Привод генератора ветроэнергетической установки

(51) 03 7/04 (2006.01) 03 9/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ присоединенным к нему вспомогательным генератором постоянного тока для обмоток возбуждения основного генератора и водило с присоединенным к нему вспомогательным электродвигателем. Привод генератора ветроэнергетической установки, содержит приемник ветровой энергии в виде ветрового колеса,дифференциальный зубчатый механизм вспомогательное устройство передачи энергии на генератор. Приемник ветровой энергии выполнен в виде двух ветровых колес с противоположно наклоненными лопастями. Два центральных колеса дифференциального механизма присоединены к ветровым колесам. Вспомогательное устройство передачи энергии на генератор содержит вспомогательный электродвигатель, статор которого присоединен к водилу дифференциального механизма, а ротор - к ротору основного генератора. Вспомогательный генератор обмотки возбуждения основного генератора присоединен к третьему центральному колесу. Привод генератора ветроэнергетической установки увеличивает эффективность использования переменной ветровой энергии.(72) Иванов Константин СамсоновичЯрославцева Елена Константиновна(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи(54) ПРИВОД ГЕНЕРАТОРА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ(57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к адаптивным зубчатым механизмам, и может использоваться в качестве привода генератора ветроэнергетической установки. Цель изобретения является увеличение эффективности использования переменной ветровой энергии. Задача изобретения решается тем, что привод ротора основного генератора содержит два ветровых колеса с противоположно расположенными лопастями,присоединенный к ним дифференциальный зубчатый механизм,содержащий два центральных колеса,присоединенных к ветровым колесам, двойной сателлит,третье центральное колесо с Изобретение относится к энергетике и машиностроению, в частности к использованию энергии ветра для выработки электроэнергии с целью питания обособленных объектов и подачи электроэнергии в энергосистемы и может быть использовано в качестве привода генератора ветроэнергетической установки с автоматическим бесступенчатым преобразованием переменной скорости вращения ветроколеса в постоянную скорость вращения вала генератора. Известны адаптивные передачи от ветрового колеса к генератору, позволяющие преобразовать переменную скорость вращения ветроколеса в постоянную скорость вращения вала электрического генератора. Адаптивная передача содержит зубчатый мультипликатор,зубчатый дифференциальный механизм с двумя степенями свободы и замыкающий механизм. Зубчатый мультипликатор увеличивает скорость вращения и уменьшает крутящий момент. Зубчатый дифференциальный механизм с двумя степенями свободы создает внутреннюю циркуляцию потока мощности. Замыкающий механизм соединяет звенья дифференциального механизма с возможностью их относительного движения. Замыкающий механизм имеет переменное передаточное отношение и обеспечивает саморегулирование передачи. Существующие передачи используют различные виды замыкающих механизмов. В передачеиспользуется гидродинамическая передача. В передаче // используется гидростатическая передача Хендерсона.. 2-4.10.2010. . 1095-1106). Недостатки известных концепций передачи энергии ветра, основанные на гидростатической или гидродинамической бесступенчато регулируемой передаче ( , Виндтек/виков Орбитал),состоят в том, что такие передачи имеют низкую эффективность и надежность из-за использования гидравлических преобразователей. Кроме того они имеют чрезвычайно сложную конструкцию. Известна адаптивная бесступенчато регулируемая передача Милтеновича, в которой замыкающий механизм выполнен в виде фрикционного клиноременного механизма со стальным ремнем. Однако фрикционные бесступенчато-регулируемые передачи в виде вариаторов,в том числе металлическая бесступенчато-регулируемая ременная передача Милтеновича, также обладают низкой надежностью при высокой конструктивной сложности. Известна не переключаемая, непрерывно выравнивающая механическая передача,обеспечивающая адаптацию выходного момента к внешней нагрузке. Эта передача содержит входное устройство подачи мощности в виде гидромуфты,содержащей два входных звена,и два дифференциальных зубчатых механизма с двумя междифференциальными связями в виде двух пар 2 жестко связанных центральных зубчатых колес(соответственно - солнечных и эпициклических),причем одно из входных звеньев гидромуфты соединено с водилом, а второе - с общим эпициклическим колесом первого дифференциала, а выходное звено снятия мощности выполнено в виде водила второго дифференциала. (Патент 4932928, класс 16 47/08, 1990). Эта передача представляет собой механизм, в котором устройство подачи мощности в виде гидромуфты и связанных с ней двух подвижных звеньев первого дифференциала, содержит два входных звена. Необходимость использования двух дифференциальных механизмов совместно с гидромуфтой значительно снижает диапазон регулирования и КПД передачи, существенно усложняет конструкцию, уменьшает надежность устройства как механической системы. Такая механическая система в общем случае не может обеспечить надежное троганье с места в режиме с одной степенью свободы (когда выходное звено неподвижно). