Дублирующая электромеханическая система торможения ветроэнергетической установки

В настоящее время целый ряд государств активно занимается освоением арктических территорий. Это обусловлено тем, что на северных территориях находятся еще не освоенные месторождения полезных ископаемых. По оценкам ООН стоимость запасов полезных ископаемых на арктических территориях РФ составляет более 21 триллиона долларов [1]. Только на Ямале добывается порядка 90 % российского газа [2].

Кроме того, арктические территории рассматриваются как стратегически важные объекты. На них могут размещаться объекты военного назначения (например, комплексы противовоздушной обороны) или навигационные объекты (станции ГЛОНАСС) [3]. Ямальский полуостров еще и уникален тем, что он равноудален от Парижа и Пекина. Таким образом, при существующей геополитической обстановке регион может стать центральным звеном в цепи поставок энергетических ресурсов на всем континенте.

Две трети территории России на данный момент все еще не охвачены электрическими сетями [4]. Этот факт вполне объясним с экономической точки зрения – стоимость проведения ЛЭП и затраты на их эксплуатацию и обслуживание будут велики и могут долго окупаться по времени. Однако следует учитывать, что территории, которые не подключены к общей энергосети, уже сейчас в определенной степени охвачены децентрализованным и автономным энергоснабжением. Но стоимость 1 кВт·ч на отдаленных объектах может достигать 70 рублей [5]. Такая высокая цена обусловлена низким уровнем развития используемых там энергетических технологий. По разным оценкам на энергетически децентрализованной территории страны проживает от 10 до 25 млн человек [6]. Более 50 регионов считаются энергодефицитными, что ставит их собственную энергобезопасность под угрозу [7].

На рис. 1 приведена ночная съемка евразийского континента со спутника [8]. По фотографии видно, что в большей степени электрифицированы европейская (западная) и южная части России. А самыми «темными» являются северные и дальневосточные территории.

Для устойчивого развития данных территорий необходимо иметь соответствующую инфраструктуру с достаточным энергоснабжением. В данный момент главным энергоносителем в тех регионах является дизельное топливо. Однако данный вид топлива вреден для экологии, а стоимость транспортировки топлива делает стоимость 1 кВт·ч непомерно высокой [9]. Обозначенную проблему можно решить путем использования ветроэнергетических установок (ВЭУ). Причем будет актуально

Рис. 1. Ночная съемка евразийского континента со спутника

Рис. 2. Распределение среднегодовых скоростей ветра на территории РФ и на прилегающих к ней территориях

использование малых установок мощностью до 100 кВт, которые могут работать в автономном режиме. На рис. 2 представлено распределение среднегодовых скоростей ветра на территории РФ и на прилегающих к ней территориях [10]. При сравнении рис. 1 и 2 видно, что наибольшие среднегодовые скорости ветра наблюдаются на «не-подсвеченных» северных и дальневосточных территориях. Северные регионы находятся в зеленой области ветровой нагрузки (5…10 м/с). А некоторые дальневосточные регионы, в особенности Камчатский полуостров, находятся в зоне устойчиво высоких скоростей ветра 10…15 м/с (отмечено желтым цветом). Таким образом, использова- ние ветрогенераторов на обозначенных территориях будет выгодно, исходя из экономических и технических соображений.

Способы управления мощностью ветроэнергетических установок

Вырабатываемая ВЭУ мощность находится в кубической зависимости от скорости набегающего потока ветра [11]. Подавляющее большинство производителей ветроэнергетических установок проектируют свои изделия таким образом, что выработка номинальной мощности происходит при скорости ветра 11 м/с. При этом не учитываются климатические и географические факторы буду- щей эксплуатации ветроэнергетических установок. Исходя из таких конструктивных особенностей ветрогенераторов, при скорости ветра выше 11 м/с необходимо ограничивать мощность на ветроколе-се [12].

На сегодняшний день существует несколько традиционных способов ограничения мощности на роторе ветроустановок:

• 1.    Увеличение электрической нагрузки на генератор. При возрастании скорости ветра контроллер ВЭУ увеличивает электрическую нагрузку на генератор, тем самым снижая частоту вращения ротора [13]. Данный способ управления мощностью наиболее энергоэффективен с точки зрения отбора мощности, однако, не предназначен для работы при продолжительных высоких скоростях ветра [14]. Это обусловлено тем, что обмотки генератора будут нагреваться с увеличением электрической нагрузки и в определенный момент достигнут критической температуры, после которой им необходимо охлаждение. Как правило, периоды большой ветровой нагрузки могут продолжаться от суток до нескольких недель.

• 2.    Замыкание обмоток генератора с использованием ШИМ. При таком способе торможения можно плавно тормозить ротор ветроустановки в необходимых диапазонах частоты вращения. Однако недостатком этого способа является также быстрый перегрев электрического генератора, так как отобранная кинетическая энергия ветроколеса превращается в тепловую энергию на обмотках генератора [15]. В результате этим способом можно пользоваться лишь кратковременно.

• 3.    Аэродинамическое торможение. Существует множество конструкций аэродинамических ре-

• гуляторов: это и поворачивающиеся лопасти вокруг оси маха, и специальные тормозные лопасти, которые разворачиваются в зависимости от частоты вращения, и устройства вывода ветроколеса из-под набегающего потока. Но как показала практика, такие регуляторы проявили свою эффективность лишь на крупных ВЭУ мегаваттного класса.

