Технические науки/3.
Отраслевое машиностроение
Дудников В.С.
Днепропетровский
национальный университет, Украина
Поворот лопастей как элемент системы стабилизации частоты вращения
ветроколес с горизонтальной осью вращения
Как показала
практика эффективность работы ветроэлектрических установок (ВЭУ) и качество
вырабатываемой электроэнергии зависит от системы управления (регулирования).
Подробный
обзор систем управления ВЭУ приведен в отчёте [1]. Показано, что наибольшее
распространение в современных ВЭУ получила система регулирования путём поворота
лопастей ветроколёс (ВК) с использованием как гидравлических, так и
механических (электромеханических) приводов [2].
В работах [3
– 8] обобщен многолетний опыт кафедры технической механики Днепропетровского
национального университета и лично автора по разработке конструкций
электромеханических устройств поворота лопастей ветроэнергетических установок с
горизонтальной осью вращения. Эти устройства являются основной исполнительной
частью системы стабилизации частоты вращения ветроколес отечественных
ветроэнергетических установок ВЭУ 250С и ВЭУ 500, разработанных КБ „Южное“, и
модернизированной ВЭУ USW 56-100.
Поворот
лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не
только как средство торможения ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но
главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для
удержания ветроколеса на предельно возможном
числе поворотов во избежание выхода его в разнос. Применение системы
поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, но с точки зрения
предотвращения опасности выхода на аварийный режим вращения ветроколеса она
совершенно необходима [9].
Для
регулирования выходной мощности ветрогенератора в настоящее время широко
используются два способа регулирования:
pitch-регулирование и stall-регулирование [10, 11].
Для pitch-регулирования используются механизмы поворота
лопасти на основе гидропривода или электропривода. Для stall-регулирования
используется неповоротная лопасть, аэродинамические свойства которой
обеспечивают стабилизацию мощности при скоростях ветра выше номинальной. В
работе [10] указывается, что с точки зрения соотношения масс и габаритных
показателей применение системы pitch-регулирования
предпочтительно.
В
турбогенераторной схеме ВЭУ регулирование мощности обеспечивается поворотом
концевых частей лопастей с помощью автономных электромеханических приводов
вместо полного поворота всех лопастей единым центральным приводом. Это повышает
надежность выполнения аварийной остановки ротора даже в случае отказа одного из
приводов [12].
Поворот
лопастей предусмотрен в системе классификации ветроэнергетических установок [13].
В
диссертации [17] рассмотрена модель привода поворота лопастей с использованием
шариковинтовой передачи, показано, что поворот лопастей является нелинейной
зависимостью от хода гайки. Следует отметить, что шариковинтовые передачи ранее
были и использованы автором в устройствах поворота лопастей для ВЭУ 250С и ВЭУ
500, разработанных КБ „Южное“, а также при модернизации USW 56-100.
Привод
поворота лопастей включает электродвигатель, многоступенчатый редуктор, рычаг,
винтовую пару, а поэтому при выходе из строя одного из этих элементов аварийный
поворот лопастей невозможен. Для устранения этого недостатка предложено в кинематической
цепи связи привода с лопастями установить пиропатрон, который при срабатывании
размыкает кинематическую связь привода с лопастью.
Представляет
практический интерес способ управления ветроэнергетической установкой [14],
когда при изменении частоты вращения ветроколеса лопасть поворачивают в прямом
или обратном направлении по сигналу системы управления с помощью
самотормозящего привода с электродвигателем. Вращение электродвигателя
производят непрерывно в одну сторону, а поворот лопастей осуществляют путем
периодического подключения электродвигателя к самотормозящемуся приводу с
помощью механизма изменения направления вращения. Способ реализуется
устройством, содержащим самотормозящийся привод лопастей, электродвигатель и
систему управления и снабженным механизмом изменения направления вращения,
включающим две электромагнитные муфты для периодического подключения
электродвигателя, постоянно вращающегося в одном направлении, к
самотормозящемуся приводу поворота лопастей, выполненному с дополнительным
входным валом. Сама установка снабжена дополнительным электродвигателем и
механизмом изменения направления вращения, выполненным в виде установленных на
основном и дополнительном входных валах двух электромагнитных муфт для
периодического подключения основного и дополнительного электродвигателей,
постоянно вращающихся в одном направлении, соответственно, к основному и
дополнительному входным валам самотормозящегося привода.