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является привод генератора ветроэнергетической установки с саморегулирующейся адаптивной зубчатой передачей (Предварительный патент РКАЧ 27342 от 16.09.2013, бюл. 9 , кл. 03 7/04, 03 9/00), принятый за прототип. Этот привод генератора представляет собой адаптивный зубчатый механизм в сочетании со вспомогательным электродвигателем,обеспечивающим постоянную скорость вращения электрического генератора,приводимого в движение ветроколесом с переменной скоростью вращения. Привод содержит входное водило, выходное водило и размещенный между ними замкнутый контур из центральных зубчатых колес и сателлитов, выполненный в виде зубчатой бесступенчатой саморегулирующейся передачи в сочетании со вспомогательным электродвигателем и размещен между ветроколесом и валом генератора,противоположный конец которого присоединен со вспомогательным электродвигателем с частотой вращения, равной частоте генератора. При переменной скорости вращения входного ветрового колеса генератор вырабатывает электрический ток постоянной частоты. Недостаток прототипа Прототип имеет низкую эффективность использования мощности ветрового потока. Ветровой поток переменной мощности создает переменный движущий момент на валу генератора, в то время как электрический момент сопротивления генератора при постоянной частоте вращения является постоянным. При постоянной скорости вращения ротора генератора,обеспечиваемой вспомогательным двигателем,получаемая переменная входная мощность на валу генератора не может быть преобразована в соответствующую переменную мощность генератора. Поэтому только часть мощности ветрового потока, соответствующая электрическому моменту сопротивления при задаваемой скорости вращения ротора генератора,будет преобразовываться в электрическую энергию. Цель изобретения является увеличение эффективности использования переменной ветровой энергии. Задача изобретения решается тем, что привод ротора основного генератора содержит два ветровых колеса с противоположно расположенными лопастями,присоединенный к ним дифференциальный зубчатый механизм,содержащий два центральных колеса,присоединенных к ветровым колесам, двойной сателлит,третье центральное колесо с присоединенным к нему вспомогательным генератором постоянного тока для обмоток возбуждения основного генератора и водило с присоединенным к нему вспомогательным электродвигателем. На фиг.1 изображена схема привода генератора. Привод генератора ветроэнергетической установки представлен на фиг.1 а). Картина скоростей ветроэнергетической установки представлена на фиг.1 б). Привод генератора ветроэнергетической установки (Фиг.1 а) содержит ветроколеса 1 и 2,вращающиеся в противоположные стороны,дифференциальный зубчатый механизм с двумя степенями свободы, содержащий колса 3, 4, 5, 6, 7 и водило 8, вспомогательный электродвигатель переменного тока с подвижным статором 9,основной трхфазный генератор переменного тока 10 и электрический генератор постоянного тока 11 для обмоток возбуждения основного генератора 10. Во время работы ветер переменной скорости приводит в движение ветровые колеса 1 и 2,которые вращаются в противоположные стороны. Ветровые колеса 1 и 2 передают движение на адаптивный механизм 3-4-5-6-7-8 с двумя степенями свободы. Адаптивный механизм с помощью водила 8 приводит в движение статор вспомогательного электродвигателя переменного тока 9, ротор которого вращает ротор основного генератора 10. Вспомогательный трхфазный электрический двигатель 9 получает часть энергии от трхфазного генератора 10 (в объемеоколо 10 мощности основного генератора) и выполняет функцию мультипликатора, увеличивая скорость вращения водила 8. Вспомогательный трхфазный электрический двигатель 9 обеспечивает постоянную частоту вращения ротора основного генератора 10 при переменной скорости ветрового потока. Одновременно зубчатое колесо 7 привода приводит в движение генератор 11 постоянного тока, который питает обмотки возбуждения основного генератора 10. Скорость вращения ротора генератора 7 и сила тока зависит от скорости ветрового потока. Поэтому мощность основного генератора 10 будет зависеть от мощности ветрового потока. Таким образом, основной генератор переменного тока 10 будет вырабатывать электрический ток с постоянной частотой, но с переменной мощностью,зависящей от мощности ветрового потока. Основные теоретические закономерности Адаптивный механизм распределяет скорости движения звеньев в соответствии с картиной скоростей (Фиг.1 б). Линейные скорости точек представлены горизонтальными линиями. Угловые скорости звеньев представлены наклонными линиями. На