RU2802054C1 - Autonomous power supply system - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: autonomous power supply system contains a wind wheel, a storage battery, and an inverter. It also contains a freewheel, a synchronous generator with a stator, which is made of inner and outer rings. The system also contains a switching unit, which is controlled by a signal from the microcontroller. The microcontroller receives information about the wind speed from the anemometer, about the state of charge of the battery from the charger, about the consumer load from the current and voltage sensor, about the magnitude of the generated current and voltage from the current and voltage sensor, which allows, depending on the wind speed and power of electricity consumers switch the stator windings according to the delta-star connection, stabilizing the voltage on the phases of the synchronous generator in a certain range. The generated energy through the charger charges the batteries. Energy from the battery through the inverter provides power to consumers.

EFFECT: increasing the reliability, energy efficiency and stabilization of the output parameters of the synchronous generator, as well as simplifying the design of the autonomous power supply system.

1 cl, 2 dwg

Description

Область, к которой относится изобретениеThe field to which the invention relates

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники, в частности к автономным системам электроснабжения трехфазным переменным током, использующим энергию ветра.The invention relates to the field of wind energy and electrical engineering, in particular to autonomous power supply systems with three-phase alternating current using wind energy.

Уровень техники.The level of technology.

Известна «Ветроэнергетическая установка», которая содержит ветроколесо, вал ветроколеса, мультипликатор, вал мультипликатора, обгонную муфту, входной вал инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, выходной вал инерционного аккумулятора с переменной энергоемкостью, асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором, батарею пусковых конденсаторов, трансформаторы напряжения, потребитель электрической энергии, диодный мост, блок управления, аккумуляторную батарею, преобразователь напряжения, опорные подшипники, двигатель постоянного тока (RU 159413 U1 F03D 9/02).Known "Wind power plant", which contains a wind wheel, a wind wheel shaft, a multiplier, a multiplier shaft, an overrunning clutch, an input shaft of an inertial accumulator with a variable energy intensity, an output shaft of an inertial accumulator with a variable energy intensity, an asynchronous generator with a squirrel-cage rotor, a battery of starting capacitors, voltage transformers, electrical energy consumer, diode bridge, control unit, storage battery, voltage converter, thrust bearings, DC motor (RU 159413 U1 F03D 9/02).

Недостатками данной установки является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использование машины постоянного тока, выступающей в роле устройства регулирования оборотов и стабилизации выходных параметров асинхронного генератора, а также неспособность системы работать при низких скоростях ветра. The disadvantages of this installation are the complexity and high cost of the design, which requires a complex technical solution associated with the use of a DC machine acting as a speed control device and stabilizing the output parameters of an asynchronous generator, as well as the inability of the system to operate at low wind speeds.

Известен «Способ и устройство для ввода электрической энергии в электрическую сеть электроснабжения», который содержит ветроколесо генератор, выполненный как электрически возбуждаемый многофазный синхронный генератор с двумя трехфазными системами, соединенными соответственно по схеме соединения звезда, выпрямитель, провод постоянного тока, гондолу, инвертор, повышающий трансформатор, соединенный по схеме соединения «звезда – треугольник», а также блок управления. (RU 2 605 085 C2 H02J 3/24, F03D 7/04)Known "Method and device for inputting electrical energy into an electrical power supply network", which contains a wind wheel generator, made as an electrically excited multi-phase synchronous generator with two three-phase systems connected, respectively, according to the star connection scheme, a rectifier, a DC wire, a nacelle, an inverter that boosts a transformer connected according to the star-delta connection scheme, as well as a control unit. (RU 2 605 085 C2 H02J 3/24, F03D 7/04)

Недостатками данной системы является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, которое обусловлено наличием многофазного генератора, с двумя трехфазными системами, схема соединения обмоток «звезда – звезда», а также затратный процесс получения электроэнергии в конечном виде, в котором она доходит до потребителя, т.е. выпрямление переменного тока, преобразование его в постоянный, последующее преобразование через инвертор обратно в переменный трехфазный, после увеличение за счет повышающего трансформатора. The disadvantages of this system are the complexity and high cost of the design, which requires a complex technical solution, which is due to the presence of a multi-phase generator with two three-phase systems, the star-star winding connection scheme, as well as the costly process of obtaining electricity in its final form, in which it reaches the consumer. , i.e. rectification of alternating current, converting it to direct current, then converting it back to three-phase alternating current through an inverter, after which it is increased by a step-up transformer.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятый авторами за аналог является «Ветроэнергетическая модульная установка комбинированного типа с применением молекулярных накопителей энергии и магнитных подшипников», состоящая из ротора ветродвигателя, лопастей ротора, неподвижной внешней направляющей, несущей опоры установки, унифицированных модулей, генератора, выпрямителя, солнечных батарей, контроллера заряда АБ, аккумуляторных батарей, МНЭ («суперконденсатор») и инвертора (RU 103856 U1 F03D 3/00).The closest in technical essence and achieved positive effect, adopted by the authors as an analogue, is the "Wind power modular installation of a combined type using molecular energy storage devices and magnetic bearings", consisting of a wind turbine rotor, rotor blades, a fixed external guide, a bearing support of the installation, unified modules, generator, rectifier, solar panels, AB charge controller, storage batteries, MNE (“supercapacitor”) and inverter (RU 103856 U1 F03D 3/00).

