1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6551
(13) U
(46) 2010.08.30
(51) МПК (2009)
F 03D 7/00
F 03D 9/00
(54) ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
(21) Номер заявки: u 20100164
(22) 2010.02.18
(71) Заявитель: Горностай Александр
Владимирович (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, блок управ-
ления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей, а также балластной
нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и логическое устрой-
ство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумуляторной батарее через
ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического устройства, подклю-
ченного своими входами к выходу выпрямителя, отличающаяся тем, что дополнительно
содержит устройство ограничения вращающего момента, состоящее из датчика управля-
ющего тока, датчика Холла, порогового усилителя, блока сигнализации, исполнительного
органа и тормозной муфты, при этом датчик управляющего тока включен в цепь на выхо-
де выпрямителя, выход датчика управляющего тока подключен к входам датчика Холла,
помещенного в магнитное поле, создаваемое генератором, выходы датчика Холла через
пороговый усилитель подключены к логическому устройству, выходы которого подклю-
чены к блоку сигнализации и исполнительному органу, выход которого подключен к тор-
мозной муфте, расположенной на валу между ветродвигателем и генератором.
BY6551U2010.08.30
2. BY 6551 U 2010.08.30
2
(56)
1. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энер-
гоатомиздат, 1990. - С. 234, рис. 9.23 (в).
2. Ахрем Я., Левин Н.Н., Ролик Ю.А. и др. Способ и устройство управления ветроге-
нератором. Патент Латвийской Республики № LV 12022 от 20.04.1998.
Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а точнее - к технике преобра-
зования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор и блок
управления, включенный между генератором, приоритетной и обычной нагрузкой [1].
Недостатком такой установки является невозможность регулирования вращающего
момента на валу генератора при возрастании скорости ветра. Здесь используется электри-
ческое управление, осуществляемое путем подключения дополнительной нагрузки и тем
самым ограничения частоты вращения генератора. Однако это происходит с запаздыва-
нием, т.к. нагрузка подключается ступенчато и с определенным уровнем дискретизации.
Описанное управление недостаточно эффективно, т.к. приводит к возможности работы
генератора в течение некоторого времени на возросших оборотах, возникновению повы-
шенного осевого давления и увеличению вибраций. Это значительно снижает срок служ-
бы подшипников генератора, при этом снижается ресурсный срок работы генератора и
самой ветроэнергетической установки.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор,
блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей, а также
балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и логиче-
ское устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумуляторной
батарее через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического
устройства, подключенного своими входами к выходу выпрямителя [2] - прототип.
Недостатком этой установки является невозможность оперативного ограничения вра-
щающего момента на валу генератора при увеличении скорости ветра, поскольку в этом
случае осуществляется также электрическое регулирование путем изменения величины
подключаемой нагрузки, в качестве которой используется аккумуляторная батарея и балласт-
ное сопротивление. При таком управлении, если произошло увеличение скорости ветра, а
аккумуляторная батарея оказалась полностью заряженной, ограничение мощности генера-
тора осуществляется только за счет подключения балластной нагрузки, которая в этот мо-
мент может и не соответствовать значению возросшей мощности или оказаться настолько
большой, что будет происходить перегрев генератора. Процесс ограничения возрастания
скорости вращения в этом случае происходит и с определенным запаздыванием, и с по-
следующим перегревом генератора. Поэтому установка в этих случаях будет работать в
экстремальном режиме. Такой режим при возросшем осевом давлении на вал генератора и
увеличившейся вибрации приводит к быстрому износу подшипников, старению изоляции,
скорому разбалтыванию обойм и сдвигу подшипниковых щитов, возникновению эксцен-
триситета ротора относительно статора в генераторе и другим возможным неисправно-
стям. Все это также значительно уменьшает срок службы генератора, который приходится
заменять раньше положенного срока. Последнее в свою очередь приводит к снижению ре-
сурса всей ветроэнергетической установки.
Задача, которую решает данная полезная модель, заключается в увеличении ресурсно-
го срока ветроэнергетической установки путем ограничения вращающего момента, осево-
го давления и вибраций.
Это достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель,
генератор, блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей,
а также балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и
логическое устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумулятор-
3. BY 6551 U 2010.08.30
3
ной батарее через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического
устройства, подключенного своими входами к выходу выпрямителя, отличается тем, что
дополнительно содержит устройство ограничения вращающего момента, состоящее из
датчика управляющего тока, датчика Холла, порогового усилителя, блока сигнализации,
исполнительного органа и тормозной муфты, при этом датчик управляющего тока вклю-
чен в цепь на выходе выпрямителя, выход датчика управляющего тока подключен к вхо-
дам датчика Холла, помещенного в магнитное поле, создаваемое генератором, выходы
датчика Холла через пороговый усилитель подключены к логическому устройству, выхо-
ды которого подключены к блоку сигнализации и исполнительному органу, выход кото-
рого подключен к тормозной муфте, расположенной на валу между ветродвигателем и
генератором.
