CC BY
47МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «НАУКА И ТЕХНИКА В XXI ВЕКЕ»
УДК 621
Бокарева А.Н.
студент, магистрант Сибирский государственный университет водного транспорта
(Россия, г. Новосибирск)
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРНЫХ СТАНЦИЙ
Аннотация: в работе рассмотрены ветрогенераторы с вертикальной и горизонтальной осью вращения, принцип работы, особенности, преимущества и недостатки. Также, особую важность имеет рассмотрение синхронного генератора с постоянными магнитами как электрической машины.
Ключевые слова: агрегат, асинхронный двигатель вертикальная ось, ветрогенераторы, генератор, горизонтальная ось, мощность, двигатель, инвертор, короткое замыкание, магнит, ротор, синхронный генератор, скорость вращения, тормозная система, флюгер.
Ежегодно с увеличением количества производственных и жилых площадей, возрастает потребность в электрической энергии. А особенно остро этот вопрос встает в труднодоступных регионах, а также в регионах с нестабильной политической обстановкой. Строительство ТЭЦ или ГЭС в таких районах приведет к капитальным затратам, которые окажутся не рациональными по ряду причин: отсутствие рек, отсутствие развитой инфраструктуры путей сообщения для поставки топлива, низкая плотность заселения региона.
Простым решением данной проблемы является установка ветряной электрической станции (ВЭУ). Особенно это актуально в регионах со стабильным ветряным потоком в течении года.[1]
В последнее время наблюдается интенсивный рост ветроэнергетики. Ветрогенераторы различают на генераторы с вертикальной и горизонтальной осью вращения.
Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения состоят из трех лопастей, ступицы, поворотных подшипников и приводных механизмов, изменяющих угол установки лопастей. Аэродинамический тормоз создается самими лопастями, которые могут поворачиваться перпендикулярно плоскости вращения турбины. Лопасти оснащены системой молниезащиты, состоящей из металлического приемника, передающего энергию молнии на ступицу. Ведущая механическая цепь состоит из вала ротора, трансмиссии, присоединенной с помощью подвижной муфты, пластичного карданного к генератору. Трансмиссия может быть выполнена в виде двухступенчатой планетарной передачи, вязкомуфты, или иного редуктора.
Охлаждение производится по двум охлаждающим контурам. Подшипники постоянно смазываются путем разбрызгивания. Температура подшипников и масла постоянно контролируется. В качестве генератора используется асинхронная или синхронная машина. Оптимальная температура генератора поддерживается водно-гликолевым охлаждающим контуром. Роль аэродинамического тормоза выполняется лопастями, управление производится независимо для каждой лопасти. [2]
В случае сбоев в работе ветродвигателя лопасти устанавливаются в положение,
перпендикулярное плоскости вращения ветрогенератора. Кроме того, система
оснащается механическим тормозом, создающим усилие. Механический тормоз
работает совместно с лопастями и фиксирует ветродвигателя в заторможенном
состоянии. Механический тормоз также фиксирует ротор в процессе монтажа
ветрогенератора и во время технического обслуживания. Механический тормоз имеет
систему ограничения тормозного момента, т.е. тормозной момент изменяется по
наклонной характеристике обеспечивающей уменьшение нагрузки на ведущую
механическую цепь. Направление ветра постоянно отслеживается двумя флюгерами,
расположенными на головке ветрогенератора. При изменении направления ветра
головка ветрогенератора поворачивается с помощью двух двигателей с трансмиссиями,
перемещающихся по поворотному кольцу. После прекращения поворота головка
94
фиксируется поворотными тормозами. Поворотные тормозные системы расположены по окружности поворотного кольца и на скоростном валу трансмиссий поворотных двигателей.
Преимущества:
- Большая скорость вращения, что увеличивает КПД;
- Простота изготовления;
- Большое разнообразие моделей.