Недостатками данной установки является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с необходимостью с применением молекулярных накопителей энергии и магнитных подшипников, а также использование вертикально осевого ветродвигателя и несовершенство системы управления. The disadvantages of this installation are the complexity and high cost of the design, which requires a complex technical solution associated with the need to use molecular energy storage devices and magnetic bearings, as well as the use of a vertical axial wind turbine and the imperfection of the control system.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является удешевление системы автономного электроснабжения путем применения генератора с оптимизированной магнитной системой, увеличенной мощностью и повышенным КПД, организацией трехфазной системы генерирования электроэнергии, стабилизация напряжения на фазах синхронного генератора в определенном диапазоне за счет переключения схем обмоток статора со звезды на треугольник и обратно в зависимости от мощности нагрузки и скорости ветра, переключение схем обмоток статора производится при помощи блока коммутации, уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности за счет использования композитных материалов.The objective of the invention is to reduce the cost of an autonomous power supply system by using a generator with an optimized magnetic system, increased power and increased efficiency, organizing a three-phase power generation system, stabilizing the voltage on the phases of a synchronous generator in a certain range by switching the stator winding circuits from a star to a triangle and vice versa, depending on the load power and wind speed, the switching of the stator winding circuits is carried out using a switching unit, the reduction of the specific metal content of the generator per unit of power through the use of composite materials.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является удешевление системы автономного электроснабжения, путем внедрения генератора с оптимизированной магнитной системой, увеличенной мощностью и повышенным КПД, организацией трехфазной системы генерирования электроэнергии, стабилизация напряжения на фазах синхронного генератора в определенном диапазоне за счет переключения схем обмоток внешнего кольца и внутреннего кольца статора со «звезда» на «треугольник» и обратно в зависимости от мощности нагрузки и скорости ветра, при помощи блока коммутации, управляемым микроконтроллером, получающим информацию о скорости ветра с анемометра, величины тока и напряжения статора с датчика тока и напряжения, состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, а также тока потребителей со второго датчика тока и напряжения, микроконтроллер анализирует уровни входных сигналов, обрабатывает их в соответствии с алгоритмом управления, и подает сигнал на блок коммутации, который соединяет обмотки внешнего кольца и внутреннего кольца статора по схеме «звезда» или «треугольник», в результате происходит стабилизация выходных параметров синхронного генератора в определенном диапазоне при изменении мощности нагрузки потребителей и ветровой нагрузки. Уменьшение удельной металлоемкости генератора на единицу мощности происходит за счет того, что ротор изготовлен из АБС пластика и произведена оптимизация магнитной системы генератора.The technical result of the invention is to reduce the cost of an autonomous power supply system by introducing a generator with an optimized magnetic system, increased power and increased efficiency, organizing a three-phase power generation system, stabilizing the voltage on the phases of a synchronous generator in a certain range by switching the winding circuits of the outer ring and the inner stator ring from "star" to "delta" and vice versa depending on the load power and wind speed, using a switching unit controlled by a microcontroller that receives information about wind speed from an anemometer, stator current and voltage from a current and voltage sensor, battery charge status from the charger, as well as consumer current from the second current and voltage sensor, the microcontroller analyzes the levels of input signals, processes them in accordance with the control algorithm, and sends a signal to the switching unit, which connects the windings of the outer ring and the inner stator ring according to the "star" scheme or "triangle", as a result, the output parameters of the synchronous generator are stabilized in a certain range when the load power of consumers and wind load change. The decrease in the specific metal content of the generator per unit of power occurs due to the fact that the rotor is made of ABS plastic and the optimization of the generator magnetic system has been carried out.

