ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТУ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИХ РЕГУЛЯТОРАМ

Ветродвигатели в отличие от тепловых двигателей или гидротурбин работают всегда при переменных внеш­них условиях, зависящих не только от нагрузки, «о и от структуры ветрового потока. Поэтому в эксплуатацион­ных условиях, когда непрерывно меняются как крутя­щий момент ветродвигателя, так и момент сил сопротив­ления, ветродвигатель должен быть снабжен автомати­чески действующим регулятором для регулирования ско­рости вращения ветроколеса и обеспечения устойчивой работы на заданном режиме.

Регулирование скорости вращения путем воздействия регулятора на крутящий момент применительно к ветро­двигателям несколько отличается от обычного, так как источником энергии в данном случае является неуправ­ляемый природный воздушный поток.

Для ветродвигателя без регулятора зависимость меж­ду моментом и скоростью вращения при постоянной ве­личине скорости ветра v представляется рабочей харак­теристикой ветродвигателя Мь =/(©) или Мв =){п) (§ 1-4).

Свойство двигателя изменять крутящий момент без участия регулятора принято называть самовыразнивани - ем. В том случае, когда увеличение нагрузки сопровож­дается снижением скорости вращения ветродвигателя, самовыравнивание является положительным. Положи­тельное самовыравнивание придает двигателю ценные качества: оно способствует ускорению процесса регули­рования и в значительной степени облегчает работу ре­гуляторов.

При работе ветродвигателя без регулятора момент, развиваемый ветродвигателем, с увеличением скорости ветра может неограниченно расти. Исходя из энергетиче­ских соображений и соображений прочности, в районах со среднегодовой скоростью ветра иг =5—6 м/сек

Рабочий диапазон скоростей ветра при регулировании Для ветродвигателей средней мощности принимается равным 8—20 м/сек. При этом мощность воздушного по­тока, проходящего через ветроколесо, изменяется почти В 15,5 раз. Это обстоятельство заставляет предъявлять

Аэродинамичское регулирование. Из принципиальной схемы аэродинамического регулирования (рис. 2-9) вид­но, что регулятор рассматриваемого типа состоит из меха­низма поворота крыльев и механизма управления. Ме­ханизм поворота крыльев, представляющий собой криво- шипно-шатунный четырехэвенник, предназначен для превращения поступательного перемещения регулирую­щей муфты во вращательное движение крыльев ветро­двигателя. При повороте крыльев он обеспечивает совер­шенно определенное изменение передаточного отноше­ния, а следовательно, и силы от регулирующего груза, определяемое выбранным соотношением размеров его звеньев. С помощью механизма управления осуществля­ются пуск и останов ветродвигателя. Его кинематика должна быть определена по характеристике передаточ­ных механизмов регулятора [Л. 5].

Для того чтобы при любой скорости ветра в заданном диапазоне ветродвигатель мог работать при п = const, М = const, точка, характеризующая его режим работы при регулировании, должна перемещаться по кривой 1 (рис. 2-6).

Как следует из выражения (2-2), это условие может быть выполнено только в том случае, если на каждом угле установки лопастей момент от регулирующих грузов -/Ир, являющийся в данном случае моментом позицион­ных сил, будет равен алгебраической сумме моментов от аэродинамических и центробежных сил, действующих на лопасть, т. е. если будет иметь место следующее ра­венство:

Где 1р—угол между геометрической хордой корневого сечения лопасти и плоскостью вращения ветро­колеса;

<р0 — угол между геометрической хордой лопасти и осью, относительно которой центробежный мо­мент инерции равен нулю.

Равенство (2-8) аналитически не решается, так как функция Ma{Z, <р) задается обычно в виде графиков.

Исполь3уя отвлеченные аэродинамические характе­ристики if) и MJZ, <р) (рис. 1-16), можно рассчи­тать и построить характеристику передаточных-механиз­мов регулятора в виде зависимости Mp = f(<р).

Расчет рекомендуется вести в табличной форме.

