Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6500
(13) U
(46) 2010.08.30
(51) МПК (2009)
F 03D 7/00
H 02P 13/00
(54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
(21) Номер заявки: u 20100151
(22) 2010.02.17
(71) Заявитель: Горностай Александр Вла-
димирович (BY)
(72) Авторы: Горностай Александр Влади-
мирович (BY); Ролик Юрий Анатолье-
вич (LV); Гончар Анатолий Андреевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Горностай Алек-
сандр Владимирович (BY)
(57)
Ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор, датчик часто-
ты вращения генератора, коммутатор нагрузки, нагрузку и регулятор мощности, подклю-
ченный своими входами через датчик частоты вращения к генератору ветроэнер-
гетической установки, а выходами - к нагрузке, при этом датчик частоты вращения
генератора через коммутатор также подключен к нагрузке, отличающаяся тем, что регу-
лятор мощности выполнен на трансформаторе с изменяемым коэффициентом трансфор-
мации, имеющем регулировочную обмотку, и содержит блок управления, механический
переключатель под нагрузкой и электропривод переключателя, при этом регулировочная
обмотка трансформатора с помощью механического переключателя под нагрузкой под-
ключена к электроприводу переключателя, вход которого через блок управления подклю-
чен к датчику частоты вращения генератора.
(56)
1. Патент Латвийской Республики № LV-12023. Способ и устройство регулирования
мощности ветроэлектроустановки / Н.Н. Левин, Ю.А. Ролик и др. - Опубл. 20.04.1998.
2. Патент Латвийской Республики № LV-11917. Ветроэнергетическая установка /
А.И. Безсмертный, А.И. Кривенко, И. Ранкис, А. Месняев, С. Петров. - Опубл. 20.12.1997.
BY6500U2010.08.30

2. BY 6500 U 2010.08.30
2
Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а точнее к управлению ветро-
энергетическими установками с помощью регулируемых трансформаторов с переключе-
нием отводов.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор и ре-
гулируемый трансформатор, подключенный своими входами к генератору ветроэнергети-
ческой установки, а выходами - к нагрузке [1].
Однако здесь для обеспечения соответствия подключаемой мощности приемников
электрической энергии и располагаемой мощности ветродвигателя при данной скорости
ветра приходится применять специальный регулятор. Для этого необходимо трансформа-
тор делать четырехстержневым, вводить дополнительные реактивные элементы и вы-
прямитель. При этом напряжение на выходе такого регулятора может быть только
постоянным. Поэтому здесь не удается обеспечить плавности регулирования и хорошей
формы кривой выходного напряжения в широком диапазоне изменения скорости ветра.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генера-
тор, датчик частоты вращения генератора, коммутатор нагрузок, нагрузку и регулятор
мощности, подключенный своими входами через датчик частоты вращения к генератору,
а выходами - к нагрузке, при этом датчик частоты вращения генератора через коммутатор
также подключен к нагрузке [2] (прототип).
Недостатком такой установки является то, что напряжение на ее выходе будет вы-
прямленным и крайне нестабильным по амплитуде и длительности. Так как в процессе
работы в зависимости от скорости ветра необходимо постоянно изменять величину под-
ключаемой нагрузки, то приходится все время приспосабливать величины напряжений,
потребляемые нагрузкой, к изменяющемуся напряжению генератора. Это делает техниче-
ски сложным процесс коммутации нагрузок. Здесь для этих целей используется импульс-
ный генератор, который осуществляет подключение дополнительной нагрузки в
зависимости от имеющейся у генератора мощности. Управляющим сигналом при этом
служит информация, снимаемая с датчика частоты вращения генератора. Однако при та-
ком управлении не удается обеспечить плавности регулирования и хорошей формы кри-
вой выходного напряжения. Эффективность преобразования энергии в этом случае
остается еще недостаточной.
Задача, которую решает данная полезная модель, заключается в повышении эффек-
тивности преобразования энергии путем обеспечения плавности регулирования и хоро-
шей формы кривой выходного напряжения.
Это достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель,
генератор, датчик частоты вращения генератора, коммутатор нагрузок, нагрузку и регуля-
тор мощности, подключенный своими входами через датчик частоты вращения к генера-
тору ветроэнергетической установки, а выходами - к нагрузке, при этом датчик частоты
вращения генератора через коммутатор также подключен к нагрузке, отличается тем, что
регулятор мощности выполнен на трансформаторе с изменяемым коэффициентом транс-
формации, имеющем регулировочную обмотку, и содержит блок управления, механиче-
ский переключатель под нагрузкой и электропривод переключателя, при этом регулиро-
вочная обмотка трансформатора с помощью механического переключателя под нагрузкой
подключена к электроприводу переключателя, вход которого через блок управления под-
ключен к датчику частоты вращения генератора.
Функциональная схема ветроэнергетической установки представлена на фигуре.
Ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель 1, генератор 2, датчик 3 ча-
стоты вращения генератора, коммутатор нагрузок 4, нагрузку 5 и регулятор мощности 6,
включающий трансформатор 7 с регулировочной обмоткой 8, блок управления 9, механи-
ческий переключатель под нагрузкой 10, электропривод 11, подвижные контакты 12, 13 и
неподвижные контакты I-VI переключателя, вал 14 электропривода, ограничительные со-
противления 15 и 16, коммутирующие элементы 17 и 18.

