Разработка конструкции ветроустановки

 

ВВЕДЕНИЕ


Интерес к проблемам использования возобновляемых источников энергии связан с увеличением масштабов потребления ископаемого топлива.

В настоящее время запасы органического топлива истощаются и его использование во все возрастающих объемах ведет к загрязнению окружающей среды стало всеобщим. Выделение углекислого газа, приводящего к глобальному потеплению. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование возобновляемых источников энергии наиболее привлекательно, так как оно не нарушает естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой. К возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная радиация, энергия ветра, энергия рек, приливов и океанских волн, энергия, заключенная в биомассе и органических отходах.

Энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет; в последние 10-15 лет бурно развивалось ее использование для производства электрической энергии. К настоящему времени в мире установлено более 20000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт. Современные ветроэнергетические установки имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют экономически эффективно с высокой степенью надежности преобразовывать энергию ветра. Ветроэнергетические установки могут использоваться для различных целей, начиная от заряда аккумуляторных батарей и энергоснабжения различных объектов до подачи электроэнергии в сети централизованного электроснабжения.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Прежде чем энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение. Поэтому, сегодня наиболее важной задачей стоящей перед ветроэнергетикой является снижение удельной стоимости электрооборудования. Одним из путей снижения стоимости является применение более экономичных структур электрооборудования.

Однако, перед разработчиками электрооборудования возникает ряд специфических трудностей, связанных с наличием в составе ветроэнергетической установки ветротурбины. Испытание новых систем необходимо проводить в полевых условиях.

Целью данного дипломного проекта является разработка конструкции ветроустановки.

Задачи:

спроектировать конструкцию ветрогенератора;

рассчитать необходимую мощность ветрогенератора;

рассчитать необходимое количество и емкость аккумуляторных батарей;

рассчитать необходимую мощность инвертора;

рассчитать период окупаемости установки ветрогенератора;

рассчитать экономическую эффективность:

Объектом исследования данного дипломного проекта является обеспечение электроэнергией загородного коттеджа 90 с общей мощностью потребителей 5,14кВт.

Предметом исследования данного дипломного проекта является ветрогенератор с мощностью необходимой для бесперебойного обеспечения электроэнергией загородного коттеджа.

Гипотеза: замена традиционных источников электроэнергии на альтернативные, способствует уменьшению затрат на оплату электроэнергии, а также уменьшает вредные выбросы с окружающую среду.

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

ветрогенератор мощность электроэнергия

1.1 Исходные данные для проектирования и разработки ветрогенератора


Для разработки ветроустановки необходимыми данными является количество и мощность потребителей. С учетом того что ветроустановка разрабатывается для частного дома-коттеджа, то за основу взяты следующие потребители: титан, чайник, холодильник, компьютер, освещение, камеры видеонаблюдения, микроволновая печь, с общей мощностью 5,14кВт.


.2 Общие сведения об устройстве ветроустановки


Ветроэнергетика - отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии (ветротехника) и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.

Использование энергии ветра осуществляется с помощью специальных установок.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) - это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой - либо другой вид энергии.

Ветродвигателем называют двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для механической энергии. Различают ветродвигатели крыльчатые (наиболее распространённые) с коэффициентом использования энергии ветра до 0,48, карусельные (роторные) с коэффициентом использования не более 0,15 и барабанные.

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:

От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра;

¾лопасти-приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра, исходя из условий эксплуатации ветроустановки диаметр лопастей будет равен 2м и иметь 3 лопасти.

¾мачта-обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует - чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот, исходя из условий эксплуатации ветроустановки мощностью 0,75 кВт высота мачты будет составлять 9м.

Список дополнительно необходимых компонентов:

¾контроллер-управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей;

¾аккумуляторные батареи-накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей;

¾анемоскоп и датчик направления ветра - отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности;

¾АВР-автоматическое включение резерва. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания;

¾инвертор-преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.

Инверторы бывают четырёх типов:

¾модифицированная синусоида -преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств и т.п.;

¾чистая синусоидаЇ преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др.;

¾трехфазныйЇ преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования;

сетевой в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в общественную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов. Иногда они стоят дороже, чем все остальные компоненты ветроустановки вместе взятые.


2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ


.1 Расчет мощности генератора


Потребление электроэнергии за период времени можно рассчитать по формуле:


,


где (2.1)

S - потребление электроэнергии

Р - номинальная мощность электроприбора

- время работы электроприбора

Для примера рассчитаем потребление электроэнергии электроприемника мощностью 450 Вт, за один день.

Вт (потребление электроэнергии за один день)

По аналогичному примеру можно рассчитать потребление электроэнергии и для остальных электроприборов. Результаты расчетов сведены в таблице 2.1.