В первой строке следует выписать углы установки лопастей, для которых подсчитаны отвлеченные аэроди­намические характеристики MB~f(Z, <р) и Ма ~<p(Z, <р), во второй — число модулей, .характеризующее режим работы ветродвигателя при регулировании. Число моду­лей находится-из диаграммы рис. 1-16 для точек пере­сечения кривой М — 1 с характеристиками моментов на соответствующих углах.

Для найденных Z в третью строку заносятся взя­тые из диаграммы рис. 1-16 значения моментов Ма . В четвертой строке следует поместить подсчитанную величину скорости ветра, а в пятой и шестой—моменты от аэродинамических и центробежных сил. Тогда в седь­мой строке можно получить алгебраическую сумму мо­ментов Ма и Мц для выбранных значений углов ф.

В соответствии с принятой кинематической схемой выражение момента Мр регулирующих грузов может быть представлено в следующем виде:

Му = (вОх-Япрф)А, (2.9)

Где <}> = - щ и х = - j*- — передаточные отношения звеньев ¥ регулятора, являющиеся функ­циями угла to;

Д Н

И = —относительные значения переме­щений регулирующей Муфты и груза G при повороте лопастей; h — радиус кривошипа механизма по­ворота крыльев; є г— постоянное передаточное отно­шение звеньев механизма управ­ления;

Рпр.— усилие от пружины.

После целого ряда преобразований можно получить выражение

Ан. +

S/гОф

Позволяющее подобрать соответствующую кинематиче­скую схему механизма управления, когда известна за­висимость Мр = /(?)•

Подставляя (2-9) в (2-8), учитывая, что и Решая относительно п, получим:

30 Г 2 (»Gx — РдрФ) А

"f 1 J

В данном случае число оборотов п является функ­цией трех независимых переменных Ma, If и Z.

Для выявления статических свойств ветродвигателя с аэродинамическим регулятором найдем возможные равновесные положения лопасти и регулятора при ра­боте ветродвигателя на различных режимах, используя для этого уравнения (2-1), (2-2). Расчет удобно произ­водить для аэродинамических характеристик при опре­деленных постоянных значениях угла установки лопастей ф. Задаваясь различным значением Z на аэродинамиче­ской характеристике данного угла ф, выписывают для них значения Мл и Мв, затем Определяют последова­тельно п, v, Мв и Р. Выполнив такие расчеты для всех аэродинамических характеристик, соответствующих раз­личным углам ф, строят для каждого значения ф две се­рии кривых P — f(v) и n=f(v), из которых путем пере­строения получают статические "характеристики n = f {v) при различных значениях Р.

Статические характеристики ветродвигателя с аэро­динамическим регулятором типа 1D-18 показаны на рис. 2-14.

Характеристики рис. 2-14 показывают, что при v> vp регулятор поддерживает скорость вращения ветроколеса постоянной только при постоянной величине момента на­грузки. При сбросе нагрузки обороты ветроколеса уве-

Лйчиваются, - причем с увеличением скорости ветра ве­личина остающейся неравномерности уменьшается. Вели­чина остающейся неравномерности скорости вращения по скорости ветра может легко изменяться за счет из­менения характеристики передаточных механизмов ре­гулятора.

Так как при данном способе 'регулирования активны­ми силами являются аэродинамические, качество регули-

Рования будет тем лучше, чем меньше будет величина центробежных" сил. Посколько момент от центробежных сил заівисит от момента инерции лопастей, при проекти­ровании ветродвигателей с таким регулятором прихо­дится заботиться об облегчении лопастей. Не следует, однако, забывать, что момент инерции лопастей не мо­жет выбираться произвольно.

Максимально возможное значение ■/ может быть найдено из выражения (2-8), которое в раскрытом виде запишется так:

№ - Япрф) 1=4 [?R3v*M~ jy Sin 2 (9 - *„)].

Положив в этом равенстве G — 0, получим:

С - )макс ' ыг sTn2jf~— ір0)

Угол <р определяется из условия 0, так как момент

От центробежных сил является функцией этого угла. При моментах инерции лопастей, превышающих значе­ние (Ул )макс> регулирование по этой схеме не может быть осуществлено без дополнительной компенсации мо­мента центробежных сил лопцртей.

