1463

Рис. 3.9. Головка агрегата АВЭУ-5:

1 – корпус; 2 – вал; 3 – сектор; 4 – рейка; 5 – палец; 6 – муфта; 7 - тяга

3.3. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Как уже говорилось выше, на сегодняшний день известно множество конструкций ветроэнергетических установок: с вертикальным и горизонтальным ветроколѐсами, сегментные ветроэнергетические установки и т.д.

Представленная ветроэнергетическая установка относится по принципу действия к устройствам типа ветряных плотин. На рисунке 3.10 показан вид сверху рассматриваемой ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетическая установка содержит в своѐм составе основную раму 1 и дополнительные рамы 2. Рамы расположе-

71

ны на балках 3, которые закреплены на основании 4. На основной и дополнительных рамах закреплены стойки 5, на которых расположены ветроколѐса 6 и статорные модули 7.

В данной ветроэнергетической установке в качестве электрогенератора использован индукторный генератор, который имеет дугостаторную конструкцию. Данное конструктивное решение позволяет «встраивать» электрогенератор в конструкцию ветроэнергетической установки. При данном конструктивном решении ветроколесо, помимо выполнения своей основной задачи по преобразованию кинетической энергии ветра в механическую энергию вала, является и ротором элетрогенератора. Осуществляется это за счѐт того, что ротор электрического генератора в его классической форме здесь отсутствует, а имеются сегментные роторные элементы, установленные на лопастях ветроколѐс. Сегментные роторные элементы представляют собой шихтованный зубчатый магнитопровод. Модуль статора состоит из постоянного магнита, шихтованного магнитопровода и рабочей обмотки. Причѐм модуль статора имеет двухстороннюю зубчатую зону, что позволяет использовать для двух ветроколѐс один модуль статора.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Воздушный поток, воздействуя на ветроколѐса, приводит их во вращение. При вращении ветроколеса сегментные роторные элементы взаимодействуют с модулями статора, при этом в рабочей обмотке модуля статора наводится переменный ток.

Рассматриваемая установка имеет антибуревую защиту. Осуществляется она, за счѐт того, что у представленной установки имеется два режима работы: номинальный, когда скорость ветра не превышает допустимую, и защищѐнный, когда скорость ветра превышает допустимую.

В номинальном режиме работы основная и дополнительные рамы подняты на рабочую высоту, а в случае бурево-

72

го воздействия рамы опускаются на безопасную высоту

(рис.3.11, 3.12).

Для подъѐма (спуска) рам в состав установки входит подъѐмный механизм (рис. 3.13.), состоящий из электродвигателя и ремѐнной передачи, которая в свою очередь состоит из шкивов и ремня. Управление подъѐмным механизмом осуществляется автоматической системой управления, в состав которой входит система измерения скорости ветра и система управления подъѐмными механизмами.

В случае, когда скорость ветра превысит допустимое значение, система контроля скорости ветра подаѐт сигнал на блок управления приводами подъѐмных механизмов. Блок управления включает двигатели подъѐмных механизмов, которые опускают основную и дополнительные рамы на безопасную высоту - установка переходит в защищѐнный режим работы. При снижении скорости ветра до безопасных значений рамы автоматически поднимаются, то есть ветроэнергетическая установка переходит в номинальный режим работы.

Кроме антибуревой защиты подъѐмные механизмы позволяют изменять мощность ветроэнергетической установки путѐм изменения фронтальной площади установки, за счѐт изменения высоты дополнительных рам.

Недостатками данной установки является боковое расположение статорных модулей относительно ветроколѐс, что в условиях атмосферных осадков, гололѐдных явлений, запылѐнности приводит к возможности заполнения воздушного зазора инородными телами, например льдом, что в свою очередь нарушает нормальное функционирование установки, вплоть до возможности механического заклинивания ветроколеса.

На рисунке 3.14 представлена конструкция ветроэнергетической установки, лишѐнной данного недостатка. Это достигается тем, что установка дополнительно содержит удлинѐнный трубчатый оголовок, установленный на нижней стороне поворотного основания, а на самом оголовке расположен модуль дугового статора, ориентированный зубцовой зоной вниз.

73

3.4.ИНДУКТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

3.4.1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИНЦИП КЛАССИФИКАЦИИ ИНДУКТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Существует большое количество модификаций генераторов индукторного типа, причем это разнообразие касается не столько конструктивных элементов, сколько конфигурации магнитной цепи и схем обмоток. Некоторые исполнения настолько отличны одно от другого, что говорить о единой методике анализа процессов во всех типах индукторных машин на первый взгляд довольно трудно.

В дальнейшем изложении будем называть якорем или статором внешнюю и всегда неподвижную часть генератора, в пазах которой расположена обмотка переменного тока. Внутреннюю вращающуюся часть генератора будем называть индуктором или ротором. Конфигурация пакета статора различна для различных исполнений генератора. Ротор во всех случаях выполняется в виде зубчатого колеса. Различия в форме зубца ротора (скругление углов, прямоугольная или трапецеидальная форма паза) принципиального значения не имеют.