• 4.    Механические тормозные системы. Данный вид систем является наиболее примитивным из всех перечисленных. Но на данном этапе развития техники и технологий он является самым надежным и самым экономически выгодным. Во-первых, механическое торможение ветроколеса подразумевает превращение кинетической энергии в тепловую, которая выделяется на тормозных колодках. Современные фрикционные материалы сохраняют свои рабочие характеристики при температурах до 800 °С, в то время как обмотки генератора не рекомендуется нагревать выше 100 °С [16]. Во-вторых, такие механизмы имеют наибольшую ремонтопригодность, так как отработанные механические части можно заменять, не вскрывая корпус ветрогенератора. И, в-третьих, механические тормозные системы выполняют роль обязательной дублирующей системы торможения. Согласно стандартам все ВЭУ, мощность которых превышает 5 кВт, должны иметь как минимум одну дублирующую систему торможения [17].

Электромеханическая систематорможения ВЭУ

В данной работе рассмотрена электромеханическая система торможения с исполнительным механизмом в виде трехкулачкового блока для вертикально-осевой ВЭУ мощностью 3 кВт (рис. 3).

Рис. 3. Компьютерная модель трехкулачкового блока тормозной системы ВЭУ

Рис. 4. Кинематическая схема электромеханической системы торможения: 1 – электрический привод; 2 – планетарный редуктор; 3 – контактная стенка на ступице; 4 – спиральный диск; 5 – фрикционные кулачки

Преимуществами такой ветроустановки являются отсутствие необходимости ориентации на ветер, низкие показатели вибрационных и звуковых и з лучений, относительно высокий коэффициент и спользования энергии в етра (до 0,4) [18].

Благодаря перечисленным преимуществам данная ветроустановка может быть установлена вблизи жилых объектов. А также ее можно смо н тировать на крыше строения. При этом строению не будут угрожать вибрационные колебания ВЭУ. Учитывая близкое расположение ВЭУ к жилым объектам инфраструктуры, нужно обеспечивать соответствующую безопасность эксплуатации обо рудования. В первую очередь нужно предотвр а тить разрушение лопастей ВЭУ, так как при част о те вращения ротора 180 об/мин разброс лопастей може т составить до 50 м по радиусу. Поэтому си с тема торможения должна предотвращать подо б ные аварийные ситуации и обеспечивать безопа сную работу персонала.

На рис. 4 показана кинематическая схема всей системы торможения. При превышении допуст имой частоты враще ния ротора ВЭУ, при нагреве генератора до максимальной рабочей температуры или в случае возникновения чрезмерных вибраций включается электрический привод системы. Далее мощность от привода через планетарный редуктор передается на спиральный диск (с архимед овой спиралью). На спиральном диске установлены фрикционные кулачки, на которых с нижней части нарезаны специальные гребни. При вращении сп и рального диска гребни кулачков начинают скол ь зить по спирали и кулачки перемещаются в рад иальном направлении. Движущ иеся от центра к п е риферии кулачки упираются в контактную стенку, которая закреплена на ступице ветроколеса и вр а щается вместе с ней. Таким образом, при сопр и косновении кулачков с контактной стенкой нач инается процесс трения- скольжения и ветроколесо начинает тормозиться.

Такая электромеханическая система тормо- жения предназначена для использования в те моменты, когда штатная система управления не способна осуществлять процесс регулирования (например, при ураганном ветре), либо в аварийных ситуациях [19]. Это могут быть и технические отказы штатной системы управления, и внешние воздействия (удар молнии или воздействие электрических устройств) [20]. Поэтому для управления системой предназначается выделенный микроконтроллер, который входит в состав контроллера верхнего уровня, однако может работать и в автономном режиме.

Кроме того, питание этого контроллера и электропривода системы тоже осуществляется от отдельного автономного аккумулятора. Заряд данного аккумулятора происходит параллельно с зарядом основного блока аккумуляторов, входящих в состав всего энергетического комплекса.

Система управления отслеживает состояние трех основных параметров ВЭУ: температура генератора, скорость вращения ветроколеса и вибрационные колебания металлической конструкции. При необходимости система активирует электропривод тормоза по алгоритму и схеме, приведенными на рис. 5 и 6.

Включение и работа электропривода продолжаются до тех пор, пока сила тока в приводе не достигнет значения в 10 А. Это свидетельствует о том, что кулачки давят на контактную стенку с силой 30 000 Н. Далее ротор останавливается, и система выжидает 2 мин, после чего снова активируется электропривод, но уже в реверсивном режиме. Работа привода продолжается до тех пор, пока кулачки не вернутся в исходные положения и не нажмут на концевой выключатель. На систему управления электромеханическим тормозом может быть подан сигнал к торможению от системы управления верхнего уровня (к примеру, это может быть дистанционное торможение ВЭУ, активированное пользователем).

Рис. 5. Алгоритм работы электромеханической системы торможения

Рис. 6. Схема взаимосвязей электрических компонентов системы торможения ВЭУ

Заключение

Рассмотренная электромеханическая система торможения обладает всеми необходимыми конкурентными преимуществами в технических аспектах. Надежные механические звенья позволяют выдерживать высокие температурные нагрузки, т. е. могут поглощать большее количество избы- точной мощности на роторе ВЭУ. Механические звенья способны работать при высокой нагружен-ности, что делает возможным торможение ветро-установки даже при ураганных скоростях ветра. Таким образом, на данный момент электромеханический способ (в качестве дублирующего) является самым оправданным.

Статья выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов (СП-71.2018.1) и Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011.