ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ

' От отвлеченных аэродинамических характеристик MB = MB(Z, ср) и % = ср) можно при помощи фор­мул (1-37) и (1-44) перейти к размерным рабочим ха­рактеристикам крутящих моментов M==f(n) и Яв = = f (п). Они строятся в виде отдельных кривых для каждой скорости ветра, обычно через 1 м/сек для конкретного типа и диаметра двигателя. Эти характе­ристики полнее раскрывают режим работы двигателя, служат для выбора оптимального режима работы агре­гата и определения передаточного отношения механиче­ской передачи к генератору.

Характеристики крутящих моментов MB = f(n) и мощ­ности PB = f(n) для ветродвигателя ветрозарядного агрегата ВЭ-2, построенные из отвлеченной аэродинами­ческой характеристики ветроколеса, представлены на рис. 1-18.

Построение производится следующим образом: по от­влеченным аэродинамическим характеристикам берутся значения числа модулей и соответствующие им значе­ния Мв и X. Для каждого числа модулей Z и рабочих скоростей ветра v, взятых через 1 м/сек, подсчиты­вают величины п [об/мин), Мв [кГ-м], Рв[квт] на валу ветроколеса при р0 =0,125 кГ■секг/м4 по формулам:

П = [об/мин];

А)

6)

Рис. 1-18. Рабочие характеристики M = f(n) и P = f(ra)

Ветродвигателя D-2 (агрегат ВЭ-2).

7kfB = 0,195ya/?3yWB [кГ-м]; Рв~ 0,000481 DVS [кет],

Где D = 2R — диаметр ветроколеса.

Пересчет на другие р производится по (1-3). Резуль­таты подсчетов рекомендуется выписать в форме таб­лиц, по которым строятся характеристики MB~f(n) и PB = f(n) в виде кривых, отнесенных к разным по­стоянным скоростям ветра.

Максимум каждой кривой PB = f(n) соответствует скорости вращения, при которой ветроколесо при дан­ной скорости ветра работает с нормальным числом мо­дулей ZH и максимальной величиной £ = £макс. На харак­теристиках моментов эти точки находятся правее вер­шин характеристик MB—f(ri) и на рис. 1-18,а пока­заны крупными точками. С уменьшением скорости ветра максимумы кривых MB~f(n) уменьшаются и все кри­вые сдвигаются влево в сторону уменьшения скорости вращения.

Точки пересечения характеристик с осью абсцисс, соответствующие Мв=0 и Рв— 0, дают предельные синхронные скорости вращения, которые может развить ветроколесо при каждой данной скорости ветра, работая без нагрузки и без принудительного регулирования ско­рости вращения. Рабочие точки характеристик при на­грузке определяются наложением на характеристики двигателя MB = f(n), PB = f(n) таких же характеристик генератора Mr = f(n), Pr = f(n). На рис. 1-18, а и б пунктирными линиями показаны четыре характеристики генераторов разного вида: три при разной постоянной скорости вращения и одна — при переменной.

По совмещенным характеристикам мощности ветро­двигателя PB — f(n) могут быть построены рабочие ха­рактеристики мощности по скорости ветра P = f(v).

На рис. 1-19 представлены четыре характеристики P=f(v) для того же ветродвигателя D-2 агрегата ВЭ-2, построенные по совмещенным характеристикам PB = f(n) и четырем характеристикам генераторов РТ~ = f(n) (рис. 1-18).. На обоих рисунках соответствующие друг другу характеристики обозначены одинаковыми цифрами. В зависимости от режима работы двигателя, который определяется формой и положением наложен­ной характеристики генератора, характеристики мощ­ности двигателя PB = f(p) имеют различную форму.

Характеристики PB = f(v), PB = f(n), так же как лю­бые рабочие и регулировочные характеристики ветро-

Двигателя, имеют характерные точки, соответствующие следующим расчетным параметрам:

У —скорость ветра, при которой ветродвигатель начинает отда­вать мощность;

УчакС— скорость ветра, до которой ра­ботает ветродвигатель и при превышении которой он должен быть остановлен; прр, Zp, Мвр, Рвр, Ур — расчетные скорость вращения,

Быстроходность, момент и мощ­ность ветродвигателя, расчет­ная скорость ветра, соответ­ствующие началу регулирования ветродвигателя.

