Приводной механизм электрогенератора (варианты), способ регулирования частоты вращения приводного механизма электрогенератора, турбина (варианты) - RU2471087C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к регулированию выработки электроэнергии от вращающихся турбомашин, приводимых в движение потоком текучей среды, таких как ветро- или гидротурбины.

Хотя вырабатывание электроэнергии от турбин и т.д., приводимых в движение кинетической энергией ветра или воды, в общем, является известным, проблемы обеспечения достаточно постоянных выходных характеристик, когда имеют место колебания на входе, оказались сложными для преодоления. В частности, когда необходимо обеспечить электрический выход переменного тока для питания электроэнергетической системы, изменяющиеся крутящие моменты, прикладываемые к генераторам, вызывают проблемы, так как для многих генераторов переменного тока, таких как синхронный генератор, выходная частота изменяется пропорционально их крутящему моменту или частоте вращения на входном валу. Регулирование частоты вращения на входном валу генератора является сложным без снижения КПД, например в ветротурбинах, может использоваться регулирование угла наклона лопастей турбины для эффективного рассеяния энергии ветра при порывах ветра для поддержания крутящего момента, прикладываемого к генератору, достаточно постоянным. Традиционно является возможным выпрямлять электрический выходной сигнал и затем вырабатывать переменный ток, если требуется, поэтому входная частота не так важна. Передачи с механически регулируемой частотой вращения представляют собой альтернативный способ управления работой, но эти технологии приводят к потерям.

Опубликованный документ US 2007/0007769 показывает способ механического регулирования частоты вращения генератора посредством выборочного регулирования реактивного момента, приложенного к зубчатой передаче, с помощью гидродинамической муфты. Документ использует конструкцию планетарной передачи для приложения реактивного момента и для регулируемого изменения частоты вращения выходного вала в условиях полной нагрузки. Однако эта система не является эффективной, так как при высоких частотах вращения энергия теряется от регулирования частоты вращения выходного вала в результате применения гидродинамической муфты на полную номинальную мощность для обеспечения регулируемого передаточного отношения.

WO 96/30669 раскрывает планетарную коробку передач с регулируемым передаточным отношением, которая используется для регулирования выходных характеристик электрогенератора с ветротурбиной. Коробка передач использует шаговый электродвигатель, который может приводиться в движение для работы в прямом или обратном направлениях.

ЕР 0120654 показывает регулирующую частоту вращения коробку передач, которая использует гидравлическую или электрическую машину в качестве двигателя или в качестве генератора для регулирования реактивного момента дифференциальной коробки передач с регулируемым передаточным отношением. Однако когда используется небольшая электрическая машина для экономии на издержках и массе, является необходимым наличие понижающей частоту вращения коробки передач для увеличения крутящего момента электрической машины. Это, в свою очередь, имеет следствием увеличение действующей инерции электрической машины и что инерция вызывает проблемы, когда требуются достаточно быстрые изменения реактивного момента в коробке передач с регулируемым передаточным отношением.

Синхронный генератор войдет в фазу с переменным током электросети и будет до некоторой степени сдвинут по фазе сетью. Однако чтобы избежать снижения эффективности, лучше поддерживать генератор точно в фазе посредством изменения его входного крутящего момента. WO 2006/010190 раскрывает электрическую машину для регулирования реактивного момента.

Варианты осуществления изобретения решают проблемы, рассмотренные выше.

