автономная ветродизельэлектрическая установка

Формула изобретения

Автономная ветродизельэлектрическая установка, содержащая подключенные с помощью автоматических выключателей к шинам потребителей асинхронную электрическую машину с короткозамкнутой обмоткой ротора, соединенную с ветродвигателем, снабженным системой автоматического регулирования угла поворота лопастей ветроколеса, и синхронную электрическую машину с инерционным маховиком на валу, соединенную с помощью управляемой разобщительной муфты с поршневым двигателем внутреннего сгорания, реле пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты, реле частоты тока на шинах потребителей, подключенное через таймер к реле пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты, а также датчики величины и направления потока активной мощности синхронной машины и величины активной мощности нагрузки, выходы которых подключены к двум входам компаратора, выход которого подключен к реле пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введены балластная нагрузка с регулятором мощности балластной нагрузки, подключенная к шинам потребителей с помощью автоматического выключателя, снабженного блок-контактами, регулятор мощности дизеля, датчик активной мощности асинхронной электрической машины, второе реле частоты тока с блок-контактами, задатчик величины максимальной активной мощности установки, первый сумматор, третье реле частоты тока, второй сумматор и второй компаратор, при этом выход первого реле частоты подключен дополнительно к отключающему устройству выключателя и регулятору

балластной нагрузки, выходы датчиков активной мощности нагрузки и асинхронного генератора - к входу первого сумматора, а его выход - к регулятору мощности дизеля, выход второго реле частоты подключен через таймер к включающему устройству выключателя балластной нагрузки, выходы задатчика максимальной мощности установки и датчика активной мощности нагрузки - к входу второго компаратора, а его выход - к отключающему устройству выключателя и регулятору балластной нагрузки, выходы задатчика максимальной мощности установки и датчика активной мощности нагрузки подключены к входу второго сумматора, а его выход - к регулятору балластной нагрузки через блок-контакты второго реле частоты и выключателя балластной нагрузки по схеме И, а выход третьего реле частоты тока подключен к реле пуска дизеля и включения разобщительной муфты, системе автоматического регулирования ветроустановки и к отключающим устройствам выключателей асинхронной электрической машины и балластной нагрузки, а также к регулятору балластной нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к комбинированным ветродизельэлектрическим установкам для автономного электроснабжения потребителей, где отсутствует возможность подачи электроэнергии от внешней энергосистемы.

Наиболее близким к изобретению является устройство по авторскому свидетельству RU N 2139444 на автономную ветродизельэлектрическую установку, содержащую подключенные с помощью автоматических выключателей к шинам потребителей асинхронную электрическую машину с короткозамкнутой обмоткой ротора, соединенную с ветродвигателем, снабженным системой автоматического регулирования угла поворота лопастей ветроколеса для стабилизации частоты вращения, и синхронную электрическую машину с инерционным маховиком на валу, соединенную с помощью управляемой разобщительной муфты с поршневым двигателем внутреннего сгорания. Установка снабжена также реле пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты, реле частоты тока на шинах потребителей, подключенным через таймер к реле пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты, а также датчиками величины и направления потока активной мощности синхронной машины и величины активной мощности нагрузки, подключенными к двум входам компаратора, выход которого подключен к реле пуска двигателя внутреннего сгорания и включения разобщительной муфты.

Применение указанного прототипа обеспечивает электропитание потребителей в случаях, когда:

1) скорость ветра доcтаточна и мощность ветроустановки соответствует мощности нагрузки;

2) скорость ветра мала и мощность ветроустановки не обеспечивает питание нагрузки;

3) ветер практически отсутствует.

Задача изобретения - обеспечение бесперебойного электропитания потребителей в случаях, когда скорость ветра чрезмерно велика, а также когда мощность ветроустановки в диапазоне регулирования превышает мощность нагрузки.