Ранее, при
одном электродвигателе для изменения направления поворота лопастей электродвигатель
должен быть вначале заторможен, а затем разогнан в обратном направлении до
выхода на режим. Для этого требуется дополнительное время, в течение которого
ветроэнергетическая установка управляется не по оптимальному – требуемому
закону, точнее, управление ветроустановкой запаздывает. Это уменьшает точность
поддержания частоты вращения ветроколеса, а следовательно, и точность
поддержания частоты переменного тока, вырабатываемого ветроэнергетической
установкой. При повышении точности регулирования и вызванной этим частой смене
направления вращения двигателя могут вызвать авто колебательные режимы, в свою
очередь вызывающие повышенный износ и потерю управления, а в ряде случаев и
разрушения ВЭУ.
После
установления необходимого положения угла лопасти ветроколеса в потоке и
соответственно угла поворота главного вала, электромагнитные муфты отключают
электродвигатель от самотормозящегося привода, лопасть удерживается в требуемом
положении самотормозящимся приводом. При изменении угла установки лопасти и
соответственно угла поворота главного вала, вновь производится подключение
электродвигателя и поворот лопастей в соответствующем направлении. Нагрузка,
действующая на лопасть (аэродинамический момент), воспринимается
самотормозящимся приводом. Двигатель работает на холостом ходу, потребляя всего
3-5 % мощности, что обеспечивает низкие энергозатраты. Регулировка угла
поворота лопастей осуществляется простой выдержкой времени включенного
состояния электромагнитной муфты. Например, для поворота лопасти на 1º
требуется держать муфту во включенном состоянии 0,5 с.
Регулятор
оборотов ветроколеса, основанный на принципе „винт - гайка“ и предназначенный
для поворота лопастей относительно их оси вращения, содержит закрепленные на
валу ветроколеса лопасти, соединенные с качалками, которые через тяги соединены
шарнирно с гайкой, расположенной на винтовом валу, соединенном посредством
редуктора с электроприводом (журнал „EWEK 86“. A. Raguzzi,
Bookshop for Scientific Publikations, ISES,
1986, с.563-570). Винтовой вал вращается электроприводом с постоянной
скоростью, соответствующей рабочей (номинальной) скорости вращения ветроколеса.
При этом, если фактическая скорость вращения ветроколеса равна номинальной, то
гайка вращается одновременно с винтовым валом, не совершая никаких перемещений
относительно него, соответственно и приводимые тягами лопасти установлены в
расчетное рабочее положение. При увеличении или уменьшении фактической скорости
вращения ветроколеса относительно номинальной гайка будет перемещаться на
винтовом валу, передавая тягами поворот лопасти соответственно в сторону
„флюгерного“ положения или положения максимального отбора энергии воздушного
потока. Для упрощения и удешевления конструкции, а также повышения кпд этого
регулятора предложено установить электромагнитные муфты торможения гайки
относительно вала ветроколеса, гайки относительно неподвижной части ветродвигателя,
винтового вала относительно вала ветроколеса и винтового вала относительно
неподвижной части ветродвигателя [15]. Таким образом, вместо электропривода с
редуктором используются менее сложные, менее энергоемкие электромагнитные
муфты, что сказывается как на цене ветродвигателя, так и на его к.п.д.
При
нормальной рабочей частоте вращения ветроколеса все четыре электромагнитные
муфты разомкнуты и гайка вращается с винтовым валом с одинаковой скоростью без
взаимного перемещения. При изменении ветра и соответствующем изменении оборотов
ветроколеса по сигналу автоматической системы управления включается
соответствующая пара электромагнитных муфт, а вторая отключается. Гайка
перемещается, разворачивая лопасти в положение, соответствующее рабочей скорости
вращения ветроколеса, по достижении которого муфты автоматически отключаются.
Таким
образом, из приведенного краткого аналитического обзора видно, что поворот
лопастей ветроколес до сих пор является наиболее распространенным способом
регулирования мощности и частоты вращения ветроколес, а, следовательно, и
частоты вырабатываемого переменного тока, что особенно важно для сетевых ВЭУ.
Об этом красноречиво говорит перечень зарубежных ВЭУ мировых производителей, в
которых используется поворот лопастей [16].
Литература:
1.
Отчет
о научно–исследовательской работе "Развитие методов исследования динамики
и нагруженности новых и нетрадиционных видов транспорта. Разработка методики
расчета динамики ветроколеса ветроэнергетической установки с вертикальной осью
вращения" (заключительный). Национальная академия наук Украины. Институт
транспортных систем и технологий "Трансмаг". Тема 1.3.6.12. №
госрегистрации 102U005341. – Днепропетровск, 2006.–193 с.
2.