Расчетные параметры быстроходных ветродвигателей на ВЭС обычно близки к номинальным значениям п Ма, Рн, оя. Характеристика 1 (рис. 1-18 и 1-19) относится к принятому при проектировании генератору ветроагре - гата ВЭ-2. С этим генератором ветродвигатель разви­вает наибольшую мощность на всем диапазоне рабочих скоростей ветра до начала регулирования и имеет наи­меньшую скорость ветра умин. Характеристика 2 для ге­нератора, работающего при постоянной скорости враще­ния п = 500 об/мин, дает расчетную мощность двига­теля, близкую к максимальной, но двигатель начинает отдавать мощность при значительно большей скорости ветра умии, чем в первом случае. На агрегате, работаю­щем по характеристике 3 при постоянной скорости вра­щения « = 400 об/мин, мощность^азвиваемая двигате­лем, при больших скоростях ветра уменьшается, а при малых скоростях ветра увеличивается, но скорость вет - ра умин остается большей, чем в первом случае. При характеристике генератора 4 и постоянной скорости вра­щения п = 300 об/мин скорость ветра у близка к первому случаю, но мощность Р при v>6 м/сек зна­чительно снижается. Характеристики крутящих моментов и мощности изменяются в зависимости от угла установки лопастей (или их поворотных частей) <р. Это видно на рис. 1-20, где представлены характеристики крутящих моментов менее быстроходного двигателя типа D-18 (2Н = 4,7), имеющего поворотные части лопастей, уста­новка угла которых производится стабилизаторами. Ха­рактеристики даны при разных углах р между хордой профиля поворотной части лопасти и дужкой стабили­затора, определяющих угол <р установки поворотных частей. Уменьшение угла р соответствует увеличению угла <р поворотной части лопасти.

Изменением характеристики двигателя в зависимости от величины угла <р пользуются при регулировании скорости вращения и момента ветродвигателей.

Так как в зависимости от выбранной скорости враще­ния и угла установки лопастей наклон и форма харак­теристик PB = f(v) меняются, то для выявления опти­мальной характеристики агрегата опытные характери­стики Рв = /(у) при испытании моделей или натурных

Рис. 1-20. Характеристики моментов ветродвигателя D-I8 в зависи­мости от угла § и скорости ветра v.

Конструкций снимают при различных углах установки лопастей и разной скорости вращения.

На рис. 1-21 представлены экспериментальные ха­рактеристики мощности PB=,f(v) ветродвигателя D-18,

Отнесенные к зажимам генератора, при разных углах (3 и «в = 38 — 39 об/мин. Эта скорость вращения заранее

Была найдена как оптимальная. Уменьшение угла (3, соответствующее увеличению угла <р, вызывает пониже­ние мощности двигателя при больших скоростях ветра, но уменьшение минимальной ско­рости ветра начала отдачи мощности умин и увеличение отдачи на малых скоростях ветра.

Представленные рабочие характеристики ветродвигате­ля рассматриваются пока для случая работы двигателя без регулирования, поэтому имеют силу лишь до начала действия последнего.

Рабочие характеристики мощности PB = f(n) могут быть отнесены как к мощ­ности на валу ветроколеса, так и к мощности на выход­ном валу ветродвигателя. Опытные характеристики Рв — f (п) чаще снимаются как агре­гатные характеристики ве­тродвигателя совместно с ге­нератором и относятся к элек­трической мощности на его зажимах, как они представ­лены для двигателя D-18 на рИс. 1-21. Эксперименталь - рис. 1-21. В ЭТОМ случае мощ - ные характеристики мощно - ность на валу ветроколеса оп - сти ветродвигателя D-18. ределяется путем добавления

Потерь в генераторе и механической передаче от ве­троколеса к генератору.

При совмещении характеристик MB — f(n) и М = = /(«) или PB = f(n) и Pr = f(n) они должны быть приведены к скорости вращения одного и того же вала, например выходного вала двигателя.

Определяя расчетные режимы работы ветродвигателя и генератора для различных скоростей ветра, необходи-

4*
мо, с одной стороны, обеспечить устойчивость статиче­ского равновесия такой системы, с другой стороны, стре­миться к тому, чтобы использовать те части характери­стик двигателя, которые оказываются наиболее благо­приятными в заданных условиях эксплуатации двига­теля.

Чтобы определить, устойчиво ли равновесие какой-ли­бо статической системы, обычно изучают ее поведение при малых отклонениях от положения равновесия. Если при малом отклонении возникает момент, стремящийся вернуть систему в первоначальное положение, равнове­сие будет устойчивым, и, наоборот, если момент, воз­никший при отклонении системы от положения равнове­сия, стремится увеличить это отклонение, — равновесие неустойчиво. Условие устойчивости для ветроэлектриче­ского агрегата выражается следующим неравенством:

DM„ dMr

—----------------------------- - .

Dn ^ dn

Из приведенного условия устойчивости следует, что при вертикальной характеристике генератора условия устойчивости будут соблюдены при любом ее расположе­нии вдоль оси абсцисс. Если генератор имеет наклон­ную характеристику, то при пересечении ее с пра­выми частями характеристик двигателя устойчи­вость работы двигателя также обеспечивается. При наклонной характеристике генератора, пересекающей левые части характеристик двигателя, устойчивость будет иметь место только в случае, если характеристика генератора в точках пересечения с характеристиками двигателя будет круче последних. На рис. 1-18 рабочие точки всех четырех характеристик генераторов являют­ся устойчивыми. Однако если для работы с двигателем D-2 взять генератор с меньшей скоростью вращения и наклонной характеристикой, то работа двигателя может оказаться неустойчивой.