Таблица 2.1Потребление электроэнергии электроприборами

Наименование электроприборовМощностьПотребление электроэнергииДеньМесяцТитан1,2 кВт3,6 кВт*ч108 кВт*чОсвещение0,48 кВт1,92 кВт*ч57,6 кВт*чКомпьютер0,45 кВт5,4 кВт*ч162 кВт*чХолодильник0,15 кВт0,15 кВт*ч4,5 кВт*чЧайник2,2 кВт1,1 кВт*ч33 кВт*чМикроволновая печь0,6 кВт0,12 кВт*ч3,6 кВт*чКамеры видеонаблюдения0,06 кВт1,5 кВт*ч45 кВт*чИтого5,14 кВт13,79 кВт*ч413,7 кВт*ч

Выработку электроэнергии можно рассчитать по формуле:


, где (2.2)


- Выработка электроэнергии

P - Номинальная мощность генератора

Зная потребляемую мощность электроприемников можно рассчитать номинальную мощность генератора.

кВт

В связи с тем что энергия ветра не постоянна время от времени могут случаться перебои в электроснабжении из-за недостаточной мощности ветрогенератора именно поэтому, для бесперебойной работы электроприемников необходимо иметь запас электроэнергии примерно равный 30% от общего энергопотребления, а именно 4 кВт. Исходя из этого номинальная мощность генератора будет равна:

кВт


.2 Расчёт аккумуляторной батареи


Имея пиковую мощность 750 Вт и предположительное время работы от резервного источника питания 12 часов, КПД инвертора 80%, определим ток разрядки аккумулятора:


Iраз. акб = W/U/?и = A; (2.3)


где Iраз. акб- ток разрядки аккумуляторной батареи; пиковая мощность, Вт;- напряжение АКБ, В;

?и - КПД инвертора, %. =750/12/0,8 = 78 A.

Расчитав ток разряда аккумулятора по имеющимся данным рассчитаем ёмкость аккумуляторной батареи

= I * H = А*час; (2.4)


где E- ёмкость аккумуляторной батареи, А*час;время работы потребителя от резервного источника электроснабжения, h.= 78 * 12 = 936 А*час.

Поскольку требуемое время работы равно 12 часам, нужно увеличить рассчитанную емкость на 20%. Получим 1123 А*час.

По имеющимся данным произведём выбор аккумуляторной батареи: принимаем 12 батарей HP 100 Ач.


.3 Расчет инвертора


Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В, 50Гц. Существует два режима работы инвертора. Первый режим - это режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора. Второй режим - это режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течении нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,5 раза больше, чем номинальная. В течении нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 2,5-3,5 раза большую чем номинальная. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника. Как правило, мощность инвертора примерно равна расчетной мощности ВЭУ.

Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты до 250 Вт, можно установить инвертор 300 ВА. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку до300 Вт и кратковременную нагрузку до 350 Вт . Устройство предназначено для питания аппаратуры, рассчитанной на переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц, от аккумуляторной батареи напряжением 12 В.

Основные технические характеристики инвертора. Входное напряжение, 10... 15В. Пределы изменения выходного напряжения при изменении входного напряжения и мощности нагрузки, 215...230В. Максимальная мощность нагрузки, 350 Вт .

Устройство содержит задающий генератор на микросхеме DA1, стабилизатор его питания (DA2), разрядные полевые транзисторы VT1-VT4, мощные транзисторы VT5 и VT6, коммутирующие ток в первичной обмотке трансформатора Т1, узел защиты по току на реле К1 узел стабилизации выходного напряжения на микросхеме DA3.

Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой около 50 Гц с защитными паузами, исключающими одновременное открывание коммутирующих транзисторов VT5 и VT6. Когда на выходе Q1 (или Q2) появляется низкий уровень, открываются транзисторы VT1 и VT3 (или VT2 и VT4), вызывая быструю разрядку затворных емкостей, а значит, и форсированное закрывание транзисторов VT5 и VT6.

Собственно преобразователь собран по двухтактной схеме и особенностей не имеет. Рассмотрим более подробно работу узла стабилизации выходного напряжения.

Если напряжение на выходе преобразователя по какой-либо причине превысит установленное значение, напряжение на резисторе R12 превысит 2,5 В, ток через стабилизатор DA3 резко возрастет. Это, в свою очередь, вызовет освещение фотодиода оптрона U1 и появление сигнала высокого уровня на входе FV (вывод 2) микросхемы DA1.

Ее выходы Q1 и Q2 переключатся в состояние низкого уровня, транзисторы VT5 и VT6 быстро закроются и ток в полуобмотках 1.1 и I.2 состояние с появлением на ее выходах противофазных импульсов.

Реле узла токовой защиты -специальное(т. е. не серийное). Обмотка реле содержит 1 -2 витка (подбирают исходя из необходимого тока срабатывания защиты) изолированного провода, рассчитанного на протекание тока 20...30 А. Провод наматывают на корпусе геркона КЭМ2 или любого другого с замыкающими контактами.

В устройстве также имеется узел защиты по току, собранный на реле К1. Для токовой защиты инвертора применено специальное реле, изготовленное на базе геркона КЭМ-2. Технические данные геркона КЭМ-2 приведены в таблице 2.2.