Дудников
В.С. Сравнительная характеристика гидравлических и электромеханических
регуляторов поворота лопастей ветроколес ветроэлектрических установок / В.С.
Дудников // Материалы третьей международной конференции "Наука и
образование 2000". Том 6. –Днепропетровск: Наука и образование, 2000. – С.
13–14.
3.
Дудников
В.С. Электротехнический регулятор поворота лопастей ветроколеса для ВЭУ–250С /
В.С. Дудников // Материалы третьей
международной конференции "Наука и образование 2000". Том 6.
–Днепропетровск: Наука и образование, 2000. – С. 14–15.
4.
Дудников
В.С. Методика выбора основных проектных параметров электромеханического
регулятора положения лопастей ветроколес ветроэлектрических установок /
В.С. Дудников // Материалы четвертой
международной конференции "наука и образование 2001". Том 13,
Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование, 2001. –С. 26–27.
5.
Дудников
В.С. Модернизированный вариант электромеханического регулятора поворота
лопастей ВЭУ USW56–100 / В.С.
Дудников // Материалы международной научно–практической конференции
"Динамика научных исследований". Том 11. Технические науки. –
Днепропетровск: Наука и образование, 2002. – С. 10–11.
6.
Дудников
В.С. Принципиальное устройство ВЭУ USW56–100 / В.С. Дудников
//Материалы международной научно–практической конференции "Динамика
научных исследований". Том 11. Технические науки. – Днепропетровск: Наука
и образование, 2002. – С. 11–13.
7.
Дудников
В.С. Расшифровка основных проектных параметров электромеханического регулятора
поворота лопастей ВЭУ USW56–100 / В.С. Дудников //Материалы международной
научно–практической конференции "Динамика научных исследований". Том
11. Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование, 2002. – С. 13–14.
8.
Дудников
В.С. Электромеханический регулятор поворота лопастей ветроколеса
ветроэлектрической установки ВЭУ–500 / В.С. Дудников, Е.Г. Гейда //Материалы международной
научно–практической конференции "Динамика научных исследований". Том
11. Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование, 2002. – С. 16–17.
9.
Суббота
А.М. Система управления ветроэнергетической установкой/ А.М. Суббота, А.М.
Радчук // Радіоелектронні і комп’ютерні системи, - 2012. - №1(53).
– С.22-30.
10. Ветрогенераторы, ветряк
и электростанции, солнечные батареи, продажа в Днепропетровске и по Украине
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vetryak.com.ua/otveti-na-voprosi/2-vertikal-no-osevie-vetrogeneratori. - Заголовок с экрана.
11. Безруких П.П.
Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов/ П.П. Безруких , П.П.
Безруких (младший)// Институт устойчивого развития общественной палаты
Российской Федерации. Центр экологической политики России, 2011-74 с.
12. Разработка
ветрогенераторов. Параллельные ветрогенераторы. [Электронный ресурс]. – Режим
доступа: http://wind.dp.ua/?p=146.
- Заголовок с экрана.
13. ГОСТ Р51990-2002.
Установки энергетические. Классификация. -= Введен впервые 25.12.2001. – М.:
Изд-во стандартов, 2002. – 5 с.
14. Пат. 2111382 Российская
Федерация, МПК6 F03D7104.
Способ управления ветроэнергетической установкой и ветроэнергетическая
установка/ Забегаев А.И., Горбунов Ю.Н., Чернышов С.К.; Заявители Забегаев
А.И., Горбунов Ю.Н., Чернышов С.К., патентнообладатели Товарищество с
ограниченной ответственностью фирма «Общемашинжиниринг»,
научно-производственное объединение «Ветроэн». - №94044922/06; заявл.
29.12.1994; опубл. 20.05.1998.
15. Пат. 2323369 Российская
Федерация, МПК6 F03D7/00.
Регулятор оборотов ветроколеса ветродвигателя / Карпов А.Б., Красивов А.Ф.,
Улановский Я.Б.: Заявители Карпов А.Б., Красивов А.Ф., Улановский Я.Б.;
патентнообладатель Общество с
ограниченной ответственностью «Стройинжениринг СМ». - №2006107821/06;
заявл15.03.2006; опубл. 27.09.2007.
16. Каталог BWE Windenergie 2006.
17. Зубарев Д.В.
Параметрическая настройка системы управления ветроэнергетической установки по
результатам моделирования: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.05. [Электронный
ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com/contenl/parametricheskaya nastroika systemy upravleniya-vetroenergeticheskoi ustanovki. - Заголовок с экрана.