В соответствии с первым аспектом, настоящее изобретение предлагает вращающийся приводной механизм для приведения в движение электрогенератора, механизм которого обеспечивает вращение на выходе с, по существу, постоянной частотой вращения для приведения в движение генератора от вращающегося входного элемента с изменяющейся частотой вращения, при этом механизм включает в себя входной элемент с изменяющейся частотой вращения, зубчатую дифференциальную передачу для получения мощности от входного элемента с изменяющейся частотой вращения, при этом дифференциальная передача имеет два пути распределения мощности, первый из путей находится во вращательном соединении с выходом для приведения в движение генератора, а второй из путей находится во вращательном соединении с электрической машиной, способной работать для обеспечения регулируемого реактивного момента во втором пути, при этом механизм включает в себя устройство мониторинга крутящего момента для мониторинга динамического крутящего момента на входном элементе и устройство управления для изменения реактивного момента во втором пути в ответ на изменения измеряемого крутящего момента посредством приведения в действие электрической машины в качестве двигателя или генератора, и тем самым обеспечивая вращение на выходе с, по существу, постоянной частотой вращения, отличающийся тем, что устройство мониторинга осуществляет мониторинг динамического крутящего момента на входном элементе, и устройство управления управляет электрической машиной, чтобы свести на нет, по меньшей мере, некоторую часть инерции электрической машины и/или второго из путей.

В варианте осуществления входной элемент включает в себя вал и повышающую коробку передач для увеличения частоты вращения, подводимого к зубчатой передаче.

Предпочтительно, указанное устройство мониторинга динамического крутящего момента осуществляет мониторинг, по существу, установившегося реактивного момента повышающей коробки передач.

Удобным образом указанная дифференциальная передача содержит конструкцию планетарной передачи, имеющую водило планетарной передачи для приведения в движение входным элементом, солнечное зубчатое колесо, которое образует часть первого пути мощности, и эпициклическое зубчатое колесо, которое образует часть второго пути мощности.

В одном варианте осуществления когда частота вращения на входном элементе находится ниже заданного значения, электрическая машина способна работать в качестве двигателя и обеспечивает регулируемый реактивный момент во втором пути таким образом, что для зубчатой передачи обеспечен вращающий момент по второму пути мощности, и тем самым поддерживает частоту вращения первого пути мощности на, по существу, заданном значении частоты вращения.

Предпочтительно, когда частота вращения на входном элементе находится выше заданного значения, электрическая машина способна работать в качестве генератора и обеспечивает дополнительный регулируемый реактивный момент и отбирает мощность от зубчатой передачи через второй путь мощности, и тем самым поддерживает частоту вращения первого пути мощности на, по существу, заданном значении частоты вращения.

Удобным образом, второй путь мощности включает в себя дополнительную передачу для изменения частоты вращения второго пути мощности.

В одном варианте осуществления, первый или второй путь мощности включает в себя муфту или тормозное устройство для расцепления или торможения соответствующего пути, когда вращение ротора заторможено, а генератор по-прежнему находится в движении.

Предпочтительно, электрическая машина представляет собой коммутируемую реактивную машину (КРМ).

Более предпочтительно, угловое положение КРМ используется, частично, для регулирования реактивного момента.

В соответствии со вторым аспектом, изобретение предлагает способ регулирования частоты вращения приводного механизма генератора для обеспечения, по существу, постоянной частоты вращения для генератора, получаемого от входного элемента с изменяющейся частотой вращения, при этом способ использует механизм, который обеспечивает вращение на выходе с, по существу, постоянной частотой вращения для приведения в движение генератора от вращающегося входного элемента с изменяющимся крутящим моментом, при этом механизм включает в себя входной элемент с изменяющейся частотой вращения, зубчатую дифференциальную передачу для получения мощности от входного элемента с изменяющимся крутящим моментом, при этом дифференциальная передача имеет два пути распределения мощности, первый из путей находится во вращательном соединении с выходным элементом для приведения в движение генератора, а второй из путей находится во вращательном соединении с электрической машиной, способной работать для обеспечения регулируемого реактивного момента во втором пути, при этом способ включает в себя следующие этапы, подлежащие выполнению в любом подходящем порядке:

a) мониторинга динамического крутящего момента на входе;

b) регулирования реактивного момента во втором пути в зависимости от измеряемого динамического входного крутящего момента посредством приведения в действие электрической машины в качестве двигателя или генератора, и тем самым обеспечивая вращение на выходе с, по существу, постоянной частотой вращения; и при этом способ отличается наличием этапа:

c) приведения в действие электрической машины, чтобы, по существу, свести на нет эффекты инерции во втором пути и/или в электрической машине.