Технический результат достигается с помощью системы автономного электроснабжения содержащей ветроколесо, аккумуляторную батарею, инвертор, отличающейся тем что она снабжена обгонной муфтой, синхронным генератором со статором, выполненным из внутреннего кольца и внешнего колец, а также блоком коммутации, управление которым происходит посредством сигнала с микроконтроллера, который получает информацию о скорости ветра от анемометра, состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, нагрузки потребителя с датчика тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика тока и напряжения, что позволяет в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии, производить переключение обмоток статора по схеме «звезда» или «треугольник», стабилизируя в определённом диапазоне напряжение на фазах синхронного генератора, выработанная энергия через зарядное устройство производит заряд аккумуляторных батарей. Энергия с аккумуляторной батареи через инвертор осуществляет питание потребителей.The technical result is achieved using an autonomous power supply system containing a wind wheel, a battery, an inverter, characterized in that it is equipped with an overrunning clutch, a synchronous generator with a stator made of an inner ring and outer rings, as well as a switching unit, which is controlled by a signal from a microcontroller, which receives information about the wind speed from the anemometer, the state of charge of the battery from the charger, the load of the consumer from the current and voltage sensor, the magnitude of the generated current and voltage from the current and voltage sensor, which allows, depending on the wind speed and the power of consumers of electricity, to produce switching the stator windings according to the "star" or "triangle" scheme, stabilizing the voltage on the phases of the synchronous generator in a certain range, the generated energy through the charger charges the batteries. Energy from the battery through the inverter provides power to consumers.

Новизна технического решения обусловлена тем, что система автономного электроснабжения содержит синхронный генератор со статором, выполненным из внутреннего кольца и внешнего кольца, в которых расположены его обмотки (патент на изобретение № 2775062). Обмотки внешнего кольца и внутреннего кольца статора могут быть соединены по трехфазной схеме в звезду или треугольник, с возможностью переключения данных соединений обмоток в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии. Переключения обмоток происходит при помощи блока коммутации, управляемым микроконтроллером, который получает информацию о скорости ветра с анемометра, величины генерируемого тока и напряжения синхронного генератора с датчика тока и напряжения, состоянии заряда АКБ с зарядного устройства, а также тока и напряжения потребителя с второго датчика тока и напряжения, обрабатывает сигналы и подает управляющий сигнал на блок коммутации.The novelty of the technical solution is due to the fact that the autonomous power supply system contains a synchronous generator with a stator made of an inner ring and an outer ring, in which its windings are located (patent for invention No. 2775062). The windings of the outer ring and the inner ring of the stator can be connected in a three-phase scheme in a star or a triangle, with the possibility of switching these winding connections depending on the wind speed and the power of electricity consumers. The windings are switched using a switching unit controlled by a microcontroller, which receives information about the wind speed from the anemometer, the magnitude of the generated current and voltage of the synchronous generator from the current and voltage sensor, the state of charge of the battery from the charger, as well as the current and voltage of the consumer from the second current sensor and voltage, processes the signals and sends a control signal to the switching unit.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения о прототипах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен прототип, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов и прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков прототипа позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the state of the art carried out by the applicant, including the search for patent scientific and technical sources of information and the identification of sources containing information about the prototypes of the claimed invention, made it possible to establish that the applicant did not find a prototype characterized by features identical to all the features of the claimed invention, and the definition from the list of identified analogues and the prototype as the closest in terms of the set of features of the prototype made it possible to identify a set of distinctive features that are essential in relation to the technical result perceived by the applicant in the claimed object, set forth in the claims.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 – комбинированная схема системы автономного электроснабжения;In FIG. 1 - combined diagram of an autonomous power supply system;

На фиг. 2 – схема соединения обмоток статора синхронного генератора.In FIG. 2 - connection diagram of the stator windings of a synchronous generator.

