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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Windkraftanlage auf Basis eines asynchronen Elektromotors. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Probleme der billigen Energie beschäftigen viele. Sie haben mich auch nicht ignoriert. Aber wie sich herausstellte, hatte der Ärger gerade erst begonnen. Während der Planung und des Baus der Station tauchten fast sofort Fragen auf. Hier nur einige davon: „Welcher Generator soll verwendet werden?“, „Wie erreicht man eine Stabilität der Ausgangsspannung bei starken Windänderungen, deren Geschwindigkeit zwischen 2 und 25 oder sogar 30 m/s liegt?“, „Was tun, wenn der Wind ganz verschwindet?“, Wie entlädt man eine Windkraftanlage bei starken Stürmen und Hurrikanen?“, „Was tun, wenn es Wind gibt, aber keine Energie verbraucht wird, oder umgekehrt, wenn Energie benötigt wird, aber kein Wind weht?“, „Wie um überschüssige Energie effizienter einzusparen und zu nutzen?“ und schließlich: „Welches Design der „Windmühle“ selbst ist besser?“ Als Generatoren kamen sowohl Autogeneratoren als auch Synchronmotoren zum Einsatz. Beide Optionen haben jedoch den gleichen Nachteil: Die Rotordrehzahl der Windkraftanlage muss zu hoch sein, was wiederum zu einer Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses und damit zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Windflügels führt. Dies führt auch zu einer größeren Frequenzinstabilität und der Schwierigkeit, die Ausgangsspannung zuverlässig zu stabilisieren, und im Falle der Verwendung eines Synchronmotors auch zu großen Abmessungen und Gewicht. Bei einer langen Suche wurde einem Generator auf Basis eines Asynchronmotors mit Käfigläufer der Vorzug gegeben. Die Vorteile dieses Generators sind wirklich beeindruckend: geringe Abmessungen und Gewicht bei ausreichend hoher Leistung; keine Erregerspannung erforderlich; Wenn Sie einen Motor mit niedriger Drehzahl verwenden, kann die Rotorleistung reduziert werden. Die Ausgangsfrequenz ist praktisch unabhängig von der Drehzahl des Generatorrotors. Allerdings gibt es einen wesentlichen Nachteil: Dieser Generator kann nicht überlastet werden. Der Anschlussplan für einen Asynchronmotor mit Käfigläufer ist in Abb. 1 dargestellt.
Technische Eigenschaften der Windkraftanlage:
Wenn sich der Motorrotor dreht, wirkt ein Restmagnetfeld auf eine der Statorwicklungen. Dabei entsteht ein kleiner elektrischer Strom, der einen der Kondensatoren C1-C3 auflädt. Dadurch, dass die Phase der Spannung am Kondensator um 90° nacheilt, entsteht am Rotor ein Magnetfeld größerer Stärke, das auf die nächste Wicklung wirkt. Dementsprechend wird der nächste Kondensator mit einer höheren Spannung geladen. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Generatorrotor in die Sättigung eintritt (1...1,5 s). Danach können Sie die B2-Maschine einschalten und die vom Generator erzeugte Energie nutzen. Darüber hinaus sollte für den normalen Betrieb des Motors im Generatorbetrieb die Lastleistung nicht mehr als 80 % der als Generator genutzten Motorleistung betragen. Die restlichen 20 % dienen der Aufrechterhaltung der Spannung an den Kondensatoren, d.h. Aufrechterhaltung des betriebsbereiten Zustands des Generators. Wenn dieser Zustand überschritten wird, verschwindet die Spannung an den Kondensatoren, was bedeutet, dass auch das Magnetfeld am Anker verschwindet, was zum Verschwinden der Spannung an den Klemmen der B2-Maschine führt. Darüber hinaus geschieht dies fast augenblicklich. Das hat seinen Nachteil und seinen Vorzug. Der Nachteil besteht darin, dass ein erneutes Anlegen der Spannung nur möglich ist, wenn die Ursache der Überlastung beseitigt ist und der Leistungsschalter B2 ausgeschaltet ist. Der Generator geht wieder in den Betriebsmodus (in 1...1,5 s). Danach können Sie B2 einschalten und die Energie nutzen. Der Vorteil besteht darin, dass ein Durchbrennen des Generators nahezu unmöglich ist, da die Spannung an seinen Anschlüssen sofort verschwindet, innerhalb von 0,1 bis 0,5 s. Die Ausgangsspannung hat eine Sinusform und ist für eine weitere Verwendung uneingeschränkt geeignet. Die Ausgangsfrequenz des Generators beträgt 46...60 Hz, was in den meisten Fällen für den Heimgebrauch ausreichend ist. Aufgrund der Instabilität der Spannung am Generatorausgang war eine Herstellung erforderlich Stabilisator. Ein paar Worte zu zusätzlichen Kondensatoren. Die Tabelle zeigt die Kondensatorkapazität pro Kilowatt installierter Motorleistung und für den Betrieb mit Last die zusätzliche Kapazität pro Kilowatt Last. Beispielsweise gibt es einen 3-kW-Motor. Es soll eine Blindlast (Elektromotor, Schweißgerät...) mit einer Gesamtleistung von ca. 2 kW anschließen. In diesem Fall möchten wir, dass zwischen den Phasen 380 V anliegen. Das bedeutet, dass die Kapazität des Kondensators C1 (3x5) + (2x6) Mikrofarad beträgt. Da C1=C2=C3, benötigen wir drei Kondensatoren mit einer Kapazität von 30 μF. Wenn kein Kondensator mit der erforderlichen Kapazität vorhanden ist, können Kondensatoren mit geringerer Kapazität parallel geschaltet werden. Kondensatoren müssen aus Papier oder Metallpapier für eine Spannung von mindestens 450 V und besser 630 V bestehen. Aus eigener Erfahrung kann ich sagen, dass es am besten ist, den Generator bei einer Spannung zwischen den Phasen von 220 V einzuschalten, und zwischen Null und Phase 127 V. Dies liegt daran, dass bei normalem Betrieb des Generators die Phasenunsymmetrie 45° nicht überschreiten sollte. In diesem Fall kann die elektrische Verkabelung gemäß dem in Abb. 2 dargestellten Schema erfolgen. Mit diesem Schema ist es möglich, den Generator so weit wie möglich zu entlasten.