3. BY 6500 U 2010.08.30
3
Датчик 3 частоты вращения генератора своими выходами подключен к входам регуля-
тора мощности 6 и через коммутатор нагрузок 4 - к нагрузке 5. Выходы регулятора мощ-
ности 6 подключены к нагрузке 5. Регулятор мощности 6 выполнен на регулируемом
трансформаторе 7 с изменяемым коэффициентом трансформации.
Трансформатор 7 с переключением ответвлений регулирует напряжение U2 вторичной
обмотки W2 путем изменения числа витков первичной обмотки W1. Коэффициент транс-
формации при этом определяется выражением
2
1
W
W
K = . (1)
Напряжение U2 можно определить выражением
1
2
1
12 U
W
W
KUU == , (2)
где U1 - напряжение, подаваемое на первичную обмотку W1 трансформатора 7.
Трансформатор 7 имеет две ступени коммутации, где W0 - число витков основной
ступени, WCT - число витков одной ступени дополнительных ступеней коммутации. В об-
щем случае при наличии N ступеней регулировочной обмотки число витков первичной
обмотки W1 трансформатора равно
CT01 NWWW += . (3)
В нашем случае часть первичной обмотки трансформатора 7 с числом витков 5WCT и об-
разует регулировочную обмотку 8.
Из выражений (2) и (3) получаем связь между напряжениями U2 и U1 регулируемого
данным способом трансформатора
1
2
CT0
12 U
W
nWW
KUU
+
== , (4)
где n может принимать значения в диапазоне от 1 до 5.
В выражении (4) коэффициент трансформации K является переменной величиной,
значение которой может изменяться дискретно в зависимости от количества подключае-
мых ступеней регулировочной обмотки. Таким образом, коммутируя с помощью пере-
ключателя 10 различное количество ступеней обмотки 8, можно изменять коэффициент
трансформации K и, следовательно, выходное напряжение U2 трансформатора 7.
Отводы регулировочной обмотки 8 соединены с неподвижными контактами I-VI ме-
ханического переключателя 10, подвижные контакты 12 и 13 которого изолированы меж-
ду собой, механически соединены с валом 14 электропривода 11 и смещены относительно
друг друга на определенный угол, чтобы переключение обмотки происходило без разрыва
цепи. Управление направлением вращения электропривода 11 осуществляется блоком
управления 9 по сигналам от датчика 3 частоты вращения генератора. Для ограничения
тока короткого замыкания обмотки ступени на период времени, когда два подвижных
контакта 12 и 13 замыкаются с неподвижными контактами I-II (II-III, III-IV, IV-V, V-VI)
одной и той же ступени, служат ограничительные сопротивления 15 и 16, которые под-
ключаются через коммутирующие элементы 17 и 18. В качестве ограничительных сопро-
тивлений могут быть использованы реакторы со стальным сердечником и воздушным
зазором или активные сопротивления. Если переключатель 10 находится в положении I-II
(фигура), то, согласно выражению (4), выходное напряжение U2 трансформатора 7 будет
минимальным, а если он находится в положении V-VI, то напряжение U2 будет макси-
мальным.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
При малой скорости ветра, когда напряжение U1 небольшое, датчик 3 выдает сигнал
на блок управления 9, пропорциональный производимой ветроэнергетической установкой
малой мощности. При этом блок управления 9 вырабатывает сигнал, который, воздей-

4. BY 6500 U 2010.08.30
4
ствуя на электропривод 11, вращает переключатель 10 против часовой стрелки. Подвиж-
ные контакты 12 и 13 с помощью вала 14 последовательно перемещаются по неподвиж-
ным контактам VI-I до такого положения, когда выходное напряжение U2 трансформатора
7 не станет соответствовать вырабатываемой генератором 2 в данный момент времени
мощности. При этом напряжение U2 уменьшается и, когда оно достигнет вышеуказанного
значения, блок управления 9 выдает сигнал на останов электропривода 11.
С ростом скорости ветра повышается напряжение и на выходе генератора 2, датчик 3
выдает сигнал в блок управления 9, пропорциональный возросшей мощности ветроэнер-
гетической установки. При этом блок управления 9 вырабатывает сигнал, который, воз-
действуя на электропривод 11, вращает переключатель 10 по часовой стрелке. Подвижные
контакты 12 и 13 с помощью вала 14 последовательно перемещаются по неподвижным
контактам I-VI до такого положения, когда выходное напряжение U2 трансформатора 7 не
станет соответствовать вырабатываемой генератором 2 в данный момент времени возрос-
шей мощности. При этом напряжение U2 увеличивается и, когда оно достигнет вышеука-
занного значения, блок управления 9 выдает сигнал на останов электропривода 11.
Указанный процесс периодически повторяется по закону изменения скорости ветра.
Выходное напряжение U2 при этом изменяется в соответствии с вырабатываемой ветро-
энергетической установкой мощностью. Постоянство частоты вращения ветродвигателя 1
и генератора 2 в процессе такого управления обеспечивается изменением величины под-
ключаемой электрической нагрузки 5 с помощью коммутатора нагрузок 4.
Таким образом, благодаря использованию трансформатора с изменяемым коэффици-
ентом трансформации в процессе регулирования мощности удается обеспечить плавность
регулирования и хорошую форму кривой выходного напряжения ветроэнергетической
установки, чем достигается повышение эффективности преобразования энергии в ветро-
энергетической установке.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.