Это достигается тем, что в ветродизельэлектрическую установку по авторскому свидетельству RU N 2139444 дополнительно введены балластная нагрузка с регулятором мощности балластной нагрузки, подключенная к шинам потребителей с помощью автоматического выключателя, снабженного блок-контактами, регулятор мощности двигателя внутреннего сгорания, датчик активной мощности асинхронной машины, второе реле частоты тока с блок-контактами, задатчик величины максимальной активной мощности установки, первый сумматор, третье реле частоты тока, второй сумматор и второй компаратор, при этом выход первого реле частоты тока подключен дополнительно к отключающему устройству выключателя и регулятору балластной нагрузки, выходы датчиков активной мощности нагрузки и асинхронной машины подключены к входу первого сумматора, а его выход подключен к регулятору мощности двигателя внутреннего сгорания, выход второго реле частоты тока подключен через таймер к включающему устройству выключателя балластной нагрузки, выходы задатчика максимальной мощности установки и датчика активной мощности нагрузки подключены к входу второго компаратора, а его выход подключен к отключающему устройству выключателя и регулятору балластной нагрузки, выходы задатчика максимальной мощности установки и датчика активной мощности нагрузки подключены к входу второго сумматора, а его выход подключен к регулятору балластной нагрузки через блок-контакты второго реле частоты тока и выключателя балластной нагрузки по схеме И, а выход третьего реле частоты тока подключен к реле пуска дизеля и включения разобщительной муфты, системе автоматического регулирования ветроустановки и к отключающим устройствам выключателей асинхронной машины и балластной нагрузки, а также к регулятору балластной нагрузки. В качестве балластной нагрузки могут быть применены воздушные или жидкостные электрокалориферы, позволяющие в большей степени использовать энергию ветра для дополнительного получения тепловой энергии.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства автономной ветродизельэлектрической установки. Устройство включает в себя ветроэнергетическую установку (ВЭУ), содержащую асинхронную электрическую машину (AM) 1 с короткозамкнутой обмоткой ротора, соединенную c ветродвигателем 2 и подключенную к шинам 3 потребителей 4 c помощью автоматического выключателя 5. ВЭУ снабжена датчиком 6 частоты вращения и системой 7 автоматического регулирования угла поворота лопастей ветродвигателя 2 для стабилизации частоты вращения вала ВЭУ. Устройство включает в себя также дизель-генераторную установку (ДГУ), содержащую синхронную электрическую машину (СМ) 8 с инерционным маховиком 9 на валу, соединенную c поршневым ДВС 10 с помощью управляемой разобщительной муфты 11 и подключенную к шинам 3 с помощью автоматического выключателя 12. ДВС 10 и разобщительная муфта 11 снабжены реле 13 пуска и включения, а ДВС - регулятором 14 мощности. Устройство содержит также балластную нагрузку (БН) 15 с регулятором 16 ее величины, подключенную к шинам 3 с помощью автоматического выключателя 17 с блок-контактами 18. Устройство содержит датчики активной мощности 19 AM и 20 нагрузки, величины и направления потока активной мощности 21 СМ, задатчик 22 величины максимальной активной мощности установки, первое реле 23 частоты тока (с уставкой срабатывания при минимально допустимой для потребителей частоте тока), второе реле 24 частоты тока с блок-контактами 25 (с уставкой срабатывания при максимально допустимой для потребителей частоте тока), третье реле 26 частоты тока (с уставкой срабатывания при частоте тока, соответствующей максимально допустимой частоте вращения СМ и AM), первый сумматор 27, второй сумматор 28, первый компаратор 29 и второй компаратор 30. В устройстве первый сумматор 27 подключен по входу к выходам датчиков мощности 19 AM и 20 нагрузки, а по выходу - к входу регулятора мощности 14 ДВС, второй сумматор 28 подключен по входу к выходам датчика 20 активной мощности нагрузки и задатчика 22 величины максимальной мощности установки, а по выходу - к регулятору 16 БН 15 через последовательно подклиненные блок-контакты 25 и 18 второго реле частоты 24 и выключателя 17 БН, первый компаратор 29 подключен по входу к выходам датчика 20 активной мощности нагрузки 4 и датчика 21 величины и направления потока активной мощности СМ, а по выходу - к реле 13 пуска ДВС и включения муфты, а также к отключающему устройству выключателя 5 AM, второй компаратор 30 подключен по входу к выходам датчика 20 активной мощности нагрузки и задатчика 22 величины максимальной мощности установки, а по выходу - к регулятору 16 и отключающему устройству выключателя 17 БН. В устройстве выход первого реле 23 частоты тока подключен к отключающему устройству выключателя 17 и регулятору 16 балластной нагрузки, а также через таймер 30 к реле 13 пуска ДВС и включения разобщительной муфты, выход второго реле 24 частоты тока подключен через таймер 31 к включающему устройству выключателя 17, а выход третьего реле 26 частоты тока подключен к отключающему устройству выключателя 5 AM, отключающему устройству выключателя 17 и регулятору 16 БН, к системе 7 автоматического регулирования ВЭУ, а также к реле 13 пуска ДВС и включения разобщительной муфты.

Установка работает следующим образом.

Для пуска ветроустановки необходимо к ее валу приложить пусковой момент, поэтому пуск ВЭУ осуществляется от маховичной синхронной машины ДГУ. При этом включается разобщительная муфта 11, соединяя коленчатый вал ДВС 10 с валом синхронной машины 8, и запускается ДВС.

После выхода СМ на номинальную частоту и ее подключения выключателем 12 к шинам 3 включается выключатель 5 и подается напряжение на AM 1 для раскрутки ветродвигателя 2 до номинальной частоты вращения, при этом наличие на валу СМ инерционного маховика 9 благодаря значительному запасу кинетической энергии облегчает условия запуска ВЭУ. При скорости ветра, достаточной для работы ВЭУ и электропитания потребителей, отключается разобщительная муфта 11 и останавливается ДВС 10, после чего СМ 8 потребляет незначительную активную мощность от ВЭУ для поддержания вращения инерционного маховика 9 с номинальной частотой и вырабатывает реактивную мощность для создания магнитного потока в AM 1, а также для потребителей электроэнергии 4. Наличие на валу СМ инерционного маховика способствует стабилизации частоты тока и активной мощности на шинах потребителей как на установившихся, так и на переходных режимах при изменении скорости ветра или динамическом изменении величины активной мощности нагрузки, чем упрощает задачу CAP ветроустановки по стабилизации частоты вращения AM.