Технические данные геркона КЭМ-2 Таблица 2.2

Общая длина, мм41Длина баллона, мм20Диаметр баллона, мм3Максимальная коммутационная мощность, Вт9Максимальный коммутационный ток, А 0,25Максимальное коммутационное напряжение, В 180Максимальное время срабатывания 1,0Максимальное время отпускания0,3Максимальное МДС срабатывания, А65Минимальное МДС отпускания, А10Максимальный коэффициент возврата0,9Минимальный коэффициент возврата0,35

Для обеспечения его срабатывания необходима МДС F=65A. Считая ток срабатывания известным (Iср=30А), определим число витков обмотки реле, W.

=F/Iср (2.5)


где W- число витков, шт;максимальное МДС срабатывания, А;ср- ток срабатывания, А.

Если Iср=20…30А, то

W = ?3,25…2,2 Витка.

Можно принять W=3 витка.

В основе расчёта магнитной цепи геркона лежит закон полного тока:



где H- вектор напряжённости магнитного поля;длина пути интегрирования.

Учитывая, что в данном случае обмотка наматывается на корпус геркона, можно принять, что L- это длина баллона, и , если обмотку располагать так, чтобы контакты были на осевой линии обмотки в её центре. Если обмотка находится на торце баллона, то напряжённость H уменьшится почти в 2 раза. Таким образом перемещая обмотку вдоль баллона, можно в некоторых пределах отрегулировать чувствительность реле.

Если же выходное переменное напряжение по какой-либо причине снизится, освещение фотодиода оптрона прекратится, микросхема DA1 перейдет в активное ток, протекающий через обмотку реле, превысит установленное значение, замкнутся контакты геркона К 1.1. На входе FC (вывод 1) микросхемы DA1 появится высокий уровень и выходы микросхемы переключатся в состояние низкого уровня, вызывая быстрое закрывание транзисторов VT5 и VT6 и резкое уменьшение потребляемого тока. После этого, несмотря на то что контакты геркона К1.1 будут разомкнуты, микросхема DA1 останется в заблокированном состоянии (низкий уровень на выходах).

Для запуска преобразователя необходим перепад напряжения на входе IN (вывод 3) DA1, что достигается либо кратковременным отключением питания, либо кратковременным замыканием конденсатора С1 Для этого можно установить кнопку без фиксации, контакты которой подключить параллельно конденсатору С1 (на схеме рис. 1 не показана).

Поскольку выходное напряжение - меандр, для его сглаживания и приближения к синусоидальной форме установлен конденсатор С8. Светодиод HL1 выполняет функцию индикатора наличия выходного напряжения преобразователя.

Трансформатор Т1 выполнен на основе промышленного ТС-180 от блока питания лампового телевизора. Все его вторичные обмотки удаляют, а сетевую на напряжение 220 В оставляют. Она служит выходной обмоткой преобразователя. Полуобмотки 1.1 и I.2 наматывают проводом ПЭВ-2 1,8. Они содержат по 35 витков. Начало одной обмотки соединяют с концом другой и получают среднюю точку первичной обмотки.

Детали устройства, кроме трансформатора Т1, диодного моста VD4 и конденсатора С8, расположены на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм, чертеж которой показан на рис. 2. Транзисторы VT5, VT6 впаяны в плату и привинчены через слюдяные прокладки к металлической пластине размерами 40x30 мм, служащей теплоотводом. Винты, крепящие транзисторы, изолированы от пластины фторопластовыми трубками и стеклотекстолитовыми шайбами. Выводы обмоток I припаяны к контактным лепесткам, привинченным к фланцам транзисторов.

При пиковой мощности электроприемников в 2,73 кВт и емкости аккумуляторных батарей в 1200 А*ч подходящим инвертором является Map Sin Pro 12 3000.


2.4 Расчет заземления


При повреждении изоляции электроустановки, ее корпус и другие конструктивные элементы могут оказаться под напряжением. Если человек прикоснется к такому поврежденному оборудованию, через него пройдет ток замыкания на землю, который может быть опасным для жизни.

Для защиты человека при прикосновении к металлическим частям электроустановки, случайно оказавшимся под напряжением, применяют защитное заземление - преднамеренное соединение корпуса или других металлических конструкций установки с землей. Назначение защитного заземления - создание между корпусом электрического устройства и землей электрического соединения с малым сопротивлением.

При прикосновении человека к заземленному оборудованию, оказавшемуся под напряжением, через его тело пройдет ток малой величины, безопасный для организма. Основной ток замыкания на землю пойдет по заземляющему устройству. Заземляющее устройство - совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземлитель - металлический проводник, находящийся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляющие проводники соединяют заземляемые части электроустановки с заземлителем. Сопротивление заземляющего устройства в основном определяется сопротивлением растеканию тока с заземлителя в грунт.

Для заземления используют естественные и искусственные заземлители. Естественные заземлители - арматура железобетонных сооружений, фундаменты зданий, трубопроводы и другие металлические конструкции, имеющие надежный контакт с землей. В качестве искусственных заземлителей чаще всего используют вертикально заглубленные стальные трубы, стержни, уголки, соединенные поверху стальной горизонтальной полосой.

