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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 비동기식 전기 모터를 기반으로 한 풍력 발전소. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
값싼 에너지 문제는 많은 사람들의 마음을 자극합니다. 그들도 나를 무시하지 않았습니다. 그러나 알고 보니 문제는 이제 막 시작되었습니다. 역 설계 및 건설 과정에서 질문이 거의 즉시 발생했습니다. 다음은 그 중 몇 가지입니다. "어떤 발전기를 사용할 것인가?", "속도가 2~25m/s, 심지어 30m/s인 바람의 강한 변화 중에 출력 전압의 안정성을 달성하는 방법은 무엇입니까?", “바람이 완전히 사라지면 어떻게 해야 하나요?”, 강한 폭풍과 허리케인이 발생할 때 풍력 터빈을 내리는 방법은 무엇입니까?”, “바람이 있지만 에너지가 사용되지 않는 경우 또는 반대로 에너지가 필요하지만 바람이 없는 경우 어떻게 해야 합니까?”, “어떻게 해야 합니까? 남는 에너지를 더 효율적으로 절약하고 사용하려면?', 마지막으로 '풍차' 자체의 디자인은 어떤 것이 더 좋은가? 자동차 발전기와 동기 모터가 모두 발전기로 사용되었습니다. 그러나 두 옵션 모두 동일한 단점이 있습니다. 풍력 터빈 로터 속도가 너무 높아야 하고 이로 인해 기어비가 증가하여 윈드 윙의 크기가 증가합니다. 이는 또한 더 큰 주파수 불안정성과 출력 전압을 안정적으로 안정화하는 데 어려움을 가중시키며, 동기식 모터를 사용하는 경우 크기와 무게도 커집니다. 오랜 검색 기간 동안 농형 회전자가 있는 비동기식 모터를 기반으로 한 발전기가 선호되었습니다. 이 발전기의 장점은 정말 인상적입니다. 작은 크기와 무게, 충분히 높은 출력; 여기 전압이 필요하지 않습니다. 저속 엔진을 사용하면 로터 출력이 줄어들 수 있습니다. 출력 주파수는 발전기 회 전자의 회전 속도와 실질적으로 독립적입니다. 그러나 중요한 단점이 있습니다. 이 발전기는 과부하가 불가능합니다. 농형 회전자가 있는 비동기 모터의 연결 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다.
풍력 터빈의 기술적 특성:
모터 회 전자가 회전하면 고정자 권선 중 하나에 잔류 자기장이 작용합니다. 이 경우 작은 전류가 발생하여 커패시터 C1-C3 중 하나를 충전합니다. 커패시터의 전압 위상이 90° 뒤처져 있기 때문에 더 큰 크기의 자기장이 회전자에 나타나며 이는 다음 권선에 작용합니다. 따라서 다음 커패시터는 더 높은 전압으로 충전될 것이다. 이 과정은 발전기 회전자가 포화 상태(1~1,5초)에 들어갈 때까지 계속됩니다. 그런 다음 B2 기계를 켜고 발전기에서 생성된 에너지를 사용할 수 있습니다. 또한 발전기 모드에서 엔진이 정상적으로 작동하려면 부하 전력이 발전기로 사용되는 엔진의 80%를 넘지 않아야 합니다. 나머지 20%는 커패시터의 전압을 유지하는 데 사용됩니다. 발전기를 작동 상태로 유지합니다. 이 조건을 초과하면 커패시터의 전압이 사라지고 이는 전기자의 자기장도 사라지고 B2 기계 단자의 전압이 사라지는 것을 의미합니다. 게다가 이것은 거의 즉시 발생합니다. 이것은 단점도 있고 장점도 있습니다. 단점은 과부하 원인이 제거되고 B2 차단기가 꺼진 상태에서만 전압 재인가가 가능하다는 점이다. 발전기는 다시 작동 모드로 들어갑니다(1~1,5초 후). 이후 B2를 켜서 에너지를 사용할 수 있습니다. 장점은 단자의 전압이 0,1~0,5초 이내에 즉시 사라지기 때문에 발전기 연소가 거의 불가능하다는 것입니다. 출력 전압은 정현파 모양을 가지며 추가 사용에 완벽하게 적합합니다. 발전기의 출력 주파수는 46~60Hz이며 대부분의 경우 가정용으로 충분합니다. 발전기 출력의 전압이 불안정하기 때문에 제조가 필요했습니다. 안정제. 추가 커패시터에 대한 몇 마디. 표에는 설치된 모터 전력의 킬로와트당 커패시터 용량과 부하 작동 시 각 부하 킬로와트에 대한 추가 커패시턴스가 표시됩니다. 예를 들어 3kW 모터가 있습니다. 총 전력이 약 2kW인 반응 부하(전기 모터, 용접기...)를 연결해야 합니다. 이 경우 위상 사이에 380V가 있어야 하며 이는 커패시터 C1의 커패시턴스가 (3x5) + (2x6) 마이크로패럿이 됨을 의미합니다. C1=C2=C3이므로 30μF 용량의 커패시터 450개가 필요합니다. 필요한 용량의 커패시터가 없으면 더 작은 용량의 커패시터를 병렬로 연결할 수 있습니다. 커패시터는 최소 630V, 그 이상인 220V의 전압에 대해 종이 또는 금속 종이여야 합니다. 내 경험에 따르면 127V 위상 사이의 전압에서 발전기를 켜는 것이 가장 좋다고 말할 수 있습니다. 45과 위상 XNUMXV 사이. 이는 발전기의 정상적인 작동을 위해 위상 불균형이 XNUMX°를 초과해서는 안 된다는 사실 때문입니다. 이 경우 전기 배선은 그림 2에 표시된 다이어그램에 따라 수행할 수 있습니다. 이 방식을 사용하면 발전기를 최대한 많이 내릴 수 있습니다.