В случаях уменьшения скорости ветра, когда вырабатываемая ветроустановкой активная мощность недостаточна для питания потребителей, происходит снижение частоты тока. При частоте тока ниже допустимой для потребителей по сигналу первого реле 23 частоты с выдержкой времени с помощью таймера 30 подается команда на реле 13 пуска ДВС и включения разобщительной муфты. После запуска ДВС ДГУ вырабатывает реактивную и недостающую активную мощность, при этом величина активной мощности ДГУ задается регулятором 14 мощности пропорционально величине сигнала, выходящего из сумматора 27, определяющего разность активной мощности нагрузки и AM на основе интегрирования входящих в него величин выходных сигналов от соответствующих датчиков 20 и 19 активной мощности.

Уставка времени таймера 30 должна быть несколько больше времени переходного процесса установки при динамическом увеличении нагрузки или уменьшении скорости ветра в пределах допустимого значения.

Наличие на валу СМ инерционного маховика обеспечивает питание потребителей недостающей активной мощностью и способствует уменьшению провала частоты тока в период запуска ДВС и включения разобщительной муфты.

В случае, когда величина потока активной мощности, вырабатываемой СМ 8, равна или превышает величину активной мощности потребителей, что происходит при резком уменьшении скорости ветра или при выходе из строя ВЭУ, компаратор 29 выдает команду без выдержки времени на отключение выключателя 5 AM от шин потребителей, а также на реле 13 пуска ДВС 10 и включения разобщительной муфты 11. Компаратор 29 осуществляет формирование команды на основе сравнения входящих в него величин выходных сигналов датчика 20 величины активной мощности нагрузки и датчика 21 величины и направления потока активной мощности СМ. Перевод питания потребителей от ВЭУ на ДГУ осуществляется без разрыва синусоиды питающего напряжения.

В случае, когда скорость ветра чрезмерно велика и мощность ветроустановки в диапазоне регулирования превышает мощность нагрузки, происходит увеличение частоты тока. При частоте тока выше допустимой для потребителей по сигналу второго реле 24 частоты с выдержкой времени с помощью таймера 31 подается команда на включение выключателя 16 БН 15. Уставка времени таймера 31 должна быть несколько больше времени переходного процесса установки при динамическом уменьшении нагрузки или увеличении скорости ветра в пределах допустимого значения.

После срабатывания реле 24 и включения выключателя 17 их блок-контактами 25 и 18 собирается цепь управления от сумматора 28, формирующего управляющий сигнал на основе суммирования входящих в него величин выходных сигналов от задатчика 22 величины максимальной активной мощности установки и от датчика 20 величины активной мощности нагрузки, к регулятору 16 мощности БН 15. Сумматор 28 передает в регулятор 16 мощности БН сигнал на увеличение, пропорциональный разности максимальной мощности установки и реальной нагрузки. Если увеличение балластной нагрузки привело к вхождению частоты тока на шинах потребителей в допустимую полосу (между уставками реле 23 и 24), то реле 24 частоты тока, разрывая своим блок-контактом 25 цепь управления регулятором 16 БН, прерывает дальнейшее ее увеличение.

Увеличение балластной нагрузки прекращается также по сигналу, выходящему из сумматора 28, если ее величина сравнялась с разностью между максимальной мощностью установки и реальной мощностью нагрузки. Независимо от частоты тока отключаются выключатель 17 и регулятор 16 БН по команде компаратора 30 на основе сравнения входящих в него величин выходных сигналов от задатчика 22 величины максимальной активной мощности установки и от датчика 20 величины мощности нагрузки при их равенстве. Отключение выключателя 17 и регулятора 16 БН обеспечивается также от реле 23 частоты тока (минимально допустимой).

В случае, когда сила ветра очень велика и при величине мощности нагрузки (с учетом балластной), равной максимальной, частота тока на шинах потребителей достигает уставки реле 26, то при его срабатывании формируются команды на реле 13 пуска ДВС 10 и включения разобщительной муфты 11 (для перевода питания потребителей на ДГУ), на систему 7 регулирования ВЭУ и отключающее устройство выключателя 5 AM (для экстренной остановки ВЭУ), а также на отключение регулятора 16 и выключателя 17 БН. Перевод питания потребителей от ВЭУ на ЛГУ в этом случае обеспечивается без разрыва синусоиды питающего напряжения.

Таким образом, предлагаемая автономная комбинированная ветродизельэлектрическая установка обеспечивает бесперебойность электропитания потребителей в случаях, когда скорость ветра чрезмерно велика, а также когда мощность ветроустановки в диапазоне регулирования превышает мощность нагрузки.