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали трансформаторов либо выводы источников однофазного тока, в любое время годе должно быть не более 4 Ом соответственно при линейном напряжении 380 В источника трехфазного тока.

Сопротивление растеканию тока не должно превышать нормативной величины. Для электроустановок напряжением до 1000 В нормативное значение составляет 4 Ом, а если подсоединенная к сети мощность не превышает 100 кВА - 10 Ом.

Монтажный участок по сборке силового блока привода постоянного тока находится на первом этаже двухэтажного отдельно стоящего кирпичного здания размером 20×10м. Мощность тока, потребляемая участком, превышает 100 кВА и поэтому нормативная величина сопротивления заземлителя Rн не должна превышать 4 Ом. Заземлитель предполагается выполнить из стальных вертикальных стержневых электродов длиной lв = 1,5 м, диаметром d = 0,02 м, верхние концы которых расположены на глубине t0 = 0,8 м. Вертикальные электроды соединены между собой с помощью горизонтального электрода - стальной полосы сечением 4x40 мм, уложенной в земле на глубине t0 = 0,8 м. Вертикальные электроды расположены на расстоянии а = 3м друг от друга. Тип заземлителя выбираем контурный по периметру участка.

Выбираем 3-ю климатическую зону.

Определяем коэффициент сезонности ц для однородной земли: цв =1,2, цг = 2.

Удельное сопротивление однородного грунта (суглинок) с0 = 100 Ом·м.

Рассчитываем удельное сопротивление грунта для вертикального электрода:


(2.6)


Удельное сопротивление грунта для горизонтального электрода:


(2.7)


Сопротивление одиночного вертикального заземлителя:


(2.8)


Число вертикальных заземлителей:


(2.9)


Длина горизонтальной полосы:


(2.10)


Сопротивление горизонтального заземлителя:


(2.11)


где b - ширина стальной горизонтальной полосы.

Определяем сопротивление группового заземлителя:


(2.12)


где зв - коэффициент использования вертикальных заземлителей;

зг - коэффициент использования горизонтальных заземлителей.

По условиям безопасности заземление должно обладать малым сопротивлением (Rн < 4 Ом), обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров электродов или увеличив их число, соединенных в контур. Второй путь намного экономичнее по затратам металла и другим условиям. Кроме того, при применении нескольких электродов можно выровнять потенциальную кривую на территории, где они размещены. Поскольку расчетное Rз =4,72 Ом > Rн = 4 Ом, то увеличиваем количество вертикальных электродов до n = 24.

Тогда длина горизонтальной полосы:


(2.13)


Сопротивление горизонтального заземлителя:


(2.14)


Сопротивление группового заземлителя:


(2.15)


где зв = 0,624; зг = 0,312.

Так как Rз = 3,6 Ом < Rн = 4 Ом, то этот результат принимаем как окончательный.

Таким образом, проектируемый заземлитель контурный, состоит из 24 вертикальных стержневых электродов длиной 1,5 м, диаметром d = 20мм, заглубленных в землю на 0,8 м и соединенных стальной горизонтальной полосой длиной 75 м, сечением 4х40 мм (рис. 2.1).


Рис. 2.1 - Схема заземления: 1 - монтажный участок, 2 - вертикальный заземлитель, 3 - горизонтальный заземлитель


.5Расчет автоматического защитного отключения


Защитным отключением называется система защиты, обеспечивающая автоматическое отключение всех фаз или полюсов аварийного участка сети с напряжением до 1000 В с полным временем отключения с момента возникновения однофазного замыкания не более 0,2.

Экспериментальный стенд питается напряжением 220 В, находясь в конце линии 380/220 В и будучи зануленным потребителем энергии. Вследствие удаленности ее от трансформатора возможны случаи отказа зануления. Вместе с тем по условию безопасности требуется безусловное отключение установки при замыкании фазы на корпус, причем напряжение прикосновения Uпр.доп не должно превышать длительно 60В. Для выполнения этих условий снабжаем установку защитно-отключающим устройством, реагирующим на потенциал корпуса. При этом используется реле напряжения, у которого напряжение срабатывания Uср = 30 В, сопротивление обмотки активное Rр = 400 Ом и индуктивное X = 200 Ом.

Принимаем, что при касании к корпусу человек стоит на сырой земле вне зоны растекания тока с заземлителей, т. е. считаем, что б1 = б2 = 1. В этом случае условие безопасности будет:

цз.доп = Uпр.доп , В(2.16)


Следовательно


(2.17)


Откуда находим значение сопротивления вспомогательного заземления:

Rв £ 470 Ом, при котором защитное отключение будет срабатывать, если напряжение прикосновения достигнет 60 В.

Таким образом, если при прикосновении человека к корпусу оборудования или фазе сети напряжение прикосновения (или ток через человека) превысит длительно допустимое значение, то возникает реальная угроза поражения человека током, и мерой защиты в этом случае может быть лишь быстрый разрыв цепи тока через человека, т. е. отключение соответствующего участка сети.

Для выполнения этой задачи в качестве реле в схеме защитного отключения выбираем однофазное реле переменного тока с тиристорным выходом 5П19.01-ТС-1-4.