Компенсация центробежных сил лопастей осущест­вляется путем установки на махах лопастей специаль­ных «компенсирующих грузов».

В зависимости от соотношения момента инерции ком­пенсирующих грузов Уг и лопасти — Ул могут иметь ме­сто три случая компенсации: компенсация частичная (УГ<УЛ), компенсация полная (Уг = Ул) и перекомпенса­ция (УГ>УЛ).

Введение компенсации дает возможность не только наменять величину момента центробежных сил, дейст­вующего на лопасти при их вращении, но и направление его действия. Это позволяет, с одной стороны, применять данную схему регулирования независимо от величины момента" инерции лопастей, с другой стороны, опреде­ленным образом менять качество регулирования, так как в зависимости от степени компенсации меняется величи­на остающейся неравномерности скорости вращения как по нагрузке, так и по скорости ветра.

Аэродинамическое регулирование при определенных условиях может быть использовано и для регулирования движущего момента ветродвигателя, так как регулятор в данном случае реагирует не только на изменение ско­рости вращения ветроколеса, но и на изменение скорости ветра. Регуляторы, чувствительные элементы которых реагируют только на изменение скорости вращения, поз­воляют ветродвигателю работать с постоянным числом оборотов при любых значениях момента нагрузки, на­чиная от нуля и кончая максимально возможным при данном ветре. В рассматриваемом же случае регулиро­вание происходит так, что при изменении скорости вет­ра каждому значению момента нагрузки соответствует строго определенный характер изменения числа оборо­тов ветроколеса (рис. 2-14).

Это обстоятельство имеет исключительно большое значение, особенно при создании ветроэлектрических
станций, предназначенных для работы параллельно с другими, более мощными неветровыми электростан­циями. Здесь >при наличии синхронных генераторов не­ветровая электростанция будет удерживать ветродвига­тель на постоянном числе оборотов, близком к номи­нальному значению, вследствие чего ветродвигатель, имеющий характеристику n = f{v), подобную рис. 2-14, будет работать без статических перегрузок. Если же ветродвигатель снабжен регулятором, чувствительный элемент которого контролирует только скорость враще­ния, он не может быть использован для параллельной работы со станцией большей мощности без специальных устройств, ограничивающих его мощность.

Стабилизаторное регулирование. На рис. 2-10 показа­на принципиальная схема стабилизаторного регулирова­ния быстроходных ветродвигателей.

Как указывалось выше, стабилизаторное регулирова­ние относится к группе центробежного непрямого регули­рования. Отклонение скорости вращения воспринимается центробежным регулятором. Его сигнал передается через аэродинамический усилитель-стабилизатор на регули­рующий орган, представленный здесь в виде поворотной лопасти.

Система лопасть — стабилизатор может свободно по­ворачиваться вокруг оси лопасти, не оказывая в боль­шинстве случаев значительного действия на центробеж­ный регулятор. Поэтому статическое состояние регуля­тора не зависит от величины моментов аэродинамиче­ских и центробежных сил, действующих на лопасти. Что­бы исключить влияние на центробежный регулятор аэродинамических сил стабилизатора, его профиль дела­ют симметричным, а ось поворота располагают от перед­ней кромки на расстоянии примерно 25% от геометриче­ской хорды, т. е. в месте расположения центра давления (рис. 2-3). Тогда независимо от изменения угла атаки момент аэродинамических сил относительно его соб­ственной оси всегда будет равен нулю.

Если пренебречь (ввиду незначительной величины) моментом центробежных сил, действующих на стабили­затор относительно его оси поворота, уравнение стати­ческого равновесия регулятора (2-2) примет вид:

Расчету моментов, ©ходящих в это равенство, а таб­аке вопросам статики стабилизатор ного регулирования, посвящены работы (Л. 6—в].