Предпочтительно, измеряемый динамический входной крутящий момент представляет собой реактивный момент зубчатой дифференциальной передачи.

Удобным образом способ включает в себя дополнительные этапы:

d) в добавление к этапу а), измерения частоты вращения на входе и нагрузки генератора; и

e) регулирования реактивного момента во втором пути в зависимости от частоты вращения на входе и нагрузки генератора, а также в зависимости от измеряемого входного крутящего момента посредством приведения в действие электрической машины в качестве двигателя или генератора.

Более удобным образом способ включает в себя дополнительные этапы:

f) приведения в действие электрической машины в качестве двигателя в первом заданном диапазоне частот вращения на входе; и

g) приведения в действие электрической машины в качестве генератора во втором заданном диапазоне частот вращения на входе, причем второй диапазон выше, чем первый диапазон.

В соответствии с третьим аспектом, изобретение предлагает вращающийся приводной механизм для приведения в движение электрогенератора, механизм которого обеспечивает вращение на выходе с, по существу, постоянной частотой вращения для приведения в движение генератора от вращающегося входного элемента с изменяющейся частотой вращения, при этом механизм включает в себя входной элемент с изменяющейся частотой вращения, зубчатую дифференциальную передачу для получения мощности от входного элемента с изменяющейся частотой вращения, при этом дифференциальная передача имеет два пути распределения мощности, первый из путей находится во вращательном соединении с выходом для приведения в движение генератора, а второй из путей находится во вращательном соединении с электрической машиной, способной работать для обеспечения регулируемого реактивного момента во втором пути, при этом механизм включает в себя устройство мониторинга крутящего момента для мониторинга динамического крутящего момента на входе и устройство управления для изменения реактивного момента во втором пути в ответ на изменения измеряемого крутящего момента посредством приведения в действие электрической машины в качестве двигателя или генератора, и тем самым обеспечивая вращение на выходе с, по существу, постоянной частотой вращения, отличающийся тем, что мониторинг динамического входного крутящего момента осуществляется посредством измерения установившегося реактивного момента зубчатой дифференциальной передачи.

Изобретение распространяется на приводимую в движение ветром или водой турбину, имеющую вращающийся приводной механизм, как описанный выше, или имеющую приводной механизм, способный работать согласно способу, описанному выше.

В соответствии с дополнительным аспектом, изобретение предлагает приводимую в движение ветром или водой турбину, включающую в себя приводимый в движение ветром или водой ротор с изменяющейся частотой вращения, генератор и дифференциальную коробку передач, обеспечивающую вращательное соединение между ротором и генератором, при этом генератор является приводимым в движение посредством коробки передач, с, по существу, постоянной частотой вращения ротором с изменяющейся частотой вращения, при этом коробка передач обеспечивает регулируемый крутящий момент, противодействующий крутящему моменту ротора, для обеспечения указанной, по существу, постоянной частоты вращения генератора и для обеспечения возможности увеличения или уменьшения частоты вращения ротора с увеличенной или уменьшенной скоростью ветра или воды, отличающуюся тем, что динамический входной крутящий момент, прикладываемый к коробке передач ротором в точке приложения реакции коробки передач, измеряется для обеспечения указанного регулируемого крутящего момента, противодействующего ротору. Предпочтительно, в ветро- или гидротурбине регулируемый реактивный момент является обеспечиваемым посредством дополнительного генератора, имеющего дополнительное вращательное соединение с коробкой передач, при этом дополнительный генератор способен работать в качестве дополнительного генератора или в качестве двигателя и дополнительно способен работать, чтобы, по существу, свести на нет его собственную инерцию и/или инерцию указанного дополнительного вращательного соединения.