.6 Выбор контроллера


При среднем уровне заряда аккумуляторных батарей 560 Вт/ч за интервал 8-9 часов ветровой генератор сможет выработать около 5000 Ватт. В ветреные дни этот показатель может увеличиться как минимум в два раза, поэтому за тот же период времени может быть выработано 10000 Ватт.

На элементной базе, аналогичной применявшейся в описанном выше линейном стабилизаторе, можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом.

При первом включении, когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка, ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжение на R1 отпирает ключевой транзистор VT1, который тут же входит в режим насыщения, так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент - транзистор VT2. Ток, нарастающий в L1, заряжает С4, при этом через обратную связь на R8 происходит запирание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия, запасенная в катушке, питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации, открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц.

Цепь R3, R4, С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах, от Uст DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх, появляется некоторая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсаций на выходе стабилизатора включен фильтр L2, С5.

Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1, VT2, DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение не должно превышать 30 В, что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А, например КД201Б.


2.7 Выбор автоматического ввода резерва


Автоматический ввод резерва - позволяет переключить питание объекта на резервное питание от АКБ при отсутствии централизованного электроснабжения. В качестве контролирующего устройства используется реле контроля напряжения марки РКН-1-1-15 АС220В УХЛ2 , которое позволяет автоматически контролировать наличие напряжения в централизованной сети и при его отключении, переходить на резервный источник питания.

Реле предназначено для защиты электрооборудования от работы на пониженном или повышенном напряжении из-за неполадок в сети. Питание реле осуществляется от контролируемого напряжения, отдельного напряжения питания не требуется.


Таблица 2.3Основные технические данные реле контроля напряжения

Номинальное напряжение, Uном АС 220 В, 50 ГцМаксимальное допустимое напряжение питания 290 ВМинимальное допустимое напряжение питания 150 ВКонтроль перенапряжения -20%...+30% UномКонтроль снижения напряжения -30%...+20% UномТочность установки порогов напряжения 5% UномПродолжение таблицы 2.3Точность измерения 2% UномГистерезис напряжения порога срабатывания 5% U номВремя реакции 0,1…10 сМощность, потребляемая от сети Не более 4 ВАМаксимальный коммутируемый ток при активной нагрузке: АС 250 В, 50 Гц (АС1), DC 30 B (DC1) 16 AКоммутируемая мощность 4000 ВАМаксимальное напряжение между цепями питания и контактами релеАС2000В, 50 Гц, (1 мин).Механическая износостойкость, циклов не менее 10 ? Электрическая износостойкость, циклов не менее 100000Количество и тип выходных контактов1 переключающая группаРабочая температура -25…+55°СТемпература хранения -40…+60°СКлиматическое исполнение и категория размещения УХЛ 2Габаритные размеры 17,5 Х 90 Х 66 ммСтепень защиты IP40 - корпус IР20 - клеммы

Реле устанавливается на монтажную шину DIN EN 50022 с передним подключением проводов питания коммутируемых электрических цепей. Конструкция клемм обеспечивает надежный зажим проводов сечением до 2,5 кв. м. На лицевой панели расположены: сверху регулятор верхнего порога срабатывания, снизу регулятор нижнего порога срабатывания, а между ними - регулятор установки задержки времени срабатывания, а также индикатор включения напряжения питания «U» (зеленый) и индикатор срабатывания встроенного электромагнитного реле «R» (зелёный).

Окружающая среда - взрывобезопасная, не содержащая пыли в количестве, нарушающем работу реле, а так же агрессивных газов в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию. Вибрация мест крепления реле с частотой от 1 до 100 Гц при ускорении до 9,8 м/с². Воздействие по сети питания импульсных помех амплитудой, не превышающей двойную величину номинального напряжения питания и длительностью не более 10 мкс. Воздействие электромагнитных полей, создаваемых проводом с импульсным током амплитудой до 100 А, расположенным на расстоянии не менее 10 мм от корпуса реле.

Диаграмма работы реле представлена на рисунке 7.4. При подаче питания, если установлена задержка срабатывания и напряжение сети находится в диапазоне между верхним и нижним установленными порогами напряжения, встроенное электромагнитное реле включится по окончании отсчета времени задержки t, если она установлена. При этом контакты реле 11-14 замыкаются и включается индикатор «R». Если напряжение в сети стало больше верхнего порога или меньше нижнего, встроенное электромагнитное реле выключается по окончании отсчета времени задержки срабатывания (контакты 11-12 замыкаются). Когда контролируемое напряжение возвращается в норму, реле включается по окончании задержки срабатывания.


Рис. 2.2. Работа реле контроля напряжения


.8 Расчёт токов короткого замыкания


Коротким замыканием называется всякое непредусмотренное нормальными условиями работы соединение двух точек электрической цепи. В трёхфазных сетях переменного тока при расчётах учитывают трёхфазное и двухфазное КЗ, а в системах с заземлённой нейтралью также однофазное КЗ на землю. Замыкание на землю в системах с изолированной нейтралью не являются коротким замыканием, а рассматривается как ненормальный режим работы электрической сети. Очевидно, что наибольший ток будет протекать по цепи при трёхфазном КЗ, а наименьший, соответственно, при однофазном. Чаще всего токи КЗ бывают значительно больше токов нагрузки, но могут быть соизмеримы с ними по значению. В этом и заключается одна из особенностей сельских электрических сетей, которая связана с их значительной протяжённостью и разветвлённостью.