При выбранных параметрах число оборотов ветро­двигателя со стабилизаторным регулятором зависит только от угла установки стабилизатора р и определяет­ся выражением

Где

Р — коэффициент передаточного отношения; Ь — длина плеча рычага управления, к которому крепится тяга регулятора (рис. 2-15); С — С0«2 — центробежная сила всех деталей механизма регулятора; k—коэффициент жесткости пружины. Таким образом, если известны отвлеченные аэроди­намические характеристики ветродвигателя при различ­ных углах р, определение ста­тических характеристик произ­водится по методу, изложен­ному выше применительно к центробежному регулятору.

На рис. 2-16 показаны рас­четные статические характери­стики ветродвигателя D-18.

Опытные статические ха­рактеристики. После изготов­ления ветродвигателя статиче­ские характеристики определя­ются опытным путем при его 90°—работе в естественных услови­ях. Для этого снимаются так называемые эксплуатационные характеристики, которые ха­рактеризуют изменение скоро­сти вращения ветродвигателя и скорости ветра по времени Рис. 2-15. Схема сил, дейст - ПРИ различной постоянной ва - вукнцих на рычаг управле - грузке.

Ния. Длительность каждого опы­
та обычно принимается 1 ч. При отсутствии регистри­рующих приборов применяется визуальный метод отсче­та измеряемых величин. В этом случае отсчеты берутся через каждые 5 сек.

На основе опытных данных строятся статические ха­рактеристики. В качестве примера на диаграммах об/мин

Sonr~

Рис. 2-17 показаны опытные статические характеристики ветродвигателей D-18. Каждая точка на этих диаграм­мах представляет собой среднее значение п и v за 2 или 5 мин (5 мин принимаются тогда, когда в схеме передачи мощности имеется маховик инерционного аккумулято­ра). При обработке одновременно определяются наи­большая и наименьшая наблюдавшиеся за этот интер­вал времени скорости вращения.

Остающаяся неравномерность регулирования. Обычно под остающейся неравномерностью регулирования двига­теля понимается неравномерность хода *по нагрузке, ко­торая характеризуется наклоном статической характери­стики регулирования. Определяется она отношением раз­ности скорости вращения. при холостом ходе и полной нагрузке агрегата к средней скорости вращения, т. е. если

Их+ %

ТсР =----- 2— '

ТО

: 2 "

Шср шх + шп "

Где 8— остающаяся неравномерность регулирования; о>х — скорость вращения при холостом ходе; «>н—скорость вращения при полной нагрузке. Применительно к ветродвигателям, кроме остающейся неравномерности регулирования по нагрузке, приходится учитывать еще неравномерность регулирования по ско­рости ветра, которую можно представить в виде:

1,

Где (Юр — скорость вращения при полной нагрузке, соот­ветствующая скорости ветра начала регулиро­вания;

A>v — скорость вращения при полной нагрузке, соот­ветствующая скорости ветра v, для которой подсчитывается неравномерность вращения.

Помимо неравномерности вращения, ветродвигатель обладает нечувствительностью є, вызванной наличием сил сухого трения:

Літр _ WP-WTP_

2 (Ма~Мц+Мц. р) ур „2

Где М—момент от сил трения в регуляторе;

Мтр' птР — скорость вращения, соответствующая трога - нию регулятора-

Для ветродвигателей в отличие от других типов дви­гателей характерным является также наличие динамиче­ской неравномерности регулирования, которая является следствием работы ветродвигателя в условиях непрерыв­ной пульсации скорости ветра. Из приведенной на рис. 2-17 диаграммы видно, что динамическая неравно­мерность скорости вращения ветродвигателей достигает сравнительно большой величины. Большая величина ди­намической неравномерности определяется, с одной сто­роны, большей степенью нечувствительности регулято­ров, а с другой — пульсирующим - характером ветровой энергии. Поэтому, чтобы получить общую неравномер­ность скорости вращения ветродвигателей, определяе­мую нормами допустимого колебания частоты на ВЭС малой и средней мощности, надо стремиться делать ре­гуляторы более чувствительными за счет снижения ВЛИЯ­НИЯ сил сухого трения и допускать из условия статиче­ской устойчивости минимально возможную величину ос­тающейся статической неравномерности.