Предпочтительно, дополнительный генератор представляет собой коммутируемую реактивную машину.

Один вариант осуществления изобретения описан ниже исключительно в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых:

на фиг.1 показано графическое представление системы для вырабатывания электроэнергии из потока текучей среды;

на фиг.2 показано схематическое представление системы привода для электрогенерирующей системы на фиг.1;

фиг.3 представляет собой график, иллюстрирующий выходную мощность и частоту вращения двигателя/генератора по отношению к частоте вращения ротора; и

фиг.4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ регулирования системы.

На фиг.1 показано электрогенерирующее устройство 5, которое включает в себя ротор 10 ветротурбины, поддерживаемый на валу 12. Показаны главные подшипники 14, но корпус подшипников 14 не показан для ясности. Вал 12 служит в качестве входного вала для подвода мощности к планетарной повышающей коробке 16 передач, которая увеличивает частоту вращения на коэффициент около 20. Мощность от коробки 16 передач используется для приведения в движение генератора 20, показанного на фиг.2.

Генератор 20 работает синхронным образом и, следовательно, его выходная частота является зависимой от частоты вращения, с которой он приводится в движение. Следовательно, между коробкой 16 передач и генератором 20 имеется механизм 18 регулирования частоты вращения, включающий в себя двигатель/генератор 30, описанный более подробно ниже.

На фиг.2 схематично показаны внутренние части электрогенерирующего устройства 5, показанного на фиг.1. Входной вал 12 приводит в движение планетарную коробку 16 передач. Планетарная коробка передач приводит в движение шестерню 17, которая, в свою очередь, приводит в движение цилиндрическое зубчатое колесо 19. Цилиндрическое зубчатое колесо 19 соединено с механизмом 18 регулирования частоты вращения. Этот механизм имеет входной элемент 22, подводящий мощность к водилу планетарной дифференциальной передачи 24. Планетарный дифференциал имеет водило планетарной передачи, приводящееся в движение входным элементом 22, солнечное зубчатое колесо 25, работоспособным образом соединенное с электрической машиной 30, и эпициклическое зубчатое колесо 23, работоспособным образом соединенное с генератором 20. Мощность, обеспеченная ротором, может отбираться двумя путями - вся мощность или ее часть может непосредственно передаваться на генератор 20 через выходной вал 26 с помощью эпициклического зубчатого колеса 23, или некоторая часть мощности может отбираться через солнечное зубчатое колесо 25 и зубчатые передачи 28 и 32 на электрическую машину 30. Электрическая машина 30 представляет собой коммутируемый реактивный электродвигатель, который может работать в качестве двигателя или генератора.

При работе планетарная передача 24 будет передавать мощность от входа 22 по пути с наименьшим сопротивлением, и, следовательно, двигатель/генератор 30 должен обеспечивать некоторый реактивный момент для вырабатывания электроэнергии в генераторе 20. Величина реактивного момента может быть существенно изменена, используя двигатель/генератор 30. Следует отметить, что зубчатые передачи 28 и 32 понизят частоту вращения электрической машины 30 и таким образом обеспечат больший реактивный момент для нижней силовой машины 30. Таким образом, меньшая машина 30 может быть использована для обеспечения относительно высокого реактивного момента на солнечном зубчатом колесе 25. Однако понижающая передача имеет относительно большую инерцию, которая будет оказывать воздействие на реактивный момент, когда необходимы изменения в реактивном моменте, например для преодоления внезапных изменений входного крутящего момента, происходящих в результате порывов или временного затишья ветра.