또한 백열등 및 일부 난방 장치에 직류 전원을 공급하는 것이 좋습니다. 발전기의 경우 농형 회전자가 있는 저속 모터를 사용해야 합니다. 360~720rpm 엔진을 사용하는 것이 가장 좋지만 910rpm 엔진도 적합합니다. 이는 엔진 데이터 시트에 표시된 속도의 약 XNUMX배로 로터를 회전해야 하고 기어박스의 기어비가 감소하기 때문에 발생합니다. 풍력 발전기 설치 자체는 귀하에게 편리한 계획에 따라 이루어질 수 있습니다. 나는 다음과 같은 디자인을 제안한다. 풍력 터빈은 Dare와 Savonius 로터를 결합한 것으로 약간 단순화되고 수정되었습니다. 작동 원리는 그림 3에 나와 있으며 설명이 필요하지 않습니다.
풍력 터빈(그림 4)은 풍력 날개 1, 지지대 2 및 발전기 자체 3으로 구성됩니다. 지지대는 견고하게 콘크리트로 제작되었으며 4개의 장력 케이블 XNUMX로 강화되었습니다. 지지대는 목재, 콘크리트 또는 금속으로 만들 수 있습니다.
전기를 전송하는 데 사용되는 지지대 또는 더미를 사용할 수 있습니다. 가이 와이어의 경우 직경 6~9mm의 강철 케이블 또는 직경 10~12mm의 강철 와이어를 사용하는 것이 좋습니다. 가이 와이어가 부착된 목발도 잘 콘크리트화되어야 합니다. 풍력 터빈 날개의 프레임은 직경 1인치의 파이프로 만들 수 있으며 그 도면은 그림 5에 나와 있습니다.
에일러론은 직경 6mm의 강철 막대로 만들 수 있습니다. 직경 2~2,5인치의 두꺼운 벽 파이프가 구동 샤프트로 사용되었으며, 하단에는 길이 300~400mm의 샤프트가 눌려졌습니다. 샤프트 하단에는 풀리용 홈이 있습니다. 베어링은 해당 하우징과 함께 브랜드 2000810의 테이퍼형 클램프가 있는 구형입니다. 조립 후 날개의 균형을 맞춰야 합니다. 조립된 날개는 편리한 방법으로 지지대에 부착되지만 가장 중요한 것은 고정이 충분히 견고하고 안정적이라는 것입니다. 날개를 덮는 데 가장 좋은 재료는 두께가 80~120 마이크론인 폴리에틸렌 필름이라는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 그것은 내구성이 뛰어나고 가볍고 저렴하므로 강한 바람이 불면 날개가 파괴되기 때문에 이 장치에서는 허용되지 않는 제동 메커니즘을 없앨 수 있습니다. 여러 층의 폴리에틸렌 필름으로 덮고 폴리 프로필렌 필름 조각을 통해 납땜 인두로 이음새를 납땜해야합니다. 먼저 납땜 연습을 하는 것이 좋습니다. 용접 이음매는 매끄럽고 튼튼해야 합니다. 물론 날개는 캔버스, 합판, 심지어 금속과 같은 다른 재료로 덮을 수도 있지만 강한 바람에도 날개를 내릴 수 있는 장치를 생각해야 합니다. 날개의 질량이 증가하므로 금속이나 합판으로 덮는 것은 권장되지 않습니다. 프레임 자체는 두랄루민으로 만들어 무게를 줄일 수 있지만 이 재료는 더 비쌉니다. 단면적 50x50mm의 소나무 판금 날개도 테스트했지만 첫 번째 강한 바람에 파쇄되어 결과가 좋지 않았습니다. 기어박스는 발전기 샤프트를 구동하는 데 사용됩니다. 웜기어를 제외한 모든 시스템의 기어박스를 사용할 수 있습니다. 이미 언급한 바와 같이 발전기 샤프트는 약 500배의 속도로 회전해야 하며, 풍력 터빈 샤프트는 풍속 5m/s에서 XNUMXrpm의 속도로 회전합니다. 