Второе условие выбора расчетных режимов работы ветродвигателя заключается в возможно лучшем ис­пользовании его мощности до начала регулирования. Наиболее благоприятным для этого является режим работы двигателя при переменной скорости вращения и постоянном числе модулей Z = ZH при v < ир. Такой режим определяется кривой нагрузки, проходящей через вершины характеристик мощности двигателя, при всех скоростях ветра. Близкий к этому режим дает кривая 1 на 'рис. 1-18,а. Осуществление такого режима, одна­ко, не всегда возможно, так как характеристики генера­торов, работающих с ветродвигателем, по большей части лишь приближаются к такой форме кривой на отдель­ных участках. Особенно трудно осуществить такой ре­жим работы двигателя тогда, когда генератор перемен­ного тока должен работать іпри постоянной частоте. Форма характеристики генератора вынуждает поэтому использовать, как правило, менее благоприятные режи­мы работы ветродвигателя при постоянной скорости вра­щения ветроколеса и переменном числе модулей или какой-то промежуточный режим между этими двумя.

В случае, если характеристика генератора не удов­летворяет условию Z = ZH, выбор расчетных режимов работы ветродвигателя практически сводится к выбору скорости ветра ун, при которой удовлетворяется это условие.

Эта скорость ветра выбирается в зависимости от ус­ловий эксплуатации ветродвигателя. При наличии меха­нической передачи от ветроколеса к генератору требуе­мое расположение характеристики достигается выбором соответствующего передаточного отношения механиче­ской передачи.

У ветродвигателей, предназначенных для работы сов­местно с другими силовыми установками, форма харак­теристики генератора и ее расположение на характери­стике двигателя выбираются обычно из условия получе­ния наибольшей годовой выработки ветроагрегата. Для этого подсчет выработки делается при разных положе­ниях характеристики генератора относительно характе­ристик двигателя и выбирается то из них, при котором годовая выработка агрегата получается максимальной. В ветрозарядных установках часто задаются другим условием — наибольшей длительностью работы ветро­двигателя в году. В этом случае положение характери­стики генератора выбирается таким, при котором она пе­ресекает вершины характеристики двигателя при тех рабочих скоростях ветра, которые наиболее часто по­вторяются в течение года.

Для осуществления работы ветродвигателя с син­хронным генератором на сеть переменного тока при Z = ZH= const, когда должна поддерживаться постоян­ная частота, требуется при­менение генератора с пре­образователем частоты или передача мощности от вет­роколеса к генератору через передачу с автоматически изменяющимся передаточ­ным отношением. Однако применение такой схемы аг­регата может понизить к. п. д. его передачи (на ве­личину порядка 5—10%), что может ослабить или све­сти на нет выгоду от пере­вода двигателя на режим Z= ZH = const [Л. 21].

Результаты исследова­ния выгодности этого режи­ма представлены на рис. 1 -22, где нанесены кривые изменения годовой выра­ботки ветроагрегата три его работе на режиме Z— ='const ло сравнению с ре­жимом работы при постоян­ной скорости вращения вет­роколеса. Изменения выра­ботки зависит от средне­годовой скорости ветра и возможного ухудшения к. п. д. механической передачи. Кривые подсчитаны для ветродвигателя типа D-18 при установленной мощности генератора 30 кет, пи =40 об/мин, ZH =4,7, причем для каждой среднегодовой скорости ветра принята опти­мальная величина расчетной скорости ветра и скорости вращения ветроколеса.

Годовое распределение скоростей ветра при подсче­тах выработки принято по Гуллену-Емцову.

Кривая 1 (рис. 1-22) характеризует прирост выра­ботки энергии ветроагрегата за счет перевода ветродви
гателя на режим работы с постоянным числом модулей без ухудшения механического к. п. д. ц = tjy Кривые 2 и 3 показывают, как снижается этот прирост выработ­ки, если к. п. д. установки - цу понизить соответственно на 5 и 10%. Как видно, в диапазоне изменения средне­годовых скоростей ветра в пределах vr ~ 4—8 м/сек положительный эффект получается только для неболь­ших скоростей ветра (~4—5 м/сек). Для скоростей вет­ра, больших 5 м/сек, понижение к. п. д. установки уже на 2—3% связано со снижением выработки энергии до таких размеров, при которых выгодность режима работы ветродвигателя с постоянным числом модулей совершен­но пропадает. Это обстоятельство следует иметь в виду при выборе схемы передачи мощности и режима работы ветродвигателя.