Недостатки:
- Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
- Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
- Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей. [3]
Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения имеют некоторые преимущества перед ветрогенераторными устройствами с горизонтальным расположением оси. У них отсутствуют узлы для ориентации на ветер, что упрощает конструкцию и снижает гироскопические нагрузки. Разработано большое количество разнообразных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, в которых для создания вращающего момента используются силы сопротивления и подъемная сила рабочих лопастей. Это устройства с пластинчатыми, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы. Ветрогенераторы такого типа имеют большой начальный момент, но меньшую быстроходность и мощность по сравнению с ротором француза Дарье.
Ротор конструкции Дарье относится к Ветрогенератору с вертикальной осью вращения, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Его недостаток - малый начальный момент, преимущество большая быстроходность и в силу этого - относительно большая удельная мощность, отнесенная к его массе. Для устранения главного недостатка и с
целью увеличения начального момента ротор Дарье комбинируют с различными типами стартеров, например ветряк с ротором Савониуса. [4]
Преимущества:
- Независимость генерирования энергии от силы и наклона ветра. Работа установки возможна уже при минимальной скорости воздушных потоков. В районах со шквальными ветрами - они незаменимы.
- Меньшая подверженность механическим повреждениям из-за особенностей конструкции, предусматривающей небольшое количество подвижных деталей.
- Саморегулирование ветрогенератора с вертикальной осью позволяет отказаться от покупки дополнительных комплектующих.
- Бесшумность. Благодаря этому свойству ветряк можно устанавливать вблизи от жилых комплексов. Не наносится урон окружающей среде шумовым загрязнением.
- Небольшая высота упрощает замену и уход за деталями. Установка ветроустановки с вертикальной осью целесообразна в местах, где нежелательны высокие сооружения.
Недостатки:
- Значительно меньшая эффективность (практически в два раза) по сравнению с ветряками имеющими горизонтальную ось вращения.
- Высокая стоимость по сравнению с горизонтальными установками.
- Слабое место этого типа ветряков - опорные подшипники.
Возможны несколько вариантов схем работы ветрогенератораов. Возможный вариант работы схемы: ветер раскручивает лопасти ветрогенератора. Ветрогенератор вращает ротор ветрогенератора. На зажимах статора возникает ЭДС, которая через контроллер выпрямляется и заряжает аккумуляторы. К аккумуляторам через тот же контроллер подключен инвертор, преобразующий электроэнергию постоянного тока в напряжение фиксированной (промышленной) частоты и амплитуды.
Также возможны схемы подключения ветрогенератора на работу параллельно с
сетью. Такие схемы позволяют переключаться на энергию сети в случае отсутствия
ветра. Городская сеть выступает в качестве дополнительно-резервного источника
питания. Подключение ветрогенератора на работу параллельно с сетью - без
96
аккумуляторных батарей. Достаточно сложным и дорогостоящим в схемах ветрогенераторов является инверторы. Очень часто в качестве инверторов используют так называемые каскадные многоуровневые преобразователи частоты, позволяющие из большого числа независимых источников энергии с малым уровнем постоянного напряжения (в качестве которых здесь используются аккумуляторы) получить выходное напряжение промышленной частоты, удовлетворяющие всем современным требованиям. Контроллер в каждой схеме подключения ветрогенератора выполняет различные функции и строится на основе микропроцессорной техники. Аккумуляторы являются самыми недолговечными устройствами в схемах. К сожалению, электроэнергия обладает одним очень серьезным недостатком: её сложно аккумулировать и сохранять долгое время. [5]
Из выше сказанного можно сделать вывод что, для научного исследования рационально использование ветрогенераторной системы с вертикальной осью вращения. При обзоре типовых электрических схем ветрогенераторных станций, можно заметить, что при работе с высоковольтными ветрогенераторами, необходимы силовые согласующие устройства, а так же инверторы, рассчитанные на более высокие мощности. Это значительно увеличивает стоимость всей установки. Для решения этой проблемы используется многоуровневый двухзвенный преобразователь низкого напряжения, подключенный через трансформатор, который позволит стабилизировать выходную мощность, а так же получить на выходе нужные параметры общепромышленной сети (напряжение, частоту).