Осуществление изобретения Implementation of the invention

Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, соединенное посредством вала 2 ветроколеса 1 с обгонной муфтой 3, которая соединена с ротором 4 синхронного генератора 5 с внешним кольцом 6 и внутренним кольцом 7 статора 8 к обмоткам 9, 10 статора 8 электрически присоединен блок 11 коммутации, со входов которого считываются данные тока и напряжения при помощи датчика 12 тока и напряжения, переключение обмоток 9 и 10 статора 8 синхронного генератора 5 осуществляется при помощи блока 11 коммутации, который получает управляющий сигнал с микроконтроллера 13, микроконтроллер 13 получает сигналы с анемометра 14 о скорости ветра, состоянии заряда аккумуляторной батареи 15 с зарядного устройства 16, о токе и напряжении потребителя 17 с датчика 18 тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика 12 тока и напряжения. Блок 11 коммутации электрически соединен с зарядным устройством 16, которое соединено с аккумуляторной батареей 15, которая соединена с инвертором 19, инвертор 19 электрически присоединен с потребителем 17. Управление системой автономного электроснабжения осуществляется как в автоматическом режиме, так и при помощи персонального компьютера 20, который по сети соединен с модулем связи 21, подключенным непосредственно к микроконтроллеру 13, все данные в режиме реального времени можно контролировать при помощи персонального компьютера 20.The wind power plant contains a wind wheel 1 connected by means of a shaft 2 of the wind wheel 1 with an overrunning clutch 3, which is connected to the rotor 4 of the synchronous generator 5 with the outer ring 6 and the inner ring 7 of the stator 8 to the windings 9, 10 of the stator 8, the switching unit 11 is electrically connected, from the inputs which the current and voltage data are read using the current and voltage sensor 12, the switching of the windings 9 and 10 of the stator 8 of the synchronous generator 5 is carried out using the switching unit 11, which receives a control signal from the microcontroller 13, the microcontroller 13 receives signals from the anemometer 14 about the wind speed, the state of charge of the battery 15 from the charger 16, the current and voltage of the consumer 17 from the current and voltage sensor 18, the magnitude of the generated current and voltage from the current and voltage sensor 12. The switching unit 11 is electrically connected to the charger 16, which is connected to the storage battery 15, which is connected to the inverter 19, the inverter 19 is electrically connected to the consumer 17. The autonomous power supply system is controlled both in automatic mode and using a personal computer 20, which connected via a network with a communication module 21 connected directly to the microcontroller 13, all real-time data can be controlled using a personal computer 20.

На фигуре 2 схематически изображены схемы соединения обмоток 9, 10 статора 8 в «звезда» или в «треугольник». Переключение схем соединения обмоток 9 и 10 происходит при помощи блока 11 коммутации, на который поступает сигнал с микроконтроллера 13, который получает информацию с датчика 12 тока и напряжения, анемометра 14, зарядного устройства 16, датчика 18 тока и напряжения. The figure 2 schematically shows the connections of the windings 9, 10 of the stator 8 in a "star" or "triangle". The switching of the connection circuits of the windings 9 and 10 occurs using the switching unit 11, which receives a signal from the microcontroller 13, which receives information from the current and voltage sensor 12, the anemometer 14, the charger 16, the current and voltage sensor 18.

Система автономного электроснабжения работает следующим образом.The autonomous power supply system works as follows.

Вращающий момент от ветроколеса 1 через вал 2 ветроколеса 1 передается на обгонную муфту 3, далее на ротор 4 генератора 5. Обмотки 9 и 10 статора 8 отличаются по массогабаритным показателям, поэтому величина электромагнитной индукции в обмотках 9, 10, линейные скорости изменения магнитного потока в обмотках 9 и 10 будут разные, в результате чего генерируемая электроэнергия будет отличаться в данных обмотках 9 и 10. При скорости ветра 2-5 м/с обмотки 9 внешнего кольца 6 и обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединены по схеме «звезда». При скорости ветра 5-8 м/с обмотка 9 внешнего кольца 6 статора 8 соединена по схеме «звезда», а обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединена по схеме «треугольник». При скорости ветра 8-12 м/с обмотка 9 внешнего кольца 6 статора 8 соединена по схеме «треугольник», а обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединены по схеме «звезда». При скорости ветра 12-20 м/с обмотки 9 внешнего кольца 6 и обмотка 10 внутреннего кольца 7 статора 8 соединены по схеме «треугольник». Такое переключение схем обмоток 9 и 10 позволяет стабилизировать напряжение в определенном диапазоне на фазах синхронного генератора 5, обеспечить эффективную выработку электроэнергии при разных скоростях ветра и мощности потребителя 18. Аккумуляторная батарея 15 выступает в роли накопителя электрической энергии, который в момент отсутствия энергии ветра способен обеспечить бесперебойное электроснабжения потребителя 17, как постоянным, так и переменным током, благодаря использованию инвертора 19 в схеме автономного электроснабжения.The torque from the wind wheel 1 through the shaft 2 of the wind wheel 1 is transmitted to the overrunning clutch 3, then to the rotor 4 of the generator 5. The windings 9 and 10 of the stator 8 differ in terms of weight and size, therefore the magnitude of the electromagnetic induction in the windings 9, 10, the linear rates of change of the magnetic flux in windings 9 and 10 will be different, as a result of which the generated electricity will differ in these windings 9 and 10. At a wind speed of 2-5 m/s, the windings 9 of the outer ring 6 and the winding 10 of the inner ring 7 of the stator 8 are connected according to the "star" scheme. At a wind speed of 5-8 m/s, the winding 9 of the outer ring 6 of the stator 8 is connected according to the "star" scheme, and the winding 10 of the inner ring 7 of the stator 8 is connected according to the "triangle" scheme. At a wind speed of 8-12 m/s, the winding 9 of the outer ring 6 of the stator 8 is connected according to the "triangle" scheme, and the winding 10 of the inner ring 7 of the stator 8 is connected according to the "star" scheme. At a wind speed of 12-20 m/s, the windings 9 of the outer ring 6 and the winding 10 of the inner ring 7 of the stator 8 are connected according to the "triangle" scheme. Such switching of winding circuits 9 and 10 makes it possible to stabilize the voltage in a certain range on the phases of the synchronous generator 5, to ensure efficient generation of electricity at different wind speeds and consumer power 18. The battery 15 acts as an electrical energy storage device, which, in the absence of wind energy, is able to uninterrupted power supply to the consumer 17, both direct and alternating current, due to the use of the inverter 19 in the autonomous power supply circuit.