картине скоростей на вертикальной линииразмещены точки начала векторов скоростей. Концы векторов скоростей обозначены соответствующими малыми буквами. Скорости ветровых колс 1 и 2 направлены в противоположные стороны. На картине скоростей линейная скорость точки 1 колеса 1 представлена отрезком 1. Линейная скорость точки 2 колеса 2 представлена отрезком 2. Длины отрезков одинаковы 12. Скорости точекколеса 5 и колеса 4 одинаковы и равны скорости точкиколеса 2 (определяются отрезками 542). Наклонные линии 1, и 2 определяют линии угловых скоростей звеньев 1-3 и 2-5. Отрезок В определяет линейную скорость точки В колес 3 и 4. Соединив точки 5 и , получим линию 5 угловой скорости сателлита 4-6. Точка с на этой линии ограничивает отрезок Сс, определяющий линейную скорость точки С звена 4-6 и водила 8. Линия рс определяет угловую скорость водила 8. На продолжении линии 5 угловой скорости сателлита 4-6 лежит точка е, определяющая отрезок Ее линейной скорости точки Е звеньев 6 и 7. Наклонная линия ре определяет угловую скорость звена 7. Из картины скоростей видно, что в силу симметрии фигуры 1,2, характеризующей вращение колес 1 и 2 в противоположные стороны, угловая скорость вращения водила 8 (линия рс) очень мала по сравнению с угловыми скоростями вращения ветроколес 1 и 2 (8 скорости ветроколес соответствует изменению мощности ветрового потока. Обозначимкоэффициент изменения мощности ветрового потока/,где ,- максимальная и средняя мощности ветрового потока, от которой зависит угловая скорость 8 водила 8. Угловая скорость ротора генератора 1089,где 9 угловая скорость вспомогательного электродвигателя 9. В описании приведены произвольные числовые значения параметров в качестве примера 9150 рад/с. Изменение угловой скорости ротора генератора 10 равно изменению угловой скорости выходного водила 8, то есть 108, так как 9. Угловая скорость водила 8 согласно картине скоростей враз (6) меньше угловой скорости ветроколеса 82/ (например, при 26 рад/с,81 рад/с). Следовательно 1082/ (то есть, в качестве примера 21 рад/с). 3 Изменение угловой скорости ветрового колеса 2 зависит от изменения мощности ветрового потока . При линейной зависимости между мощностью ветрового потока и угловой скоростью ветрового колеса 2 ,где -. Здесь -2, 2. Тогда 2(-)/ .(2-2).Отсюда 22-2. При коэффициенте изменения мощности ветрового потока 2 получим 2 и . Тогда 2/2 И 222 22 12 рад/с, 22-20. Определим коэффициент неравномерности движения ротора генераторам, от которого зависит качество вырабатываемой генератором электроэнергии/2 - средняя угловая скорость ротора генератора 10. В качестве примера при 2 , 6, 26 рад/с получим 152 рад/с, 150 рад/с, 151 рад/с,0,03,что является допустимым для индивидуальных установок(стандартный коэффициент неравномерности для электрических генераторов 0,02). Угловую скорость ротора основного генератора 10 можно считать приближенно постоянной. Это обеспечивает получение переменного электрического тока генератора постоянной стандартной частоты. Такой параметр генератора соответствует стандарту на потребляющую электроэнергетическую технику. Далее, зубчатое колесо 7 привода приводит в движение генератор 11 постоянного тока, который питает обмотки возбуждения основного генератора 10. Как видно из картины скоростей, угловая скорость колеса 7 (наклонная линия ре) и ротора генератора 11 значительно больше угловой скорости ветровых колес 1 и 2, что обеспечивает получение электрического тока для обмоток возбуждения генератора 10 с требуемыми параметрами. Скорость вращения ротора генератора 7 и сила тока зависит от скорости ветрового потока. Поэтому мощность основного генератора 10 будет зависеть от мощности ветрового потока. Таким образом, привод основного генератора переменного тока обеспечит полное использование энергии переменного ветрового потока. Основной генератор будет вырабатывать электрический ток с постоянной частотой, но с переменной мощностью,зависящей от мощности ветрового потока. Достижение стандартного параметра вырабатываемой электроэнергии достигается без использования какой-либо системы управления, что обеспечивает максимальную простоту конструкции и наджность работы ветроэнергетической установки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Привод генератора ветроэнергетической установки, содержащий приемник ветровой энергии в виде ветрового колеса, дифференциальный зубчатый механизм вспомогательное устройство передачи энергии на генератор, отличающийся тем, что приемник ветровой энергии выполнен в виде двух ветровых колес с противоположно наклоненными лопастями, два центральных колеса дифференциального механизма присоединены к ветровым колесам, вспомогательное устройство передачи энергии на генератор содержит вспомогательный электродвигатель, статор которого присоединен к водилу дифференциального механизма, а ротор - к ротору основного генератора,а вспомогательный генератор обмотки возбуждения основного генератора присоединен к третьему центральному колесу.