따라서 발전기로 사용되는 엔진에 대한 제한이 있습니다. 360rpm 모터가 가장 좋은 옵션일 수 있지만 720rpm 모터도 사용할 수 있습니다. 910rpm 엔진을 사용하는 경우 날개 높이를 500mm 늘려야 합니다. 날개의 폭을 늘리면 회전 속도가 감소하므로 권장하지 않으며, 회전 속도가 증가하면 출력이 크게 감소하고 감소 법칙이 비선형이므로 감소해서는 안 됩니다. 기어박스를 선택할 때 다음 규칙을 따라야 합니다. 풍력 터빈 날개의 공칭 속도의 경우 풍속 500m/s에 해당하는 5rpm의 값을 사용해야 합니다. 속도가 2,3만큼 증가한 다음 간단한 계산을 사용하여 전송 계수를 얻습니다. 벨트 감속기를 사용하여 발전기를 지지대에 부착하는 옵션이 그림 6에 나와 있습니다. 브래킷 자체는 XNUMX개의 스터드를 사용하여 지지대에 쉽게 부착할 수 있습니다. 기어 감속기를 사용하면 장착이 훨씬 쉽습니다.
풍력 터빈 샤프트를 너무 길게 만드는 것은 단순히 뒤틀릴 수 있으므로 권장하지 않습니다. 풍력 터빈의 설치는 날씨가 좋을 때 안전 벨트와 장착용 클로를 사용하여 수행해야 합니다. 전체 구조물은 접지되어야 합니다. 접지 저항은 2Ω을 넘지 않아야 합니다. 발 밑에는 커패시터 C1-C3, 회로 차단기 B1-B2, 다이오드 V1-V6, 전압 안정기, 제어 기계, XNUMX개의 배터리 및 전기를 공급하는 강력한 전압 변환기를 배치해야 하는 캐비닛을 설치해야 합니다. 평온한 시간. 자동 제어를 통해 부하 및 풍속에 따라 전원 회로를 전환할 수 있습니다. 강력한 전압 변환기는 발전기가 유휴 상태일 때 배터리를 충전할 뿐만 아니라 바람이 없거나 발전기의 전압이 매우 낮을 때 배터리에서 네트워크에 전력을 공급합니다. 바람이 불지 않고 배터리가 방전되면 자동 제어 시스템은 표준 네트워크에서 에너지를 공급합니다. 불행하게도 자동 제어 장치와 강력한 전압 변환기는 이 기사의 범위를 벗어납니다. 발전기와 전원 캐비닛을 연결하는 데 사용되는 케이블은 코어 단면적이 4mm2 이하인 12상 케이블이어야 합니다. 캐비닛을 소비자에 연결하는 케이블은 동일할 수 있습니다. 접지 버스의 단면적은 최소 2mmXNUMX여야 합니다. 주목! 전기 설비 설치에 대한 모든 작업은 B1 회로 차단기를 끄고 커패시터 C1-C3을 방전시킨 상태에서 수행해야 합니다. 아직도 많은 문제를 해결하지 못했습니다. 예를 들어, 사용하지 않는 에너지를 평온한 시간에 사용할 수 있도록 어떻게 저장할 수 있습니까? 일반 납 및 알카라인 배터리는 최상의 결과를 나타내지 않았습니다. 독자들도 이 문제에 관심을 갖고 해결책을 찾을 수 있기를 바랍니다. 이 발전기는 내연기관에 연결하여 안정기로 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 엔진에 사용되는 연료는 여전히 구매해야 하며 이는 그다지 수익성이 좋지 않습니다. 전력 1kW당 마이크로패럿 단위로 위상에 포함된 커패시터의 커패시턴스가 표에 나와 있습니다.
저자: V.V. 치르카
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