В автономных ветрогенераторах небольшой мощности при высоких скоростях ветра и вращения ротора зарядный ток может намного превысить номинальный зарядный ток аккумуляторов, что может вывести из строя и аккумулятор,  и генератор. 

В применяемых в настоящее время автономных ветрогенераторах с синхронными машинами, используемых в качестве преобразователей механической энергии в электрическую, в большинстве случаев не удается стабилизировать скорость вращения ротора. Поэтому частота вращения подвижной части на выходе генератора изменяется в широких пределах. В результате для обеспечения потребителей электрической энергии промышленных стандартов приходится использовать буферные накопители энергии и инверторы.
Структурная схема такой системы приведена на рисунке 1.

В такой системе напряжение ветрогенератора, зависящее от скорости вращения, будет ограничено напряжением буферного аккумулятора 3.
При этом увеличение  скорости ветра будет приводить не к росту напряжения на выходе ветрогенератора, а к увеличению зарядного тока аккумуляторов. Для ограничения зарядного тока в цепь заряда включают дополнительные балластные резисторы, но такое ограничение приводит к увеличению мощности потерь и не обеспечивает защиты генератора и аккумуляторов от перегрузок.
Возникает задача разработки системы регулирования скорости вращения автономного ветрогенератора, в которой можно было бы эффективно, без потерь регулировать и ограничивать зарядный ток аккумуляторов, одновременно ограничивая скорость вращения ветрогенератора при различных скоростях ветра.
Структурная схема системы регулирования скорости вращения автономного ветрогенератора.
В соответствии с поставленной задачей разработана структурная схема системы регулирования  и ограничения скорости вращения ветрогенератора и регулирования зарядного тока буферных аккумуляторов. Структурная схема приведена на рисунке 2.

В схеме по рисунку  2 выпрямитель 2 выполнен управляемым, в отличие от неуправляемого выпрямителя в схеме по рис. 1. Введение управляемого выпрямителя в цепь заряда аккумуляторов позволит регулировать величину зарядного тока и соответственно скорость ветрогенератора.  Регулировать выпрямитель можно  двумя способами- фазовым, когда изменение выходного напряжения происходит в каждом полупериоде, - и широтно-импульсным, когда выпрямитель переходит из закрытого состояния в состояние неуправляемого выпрямителя. Так как  частота выходного напряжения ветрогенератора зависит от скорости вращения и не остается постоянной, то целесообразно воспользоваться широтно-импульсным методом регулирования напряжения, так как  такой метод меньше искажает форму выходного напряжения и проще в реализации.
Работа системы происходит следующим образом.
Задатчиком тока заряда аккумулятора устанавливают желаемую величину зарядного тока. Эта величина сравнивается в системе управления выпрямителем с текущей величиной тока заряда. Если текущее значение тока заряда меньше уставки, заданной задатчиком, то система управления 7 поддерживает тиристоры выпрямителя 2 в открытом состоянии, т.е. выпрямитель 2 работает по существу как неуправляемый. Если в результате увеличения скорости ветра значение текущего тока заряда увеличится и достигнет величины уставки, то система управления 7 закроет тиристоры выпрямителя 2 и ток заряда начнет уменьшаться. При этом система  управления откроет тиристоры выпрямителя и процесс заряда аккумулятора продолжится. В результате установится некоторая средняя величина зарядного тока и соответственно тормозного момента ветрогенератора и скорости вращения ветрогенератора, при которых не будет превышения номинального зарядного тока аккумуляторов.
В этом случае не будет перегрузок генератора по току и мощности, а также будет ограничена скорость вращения подвижной части даже при самом сильном ветре. Как видно из описания принципа действия системы, величина тока заряда и скорости вращения ветрогенератора не выйдут за пределы допустимых, при этом потери энергии в балластных резисторах будут исключены.
Принципиальная схема системы регулирования скорости вращения автономного ветрогенератора.
При разработке принципиальной схемы будем рассматривать выпрямитель 2, систему управления выпрямителем 7, датчики тока заряда аккумулятора 6, задатчик тока заряда 8.
Принципиальная схема системы регулирования скорости ветрогенератора приведена на рисунке 3.(приложение)

На вход управляемого выпрямителя подается напряжение с выхода ветрогенератора.  Выпрямитель собран на тиристорах VTI-VT6. Датчик зарядного тока выполнен на трансформаторах тока ТТ1 и ТТ2, которые нагружены на резисторы R1иR2. Напряжение на резисторах  R1иR2 выпрямляются мостовым выпрямителем на диодах VD-VD4 и подается на емкостный фильтр С1. Постоянное напряжение  с фильтра С1, пропорциональное току заряда аккумуляторов, подается на вход компаратора на операционном усилителе ДА1. Это напряжение сравнивается  с напряжением задания, которое снимается с потенциометра R4, и на выходе компаратора устанавливается напряжение в зависимости от результата сравнения.
Выход компаратора соединен с выходом ключа на транзисторах VТ7, VТ8. Ключ управляет генератором импульсов на однопереходном транзисторе  VТ9.
Импульсы частотой 1000Гц поступают на формирователь VТ10 и с дифференцирующей цепи С3R14 на оконечный усилитель VТ11. Усилитель VТ11 нагружен на импульсный трансформатор Т1, вторичные обмотки которого подают импульсы управления тиристорам выпрямителя зарядного тока ветрогенератора.
Таким образом, пока напряжение, снижаемое с  датчика тока ТТ1 и ТТ2 не превышает напряжения задания, устанавливаемого потенциатором R4, выходной транзистор ключа VТ8 закрыт, и генератор импульсов управления тиристорами поддерживает выпрямитель в открытом состоянии. Как только напряжение датчика тока превысит напряжение задания, компаратор и ключ переключаются, транзистор VТ8 открывается и шунтирует  времязадающий конденсатор  С2  генератора импульсов. Импульсы управления снимаются с тиристоров выпрямителя и он запирается.    
Таким образом, выпрямитель будет включаться, и выключаться с частотой, определяемой скоростью ветра, величиной задания и  постоянными  времени системы управления выпрямителем.
При постоянном значении скорости ветра установится заданная величина  зарядного  тока и соответствующая величина этого тока скорость вращения ветрогенератора. Формирование среднего значения  тока заряда иллюстрирует график на рисунке 4.

На графике рис.4 t1 – время, в течении которого выпрямитель открыт, t2 – время, в течении которого выпрямитель заперт. Соотношение между временем открытого и закрытого состояния выпрямителя меняется в зависимости от скорости ветра, величины задания и инерционности системы регулирования.
Таким образом, разработана система регулирования скорости вращения автономного ветрогенератора, позволяющая ограничивать величину зарядного тока и скорость вращения ветрогенератора во всем диапазоне изменения скорости ветра без применения балластных резисторов, а также без  изменения углов атаки лопастей ветрогененратора. Разработанная система отличается простотой схемотехнических решений и высокой эффективностью, что позволит использовать такую систему для регулирования автономных ветрогенераторов с синхронными электрическими машинами.

Авторы: к.т.н. Романенко А.Ф., к.т.н. Бескенов Н.Б. – ЮКГУ им. М.Ауезова, Шымкент (Казахстан)

Все статьи этой рубрики