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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Usina eólica baseada em um motor elétrico assíncrono. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Os problemas da energia barata excitam as mentes de muitos. Eles também não me pouparam. Mas, como se viu, o problema é o começo. Problemas no projeto e construção da estação surgiram quase imediatamente. Aqui estão apenas alguns deles: "Qual gerador usar?", "Como conseguir a estabilidade da tensão de saída com fortes mudanças no vento, cuja velocidade varia de 2 a 25, ou mesmo 30 m / s?" , "O que fazer quando o vento desaparecer completamente?", Como descarregar uma turbina eólica durante fortes tempestades e furacões?", "O que fazer nos casos em que há vento, mas a energia não é usada ou, inversamente, quando a energia é necessária, mas não há vento?", "Como economizar e usar o excesso de energia de forma mais eficiente?" e, por fim, "Qual projeto de "moinho de vento" é melhor?". Ambos os geradores de automóveis e motores síncronos foram usados como gerador. Mas ambas as opções têm a mesma desvantagem: é necessária uma velocidade muito alta do rotor da turbina eólica, o que, por sua vez, leva a um aumento na relação de transmissão da caixa de câmbio e, portanto, a um aumento nas dimensões da asa eólica. Isso também adiciona uma grande instabilidade de frequência e a dificuldade de estabilização confiável da tensão de saída e, no caso de usar um motor síncrono, também grandes dimensões e peso. Durante uma longa pesquisa, foi dada preferência a um gerador baseado em um motor assíncrono com rotor de gaiola de esquilo. As vantagens deste gerador são verdadeiramente impressionantes: pequenas dimensões e peso com uma potência suficientemente grande; não há necessidade de tensão de excitação; se você usar um motor de baixa velocidade, a potência do rotor poderá ser reduzida; a frequência de saída é praticamente independente da velocidade de rotação do rotor do gerador. No entanto, há uma desvantagem significativa: este gerador não pode ser sobrecarregado. O circuito para ligar um motor assíncrono com rotor de gaiola de esquilo é mostrado na Fig. 1.
Características técnicas da turbina eólica:
Quando o rotor do motor gira, o campo magnético residual atua em um dos enrolamentos do estator. Nesse caso, surge uma pequena corrente elétrica, que carrega um dos capacitores C1-C3. Devido ao fato de que a fase da tensão no capacitor está atrasada em 90 °, surge um campo magnético de magnitude já maior no rotor, que atua no próximo enrolamento. Conseqüentemente, o próximo capacitor será carregado com uma tensão mais alta. Este processo continua até que o rotor do gerador entre em saturação (1...1,5 s). Depois disso, você pode ligar a máquina B2 e usar a energia gerada pelo gerador. Além disso, para operação normal do motor no modo gerador, a potência de carga não deve ser superior a 80% do motor usado como gerador. Os 20% restantes são usados para manter a tensão nos capacitores, ou seja, mantendo o gerador funcionando. Se esta condição for excedida, a tensão nos capacitores desaparecerá, o que significa que o campo magnético na armadura também desaparecerá, o que levará ao desaparecimento da tensão nos terminais da máquina B2. E isso acontece quase instantaneamente. Isso tem sua desvantagem e sua vantagem. A desvantagem é que a reenergização só é possível quando a causa da sobrecarga é eliminada e o disjuntor B2 é desligado. O gerador entrará novamente no modo de operação (após 1...1,5 s). Depois disso, você pode ligar o B2 e usar energia. A vantagem é o fato de ser quase impossível queimar o gerador, pois a tensão em seus terminais desaparece instantaneamente, em 0,1 ... 0,5 s. A tensão de saída tem uma forma senoidal e é totalmente adequada para uso posterior. A frequência de saída do gerador é de 46...60 Hz, que na maioria dos casos é suficiente para uso doméstico. Devido à instabilidade da tensão na saída do gerador, foi necessário fazer estabilizador. Algumas palavras sobre capacitores adicionais. A tabela mostra a capacitância dos capacitores por quilowatt de potência do motor instalada e para trabalhar com carga - capacitância adicional por quilowatt de carga. Por exemplo, existe um motor de 3 kW. É suposto conectar uma carga reativa (motor elétrico, máquina de solda ...) com uma potência total de aproximadamente 2 kW. Ao mesmo tempo, queremos entre as fases 380 V. Isso significa que a capacitância do capacitor C1 será (3x5) + (2x6) microfarads. Como C1 \u2d C3 \u30d C450, precisamos de três capacitores com capacidade de 630 microfarads. Se não houver capacitor com a capacitância necessária, capacitores de capacitância menor podem ser conectados em paralelo. Os capacitores devem ser de papel ou papel metálico para uma tensão de pelo menos 220 V e, de preferência, 127 V. Pela minha experiência, posso dizer que é melhor ligar o gerador para tensão entre fases de 45 V e entre zero e fase XNUMX V. Isso se deve ao fato de que, para operação normal do gerador, o desequilíbrio de fase não deve exceder XNUMX °. A fiação neste caso pode ser feita de acordo com o diagrama mostrado na Fig. 2. Com este esquema, é possível descarregar o gerador o máximo possível.