Функциональная схема ветроэнергетической установки представлена на фигуре.
Установка (см. фигуру) содержит ветродвигатель 1, генератор 2 и блок управления 3.
Блок управления 3 включен между генератором 2, аккумуляторной батареей 4, балластной
нагрузкой 5 и содержит выпрямитель 6, ключ 7 и логическое устройство 8. Балластная
нагрузка 5 включена параллельно аккумуляторной батарее 4 через ключ 7, управляющий
вход которого подключен к выходу логического устройства 8. Логическое устройство 8
подключено своими входами к выходу выпрямителя 6.
Ветроэнергетическая установка дополнительно содержит устройство ограничения
вращающего момента 9, состоящее из датчика управляющего тока 10, датчика Холла 11,
порогового усилителя 12, блока питания 13, блока сигнализации 14, исполнительного орга-
на 15 и тормозной муфты 16. Датчик Холла 11 включен в цепь на выходе выпрямителя 6.
Выход датчика управляющего тока 10 подключен к управляющим входам датчика Холла
11, который помещен в магнитное поле N-S, создаваемое генератором 2. На фигуре зна-
ками ( + ) и (⋅) обозначено направление силовых линий в магнитном поле генератора 2
между полюсами N и S. Выходы датчика Холла 11 через пороговый усилитель 12 под-
ключены к логическому устройству 8. Выходы логического устройства 8 подключены к
входам блока сигнализации 14 и исполнительного органа 15. Выход исполнительного ор-
гана 15 подключен к тормозной муфте 16, которая расположена на валу между ветродви-
гателем 1 и генератором 2.
Датчик управляющего тока 10 является чувствительным элементом тока якоря Ix гене-
ратора 2. Датчик Холла 11 является чувствительным элементом величины вращающего
момента М на валу генератора.
Известно, что вращающий момент М пропорционален магнитному потоку Ф и току
якоря It:
М = k1ФItsinψ.
Если поместить датчик Холла 11 в магнитное поле N-S, создаваемое генератором 2, и
принять, что
B = k2Ф,
а через датчик 11 пропустить управляющий ток Ix, снимаемый с датчика 10 и пропорцио-
нальный току якоря It генератора 2, то
Itsinψ = k3Ix.
Вместе с тем сигнал с датчика Холла 11 может быть определен как
Uy = k4BIx.
Тогда выражение для определения вращающего момента М можно записать:
М = k1Ф It sinψ = k1(B/k2)k3Ix = (k1k3/k2k4)Uy.
Вращающий момент М, следовательно, прямо пропорционален выходному напряже-
нию Uy датчика Холла 11. Значение напряжения Uy датчика Холла используется после
усиления (блок 12) для ограничения вращающего момента (муфта 16) и для сигнализации
о превышении определенного его значения (блок 15).
Пороговый усилитель 12 предназначен для сравнения значений вращающих моментов
текущего, снимаемого в виде напряжения Uy с выхода датчика Холла 11, и допустимого,
4. BY 6551 U 2010.08.30
4
задаваемого блоком питания 13 в виде напряжения U0. Пороговый элемент усилителя 12
формирует сигнал рассогласования, получаемый в результате сравнения двух напряжений -
Uy и U0. Блок питания 13 служит для создания напряжения U0 и обеспечения нормальной
работы порогового усилителя 12, который имеет, например, коэффициент усиления, рав-
ный A.
Блок сигнализации 14 служит для оповещения обслуживающего персонала ветроэнер-
гетической установки о текущей величине вращающего момента на валу генератора 2. Он
запускается логическим устройством 8.
Исполнительный орган 15 предназначен для включения и выключения тормозной
муфты 16 по командам логического устройства 8.
Тормозная муфта 16 располагается на валу между ветродвигателем 1 и генератором 2
и предназначена для ограничения вращающего момента на валу генератора 2 путем тор-
можения вала при увеличении оборотов ветродвигателя 1, и освобождения вала при
уменьшении оборотов ветродвигателя 1.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
При малой скорости ветра устройство ограничения вращающего момента 9 выполняет
свои функции не полностью - только до исполнительного органа 15. При этом напряже-
ние, пропорциональное вращающему моменту М и снимаемое с датчика 10, поступает на
вход датчика Холла 11. С выхода датчика Холла 11 напряжение Uy поступает к порогово-
му усилителю 12 с коэффициентом усиления А. После усиления часть напряжения AUy,
соответствующая определенному значению вращающего момента М, устанавливается с
помощью порогового элемента усилителя и компенсируется напряжением U0 блока 13.
В рассматриваемом случае, когда текущее значение вращающегося момента М не пре-
вышает допустимого, разность между напряжениями AUy и U0 будет равна нулю. Сигнал
с выхода усилителя 12 будет соответствовать нормальному значению вращающего момента М.
Логическое устройство 8 выдает в этом случае в блок 14 сигнал оповещения обслужива-
ющего персонала о нормальной величине текущего значения вращающего момента М.