В качестве электрической машины выбирается синхронный генератор с постоянными магнитами. Синхронный двигатель имеет меньшие массогабаритные показатели чем асинхронный, при равных мощностях электрических машин.
В силу особенностей конструкции синхронные генераторы легче и легко переносят кратковременные перегрузки (в том числе пусковые), обеспечивают более высокое качество тока и правильную синусоиду напряжения, обладают достаточно высокой стабильностью напряжения. Они отлично подходят для электропитания индуктивных нагрузок с высоким стартовым током и более предпочтительны для бытового потребления.
Сегодня выпускаются синхронные генераторы со щеточными и бесщеточными системами возбуждения тока. Второй вариант более предпочтительный. В щеточных системах вполне вероятно частичное «выгорание» щеток после прохождения больших токов, что приводит к перегреву агрегата. Поэтому для таких моделей рекомендуется регулярное обслуживание с целью контроля за состоянием щеточного узла, а при необходимости очистки или замены щеток.
К недостаткам относится плохая защита агрегатов от внешних воздействий (вода, пыль). За счет того, что охлаждение происходит воздушным путем, велика вероятность попадания внутрь всего, что находится в воздухе. Также стоит отметить, что синхронные генераторы не позволяют подключать к отдельным фазам потребителей гораздо более высокой мощности. В противном случае практически неизбежно повреждение приборов малой мощности при подключении. [6]
Асинхронные генераторы устойчивы к коротким замыканиям, а устройства автоматической регулировки напряжения сглаживают перепады напряжения. Поэтому они особенно востребованы питания активных нагрузок. Конструкция таких агрегатов более простая, а сами они более надежные и долговечные.
Роторы асинхронных генераторов производят незначительное тепловыделение, не требующее охлаждения, что позволяет герметизировать внутреннюю полость агрегата. Благодаря этому значительно расширяется сфера использования агрегатов, которые могут эксплуатироваться в условиях повышенной запыленности и высокой влажности. Такая герметизация способствует и более продолжительному сроку службы электростанций. При эксплуатации асинхронных генераторов допускается подключение к разным фазам потребителей разной мощности (допустимое значение неравномерности электропитания индуктивных нагрузок с высоким стартовым током и более предпочтительны для бытового потребления.
Сегодня выпускаются синхронные генераторы со щеточными и бесщеточными системами возбуждения ток. Второй вариант более предпочтительный. В щеточных системах вполне вероятно частичное «выгорание» щеток после прохождения больших токов, что приводит к перегреву агрегата. Поэтому для таких моделей рекомендуется
регулярное обслуживание с целью контроля за состоянием щеточного узла, а при необходимости очистки или замены щеток.
К недостаткам относится плохая защита агрегатов от внешних воздействий (вода, пыль). За счет того, что охлаждение происходит воздушным путем, велика вероятность попадания внутрь всего, что находится в воздухе. Также стоит отметить, что синхронные генераторы не позволяют подключать к отдельным фазам потребителей гораздо более высокой мощности. В противном случае практически неизбежно повреждение приборов малой мощности при подключении.
Список литературы:
Расчет и проектирование ветроэлектрических установок с горизонтальноосевой ветротурбиной и синхронным генератором на постоянных магнитах/А. И. Яковлев, М. А. Затучная, В. Н. Меркушев, В. Н. Пашков. — Учеб. пособие по курсовому проектированию. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2003. — 125 с.
Эрасиб/Статьи/Инженерная методика расчета синусных фильтров для активных выпрямителей и инверторов напряжения с ШИМ-[Электронный
ресурс].Режим доступа: http://www.erasib.ru/staty/hoisteratonfrefficiency?PAGEN_1=2
В.В. Панкратов, Д.А. Котин Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъемно -транспортных механизмов: учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ,2012. - 150 с.
Харитонов С. А. Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов: монография. Новосибирск: Издательство НГТУ, 2011. - 536 с.
Шевченко, А. Ф. Многополюсные магнитоэлектрические генераторы с дробными однозубцовыми обмотками для ветроэлектрических установок //Электротехника. - 1997. -№9. - С. 13-23
Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново, 2008. 321 с.
