Електромеханічна система автономної безконтактної контрроторної вітроелектроустановки з вертикальною віссю обертання

Abstract

Дисертація напрямлена на створення недорогої, але ефективної конструкції контрроторної вітроелектроустановки (ВЕУ) з вертикальною віссю обертання (ВВО). Безконтактну передачу згенерованої електричної енергії з якоря СГПМ, а також дискретне регулювання електричної потужності здійснює спеціальний пристрій – трансформатор з обертовою половиною (ТзОП). Розроблено математичну модель ТзОП, розраховано його характеристики та створено методику проектування, яку уточнено моделюванням магнітного поля, а її адекватність підтверджено експериментальними дослідженнями на макетному зразку ТзОП. Створено імітаційну математичну модель контрроторної ВЕУ, що працює з турбулентним вітропотоком та визначено оптимальні режими роботи ВЕУ. Створено трипозиційну систему квазіоптимального керування навантаженням СГПМ, яка здійснює перемикання вторинних обмоток ТзОП за відхиленням реальної кутової швидкості СГПМ від оптимальної. Остання визначається на підставі обчисленої естиматором швидкості вітру за виміряними електричними змінними. Для низки потужностей ВЕУ в діапазоні від 0,4 до 10 кВт проведено техніко-економічне порівняння нової безконтактної контрроторної конструкції з базовим традиційним енергоефективним варіантом ВЕУ з ВВО, яке показало, що запропонована конструкція контроторної ВЕУ має на 11-42% нижчу питому вартість. Работа напрямлена на создание недорогой, но эффективной конструкции ветроэлектроустановки (ВЭУ) с вертикальной осью вращения (ВОВ). Предложена новая конструкция контрроторной ВЭУ с ВОВ, в которой два ветроротора (ВР) вращаются в разные стороны и механически связаны с индуктором и якорем многополюсного синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ). В контроторной ВЭУ СГПМ меньше и дешевле, по сравнению с однороторной ВЭУ такой же мощности, благодаря увеличенной вдвое частоте вращения. Бесконтактную передачу сгенерированной электрической энергии с якоря СГПМ, а также дискретное регулирование электрической мощности осуществляет специальное устройство – трансформатор с вращающейся половиной (ТсВП). Разработана математическая модель ТсВП, рассчитано его характеристики при различных частотах вращения и создана методика проектирования. Проектный расчет уточнено моделированием магнитного поля методом конечных элементов, а адекватность математического моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями изготовленного макетного образца ТсВП. В среде Matlab / Simulink создано имитационную математическую модель контрроторной ВЭУ, работающую с турбулентным ветропотоком. На основе компьютерного симулирования определены квазиоптимальные режимы работы ВЭУ, которые при различных скоростях ветра могут обеспечиваться переключением лиш двух отводов от вторичной обмотки ТсВП. Создана трехпозиционная система квазиоптимального управления нагрузкой СГПМ, которая осуществляет переключение вторичных обмоток ТсВП по отклонению реальной угловой скорости СГПМ от оптимальной. Последняя определяется на основании вычисленной с помощью эстиматора скорости ветра по измеренным электрическим переменным – частоте напряжения генератора и получаемой от него мощности. Эффективность системы управления подтверждают результаты компьютерного симулирования работы ВЭУ с ВОВ при действии реальных возмущающих факторов. Для ряда мощностей ВЭУ в диапазоне от 0,4 до 10 кВт проведено экономическое сравнение новой бесконтактной контрроторной конструкции с базовым традиционным энергоэффективным вариантом ВЭУ с ВВО с одним вертикально ориентированным ВР, многополюсным СГПМ и полупроводниковым активным выпрямителем напряжения. На основании проведенных проектных расчетов и полученных необходимых масс активных материалов определены стоимости СГПМ для двух сравниваемых вариантов ВЭУ, а также ТсВП, сконструированных по разработанному критерию оптимизации конструкции. Общая технико-экономическая оценка показала, что предложенная конструкция контроторной ВЭУ имеет на 11-42% низшую стоимость по сравнению с традиционной конструкцией ВЭУ с ВОВ, причем это стоимостное преимущество возрастает с уменьшением мощности ВЭУ. Подтверждена целесообразность применения ТсВП в автономной ВЭУ из-за его низшей от прогнозируемой себестоимости. Dissertation directed at creating inexpensive, but effective constructions of contactless contra-rotating vertical axis wind turbine (VAWT). Contactless transmission of electrical energy generated by the armature of the PMSG as well as discrete control of electrical power carries out a special device – transformer with a rotating half (TRH). Developed the mathematical model of TRH, calculated its characteristics and created methodic of designing, which was refined by the modeling of the magnetic field and her adequacy was confirmed by experimental studies on model sample of TRH. Created imitational mathematical model of the contra-rotating VAWT, that works with turbulent wind flow and the optimal modes of operation of wind turbines is defined. Created a threeposition system of quasi-optimal control of PMSG load, which performs switching of secondary windings of TRH by the deviation of the real angular velocity of PMSG from optimal. The latter is determined on the basis of computed by estimator wind speed by the measured electrical variables. For a number of capacities of wind turbine in the range of 0.4 to 10 kW was conducted a feasibility comparison of new contactless contra-rotating design with basic traditional energy efficient option of VAWT, that showed that the proposed construction of contra-rotating VAWT has 11-42% lower specific cost.