Além disso, é melhor alimentar lâmpadas incandescentes e alguns dispositivos de aquecimento com corrente contínua. O gerador deve usar um motor de gaiola de esquilo de baixa velocidade. Um motor de 360-720 rpm é melhor, mas um motor de 910 rpm serve. Isso se deve à necessidade de girar o rotor cerca de duas vezes a velocidade indicada no passaporte do motor e à diminuição da relação de transmissão da caixa de câmbio. A própria turbina eólica pode ser feita de acordo com qualquer esquema conveniente para você. Proponho a seguinte construção. A turbina eólica é uma combinação dos rotores Dare e Savonius, que é ligeiramente simplificada e refinada. O princípio de operação é mostrado na Fig. 3 e não precisa de explicação.
A turbina eólica (Fig. 4) consiste em uma asa eólica 1, suporte 2 e o próprio gerador 3. O suporte é rigidamente concreto e reforçado com três cabos de tensão 4. O suporte pode ser feito de madeira, concreto, metal.
Você pode usar um suporte que é usado para transmitir eletricidade ou uma pilha. Como extensões, é melhor usar um cabo de aço com diâmetro de 6 ... 9 mm ou um fio de aço com diâmetro de 10 ... 12 mm. As muletas para as quais as estrias são fixadas também precisam ser bem cimentadas. A estrutura das asas de uma turbina eólica pode ser feita de tubos com diâmetro de 1 polegada, seu desenho é mostrado na Fig. 5.
Os ailerons podem ser feitos de uma barra de aço com diâmetro de 6 mm. Um tubo de paredes grossas com um diâmetro de 2...2,5 polegadas foi usado como eixo de acionamento, com um eixo de 300...400 mm de comprimento pressionado em sua extremidade inferior. Uma ranhura para a polia é feita na extremidade inferior do eixo. Os rolamentos são tomados esféricos com grampos cônicos marca 2000810 com alojamentos correspondentes. Após a montagem, a asa deve ser balanceada. A asa montada é fixada ao suporte de qualquer maneira conveniente, mas o principal é que a fixação seja suficientemente rígida e confiável. Verificou-se experimentalmente que o melhor material para embrulhar a asa é um filme de polietileno com espessura de 80 ... 120 mícrons. É bastante forte, leve e barato, e permite abandonar o mecanismo de freio, o que, aliás, é inaceitável neste aparelho, pois a asa será destruída com ventos fortes. É necessário cobrir com filme plástico em várias camadas, soldando nas costuras com ferro de solda através de um pedaço de filme de polipropileno. Eu recomendo que você pratique a soldagem primeiro. A costura soldada deve ser uniforme e forte. A asa, claro, pode ser coberta com outros materiais, como lona, compensado ou até metal, mas é preciso pensar em um dispositivo que permita descarregá-la com ventos fortes. A cobertura com metal ou compensado não é recomendada devido ao aumento da massa da asa. A própria moldura pode ser feita de duralumínio, o que reduzirá seu peso, mas esse material é mais caro. Também foi testada uma asa de ripas de pinho com seção de 50x50 mm, mas o resultado não foi muito bom, pois se despedaçou no primeiro vento forte. Uma caixa de engrenagens é usada para acionar o eixo do gerador. Você pode usar uma caixa de câmbio de qualquer sistema, exceto uma engrenagem helicoidal. Como já mencionado, o eixo do gerador deve ser girado cerca do dobro da velocidade, e o eixo da turbina eólica gira a uma velocidade de 500 rpm com uma