2.8.1 Виды КЗ

Короткое замыкание (КЗ) - электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание может возникать при нарушении изоляции токоведущих элементов или вследствие механического соприкосновения элементов, работающих без изоляции. Также коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания.


.8.2 Виды коротких замыканий

В трёхфазных электрических сетях различают следующие виды коротких замыканий и время его действия.

Однофазное (замыкание фазы на землю);

Двухфазное (замыкание двух фаз между собой);

Двухфазное на землю (2 фазы между собой и одновременно на землю) ;

Трёхфазное (3 фазы между собой).

В электрических машинах возможны короткие замыкания:

Межвитковые - замыкание между собой витков обмоток ротора или статора, замыкание обмотки на металлический корпус.

Последствия короткого замыкания: при коротком замыкании резко возрастает протекающая в цепи сила тока, что обычно приводит к механическому или термическому повреждению устройства. В месте короткого замыкания может возникнуть электрическая дуга. Все это нередко становится причиной пожаров.

Короткое замыкание в одном из элементов энергетической системы способно нарушить её функционирование в целом - у других потребителей может снизиться питающее напряжение, при коротких замыканиях в трёхфазных сетях возникает асимметрия напряжений, нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжёлые системные аварии.

В случае повреждения проводов воздушных линий электропередачи и замыкании их на землю, в окружающем пространстве может возникнуть сильное электромагнитное поле, способное навести в близко расположенном оборудовании ЭДС, опасную для аппаратуры и работающих с ней людей.

Рядом с местом аварии происходит растекание потенциала по поверхности земли, шаговое напряжение может достигнуть опасного для человека значения.


.8.3 Методы защиты

Для защиты от короткого замыкания принимают специальные меры, ограничивающие ток короткого замыкания:

¾устанавливают токоограничивающие электрические реакторы;

¾применяют распараллеливание электрических цепей то есть отключение секционных и шиносоединительных выключателей;

¾используют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения;

¾используют отключающее оборудование - быстродействующее коммутационные аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания то есть плавкие предохранители, автоматические выключатели;


.8.4 Расчёт токов К.З в сети 220 В

Расчёт токов короткого замыкания выполнен в соответствии с межгосударственным стандартом.

Резервное снабжение потребителя, осуществляется от ветрогенератора, через контролер (А1) и инвертор (А2), тогда примем их полное сопротивление Zр = rр = 0,10 ом. Поэтому начальное значение периодической составляющей тока однофазного КЗ от генератора G1 по, кА в точке К, рассчитывают по формуле

где Uн - номинальное напряжение 220В;л - полное сопротивление линии.


Zл = (2.19)


где rл и xл активное и индуктивное сопротивления линии прямой последовательности расчётной схемы. До точки КЗ выбираем провод марки ВВГНГ 62,5 длиной l=10м с удельным активным и реактивным сопротивлениемrл = 3,54 мОм; xл = 0,1 мОм.л = rл0* l = 3,54 * 10=35,4мОм; xл = xл0* l =0,1 * 10=1мОм.л = =71 мОм. л +Zр = 0,071+0,13=0,171 Ом. по=1300 А.

При питании от системы и К.З в точке К2 сопротивлением системы можно принебреч и тогда


.9 Расчет кабеля


Как правило, выбор оборудование в том числе и кабельное складывается в зависимости от энергетических потребностей. Поэтому, исходя из заранее рассчитанных потребностей, попробуем выбрать питающий кабель от ветрогенератора до потребителя электрической энергии, определить потери в нём, а значит и необходимую мощность генератора. Расчёт питающего кабеля будем делать по реальным усреднённым справочным техническим характеристикам кабелей, которые в разных справочниках могут немного различаться. Например, сопротивление меди и медных жил в разных справочниках немного разное. Длительный допустимый ток нагрузки питающего кабеля на каждый квадратный миллиметр сечения также может быть различным в зависимости конструкции кабеля и условий прокладки.

Основы расчетов будет складываться из полученных ранее расчетов по мощности энергопотребителей.

Ток нагрузки у потребителей можно рассчитать по формуле:


,


где (2.20)

I - ток нагрузки

P - мощность электроприемников

U - напряжение на выходе из инвертора

;

Сопротивление потребителей можно рассчитать по формуле:

, где (2.21)

R - сопротивление потребителей

Ом

Исходя из полученных результатов для прокладки кабеля открытым способом необходимо выбрать кабель с сечением 2 , но для прокладки закрытым способом необходим кабель с сечение .