При этом сигнал на исполнительный орган 15 не выдается и тормозная муфта 16 не вклю-
чается.
При увеличении скорости ветра возрастает частота вращения генератора 2. При этом
возрастает и текущее значение вращающего момента М на его валу. В какой-то момент
времени это значение превысит допустимый уровень. В случае изменения величины вра-
щающего момента М относительно установленного значения в усилителе 12 появляется
разность между напряжениями AUy и U0, которая приводит к появлению сигнала рассо-
гласования на его выходе. Этот сигнал подается на вход логического устройства 8, кото-
рое в этом случае выдает сигналы в блок 14 для оповещения обслуживающего персонала о
превышении величины момента М допустимого значения и на исполнительный орган 15.
Исполнительный орган 15 включает тормозную муфту 16, которая начинает тормозить
вал генератора 2, ограничивая тем самым имеющийся вращающий момент. Это будет
происходить до тех пор, пока текущее значение вращающего момента не станет равным
допустимому. Как только это произойдет, сигнал с выхода усилителя 12 снова станет рав-
ным нулю, по которому исполнительный орган отключит тормозную муфту 16.
При изменении скорости ветра процесс управления величиной вращающего момента
повторяется. При этом исполнительный орган 15 будет периодически включать и отклю-
чать муфту 16, тормозя или освобождая вал генератора 2, обеспечивая тем самым эффек-
тивное регулирование величины вращающего момента.
Таким образом, за счет работы ветродвигателя в режиме ограничения вращающего
момента на валу генератора, снижения осевого давления на вал и уменьшения вибраций
конструкции обеспечивается увеличение ресурсного срока ветроэнергетической установки.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
![BY 6551 U 2010.08.30
2
(56)
1. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М.: Энер-
гоатомиздат, 1990. - С. 234, рис. 9.23 (в).
2. Ахрем Я., Левин Н.Н., Ролик Ю.А. и др. Способ и устройство управления ветроге-
нератором. Патент Латвийской Республики № LV 12022 от 20.04.1998.
Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а точнее - к технике преобра-
зования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор и блок
управления, включенный между генератором, приоритетной и обычной нагрузкой [1].
Недостатком такой установки является невозможность регулирования вращающего
момента на валу генератора при возрастании скорости ветра. Здесь используется электри-
ческое управление, осуществляемое путем подключения дополнительной нагрузки и тем
самым ограничения частоты вращения генератора. Однако это происходит с запаздыва-
нием, т.к. нагрузка подключается ступенчато и с определенным уровнем дискретизации.
Описанное управление недостаточно эффективно, т.к. приводит к возможности работы
генератора в течение некоторого времени на возросших оборотах, возникновению повы-
шенного осевого давления и увеличению вибраций. Это значительно снижает срок служ-
бы подшипников генератора, при этом снижается ресурсный срок работы генератора и
самой ветроэнергетической установки.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, генератор,
блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей, а также
балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и логиче-
ское устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумуляторной
батарее через ключ, управляющий вход которого подключен к выходу логического
устройства, подключенного своими входами к выходу выпрямителя [2] - прототип.
Недостатком этой установки является невозможность оперативного ограничения вра-
щающего момента на валу генератора при увеличении скорости ветра, поскольку в этом
случае осуществляется также электрическое регулирование путем изменения величины
подключаемой нагрузки, в качестве которой используется аккумуляторная батарея и балласт-
ное сопротивление. При таком управлении, если произошло увеличение скорости ветра, а
аккумуляторная батарея оказалась полностью заряженной, ограничение мощности генера-
тора осуществляется только за счет подключения балластной нагрузки, которая в этот мо-
мент может и не соответствовать значению возросшей мощности или оказаться настолько
большой, что будет происходить перегрев генератора. Процесс ограничения возрастания
скорости вращения в этом случае происходит и с определенным запаздыванием, и с по-
следующим перегревом генератора. Поэтому установка в этих случаях будет работать в
экстремальном режиме. Такой режим при возросшем осевом давлении на вал генератора и
увеличившейся вибрации приводит к быстрому износу подшипников, старению изоляции,
скорому разбалтыванию обойм и сдвигу подшипниковых щитов, возникновению эксцен-
триситета ротора относительно статора в генераторе и другим возможным неисправно-
стям. Все это также значительно уменьшает срок службы генератора, который приходится
заменять раньше положенного срока. Последнее в свою очередь приводит к снижению ре-
сурса всей ветроэнергетической установки.
Задача, которую решает данная полезная модель, заключается в увеличении ресурсно-
го срока ветроэнергетической установки путем ограничения вращающего момента, осево-
го давления и вибраций.
Это достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель,
генератор, блок управления, включенный между генератором и аккумуляторной батареей,
а также балластной нагрузкой, при этом блок управления содержит выпрямитель, ключ и
логическое устройство, причем балластная нагрузка включена параллельно аккумулятор-](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)