При использовании, начиная от условий небольшой скорости ветра, ротор будет вращаться быстрее, чем около 14 об/мин. Двигатель/генератор может быть использован в качестве двигателя для обеспечения реактивного момента, который вызывает результирующее принудительное увеличение частоты вращения на солнечном зубчатом колесе 25 планетарного механизма 24 таким образом, что вся мощность от входного элемента 22 может быть передана на генератор. Если двигатель/генератор 30 обеспечивает такой момент, то это увеличит частоту вращения эпициклического зубчатого колеса 23 таким образом, что генератор вращается с требуемой частотой вращения 1512 об/мин в этом случае.

Когда скорость ветра увеличивается, частота вращения двигателя может быть уменьшена, так как входной элемент 22 теперь вращается быстрее. При частоте вращения ротора около 17,3 об/мин (в этом примере) частота вращения на входе совпадает с частотой вращения на входе генератора, и, следовательно, реактивный момент, обеспеченный двигателем/генератором, является таким, что частота вращения двигателя равна нулю, хотя некоторый реактивный момент потребуется на солнечном зубчатом колесе 25.

В этом режиме работы при малой скорости ветра, хотя двигатель/генератор 30 требует электроэнергию для работы, в целом, электроэнергия вырабатывается устройством 5.

Когда скорость ветра увеличивается, вращая ротор с частотой вращения, большей чем около 17,3 об/мин, то для поддержания вращения выходного вала 26 с надлежащей частотой вращения необходимо отбирать мощность от выходного вала 26 и на двигатель/генератор 30. Следовательно, двигатель/генератор 30 должен обеспечивать реактивный момент проскальзывания. Это может быть достигнуто посредством использования двигателя/генератора 30 в качестве генератора электроэнергии. В этом примере величина момента может изменяться посредством изменения нагрузки на двигатель/генератор 30, и эта нагрузка может меняться для поддержания частоты вращения вала 26.

Когда частота вращения ротора превышает около 20 об/мин, муфта 42 может быть расцеплена для обеспечения свободного вращения ротора. В качестве альтернативы может использоваться тормозное устройство. Ниже около 14 об/мин вся машина не работает.

На фиг.3 показаны графики: А - мощности турбины (крутящий момент × частота вращения на роторе), В - мощности генератора (общая выходная мощность), С - привода SR (потребление/выработка электроэнергии двигателем/генератором 30) и D - частоты вращения SR (частота вращения, необходимая для двигателя/генератора 30 для поддержания надлежащей частоты вращения выходного вала 26).

Можно видеть, что мощность генератора, по существу, является постоянной в пределах среднего диапазона частот вращения ротора и только небольшая часть общей электроэнергии, выработанной устройством, требуется для регулирования крутящего момента.

На практике ветер редко дует непрерывно и поэтому передача будет непрерывно изменять свою работу в ответ на изменения входного крутящего момента, вызванные изменениями скорости ветра. На фиг.4 показан способ регулирования реактивного момента, обеспеченного двигателем/генератором 30, когда происходят изменения скорости ветра. На этапе 100 осуществляется мониторинг частоты вращения на входе, например может измеряться частота вращения ротора. На этапе 110 устанавливается или измеряется нагрузка генератора в зависимости от имеющегося дальше по ходу контроля. На этапе 120 может регулироваться реактивный момент, обеспеченный двигателем/генератором 30, в соответствии с частотой вращения на входе и нагрузкой на входном валу генератора. Изменения реактивного момента позволяют турбине ускоряться, когда происходят порывы ветра, эффективно преобразуя избыточную энергию ветра в энергию вращения турбины, и замедляться, когда имеет место временное затишье ветра, забирая больше энергии от турбины.