Индукторной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой при холостом ходе магнитная индукция в любой точке поверхности расточки якоря изменяется только по величине без изменения знака. В индукторной машине всегда все обмотки неподвижны, а изменение магнитного потока, пронизывающего обмотку якоря, вызывается перемещением ферромагнитных масс.

В основу классификации индукторных генераторов целесообразно положить характер изменения потока зубца ротора при вращении последнего. Могут быть следующие случаи:

а) поток зубца индуктора по абсолютной величине практически постоянен;

б) поток зубца индуктора периодически изменяется по абсолютной величине с частотой, близкой или равной основ-

75

ной частоте генератора.

Соответственно будем называть такие генераторы генераторами с постоянным или пульсирующим потоком.

В каждом из указанных типов генераторов возможны следующие исполнения: 1) поток зубца индуктора за один оборот последнего не изменяет знака; такой тип генератора будем называть одноименнополюсным; 2) поток зубца индуктора изменяет знак; такой тип генератора будем называть разноименнополюсным.

Другие наименования различных типов индукторных машин, встречающиеся в литературе (генераторы с классической зубцовой зоной, гребенчатой зубцовой зоной, однопакетные и двухпакетные генераторы, генераторы Гюи, интерференционные генераторы и т. п.), использовать не будем, так как они в меньшей мере отражают основные особенности рабочего процесса.

Наиболее существенным при анализе рабочего процесса и разработке методики расчета является различие между генераторами с постоянным и пульсирующим потоком зубца ротора. Одноименно- и разноименнополюсные генераторы в основном отличаются конструктивными особенностями.

Рассмотрим примеры различных исполнений генерато-

ров.

76

3.4.2 ГЕНЕРАТОРЫ С ПОСТОЯННЫМ ПОТОКОМ ЗУБЦА РОТОРА

3.4.2.1 Одноименнополюсные генераторы

Активная часть такого однофазного генератора в случае простейшей конфигурации зубцовой зоны изображена на рис. 3.4.1. Пакеты статора всегда набираются из листовой электротехнической стали. Ротор в некоторых случаях выполняется также шихтованным, а иногда, особенно при больших окружных скоростях, массивным. Корпус машины и втулка ротора всегда выполняются массивными из ферромагнитного материала.

Кривая распределения магнитного потока в воздушном зазоре, изображенная на рис. 3.4.2, имеет периодический характер и, очевидно, период (2π эл. рад) будет соответствовать зубцовому делению ротора. Полюсным делением τ индукторной машины является половина зубцового шага ротора и, следовательно, зубец и паз ротора можно рассматривать как раз-

77

ноименные полюса индуктора. Эта особенность индукторной машины определяет ее основное преимущество: возможность выполнения весьма малых полюсных делений и соответственно большого числа полюсов при малом диаметре ротора. Поэтому обычно индукторные генераторы используются для получения переменного тока повышенной частоты.

Катушка переменного тока охватывает дугу, равную или близкую π электрических радиан. Приняв величину раскрытия пазов статора достаточно малой, можем считать, что при повороте ротора кривая распределения потока в воздушном зазоре не изменится, а переместится на тот же угол, что и ротор. Это приведет к изменению по величине (без изменения знака) потокосцепления катушки переменного тока, в то время как потокосцепление катушки возбуждения остается неизменным. Можно принять, что магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, вращается вместе с ротором. Так как потокосцепление катушки переменного тока является периодической функцией угла, то при вращении ротора происходит периодическое изменение потокосцепления и, следовательно, в катушке статора наводится переменная э. д. с. Отдельные катушки переменного тока всегда можно соединить согласно и тем самым использовать весь полезный поток поверхности расточки обоих пакетов статора. Подключенная к такой обмотке нагрузка будет питаться переменным током. Из принципа работы ге-

78

нератора следует, что поток зубца не изменяется ни по величине, ни по направлению.

Наличие двух пакетов не является характерным для одноименнополюсного генератора. В некоторых случаях при небольших габаритах генератора один из пакетов статора и ротора заменяется массивным магнитопроводом и последний может быть совмещен с подшипниковым щитом (рис. 3.4.3). В этом случае статор и ротор имеют по одному пакету, конструкция генератора упрощается и стоимость его снижается. Очевидно, что нет принципиального отличия такого однопакетного генератора от рассмотренного ранее двухпакетного.

Конфигурация зубцовой зоны статора может иметь разнообразные исполнения. На рис. 3.4.1 представлена простейшая геометрия однофазного генератора. Число пазов статора, если это позволяют размеры полюсного деления, может быть значительно больше. Так, например, на рис. 3.4.4 показана конфигурация зубцовой зоны генератора, имеющего четыре полузакрытых паза на одно полюсное деление. Для простоты изображения поверхность расточки развернута на плоскость. Принцип работы такого генератора не требует специального объяснения, так как ничем не отличается от рассмотренного выше.

В некоторых случаях с целью упрощения технологии изготовления обмотки статора пазы выполняют открытыми. Пример такой конфигурации для однофазного генератора изображен на рис. 3.4.5.

79