3.4. Типи та характеристики електрогенераторів у вітроагрегатах та способи регулювання їх напруги

Розглянемо технічні вимоги до електрогенераторів.

Генератори на ВЕУ постійного струму можуть забезпечувати необхідну якість енергії при роботі зі змінною швидкістю обертання. Це дає можливість роботи при більш вигідному режимі вітродвигуна та дозволяє простіше застосувати регулювання швидкості обертання. Режим роботи генератора при змінній швидкості обертання паралельно з акумуляторною батареєю, подібний до режиму генератора на автомобілі, дозволяє застосувати в деяких установках елементи автотракторного електрообладнання. Але застосування на ВЕУ таких типів генераторів не завжди доцільно. Причина полягає в тому, що потужність генераторів вітроагрегатів в більшості випадків відповідає установленій потужності їх двигунів, а тому їх характеристики потужності відповідно до швидкості обертання для найкращого використання вітродвигунів повинні відповідати оптимальному режиму вітродвигуна. Потужність же автотракторних генераторів не співпадає з потужністю обертаючих їх двигунів автомобілів, внаслідок цього, така відповідність характеристик не потрібна. Крім того, ці та інші генератори мають різні діапазони зміни робочих швидкостей обертання. Швидкість обертання генераторів ВЕУ змінюється в співвідношенні від 1: 1.5 до 1:3, тоді як автотракторних генераторів така зміна доходить до 1: 8.5. Менший діапазон зміни швидкості обертання у ВЕУ інколи дозволяє застосувати на них більш прості методи регулювання напруги. Показники використання генераторів ВЕУ повинні бути близькими до показників нормальних генераторів стаціонарних електроустановок. Додаткові вимоги, особливо для генераторів вітрозарядних агрегатів, являються малі витрати холостого ходу, що дає змогу вітроагрегату починати віддавати потужність при меншій швидкості вітру і працювати з високими ККД при невеликих наявних потужностях, які мають місце більшу частину року.

Приведені умови роботи, дозволяють на ВЕУ потужністю більше 1.5 кВт застосувати нормальні типи стаціонарних генераторів постійного струму з паралельним та змішаним збудженням, а для малих вітрозарядних агрегатів застосовують переважно синхронні генератори із збудженням від постійних магнітів, які мають просту і надійну конструкцію та малі втрати холостого ходу.

Нормальна потужність генераторів вітроагрегатів внаслідок роботи при змінній швидкості обертання розраховується приблизно при половинній швидкості обертання від максимальної n_р=0,5∙n_max, а номінальна напруга повинна розвиватися при n_р = (0.25÷0.3)∙n_max. В деяких випадках на ВЕУ приходиться встановлювати більш тихохідні генератори для отримання можливості безпосереднього з’єднання їх з валом вітроколеса або для зменшення передаточного відношення редукторів. Виконання цих умов сприяє інколи збільшенню габаритів генераторів ВЕУ в порівнянні з нормальними типами.

Основною вимогою, яка ставиться до генераторів вітроагрегатів, являється забезпечення правильного режиму заряджання акумуляторної батареї.

Розглянемо роботу електрогенераторів без регулювання напруг.

Метод роботи ВЕУ постійного струму без регулювання напруги для вітрозарядних агрегатів являється відносно простим в обладнанні і досить розповсюдженим. Він оснований на тому, що при роботі з акумуляторною батареєю постійність напруги на шинах в межах зміни напруги батареї, тобто від 2.3 В до 1.7 В на елементі або ±15% підтримується самою батареєю без спеціального регулювання напруги генератора. Напруга в цьому випадку дорівнює:

(3.4.1)

де E_б – напруга на АБ; I_з – зарядний струм; R_б – внутрішній опір батареї та з’єднувальних проводів.

Коливання напруги на генераторі при зміні сили зарядного струму не може бути великим, оскільки опір акумуляторів, а разом з тим і величина I_з R_б малі.

Режим роботи генератора без регулювання напруги не допускає відключення батареї. В іншому випадку напруга генератора може збільшуватись в недопустимих межах.

Збільшення напруги батареї в кінці заряджання при роботі генератора без регулювання напруги визиває необхідність зменшення числа елементів батареї на стільки, щоб верхня межа напруги не перевищувала номінальної напруги ламп. При не повністю зарядженій батареї світловіддача ламп знижується, це являється деяким недоліком цього методу роботи ВЕУ. Захист генератора від перевантаження при великих швидкостях вітру повинна бути забезпечена регулюванням вітродвигуна.

Характеристики напруги U=f(n) та потужності P_г=f(n) від швидкості n обертів для генераторів постійного струму з паралельним збудженням, які працюють без регулювання напруги при відсутності насищення магнітного ланцюга, близькі до прямих ліній і, як наслідок, не суміщяються з вершинами характеристик потужності вітродвигунів по всьому діапазону робочих швидкостей вітру (рис. 3.4.1). Нахил характеристик генератора та швидкість обертання спочатку збудження залежать від величини струму збудження. Остання може бути зміненої шляхом включення в ланцюг збудження постійних опорів. Підбиранням опору можливо приблизити характеристику генератора P_г=f(n) до вершин характеристик вітродвигуна для декількох найбільш важливих для використання швидкостей вітру (див. рис. 3.4.1).

Розглянемо способи регулювання напруги генераторів постійного струму [4].

Рис. 3.4.1 Суміщені характеристики вітродвигуна D-12 та генератора постійного струму при різній величині опору в ланцюзі збудження

Застосування генераторів з паралельним збудженням без регулювання напруги дає лише відносну близькість характеристик генератора до вершин характеристик вітродвигуна та відносну постійність напруги на шинах, яка достатня не для всіх споживачів енергії а також не зовсім забезпечує правильний режим зарядження акумуляторів. Тому, особливо на великих вітроустановках часто застосовуються наступні способи регулювання напруги.

А. Безконтактні схеми, регулювання напруги за допомогою додаткової обмотки збудження або шляхом використання властивостей реакції якоря.

Б. Контактні пристрої, вібраційні або вугільні електромагнітні регулятори напруги.

Рис. 3.4.2 Принципова схема генератора постійного струму з паралельною та зустрічною послідовною обмотками збудження

В перших двох способах (А) регулюючим пристроєм являється зміна сили струму і регулювання проводиться на підтримку її постійності. Таке регулювання мають генератори з зустрічною послідовною обмоткою збудження та трьох щіточні генератори. При застосуванні контактних пристроїв регулювання здійснюються безпосередньо по напрузі.

Схема збудження генераторів зі змішаним збудженням з зустрічною послідовною обмоткою [4] показана на рис. 3.4.2.

Генератори з цією системою збудження забезпечують при зміненні швидкості обертання більш сприятливу форму характеристики потужності відносно до характеристик вітродвигуна, ніж з однією паралельною обмоткою збудження. При збільшенні швидкості вітру швидкість обертання вітродвигуна підвищується, збільшується електрорушійна сила генератора і при постійному опорі навантаження сила струму в ланцюгу. Струм навантаження обмежується дією зустрічної обмотки збудження, яка визиває зменшення намагнічувальной сили полюсів при збільшенні струму якоря. При відповідному розрахунку намагнічувальна сила зустрічної обмотки збудження генератора буде обмежуватись так, що при збільшенні швидкості обертання до деякої межі навантаження не буде перевищувати розрахункову потужність вітродвигуна. Намагнічувальна сила зустрічної обмотки, як правило, складає 20÷40% від намагнічувальної сили паралельної обмотки. Її величина визначається відповідно до характеристики генератора в залежності від діапазона зміни швидкості обертання вітродвигуна. На жаль ця система регулювання має ряд недоліків. При роботі ВЕУ на заряджену акумуляторну батарею напруга батареї та генератора здорово збільшується, а це призводить до збільшення зарядного струму. Останній при потужному вітрі може стати занадто великим для батареї. Для того, щоб не було перезарядження, ємність батареї приходиться брати збільшеною. При потужному вітрі та відключеному зовнішньому навантаженні, коли швидкість обертання вітроагрегата збільшується, а зустрічна обмотка збудження не діє напруга генератора при випадковому відключенні батареї може підвищитись в 2–3 рази і пошкодити паралельну обмотку збудження. Для захисту обмотки збудження від пробою приходиться виконувати глухе з’єднання між батареєю та генератором без запобіжників, а це не бажано, оскільки лишає батарею і генератор захисту від зверх струмів.

Інші більш складніші схеми автоматичного регулювання напруги генератора з застосуванням додаткових обмоток збудження або їх шунтирування за допомогою нелінійних опорів не знайшли поки застосування.

На малих вітрозарядних агрегатах старої конструкції застосовують трьохщіткові генератори автомобільного типу.

Рис.3.4.3 Принципова схема трьохщіткового генератора

1-генератор; 2-батареї; 3-навантаження; ОЗ-обмотка збудження

Ці генератори мають паралельне збудження з підключенням одного кінця обмотки збудження до однієї із головних щіток, а другого до додаткової третьої щітки, розташованої на колекторі в напрямку обертання якоря перед другою головною щіткою (рис. 3.4.3). Система дуже проста і не потребує кваліфікованого догляду, оскільки генератор не має додаткових обмоток або регулятора. Але відповідно до умов комутацій третьої щітки вона може застосовуватись тільки при напругі 6В та потужності генератора до 100Вт.

Принцип регулювання загально відомий і заснований на реакції якоря генератора, яка визиває нерівномірний розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі машини. Характеристики трьохщіточного генератора та вітродвигуна гарно узгоджуються, але цей тип генератора не повністю задовольняє умови правильного режиму зарядження акумуляторної батареї та постійності напруги приймачів енергії. На постійність напруги трьохщіточного генератора впливають стан пластин та ступінь заряду батареї. Якщо внутрішній опір акумулятора помітно збільшується (наприклад, від сульфітації пластин) або батарея відключається від генератора, то відповідно до рівняння (3.4.1) напруга генератора може помітно підвищитись (до 10 В при U_н=6В) і визвати вихід із ладу приймачів енергії та самого генератора. Значне підвищення напруги та величини зарядного струму має місце також в кінці зарядження акумуляторів, коли електрорушійна сила помітно збільшується. В результаті акумулятори будуть мати систематичне перезарядження або недозарядження, а це скорочує їх термін використання.

Такі недоліки трьохщіточного генератора примушують відмовитись від його використання.

Регулювання напруги за допомогою електромагнітних регуляторів забезпечує найкращу постійність напруги і в поєднанні з обмеженням величини струму генератора забезпечує найкращий режим заряджання акумуляторної батареї. Така перевага даного способу регулювання важлива для користувачів, які потребують постійності напруги, і це є перевагою в порівнянні з іншими способами, незважаючи на те, що характеристики потужності генератора та вітродвигуна тут менше узгоджуються між собою.

В залежності від потужності і напруги генератора на ВЕУ застосовують вібраційні та вугільні регулятори напруги. Для вітрозарядних агрегатів з напругою 6–30 В можуть бути застосовані вібраційні одноступінчаті регулятори автомобільного типу. Вугільні регулятори виготовлюються та застосовуються при напрузі 120–460 В.

Рис. 3.4.4 Принципова схема генератора з вібраційним регулятором напруги

1–генератор; 2–регулятор напруги; К–контакт регулятора напруги; ОЗ– обмотка збудження генератора; ОРН–обмотка регулятора напруги; R_д– додатковий опір.

Вібраційний регулятор, принципова схема якого приведена на рис. 3.4.4, встановлює середню величину струму збудження в залежності від співвідношення t₁/t₂ часів замкнутого та незамкнутого стану контактів К. Завдяки цьому при збільшенні швидкості обертання генератора зменшується середня величина струму збудження і напруга генератора залишається постійною. Величина додаткового опору R_д, який включається в контур збудження, визначається найбільшою швидкістю обертання генератора, до якої регулятор повинен підтримувати постійність напруги, а найбільша швидкість обертання визначається ступенем нерівномірності регулятора вітродвигуна. Нижня межа роботи регулятора напруги визначається мінімальною швидкістю обертання, при якій напруга і струм збудження досягають номінальної величини. Обмотка збудження генератора потужністю більше 1 кВт, який працює з вібраційним регулятором, ділиться на дві частини, кожна із яких має окремий регулятор. Це здійснюється для зменшення розривного струму контактів регулятора, що підвищує надійність його роботи.

Розглянемо тепер таке важливе питання, як захист електрогенераторів від перенавантаження.

Регулювання напруги U_г=const на постійну величину у випадку розрядженої батареї може викликати великі перенавантаження генератора і батареї відносно зарядного струму.

Рис. 3.4.5 Схема електричних з’єднань вітрозарядної установки (D-3,5) з генератором автомобільного типу та вібраційним регулятором напруги

1–генератор; 2–батарея; РЗС–реле зворотного струму; РН–регулятор напруги; ОРН–головна обмотка регулятора напруги; ВО–вирівнююча обмотка; КО–компенсуюча струмова обмотка.

З метою обмеження навантаження генератора застосовують вібраційні регулятори напруги, в яких введена компенсаційна струмова обмотка (КО на рис. 3.4.5). Ця обмотка вмикається в ланцюг якоря генератора. Замість вібраційного регулятора вводять максимальне струмове реле (РМ), яке також працює за принципом дії вібраційного регулятора, але регулює силу струму.

В регуляторі з компенсаційною струмовою обмоткою паралельна та послідовна обмотки повинні створювати намагнічуючу силу (НС) одного напрямку. Зовнішня характеристика генератора при цьому має вигляд похилої кривої. Як правило, при регуляторах напруги зі струмовою обмоткою падіння напруги на генераторі не перевищує 10–15 %, і це робиться для того, щоб батарея не почала розряджатися раніше ніж струм генератора досягне номінальної величини. Дія такого регулятора наступна. Спочатку заряджання батареї регулятор, прагнучи підтримувати напругу постійною, збільшує силу зарядного струму, при цьому послідовна обмотка збільшує намагнічуючу силу сердечника, в результаті цього регулятор починає працювати раніше, ніж у випадку безструмової обмотки. В результаті зарядний струм тримається на пониженому рівні. При збільшенні електрорушійної сили батареї по мірі її заряджання величина заряджаючого струму буде понижатися, в результаті цього намагнічуюча сила послідовної обмотки буде зменшуватись. Контакти регулятора будуть довший час залишатися замкнутими, в результаті цього електрорушійна сила генератора та зарядний струм будуть понижатися менше. Таким чином, регулятор обмежує силу зарядного струму батареї на початку заряджання, а до закінчення – зменшує її не дуже сильно,

Конструкція максимального струмового реле не відрізняється від регулятора напруги, але замість паралельної має послідовну обмотку. Зовнішня характеристика генератора, який працює з максимальним реле та регулятором напруги без струмової обмотки, має вигляд горизонтальної прямої. До тих пір, поки величина струму генератора не перевищує вставки струму максимального реле, працює один регулятор напруги. При перевищенні заданої величини струму починає вібрувати якір максимального реле, яке понижує напругу до величини, при якій сила струму не перевищує струму вставки реле. На цей час регулятор напруги не працює (його контакти замкнуті), оскільки напруга держиться нижче його вставки. При великих перевантаженнях напруга генератора понижується до перетинання з нижчою гілкою зовнішньої характеристики генератора і далі зменшується по цій характеристиці. Оскільки максимальне реле та регулятор напруги працюють не одночасно, то додатковий опір R_д в конструкції регуляторів напруги і струму виконують загальним, а їх контакти з’єднують послідовно.

Тепер розглянемо особливості синхронних генераторів із збудженням від постійних магнітів.

Генератори цього типу мають ротор з полюсами з гарно намагнічуємого алюмінієвонікелевого сплаву (альні) без обмотки, а статор з обмоткою трьохфазного струму. Ці генератори для вітрозарядних агрегатів мають наступні переваги відносно генераторів постійного струму: велика простота конструкції та надійність при використанні, внаслідок відсутності колектора, контактних кілець та обмотки якоря. Це дуже важливо для ВЕУ, які розташовані у віддалених місцях. Відсутні втрати на збудження та менші втрати холостого ходу, завдяки цьому вітроагрегат з генератором даного типу починає працювати при меншій швидкості вітру. Відсутність перешкод радіоприйому внаслідок відсутності іскрячих контактів. Можливість виконання генератора з більш сприятливою для вітродвигуна характеристикою потужності P_г=f(n).

Відсутність обмотки збудження не дозволяє застосовувати для генераторів цього типу жодного зі звичайних методів регулювання напруги способом впливу на силу струму збудження. Регулювання напруги цих генераторів можна здійснювати за допомогою ферорезонансних стабілізаторів напруги, які вмикаються в ланцюг навантаження. Але, як правило, при роботі вітроагрегата з акумуляторною батареєю регулювання напруги на цих генераторах не застосовується, тим більше, що зміна напруги генератора з постійними магнітами при зміні швидкості обертання проходить не так значимо, як у генераторів постійного струму.

Проведемо порівняння режимів роботи вітроагрегата з різними типами генераторів при різних способах регулювання напруги.

Режими роботи генераторів постійного струму при регулюванні напруги на постійну силу струму не відповідають умовам правильного заряджання акумуляторної батареї внаслідок зростання напруги та сили струму генератора в кінці заряджання. Режим напруги у приймачів енергії оказується також несприятливим. Тому, незважаючи на те, що при даному способі регулювання може бути досягнуто краще використання вітродвигуна, застосування подібного регулювання на ВЕУ не можна рекомендувати. Більш доцільним виглядає застосування генераторів з паралельним збудженням та електромагнітними регуляторами напруги зі струмовою компенсацією або максимальним реле, які створюють кращі умови для заряджання батареї та роботи споживачів, незважаючи на те, що використання потужності вітродвигуна виходить тут трохи гіршим. Для порівняння роботи генераторів на заряджання акумуляторів при різних способах регулювання напруги на рис. 3.4.6 показані криві зміни зарядного струму І_з в залежності від тривалості заряджання. Крива 1 відноситься до роботи генератора з регулятором напруги без струмової компенсації і без максимального реле. При цьому має місце занадто великий струм на початку заряджання, при якому генератор перевантажується. Крива 2 відноситься до генератора з регулюванням на постійну силу струму, що дає надмірно великий струм в кінці заряджання [4].

Рис. 3.4.6 Криві змінення зарядного струму батареї відповідно до часу при різних способах регулювання напруги.

Крива 3 відноситься до роботи генератора при регулюванні напруги зі струмовою компенсацією, а крива 4 – при регуляторі напруги, який працює з максимальним реле.

Обидві криві 3 та 4 краще задовольняють умови правильного заряджання батареї, але останній спосіб має перевагу незалежного настроювання вставки напруги та сили струму реле. З точки зору найкращого використання потужності вітродвигуна режими роботи вітродвигуна при наявності регулювання напруги електромагнітним регулятором та без регулювання напруги однакові.

При застосуванні вугільних електромагнітних електрорегуляторів режими роботи генераторів аналогічні відносно до їх режимів роботи з вібраційним регулятором.

Синхронні генератори зі збудженням від постійних магнітів, які використовуються для невеликих потужностей, мають вказані вище переваги використання та забезпечують хороше використання вітродвигуна.

В результаті порівняння застосування для вітроагрегатів, генераторів різних типів та розгляду режимів їх роботи слід зробити висновок, що для малих вітрозарядних агрегатів найбільш доцільним є застосування синхронних генераторів з постійними магнітами, які працюють без регулювання напруги, а для більш потужних установок – застосування генераторів постійного струму з паралельним збудженням та електромагнітними регуляторами напруги [4].

При обмеженому числі вітроагрегатів однакової потужності, які випускаються промисловістю, інколи приходиться установлювати на одній ВЕУ декілька однотипних агрегатів. При паралельній роботі вітроагрегатів з генераторами постійного струму, які мають паралельне збудження, або синхронні генератори, які працюють паралельно з боку випрямленого струму, навантаження порівну розподіляється між ними. Якщо характеристики неоднакові, але напруги при холостому ході рівні, то із рис. 4.4.7 видно, що генератор з пологою характеристикою II буде більш навантаженим, ніж генератор з крутою характеристикою. При відсутності зовнішнього навантаження сумарний зарядний струм батареї визначається точкою перетину горизонтальної лінії напруги на шинах з характеристикою батареї IV (точка а).

Рис. 3.4.7 Зовнішні характеристики двох генераторів, які працюють паралельно на заряджання акумуляторної батареї

Потужність, яку мають вітроагрегати та їх швидкість обертання змінюються в залежності від швидкості вітру. В результаті цього напруга генераторів буде також змінюватись:

Коли U_г>E_б генератори будуть заряджати батарею силою струму в залежності від величини різниці U_г–E_б, при підключенні зовнішнього навантаження воно буде розподілятись між генераторами також у відповідності з розташуванням їх характеристик в даний момент. При недостачі потужності, яку мають вітродвигуни та зниження напруги генераторів до U_г<E_б частина, або все навантаження буде забезпечуватись за допомогою акумуляторної батареї.

ІV. ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