Darüber hinaus ist es besser, Glühlampen und einige Heizgeräte mit Gleichstrom zu betreiben. Für den Generator ist die Verwendung eines langsam laufenden Motors mit Käfigläufer erforderlich. Am besten verwenden Sie einen Motor mit 360...720 U/min, es eignet sich aber auch ein Motor mit 910 U/min. Dies wird durch die Notwendigkeit verursacht, den Rotor mit etwa der doppelten Drehzahl zu drehen, die im Motordatenblatt angegeben ist, und durch eine Reduzierung der Übersetzung des Getriebes. Die Installation des Windgenerators selbst kann nach jedem für Sie geeigneten Schema erfolgen. Ich schlage folgenden Entwurf vor. Die Windkraftanlage ist eine leicht vereinfachte und modifizierte Kombination aus Dare- und Savonius-Rotoren. Das Funktionsprinzip ist in Abb. 3 dargestellt und bedarf keiner Erläuterung.
Die Windkraftanlage (Abb. 4) besteht aus einem Windflügel 1, einem Träger 2 und dem Generator selbst 3. Der Träger ist starr betoniert und mit drei Spannseilen 4 verstärkt. Der Träger kann aus Holz, Beton oder Metall bestehen.
Sie können eine Stütze verwenden, die zum Übertragen von Elektrizität verwendet wird, oder einen Stapel. Als Abspannseile verwenden Sie besser Stahlseile mit einem Durchmesser von 6...9 mm oder Stahldrähte mit einem Durchmesser von 10...12 mm. Auch die Krücken, an denen die Abspannseile befestigt werden, müssen gut betoniert werden. Der Rahmen der Windkraftanlagenflügel kann aus Rohren mit einem Durchmesser von 1 Zoll hergestellt werden, seine Zeichnung ist in Abb. 5 dargestellt.
Querruder können aus Stahlstangen mit einem Durchmesser von 6 mm hergestellt werden. Als Antriebswelle diente ein dickwandiges Rohr mit einem Durchmesser von 2...2,5 Zoll, in dessen unteres Ende eine 300...400 mm lange Welle eingepresst war. Am unteren Ende der Welle befindet sich eine Nut für die Riemenscheibe. Die Lager sind sphärisch mit konischen Klemmen der Marke 2000810 mit entsprechenden Gehäusen. Nach der Montage muss der Flügel ausgewuchtet werden. Der zusammengebaute Flügel wird auf beliebige Weise an der Stütze befestigt. Hauptsache ist jedoch, dass die Befestigung ausreichend steif und zuverlässig ist. Es wurde experimentell festgestellt, dass das beste Material zur Abdeckung des Flügels eine Polyethylenfolie mit einer Dicke von 80...120 Mikrometern ist. Es ist ziemlich langlebig, leicht und billig, sodass Sie auf den Bremsmechanismus verzichten können, was bei diesem Gerät übrigens inakzeptabel ist, da bei starkem Wind der Flügel zerstört wird. Sie müssen es in mehreren Schichten mit Polyethylenfolie abdecken und die Nähte mit einem Lötkolben durch ein Stück Polypropylenfolie löten. Ich empfehle, zunächst das Löten zu üben. Die Schweißnaht muss glatt und fest sein. Der Flügel kann natürlich mit anderen Materialien wie Segeltuch, Sperrholz oder sogar Metall abgedeckt werden, aber Sie müssen über eine Vorrichtung nachdenken, die es ermöglicht, ihn bei starkem Wind zu entladen. Eine Abdeckung mit Metall oder Sperrholz wird aufgrund der erhöhten Masse des Flügels nicht empfohlen. Der Rahmen selbst kann aus Duraluminium bestehen, was das Gewicht reduziert, allerdings ist dieses Material teurer. Auch ein Flügel aus Kiefernholzlatten mit einem Querschnitt von 50x50 mm wurde getestet, das Ergebnis war jedoch nicht sehr gut, da er beim ersten starken Wind in Stücke gerissen wurde. Der Antrieb der Generatorwelle erfolgt über ein Getriebe. Sie können ein Getriebe jedes beliebigen Systems außer einem Schneckengetriebe verwenden. Wie bereits erwähnt, muss die Generatorwelle mit etwa der doppelten Geschwindigkeit gedreht werden, und die Welle der Windkraftanlage dreht sich bei einer