CC BY
89
УДК 621.81.313.17-587
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С МЕХАНИЧЕСКИМ ПЛАНЕТАРНЫМ РЕДУКТОРОМ И МАГНИТНЫМ РЕДУКТОРОМ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
И.И. Исломов
Рассмотрены конструкционные особенности ВЭУ с механическим планетарным редуктором с автоматическим изменением коэффициента редукции для (на примере механической трансмиссии автомобилей) стабилизации и повышения угловой скорости ветроколеса. Разработана схема ВЭУ с магнитным редуктором для стабилизации скорости вращения ветрогенератора, смоделированы переходной процесс планетарного и магнитного редуктора. Определено передаточное отношения редукторов.
Ключевые слова: механический планетарный редуктор, магнитный редуктор, стабилизация, трансмиссия, угловая скорость, сателлит, вал, ветроколесо, передаточное отношение.
Как известно, редукторы в системе электрических комплексов и электроприводов используются для изменения угловой скорости и уменьшения потребляемой мощности двигателей.В системе ВЭУ МПР повышает угловую скорость и обороты генератора ВЭУ для увеличения мощности генератора. Кроме того, ПР по принципу автоматических коробок передач у автомобилей одновременно используется для стабилизации скорости вращения выходного вала путём изменения коэффициента редукции. На рис. 1, 2 приведены схемы планетарного редуктора.
Рис. 1. Планетарный редуктор: а - планетарная зубчатая передача (условное изображение) 1 - 3 - центральные зубчатые колеса; 2 - сателлит; Н - водило; б - разрез планетарного редуктора с диаметрами шестерни
274
Ветер У/с
Механический планетарный
Датчик ред?кт°р Датчик
скорости
Повышающий трансформатор
Конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности
Рис. 2. ВЭУ с механическим планетарным редуктором
Учитывая конструкционные особенности МПР, рассмотрим и смоделируем передаточное отношение и стабилизацию скорости вращения выходного вала МПР.
Таким образом, рассмотрим передаточное отношение МПР с тремя сателлитами:
и
планетарно е
и 2 = 4,
и _ иред _ пред _ юред
и 2 П2 «2
и\
п/ _ ю/
п11 ю//
(1) (2)
(3)
(4)
п/// ю///
где и] - передаточное число первой ступени; и2 - передаточное число второй ступени.
Частота вращения сателлитов ПР
п/ _ пвых _ювых (5)
и2 _ ж __«/_
п//
п
вых
и1 ,
п//
п/// _—_п и2
вых
(6)
(7)
где п/, п//, п///, щюп, юш - частота вращения и угловая скорость звенев МПР; пвх, пвых, ювхювых - входная и выходная частоты вращения и угловые скорости валов МПР.
КПД для одноступенчатого редуктора составляет п1 = 0,96, а для планетарного редуктора КПД определяется по формуле:
и -1 о
Л2 _ 1 -• (1 -л2). (8)
и
пл
Передаточное отношение от ВК к основному водилу Н и при вращения колеса 3 составляет
1ПР
®ВК _пВК
м
н
(9)
®н пн МВК -Л2 где юВК, пВК, МВК - угловая скорость, скорость вращения и момент ветро-колеса соединённое к ПР. юН, пН, МН - угловая скорость, скорость вращения и момент водило соединённогос ВГ.
В зависимости от количество сателлитов КПД планетарного редуктора составляет от 0,93 до 0,96.
Как видно из переходных процессов моделирования МПР, угловая скорость выходного вала при изменении коэффициента редукции путём переключения от одной шестерни к другой из за жесткости и частоты колебания происходит скачок скорости (рис 3, б). Такой скачок скорости влияет на угловую скорость ВГ и на выходе резко изменяются значения напряжения и частоты, что приводит к перегреву высокочувствительных электронных и осветительных приборов.
К
Изменения угловой скорости
Рис. 3. График изменения передаточного отношения и переходных процессов ПР:а - угловая скорость ВК; б- угловая скорость выходного вала ПР; в - коэффициент редукции ПР при заданной
выходной угловой скорости
Кроме того, применение ПМР в качестве повышения угловой скорости в ВЭУ из за постоянно изменявший скорости выходного вала нецелесообразно. При изменении скорости ветра и при переходе от одной шестерни к другой в ПМР повышаются люфты между зубцами и ухудшается цепляния зубцов при резком переключении.
276
ВЭУ с магнитным редуктором (МР) для стабилизации скорости вращения.
Редуктор имеет два коаксиально расположенных ротора (рис. 4). Первый (наружный, тихоходный) ротор2, называемый часто модулятором, жёстко связан с входным валом. Он имеет угловую скорость вращения Ш и содержит шихтованные ферримагнитные призматические стержни с числом Z [3].
пч
Рис.4.Поперечный разрез редуктора: 1 - наружный быстроходный ротор; 2 - внутренний тихоходный ротор; 3 - статор МР с ПЧ
Ветер У/о
3 1
регулятором
Тахогенератор
ПЧсПИД
О2=оот1
Ветроге нерат ор
Повышающий трансформатор
Конденсаторная установка для компенсации реактивной мощности
С
и
Рис. 5. ВЭУ с магнитным редуктором
Магнитное поле статора с числом пар полюсов р1, поступающее на
одну сторону модулятора, на другой его стороне будет иметь основную гармонику с небольшим числом пар полюсов, равным разности ^^1). Это малополюсное магнитное поле взаимодействует с магнитами внутреннего ротора, имеющего то же самое число пар полюсов [3].
