Узгодження потужностей вітродвигуна та генератора при змінній частоті обертання ВЕУ - Основи
p align="justify"> При проектуванні ВЕУ необхідно забезпечити стійку роботу установки у всьому діапазоні розрахункових швидкостей вітру. У кожній точці механічної характеристики ВЕУ необхідно мати рівність потужностей вітродвигуна та генератора. Механічна потужність вітродвигуна певним чином залежить від швидкості вітруvі частоти обертання, причому кожній швидкості вітру за певної кутової частоти обертання відповідає максимум розвиненої вітродвигуном механічної потужності. Електромагнітна потужність генератора у випадку також є функцією частоти обертання ротора, а точка робочого режиму ВЭУ перебуває на перетині двох характеристик. Цією точкою визначається електромагнітна потужність за вирахуванням втрат в генераторі.
Реальна робота ВЕУ малої потужності при змінній частоті обертання та швидкості вітру представлена на рис. 6.11, де побудовані у відносних одиницях механічні характеристики вітродвигуна - залежність потужностіРвід кутової частоти обертання ротора при реальних швидкостях вітруvдіапазоні від 7 до 22 м/с.
Лінійна частина всіх характеристик (лініїа-а", в-в", с-с",таd-d')відповідає робочої (стійкої) частини механічних характеристик Номінальному режиму роботи ВЕУ відповідає точкаа'.Приω = constі змінної швидкості вітру все робочі точки розташовуються на вертикальній пунктирній прямійa'-d".При змінній частоті обертання ( ) можна забезпечити роботу при всіх швидкостях вітру в точках, близько розташованих до максимальних (точкиа, в, сіd).Як видно, за такої роботизбільшується загалом потужність, що видається вітродвигуном, отже, збільшується і вироблення електроенергії, що дозволяє ефективніше використовувати вітропотенціал місцевості. Наприклад ім/с. (Точкаd')потужність вже практично дорівнює нулю, так як при ця потужність становить майже 23% від номінальної ВЕУ.
При зміні навантаження таv = constробота відбувається за однією з характеристик -а-а", в-в", с-с 'абоd-d'.При цьому із зменшенням Р зростає частота обертання ω. Для звичайного, наприклад, синхронного генератора з метою забезпечення підтримки частоти вихідної напруги в заданих межах потрібно досить складне регулювання кута повороту лопатей, так як при такому регулюванні взагалі не потрібно або достатнє грубе регулювання шляхом повороту лопатей щодо поздовжніх осей.
Малюнок 6.11 – механічні характеристики вітродвигуна при різних швидкостях вітру
Таким чином, для установок невеликої потужності може бути досить перспективною система, що складається з електричних машин змінного струму і транзисторних або тиристорних перетворювачів частоти, що наводять вітродвигун, що працює зі змінною частотою обертання. Таке технічне рішення дозволяє значно знизити вартість ВЕУ загалом.
Розвиваюча генератором електромагнітна потужність повинна збільшуватися зі зростанням швидкості вітруvтільки до точокd, с,,а,де він починає виробляти номінальну потужність, а вітродвигун розвиває механічну потужність, що відповідає номінальній швидкостіvном вітрового потоку. Оскільки допустима електромагнітна потужність генератора в загальному випадку кінцева, при подальшому збільшеннішвидкості вітрового потоку потужність вітродвигуна повинна бути обмежена рівнемРном з кутовою швидкістю обертання з регулюванням кута установки лопатей. Для забезпечення стійкої роботи ВЕУ геометричне місце робочих точок повинно лежати на кривійdc-в-a,являє собою геометричне місце максимумів сімейства механічних характеристик ВЕУ при різних швидкостях вітрового потоку. Якщо вибирати електричний генератор для роботи в точкахd,с, в,а, тобто в точках характеристик відповідно максимальної можливої механічної потужності вітродвигуна, що розвивається, то ясно, що в такому режимі вітродвигун працюватиме незначний час. В результаті електрична машина буде використовуватися неефективно в більшій частині всього терміну експлуатації ВЕУ через низькі значення коефіцієнта навантаження.
Кутові швидкості обертання вітродвигунів існуючих конструкцій ВЕУ лежать у діапазоні 25 . 300 об/хв, причому менші значення відповідають потужнішим установкам. Кутові швидкості обертання роторів сучасних електричних машин характеризуються діапазоном 750 . 1500 об/хв. Отже, для узгодження потужностей вітродвигуна та електричного генератора насамперед необхідно використовувати мультиплікатор із передатним ставленням порядку 5 . 30. Застосування на ВЕУ, в першу чергу великої потужності, тихохідних електричних генераторів зі швидкостями обертання того ж порядку, що і швидкості обертання вітродвигуна, недоцільно як з технічної, так і з економічної точки зору, а створення та експлуатація високошвидкісних конструкцій вітродвигунів, особливо для ВЕУ середньої та великої потужності, небезпечно з міркувань забезпечення жорсткості, міцності та запобігання можливим механічним резонансам.Тому правильний вибір оптимального передавального відношення мультиплікатора забезпечує більш ефективне узгодження потужних характеристик вітродвигуна та електричного генератора у широкому діапазоні швидкостей вітру.
З енергетичної точки зору для узгодження розглянутих потужних характеристик необхідно відповідним чином регулювати або потужність збудження електричного генератора, або кути установки лопатей, або кути установки тиристорів випрямляча та інвертора. Іншими способами досягти високої ефективності роботи ВЕУ складно.
Таким чином, на перетворення енергії вітру в електричну слід строго узгоджувати потужнісні характеристики вітродвигуна та електричного генератора, враховувати режими експлуатації ВЕУ та загальний ККД електричного генератора та трансмісії. При цьому, приймаючи, що оптимальний ККД може досягати величини
можна побудувати криві гарантованої електромагнітної потужності при досягненні генератором номінальної потужності за швидкості вітру. При цьому підтримується постійною зі збільшенням швидкості шляхом регулювання режиму роботи за рахунок кута установки лопатей та управлінням тиристорів випрямляча та інвертора.