Windgeschwindigkeit von 500 m/s mit einer Geschwindigkeit von 5 U/min. Daher die Beschränkung auf die als Generator verwendeten Motoren. Ein Motor mit 360 U/min ist möglicherweise die beste Option, es kann jedoch auch ein Motor mit 720 U/min verwendet werden. Bei Verwendung eines 910 U/min-Motors muss die Flügelhöhe um 500 mm erhöht werden. Es wird nicht empfohlen, die Breite des Flügels zu vergrößern, da dadurch die Rotationsgeschwindigkeit verringert wird; sie sollte auch nicht verringert werden, da mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit die Leistung stark abnimmt und das Reduktionsgesetz nichtlinear ist. Bei der Auswahl eines Getriebes müssen Sie sich an folgender Regel orientieren: Für die Nenngeschwindigkeit des Windkraftanlagenflügels müssen Sie den Wert von 500 U/min annehmen, was einer Windgeschwindigkeit von 5 m/s entspricht, also der Drehung der Motorwelle Wenn sich die Geschwindigkeit um 2,3 erhöht, erhalten wir mit einfachen Berechnungen den Übertragungskoeffizienten Eine Möglichkeit, den Generator mithilfe eines Riemenreduzierers an einer Stütze zu befestigen, ist in Abb. 6 dargestellt. Die Halterung selbst lässt sich einfach mit sechs Bolzen an der Stütze befestigen. Mit einem Untersetzungsgetriebe ist die Montage viel einfacher.
Ich empfehle nicht, die Welle der Windkraftanlage zu lang zu machen, da sie sonst einfach verdreht werden kann. Die Montage der Windkraftanlage muss bei ruhigem Wetter unter Verwendung von Sicherheitsgurten und Montagekrallen erfolgen. Die gesamte Struktur muss geerdet sein. Der Erdungswiderstand sollte nicht mehr als 2 Ohm betragen. Am Fuß müssen Sie einen Schrank installieren, in dem Sie die Kondensatoren C1-C3, Leistungsschalter B1-B2, Dioden V1-V6, einen Spannungsstabilisator, eine Steuermaschine, vier Batterien und einen leistungsstarken Spannungswandler zur Stromversorgung unterbringen müssen Zeiten der Ruhe. Die automatische Steuerung sorgt für eine last- und windgeschwindigkeitsabhängige Umschaltung der Stromkreise. Ein leistungsstarker Spannungswandler lädt die Batterien, wenn der Generator im Leerlauf ist, und versorgt das Netz über die Batterien, wenn kein Wind weht oder die Spannung am Generator sehr niedrig ist. Bei Windstille und entladenen Batterien liefert die automatische Steuerung Energie aus dem Standardnetz. Die automatische Steuereinheit und ein leistungsstarker Spannungswandler gehen leider über den Rahmen dieses Artikels hinaus. Das zur Verbindung von Generator und Schaltschrank verwendete Kabel muss dreiphasig sein und einen Aderquerschnitt von maximal 4 mm2 haben. Die Kabel, die den Schrank mit den Verbrauchern verbinden, können identisch sein. Die Erdungsschiene muss einen Querschnitt von mindestens 12 mm2 haben. Aufmerksamkeit! Alle Arbeiten zur Installation elektrischer Anlagen müssen bei ausgeschaltetem Leistungsschalter B1 und entladenen Kondensatoren C1-C3 durchgeführt werden. Viele Probleme konnten noch immer nicht gelöst werden. Wie kann beispielsweise ungenutzte Energie gespeichert werden, um sie in ruhigen Zeiten nutzen zu können? Gewöhnliche Blei- und Alkalibatterien zeigten nicht die besten Ergebnisse. Ich hoffe, dass sich die Leser auch für dieses Problem interessieren und dennoch eine Lösung gefunden wird. Dieser Generator kann an einen Verbrennungsmotor angeschlossen und als Vorschaltgerät verwendet werden. Allerdings muss für solche Motoren noch Treibstoff zugekauft werden, was wenig rentabel ist. Die Kapazitäten der in den Phasen enthaltenen Kondensatoren in Mikrofarad pro 1 kW Leistung sind in der Tabelle angegeben:
Autor: V.V. Chirka
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