velocidade do vento de 5 m / s. Daí a restrição dos motores usados como gerador. Um motor de 360 rpm pode ser a melhor opção, mas um motor de 720 rpm também pode ser usado. Ao usar um motor de 910 rpm, você precisa aumentar a altura da asa em 500 mm. Não é recomendável aumentar a largura da asa, pois isso reduzirá a velocidade de rotação, também não deve ser reduzida, pois com o aumento da velocidade de rotação, a potência diminuirá muito e a lei da diminuição não é linear. Ao selecionar uma caixa de engrenagens, você deve se guiar pela seguinte regra: para a velocidade nominal da asa do aerogerador, você precisa tomar o valor de 500 rpm, que corresponde a uma velocidade do vento de 5 m/s, a velocidade do eixo do motor aumenta em 2,3, então, por cálculos simples, obtemos o coeficiente de transmissão A opção de fixação do gerador ao suporte por meio de um redutor de correia é mostrada na Fig.6. O suporte em si é fácil de prender ao suporte usando seis pinos. Com um redutor de engrenagem, a montagem é muito mais fácil.
Eu não recomendo fazer o eixo da turbina eólica muito longo, pois ele pode simplesmente ser torcido. A instalação da turbina eólica deve ser realizada com tempo calmo, usando cintos de segurança e garras de montagem. Toda a estrutura deve ser aterrada. A resistência de aterramento não deve ser superior a 2 ohms. Ao pé, você precisa instalar um gabinete no qual é necessário colocar capacitores C1-C3, autômatos B1-B2, diodos V1-V6, um estabilizador de tensão, uma máquina de controle, quatro baterias e um poderoso conversor de tensão para fornecer eletricidade durante tempos calmos. O controle automático fornece comutação de circuitos de alimentação dependendo da carga e velocidade do vento. Um poderoso conversor de voltagem fornece carregamento da bateria enquanto o gerador está em marcha lenta, bem como fornecimento de energia das baterias na ausência de vento ou uma voltagem muito baixa no gerador. Quando não há vento e as baterias estão descarregadas, o controle automático fornece alimentação da rede padrão. Infelizmente, o controle automático e um poderoso conversor de tensão não estão incluídos no escopo deste artigo. O cabo usado para conectar o gerador e o gabinete de energia deve ser trifásico com uma seção transversal do núcleo não superior a 4 mm2. Os cabos utilizados para conectar o gabinete aos consumidores podem ser os mesmos. A barra de aterramento deve ter uma seção transversal de pelo menos 12 mm2. Atenção! Todos os trabalhos de instalação de instalações elétricas devem ser realizados com a máquina B1 desligada e os capacitores C1-C3 descarregados. Muitos problemas ainda não puderam ser resolvidos. Por exemplo, como armazenar energia não utilizada para que possa ser usada em momentos de calmaria? Baterias comuns de chumbo e alcalinas não apresentaram os melhores resultados. Espero que os leitores também se interessem por esse problema e que uma solução ainda seja encontrada. Este gerador pode ser conectado a um motor de combustão interna e usado como gerador de lastro. No entanto, o combustível para esses motores ainda precisa ser comprado, e isso não é muito lucrativo. As capacitâncias dos capacitores incluídos nas fases, em microfarads por 1 kW de potência, são dadas na tabela:
Autor: V. V. Chirka
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