection with the valve (21) for regulating the discharge velocity upon discharge of pressure medium, whereby the counter force of the piston (16) against the spring (15) gradually decreases in the desired rate and ﬁ edema can be arranged to press the braking member (11) against the end (9a) with a successively increasing force in a suitable manner. To obtain a soft braking of the rotor (2).