Второй (внутренний, быстроходный) магнитоэлектрический ротор 1 с числом разнополярных магнитов вращается с угловой скоростью Ш.
Трехфазная обмотка статора в общем случае может подключаться к сети переменного тока через статический преобразователь регулируемой частоты ю. В результате магнитное поле статора будет перемещаться в
277
пространстве с угловой скоростью О=±— (знак минус реализуется преоб-
Рх
разователем при смене следования фаз) [4].
С учётом вышепреведенных значений МР угловая скорость выходного вала принимает вид
О2 . (10)
2 - Р 2 - р
Учитывая скорость валов (роторов) МР на входной вал, т.е. на тихоходном роторе, соединим ветроколесо (ВК) как внешний момент, вызванный силой ветра Мвн=МВК.
Тогда крутящий момент на валу ветроколеса, вызванный силой ветра,
3 ч 3
мш =р==сШ^==с/-рУМз (11)
а 22У 2
Частота вращения ветроколеса при этом
Nвк = У • г ■ 60 (12)
Приводим частоту вращения ветроколеса в угловую скорость:
О ВК = . (13)
60
Если использовать МР в качестве редуктора в ВЭУ то выражение (14) выходного вала принимает вид
— О ю
'-2--^ВК-
2 - Р1 2 - Р1
Система и объект автоматического управления и алгоритм их работы зависят от назначения ВЭУ, типа приёмника электроэнергии. Например осветительные и электронные приёмники нового типа, очень чувствительны к небольшим скачкам напряжения и частоты сети, для таких приёмников на выходе генератора ВЭУ подключают контроллеры с преобразователям частоты для стабилизации выходных параметров генератора во время резких изменения угловой скорости вращения ВК.
Способ генерирования электроэнергии ВЭУ с МР даст возможность напрямую подключать к зажимам ветрогенератора различные электроприёмники бытового и промышленного типа.
Как видно из графических зависимостей (рис. 6), при изменении частоты вращения вала ВК (рис. 6, в) за счёт изменения скорости ветра ПЧ автоматически корректирует частоту магнитного поля статора МР (рис. 6, а), благодаря корректировке частоты П.СТ =/(а) угловая скорость выходного вала МР остаётся стабильной (рис. 6, б).
Тогда баланс угловых скоростей магнитного поля статора и двух роторов МР принимает вид
а2 = аВЛ.±асг (14)
200 ■
-200
150
100
■1 ■ _.............г , I /
1 f- v............. j 1
1 - i
! V ■■■ ■ 1
10
I i ( ;
: : ■
50
30
20
10
10
■ . 1
(.............
I f
f -1 "
10
Time
Рис. 6. График изменения передаточного отношении и переходных процессов МР:а - частота ПЧ; б - угловая скорость выходного вала МР; в - угловая скорость ВК
Выводы
1. Применения ПМР с коробкой передачи нецелесообразно для стабилизации угловой скорости выходного вала. За счёт инерционных переключений и при переключении с одной шестерни к другой за счёт жёсткой механической целений резко повышается угловая скорость (рис. 3, б) других шестерни, что негативно влияет на синхронизацию ВЭУ с сетью.
2. Благодаря конструкционным особенностям и подключению к статору МР ПЧ с ПИ регулятором угловая скорость выходного вала остаётся стабильной не зависимо от разности скорости ветра.
Список литературы
1. Кузьмин А.В., Чернин И.М., Козинцов Б.С. Расчет деталей машин. 3-е изд., перераб. и доп. Мн.: Выш. шк., 1986. 400 с.
2. Ветроэлектрические станции / В.Н. Адрианов, Д.Н. Быстрицкий, К.П. Вашкевич, В.Р. Секторов. М-Л.: Госэнергоиздат. 1960. 320 с.
3. Афанасьев А. А. Функциональные режимы совмещенного исполнения электрической машины и магнитного редуктора с короткозамкну-тым ротором // Электричество. 2015. № 12. С. 51 - 58.
4. Патент № 2590929 РФ. Устройство стабилизации напряжения и частоты ветроэнергетической установки / А. А. Афанасьев, В. А. Чихняев. Опубликовано: 10.07.2016 Бюл. № 19.
5. Горячев В.Я. Элементы электроэнергетических систем в среде MatLAB - Simulink - Sim Power Systems: учеб.-метод. пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. 2009. 240 с.
6. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Sim Power Systems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
Исломов Ильёсходжа Икромходжаевич, старший преподаватель, ilyos-friend@,mail. ru, Республика Таджикистан, Худжанд, Худжандский политехнический Институт таджикского технического университета имени М.С. Осими
RESEARCH WIND POWER SYSTEMS MECHANICAL PLANETARY GEARBOXES AND GEAR MAGNETIC TO INCREASE AND STABILIZATION ANGULAR VELOCITY
OF WIND GENERATORS
I.I. Islomov
The article describes the design features wind turbines with a mechanical planetary gear with automatic change gear ratio for (for example, manual transmission cars) stabilizing and increasing the angular velocity of the wind wheel. Developed turbine circuit with a magnetic gear to stabilize the rotation speed of the wind generator, modeled the transition process and the planetary magnetic gearbox. Defined gear ratio.
Key words: mechanical planetary gear unit, a magnetic gearbox, stabilization, transmission, angular velocity, and the satellite, the shaft, wind wheel, the gear ratio.
Islomov Ilyoskhoja Ikromhodzhaevich, a senior lecturer, ilyos-friend@,mail. ru, Tajikistan, Khujand, Khujand Polytechnical Institute of Tajik Technical University named after M. Osimi