Результатом совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивается упрощение и удешевление системы автономного электроснабжения за счет упрощения конструкции, стабилизация напряжения на фазах (на фигуре 1 не показаны) синхронного генератора 5 в определенном диапазоне и повышение эффективности выработки электроэнергии за счет переключения обмоток 9 и 10 статора 8 синхронного генератора 5 со схемы «треугольник» в «звезда» и обратно в зависимости от скорости ветра и мощности потребителя 18, повышение энергоэффективности системы автономного электроснабжения в целом за счет применения трехфазной системы генерирования электроэнергии. The result of the combination of the listed elements of novelty is the simplification and reduction in the cost of the autonomous power supply system due to the simplification of the design, the stabilization of the voltage on the phases (not shown in figure 1) of the synchronous generator 5 in a certain range and the increase in the efficiency of power generation by switching the windings 9 and 10 of the stator 8 of the synchronous generator 5 from the “triangle” to the “star” scheme and vice versa, depending on the wind speed and the power of the consumer 18, increasing the energy efficiency of the autonomous power supply system as a whole through the use of a three-phase power generation system.

Таким образом, если учесть все вышеизложенное, достигается уменьшение стоимости ветроэнергетической установки, стабилизация выходных параметров синхронного генератора 5, повышение надежности и энергоэффективности, упрощение конструкции, а также обслуживания и ремонта элементов системы.Thus, taking into account all of the above, it is possible to reduce the cost of the wind power plant, stabilize the output parameters of the synchronous generator 5, increase reliability and energy efficiency, simplify the design, as well as maintenance and repair of system elements.

Claims (1)

Система автономного электроснабжения, содержащая ветроколесо, аккумуляторную батарею, инвертор, отличающаяся тем, что она снабжена обгонной муфтой, синхронным генератором со статором, выполненным из внутреннего кольца и внешнего кольца, а также блока коммутации, управление которым происходит посредством сигнала с микроконтроллера, который получает информацию о скорости ветра от анемометра, о состоянии заряда аккумуляторной батареи с зарядного устройства, о нагрузке потребителя с датчика тока и напряжения, о величине генерируемого тока и напряжения с датчика тока и напряжения, что позволяет в зависимости от скорости ветра и мощности потребителей электроэнергии производить переключение обмоток статора по схеме звезда или треугольник, стабилизируя в определённом диапазоне напряжение на фазах синхронного генератора, выработанная энергия через зарядное устройство производит заряд аккумуляторных батарей, энергия с аккумуляторной батареи через инвертор осуществляет питание потребителей.An autonomous power supply system containing a wind wheel, a battery, an inverter, characterized in that it is equipped with an overrunning clutch, a synchronous generator with a stator made of an inner ring and an outer ring, as well as a switching unit, which is controlled by a signal from a microcontroller that receives information about the wind speed from the anemometer, about the state of charge of the battery from the charger, about the load of the consumer from the current and voltage sensor, about the magnitude of the generated current and voltage from the current and voltage sensor, which allows, depending on the wind speed and the power of electricity consumers, to switch the windings stator according to the star or delta scheme, stabilizing the voltage on the phases of the synchronous generator in a certain range, the generated energy through the charger charges the batteries, the energy from the battery through the inverter supplies consumers.