Ветровые динамические эффекты являются важными, так как инерция машины является существенной, когда учитываются зубчатое зацепление элементов системы и изменения частоты вращения на входе. Поэтому способ регулирования, описанный в абзаце непосредственно выше, расширен дополнительной регулировкой реактивного момента на этапе 130. На этом этапе измеряется динамическая моментная нагрузка на входе. Это достигается посредством измерения усилия, прикладываемого к, в общем смысле, неподвижной точке приложения реакции в повышающей частоту вращения коробке 16 передач. Реактивный момент, обеспеченный двигателем/генератором 30, регулируется, чтобы учесть этот изменяющийся динамический входной крутящий момент. Например, когда происходит внезапный порыв ветра, динамический входной крутящий момент внезапно увеличится. Теоретический реактивный момент, который зависит от входного крутящего момента и нагрузки генератора, может быть установлен почти мгновенно, например посредством установки двигателя/генератора для работы в качестве генератора и обеспечения проскальзывания солнечного зубчатого колеса для уменьшения частоты вращения на генераторе 20. Однако на практике вследствие инерции зубчатых передач 28 и 32 и инерции двигателя/генератора 30 какое-либо изменение установленного реактивного момента потребовало бы времени для осуществления, и в данном примере достаточное проскальзывание потребовало бы времени для возникновения. Для содействия процессу и для предотвращения превышения допустимой частоты вращения генератором 20 двигатель/генератор 30 может мгновенно приводиться в движение по направлению проскальзывания солнечного зубчатого колеса 25, таким образом, эффекты инерции, упомянутые выше, по существу, сведены на нет.

Процесс установки реактивного момента, обеспечиваемого двигателем/генератором, сделан почти мгновенным, так как используется коммутируемая реактивная машина (КРМ).

Регулировка момента, обеспечиваемого КРМ, посредством изменения силы электрического тока, текущего в соответствующих обмотках машины, осуществляется 360 раз за оборот, и момент эффективно регулируется.

При работе измеряется частота вращения турбины, измеряется реакция на входной крутящий момент в коробке передач, и, следовательно, может быть определена мощность турбины. Это обеспечивает возможность приложения на генератор надлежащей нагрузки. Знание мощности турбины обеспечивает возможность регулирования надлежащим образом реактивного момента КРМ, таким образом, генератор может работать с надлежащей частотой вращения. Поддержание этой надлежащей частоты вращения генератора эффективно осуществляется посредством измерения динамического входного крутящего момента в точке приложения реакции в коробке передач и использования КРМ для почти мгновенного осуществления изменений реактивного момента. Осуществляется мониторинг углового положения КРМ, и может быть обеспечена надлежащая коммутация электрического тока к обмоткам КРМ для обеспечения надлежащего реактивного момента.

Был описан только один вариант осуществления, но различные альтернативы, усовершенствования, модификации и т.д. будут очевидными для специалиста в данной области. В частности, расположение зубчатых колес может быть изменено для обеспечения эквивалентного эффекта относительно описанного. Описанная машина представляет собой ветротурбину, но тот же самый принцип применяется и к машине, приводимой в движение потоком жидкости, например работающей от приливного потока гидротурбине.

Реферат

Изобретение относится к регулированию выработки электроэнергии от вращающихся турбомашин, приводимых в движение потоком текучей среды. Приводной механизм для электрогенерирующего устройства 5 обеспечивает связь между электрогенератором 20 и турбиной 10, которая вращается с изменяющейся частотой. Вращающийся приводной механизм обеспечивает для генератора 20 вращение на выходе с неизменной частотой вращения. Приводной механизм включает в себя дифференциальную коробку 16 передач, которая имеет два выходных вала. Один приводит в движение генератор 20 посредством вала 26, а другой приводит в движение электрическую машину 30 посредством передачи 18. Изменяющийся реактивный момент, обеспеченный электрической машиной 30, может использоваться для регулирования крутящего момента и частоты вращения на выходном валу 26. Входной крутящий момент от турбины 10 измеряется в точке приложения реакции коробки 16 передач, и это измерение используется для изменения реактивного момента, обеспеченного электрической машиной 30. Электрическая машина 30 работает таким образом, что инерция в коробке 18 передач и инерция электрической машины 30 сведены на нет для обеспечения почти мгновенного изменения реактивного момента и посредством этого для более эффективного регулирования частоты вращения выходного вала 26. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула