4.Учебно-методическое пособие для выполнения курсовой работы «Система управления ветроэнергетической установкой»
1. Введение
Настоящее учебно-методическое пособие является руководством для выполнения курсовой работы по дисциплине «Системы автоматического управления» студентами IV курса по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».
Курсовая работа «Система автоматического управления ветроэнергетической установкой» должна включать обоснованный выбор в соответствии с заданием основных параметров ветроэнергетической установки (ВЭУ), описание структурной схемы и работы системы автоматического управления ВЭУ, расчет статических, динамических и энергетических характеристик ВЭУ, оптимизацию частоты вращения энергетической установки по критерию максимума вырабатываемой за год электроэнергии. Должна быть описана система безопасности ВЭУ и выбраны ее основные характеристики на основании анализа процесса аэродинамического торможения.
2. Содержание курсовой работы.
В курсовой работе должны быть представлены следующие разделы:
Задание на курсовую работу.
Структурная схема системы управления и описание ее элементов.
Режимы работы ВЭУ.
Выбор основных параметров ВЭУ и расчет статических характеристик.
Расчет энергетических характеристик.
Динамические характеристики ВЭУ.
6.1. Расчет режима разгона.
6.2. Расчет режима торможения.
Система безопасности ВЭУ.
Оптимизация частоты вращения ветроколеса.
Специальная часть.
3. Автоматические регуляторы и системы автоматического управления.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) в режиме выработки электроэнергии должна работать в автоматическом режиме без непосредственного участия обслуживающего персонала. Для обеспечения автоматической работы используются специальные устройства, осуществляющие управление ВЭУ. В зависимости от сложности решаемых задач это могут быть регуляторы прямого действия, системы регулирования и системы автоматического управления.
3.1. Автоматические регуляторы.
Автоматические регуляторы – это приборы, специально присоединяемые к машинам, аппаратам или иным техническим устройствам для поддержания или изменения какой-либо величины без непосредственного участия человека.
Часть машины или аппарата, на которую воздействует регулятор, называется регулирующим органом или органом управления. Величина, подлежащая заданным условиям изменения или поддержания, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.
В случае, если регулятор при отклонении регулируемого параметра от заданного значения развивает усилие и энергию, достаточные для перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью, регулятор называют регулятором прямого действия.
Благодаря исключительной простоте конструкции регуляторы прямого действия широко распространены, но область применения их ограничена объектами, требующими небольших усилий для перемещения регулирующих органов.
Регулятор уровня воды котла паровой машины И,И. Ползунова (1765г.) и регулятор скорости паровой машины Уатта (1784 г.) относятся к первым промышленным автоматическим устройствам (рис. 3.2., 3.3.).Их появление в эпоху промышленного переворота в Европе на рубеже XVIII и XIX в.в. знаменует новый этап в развитии автоматики, связанной с ее внедрением в промышленность. И основная заслуга Ползунова и Уатта состоит именно в промышленном применении регуляторов, сами же идеи, на которых основана конструкция этих регуляторов, использовались намного раньше. Неоднократно исследователи в области истории техники пытались установить приоритеты в области создания автоматических устройств.
Так, некоторые историки науки утверждают, что Уатт, вероятно, приспособил для своего регулятора устройство, применяемое для изменения зазора между жерновами ветряной мельницы, и что Уатт взял свой знаменитый патент на усовершенствование, а не на изобретение. К сожалению, описания этого более раннего устройства не сохранилось.
Что касается поплавкового регулятора, к которым относится регулятор Ползунова, то такие регуляторы были известны за 300 лет до нашей эры.
Автоматический поворотный механизм для ветряных мельниц был изобретен Мейкле около 1750 г. (рис.3.1.), а маятниковый автопилот для автоматического выдерживания высоты полета относится к ранним самолетам (рис. 3.4).
Рис. 3.1 Поворотный
механизм
ветряной мельницы
Рис. 3.2. Автоматический
регулятор
уровня водыв котле
паровой машины
Рис. 3.4. Маятниковый
автопилот
Рис. 3.3. Регулятор
скорости
паровой машины
3.2. Центробежный регулятор поворота
лопастей ветродвигателя
В современной ветроэнергетике регуляторы прямого действия используются на ВЭУ малой и очень малой мощности.
Примером такого регулятора может служить центробежный регулятор поворота лопастей ВЭУ, схема которого приведена на рис. 3.5 [2]. Каждая лопасть 1 несет на себе жестко связанный с нею при помощи державки 2 центробежный груз 3. Муфта 4, которая может свободно скользить вдоль оси ветроколеса, связана шатуном 5 с кривошипом, образующим некоторый угол с державкой. Муфта удерживается около упора 6 пружиной 7. Если число оборотов ветроколеса достигнет такой величины, что центробежные силы, действующие на грузы и лопасти, превзойдут силу упругости пружины, то лопасти с грузами будут поворачиваться вокруг продольной оси лопасти. Вследствие уменьшения угла атаки лопастей уменьшаются аэродинамические силы и мощность, развиваемая ветроколесом.
Регулирование числа оборотов ветродвигателя поворотом лопастей центробежным регулятором заключается в том, чтобы лопасти, которые могут свободно вращаться вокруг своей продольной оси и находящиеся под воздействием сил центробежных, аэродинамических и сил упругости пружины, принимали такое положение относительно плоскости вращения ветроколеса, при котором аэродинамическая мощность ветродвигателя равна мощности нагрузки.
Лопасть
ветроколеса
Державка
Центробежный
круг
Муфта
Шатун
с кривошипом
Упор
Пружина
Рис. 3.5. Центробежный регулятор угла поворота лопасти ВЭУ.
При таком движении механическая система «ветроколесо-регулятор-электрогенератор» имеет две степени свободы:
вращение ВК в целом, а, следовательно, и каждой лопасти, вокруг оси ветроколеса;
вращение лопастей вокруг их продольных осей с одновременным поступательным движением скользящей муфты регулятора.
Процесс регулирования может быть разбит на три этапа.
Первый этап – работа ветроколеса до начала регулирования, когда аэродинамические и центробежные силы меньше сил упругости пружины, благодаря чему пружина удерживает механизм регулирования, а следовательно, и сами лопасти в определенном положении, характеризуемом углом установки лопастей по отношению к плоскости вращения ВК. Последнее достигается введением в механизм регулирования «упора», ограничивающего ход механизма. На этом этапе регулирования лопасти по существу жестко связаны с втулкой ветроколеса.
Второй этап регулирования начинается с того момента, когда число оборотов ВК достигает такой величины, при которой центробежные силы вместе с аэродинамическими превысят силы упругости пружины, и лопасти под их влиянием повернутся на некоторый угол, при котором все силы, действующие на лопасть, будут находиться в равновесии.
Третий этап регулирования – это останов ВК: механизм регулирования приводится при помощи рычага управления в такое положение, при котором момент аэродинамических сил, действующих на неподвижное ВК, становится равным нулю.