Дудников В.С.
ВИНТОВЫЕ
ПЕРЕДАЧИ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Загрязнение окружающей среды, уменьшение запасов невозобновляемых энергоносителей, дальнейшее глобальное потепление климата Земли и ухудшение экологической обстановки в промышленно развитых странах мира настойчиво требуют поиска новых энергетических технологий, использование которых не имело бы негативных последствий для экологии и позволило бы использовать возобновляемые источники энергии.
Добыча полезных ископаемых (нефти, газа,
угля, урана и плутония для атомных электростанций) всё больше связывается с
использованием дорогих технологий. В связи с этим было обращено внимание на
такой возобновляемый источник энергии как энергия ветра. Сформировалась
отдельная специальная отрасль техники – ветроэнергетика.
Наиболее актуальными проблемами
современной ветроэнергетики являются:
-
обеспечение длительного функционирования ветроагрегатов;
-
обеспечение эффективного использования энергии ветра;
-
стабилизация частоты вырабатываемой электроэнергии.
Как показала практика эффективность работы
ветроэлектрических установок (ВЭУ) и качество вырабатываемой электроэнергии
зависит от системы управления (регулирования).
Подробный обзор систем управления ВЭУ
приведен в отчёте [1]. Показано, что наибольшее распространение в современных
ВЭУ получила система регулирования путём поворота лопастей ветроколёс (ВК) с
использованием как гидравлических, так и механических (электромеханических)
приводов [2].
Гидравлические механизмы сравнительно
просты в конструктивном отношении, но имеют повышенные габариты и вес, требуют
дополнительный источник внешней энергии, периодических регламентных работ по
устранению утечек масла, при повреждении гидроцилиндров высокого давления
возможны локальные разрушения близлежащих элементов конструкции. Гидравлические
регуляторы требуют постоянной работы масляного насоса и, как следствие,
непроизводительной затраты электроэнергии на обслуживание самой ВЭУ.
Электромеханические же регуляторы, как
правило, затрачивают электроэнергию только в моменты регулирования лопастей.
Электропривод обычно монтируется с передаточными и исполнительными механизмами
в единый блок, с единым корпусом и общими связями, что ещё в большей степени
приводит к сокращению габаритов и веса [3-15].
Конструктивно-компоновочные схемы
электромеханических устройств поворота лопастей могут быть самыми различными.
Так, например, для отечественной ВЭУ-250С автором разработано устройство,
состоящее из двух идентичных преобразователей вращательного движения в
поступательное на базе шариковинтовой передачи. Оба преобразователя соединены
между собой жёстким кронштейном, образуя жёсткую ферму, замыкающую на себя
реактивные моменты, действующие на корпуса. Система управления, используя
показания фотоэлектрических датчиков положения и скоростей, позволяет
синхронизировать работу двух преобразователей, исключая перекос тянущих усилий.
Электродвигатель с двухступенчатым цилиндрическим редуктором закреплён сбоку на
корпусе преобразователя и через прорезь в корпусе соединён с вращающимся винтом
винтовой передачи. Такая компоновочная схема (параллельная установка винтового
преобразователя и двигателя с редуктором) позволила максимально сократить
осевой габарит всего устройства и была продиктована общей компоновочной схемой
всего ВЭУ [7].
Для ВЭУ-500 устройство поворота лопастей
выполнено моноблочным и соосным с последовательным расположением винтового
преобразователя, планетарного редуктора и двигателя. Более того, большая часть
корпуса преобразователя располагалась внутри пустотелого вала зубчатого
мультипликатора, связывающего ветроколесо с электрогенератором. Невращающаяся
гайка установлена в поступательно перемещающемся штоке, который через
разделительную подшипниковую муфту соединён с вращающейся вместе со ступицей
ветроколеса управляющей штангой, поворачивающей лопасти [12].
Подобная соосная конструкция реализована в
ВЭУ USW 56-100 [9-11]. Однако, в отличие от предыдущих конструкций, невращающийся
винт передачи винт-гайка трения скольжения жёстко закреплён на управляющей
штанге, поворачивающей лопасти при своём поступательном перемещении в шлицевом
соединении относительно ступицы ветроколеса.
Гайка передачи винт-гайка через червячный
несамотормозящийся редуктор соединена с реверсируемым электродвигателем. Кроме
того, между гайкой и винтом установлен электромагнитный тормоз, выполненный по
схеме «нормально - закрыт».
Так как винт вращается вместе с
ветроколесом, а гайка только в моменты управления углом установки лопастей, то
суммарная относительная угловая скорость вращения винта и гайка определяется
как сумма или разность угловых скоростей ветроколеса и редуцированной угловой
скорости двигателя. В результате гайка навинчивается или, наоборот,
свинчивается с винта, вызывая его осевое перемещение, приводящее к
соответствующему изменению угла установки лопастей. После достижения нужного
угла установки лопастей подаётся команда на отключение двигателя и тормоза.
Тормоз жёстко соединяет между собой винт и гайку. Они вращаются совместно с
угловой скоростью ветроколеса. Через каждые 3,2 с производится замер
фактического угла установки лопастей и в случае необходимости подаётся команда
на корректировку его значения. При этом подаётся напряжение на тормоз и
двигатель. Гайка и винт начинают вращаться друг относительно друга в нужном
направлении, винт перемещается поступательно, поворачивая лопасти.
Как показала практика, именно винтовая
передача является звеном, определяющим работоспособность электромеханических
устройств поворота лопастей ветроколёс.
Литература
1. Розробка методів розрахунку динаміки та міцності вітроелектричних установок
при перехідних процесах та виконавчих регуляторів з метою підвищення
ефективності ВЕУ в умовах України: звіт про НДР (заключ.) / Дніпропетровський
національний університет (ДНУ); керівник Дудніков В.С.-Д.: 1998.-174 с. - №ДР
0197V000641.
2. Розробка теоретичних основ енергозберігаючих технологій у тепло- і
вітроенергетиці: звіт про НДР (заключ.) / Дніпропетровський національний
університет (ДНУ); керівник Приходько О.А.-Д.: 2002.-280 с. - №ДР 0100V001912.
3. Дудников В.С.
Экспериментальные исследования электромеханических устройств поворота лопастей
ветроколес ветроэлектрических установок / В.С. Дудников, Ю.В. Браженко, Е.А. Макаренков
// Устойчивое развитие: загрязнение окружающей среды и экологическая
безопасность: тез. докладов Первой междунар. научно-практ. конф.
Днепропетровск, 4-8 декабря 1995 г.-Д.: ДДУ,1995.- С. 32.
4. Макаренков А.Г.
Ветроэнергетические установки, тенденции их развития в Украине / А.Г.
Макаренков // Устойчивое развитие: загрязнение окружающей среды и экологическая
безопасность: тез. докладов Первой междунар. научно-практ. конф.
Днепропетровск, 4-8 декабря 1995 г.-Д.: ДДУ,1995.- С. 24.
5. Дудников В.С. Теоретические
основы и результаты проектно-конструкторских разработок электромеханических
устройств поворота лопастей ветроколес ветроэнергетических установок / В.С.
Дудников, А.Г. Макаренков // Устойчивое развитие: загрязнение окружающей среды
и экологическая безопасность: тез. докладов Первой междунар. научно-практ.
конф. Днепропетровск, 4-8 декабря 1995г.-Д.: ДДУ,1995.- С. 30.
6. Дудников В.С.
Сравнительная характеристика гидравлических и электромеханических регуляторов
поворота лопастей ветроколес ветроэлектрических установок /В.С. Дудников//Наука
і освіта - 2000. Тези доп. III МК 1-15 лютого 2000 р. Т.6.-Д.: Наука і освіта, 2000. С.13-14.
7. Дудников В.С.
Электромеханический регулятор поворота лопастей ветроколеса для ВЭУ-250С / В.С.
Дудников // Наука і освіта-2000. Тези доп. III МК 1-15 лютого 2000р.Т.6.-Д.:Наука і освіта, 2000.-с.14-15.
8. Дудников В.С. Методика
выбора основных проектных параметров электромеханического регулятора положения
лопастей ветроколес ветроэлектрических установок / В.С. Дудников // Наука і освіта - 2001. Тези доповідей четвертої міжнародної конференції. 1-15
лютого 2001 р. Т.13.-Д.: Наука і освіта, 2001.- С. 26-27.
9. Дудников В.С.
Принципиальное устройство ВЭУ USW56-100 / В.С. Дудников
// Динаміка наукових досліджень. Тези доп. МНПК. Т.11.-Д.:
Наука і освіта, 2002.- С. 11-13.
10. Дудников В.С.
Модернизированный вариант электромеханического регулятора поворота лопастей ВЭУ
USW56-100 / В.С. Дудников // Динаміка
наукових досліджень. Тези доп. МНПК.28 жовтня-4 листопада
2002 р. Т.11.-Д.: Наука і освіта, 2002.- С. 10-11.
11. Дудников В.С.
Расшифровка основных проектных параметров электромеханического регулятора
поворота лопастей ВЭУ USW56-100 / В.С. Дудников
// Динаміка наукових досліджень. Тези доп. МНПК. 28 жовтня - 4 листопада 2002 р .Т.11.-Д.: Наука і освіта, 2002.- С.
13-14.
12. Дудников В.С. Электромеханический
регулятор поворота лопастей ветроколеса ветроэлектрической установки ВЭУ-500 /
В.С. Дудников, Е.Г. Гейда // Динаміка наукових
досліджень. Тези доп. МНПК.28 жовтня-4 листопада 2002 р. Т.11.-Д.: Наука і
освіта, 2002.- С. 16-17.
13. Дудников В.С. Привод
тормоза ветроколеса ветроэнергетического агрегата АВЭ-500 / В.С. Дудников // Науковий потенціал світу-2004. Тези доп. I МНПК 1-15 листопада 2004 р.Т.77.-Д.:Наука і освіта, 2004.-С.24-25.
14. Дудников В.С.Цеховые испытания
модернизированного варианта электромеханического регулятора поворота лопастей
ВЭУ USW56-100 / В.С. Дудников // Науковий
потенціал світу-2004. Тези доп. І МНПК 1-15 листопада 2004 р. Т.77.-Д.: Наука і
освіта, 2004.-С. 25-27.
15. Дудников В.С. Обзор систем регулирования ветроэлектрических агрегатов / В.С. Дудников
// Наука і освіта 2005. Тези доп. VIII МНПК
7-21 листопада 2005 р. Т.61.-Д.: Наука і освіта-2005.-С. 34-35.