3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ


.1 Электрооборудование ветроустановки


Генератор ветроустановки является основным элементом электрооборудования. Для маломощных ветроэлектрических агрегатов применяют генераторы постоянного тока от автомашин и тракторов. Объясняется это тем, что последние работают на переменных оборотах, как и ветродвигатели. К маломощным ветроэлектрическим агрегатам с диаметром ветроколеса до 1,5 м наиболее подходит из выпускаемых генератор типа ГБФ, применяемый на автомашинах ГАЗ-2А и ЗИС-5. Мощность этого генератора 60-80 вт, напряжение 6в, число оборотов от 800 до 4 500 об/мин.

Монтажная электрическая схема генератора дана на рис. 3.1


Рис. 3.1 Монтажная электрическая схема генератора


Чтобы увеличить КПД генератора, т. е. получить от него электроэнергию при меньшей скорости ветра и на меньших оборотах, необходимо произвести домотку полюсных катушек. Делается это следующим образом. Отвинтив полюсы генератора, снимают катушку с обмоткой возбуждения и аккуратно разматывают изоляцию. Затем, укрепив катушку на шаблон из деревянной колодки, в том же направлении, как и у основной катушки, доматывают 40 витков эмалированной медной проволоки ПЭ диаметром 1 мм с сохранением прежней толщины катушки. Место спайки домотанного провода с концом катушки должно быть надежно заизолировано. После домотки катушку вновь изолируют, устанавливают ее на старое место и восстанавливают все прежние соединения. При этом может оказаться, что домотанная катушка займет больше места, чем прежняя, и стягивающие болты будет трудно пропустить. Поэтому крепление крышек к корпусу генератора нужно сделать так, как показано на рис. 3.2


Рис. 3.2 Крепление крышек к корпусу генератора


С целью уменьшения потерь на трение необходимо ослабить нажим щеток, поставив к ним более слабые пружины.

Для более мощного ветрогенератора с диаметром ветроколеса 3,5 м применяется автобусный генератор типа ГТ-4563 мощностью 1 кВт, напряжением 24 в, 900 - 2 500 об/мин.

Аккумуляторная батарея является необходимой частью ветроэлектрического агрегата. Она позволяет получать электроэнергию с постоянной мощностью, что не может дать ветродвигатель непосредственно вследствие непостоянства энергии ветра. Кроме того, она запасает электроэнергию, которая расходуется в безветренные дни. При ветроэлектрическом агрегате с диаметром ветроколеса до 1,5 м устанавливается аккумуляторная батарея напряжением в 6 в, например, один аккумулятор ЗСТЭ-80 или ЗСТЭ-112 от автомашин ГАЗ-2А и ЗИС-5.

Для ветрогенератора с диаметром ветроколеса 3,5 м необходимо устанавливать аккумуляторную батарею на 24 в. Эта батарея составляется из 2 аккумуляторов 6СТЭ-128 на 128 ач каждый или 6СТЭ-144 емкостью на 144 ач каждый.

Вместо стартерных аккумуляторов типа СТЭ можно использовать и другие аккумуляторы, например, стационарные типа С или железнодорожные соответствующей емкости. Для 6-вольтовой батареи необходимо брать 3 шт. таких аккумуляторов, а для 24-вольтовой - 12 шт.

Реле обратного тока. Для защиты аккумуляторной батареи от разряда ее на генератор применяется реле обратного тока. Этот прибор отключает аккумуляторную батарею сейчас же, как только упадет напряжение генератора при снижении его оборотов. Если не отключить в этот момент аккумуляторную батарею, то электрический ток пойдет от нее к генератору, который начнет работать как мотор. Следовательно, батарея будет разряжаться бесполезно.


Рис. 3.3 Монтажная электрическая схема реле обратного тока


Монтажная электрическая схема простейшего реле обратного тока типа ЦБ, применяемого для ветроэлектрических агрегатов с диаметром ветроколеса до 1,5 м. Это реле применяется у генератора ГБФ.

Регулятор напряжения. Для поддержания постоянной величины напряжения генератора служит регулятор напряжения. При наличии этого прибора даже в случае отсоединения аккумуляторной батареи напряжение не поднимается выше допустимой величины и лампы будут гарантированы от перекала. Регулятор напряжения, кроме тою, предохраняет аккумуляторную батарею от перезаряда.

У ветроэлектрического агрегата ВД-3,5 применяется вибрационный реле-регулятор напряжения типа РРА-24ф (рис. 3.4).


Рис. 3.4 Вибрационный реле-регулятор типа РРА - 24ф


В этом приборе совмещены реле обратного тока и регулятор напряжения. Реле-регулятор РРА-24ф поставляется заводом комплектно с генератором типа ГТ-4563А.

Электрическая схема монтажа электрооборудования ветрогенератора

с диаметром ветроколеса 1,2 м показана на рис. 3.5


Рис. 3.5 Электрическая схема монтажа ветрогенератора

- генератор ГБФ-4500 80 вт, 6 в; 2- аккумулятор стартерный ЗСТ-80; 3 - амперметр автомобильный; 4 - реле обратного тока типа ЦБ; 5 - предохранитель Бозе; 6 -сигнальная лампа 12 в, 3 вт; 7-пусковая кнопка; 8 - зажим (диаметр 5 мм), 9 - выключатель; 10 - текстолитовая панель (толщина 5 мм).


Слева показана лицевая сторона щитка с расположением приборов и указано, как подключить аккумулятор и 3 шестивольтовых лампочки по 10 вт. Рядом с лицевой стороной щитка показано, как сделать все необходимые соединения между отдельными элементами электрооборудования на задней стороне щитка. Справа - электрическая схема агрегата, где цифрами обозначены части электрооборудования, названия которых приведены в надписи под рис. 3.6

Электрическая схема и способ присоединения аккумуляторов к ветроэлектрическому агрегату Д-3,5 даны на рис 3.6


Рис. 3.6 Электрическая схема и способ соединения аккумуляторов к ветроэлектрическому агрегату Д-3,5.

- генератор типа ГТ-4563А 24 в, 1 кет; 2 - вольтметр до 50 в типа МЛ; 3 - амперметр до 50 а типа МЛ; 4 - переключатель 6 а, 250 в; 5 - пусковая кнопка; 6 - рубильник однополюсный до 60 а; 7 - предохранитель Бозе; 8 - зажим латунный диаметр 7 мм; 9 - аккумулятор стартерный 6СТЭ-128; 10 - реле-регулятор типа РРА-24ф; 11 - панель текстолитовая 360X140X5 мм; 12- панель железная 360X180X2 мм.


4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ


.1 Расчет экономической эффективности замены общего электроснабжения на ветрогенератор


Для расчета экономической эффективности необходимо знать затраты на оплату электроэнергии до внедрения в эксплуатацию и стоимость оборудования для ветрогенератора и стоимость его обслуживания и ремонта.

Расходы по оплату электроэнергии можно рассчитать зная:

·Стоимость электроэнергии за 1 кВт*ч

·Общее энергопотребление за месяц

Исходя из выше перечисленных параметров можно рассчитать стоимость электроэнергии за 1 год, по формуле:

(4.1)

Затраты на приобретение и установку ветрогенератора можно рассчитать зная стоимость ветрогенератора и его монтажа. Исходные данные для расчета стоимости ветрогенератора сведены в таблице 4.1


Таблица 4.1Стоимость ветрогенератора и его монтажа

НаименованиеЦена (тыс. тг.)Генератор с номинальной мощностью 0,75 кВт*ч150 тыс. тг.Аккумуляторы (12В, 100А*ч)130 тыс. тг.Инвертор (12В/220В)75 тыс. тг.Затраты на установку15 тыс. тг.Прочие затраты20 тыс. тг.ИТОГО390 тыс тг.

При сроке службы ветрогенератора в 10 лет среднегодовой износ будет составлять 10% от первоначальной стоимости. Исходя из этого амортизация будет равна:

- амортизация

=390000*10/100=39000 тг.

Период окупаемости можно рассчитать по формуле:

, где (4.3)

- общая стоимость всех затрат на ветрогенератор.

условных доход (стоимость электроэнергии за 1 год от общего потребления)

Экономия семейного бюджета это разность между сроком эксплуатации и периодом окупаемости:

- 4,3 = 5,7 лет (экономия семейного бюджета)


5.

БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА


5.1 Правила техники безопасности при установке ветроэнергетической установки


При планировке местоположения, установки и эксплуатации генератора, необходимо в первую очередь подумать об обеспечении безопасности. Никогда не следует забывать об опасностях, которые связаны с механическими и электрическими устройствами и с лопастями ротора.

Механические источники опасности вращающиеся лопасти представляют собой наиболее серьезный механический источник опасности. Лопасти ротора ветрогенератора <#"justify">5.2 Правила техники безопасности при эксплуатации ветроэнергетической установки


Эксплуатация ВЭУ должна быть организованна таким образом, чтобы обеспечить ее энергетически, технически и экономически эффективную эксплуатацию. Гарантия качества эксплуатации ВЭУ является неотъемлемой частью и результатом совокупности обеспечения качества проектирования, конструирования, производства, поставки, управления, эксплуатации и обслуживания ВЭУ и всех её составных частей.

Гарантия качества является неотъемлемой частью и результатом совокупности обеспечения качества проектирования, конструирования, производства, управления, эксплуатации и обслуживания ВЭУ и всех её составных частей.

На основании СТО 000-00п.2.22 и инструкцией по эксплуатации оборудования на ВЭУ должны быть разработаны местные инструкции.

Знание обязательного стандарта обязательно для персонала, участвующего в разработке, согласовании и утверждении местных инструкций по эксплуатации.

Знание местных инструкций, составленных на основании настоящего стандарта, обязательно для потребителя.

При эксплуатации ВЭУ должен быть обеспечен безопасный, надёжный и экономичный режим работы оборудование ВЭУ в соответствии с инструкциями по эксплуатации оборудования, бесперебойная работа оборудования в допустимых режимах, надёжное действие устройств контроля, защиты и автоматики.

Потребитель, осуществляющий управление ВЭУ должен располагаться на уровне земли.

Допускается размещать пульт управления ВЭС в помещении пригодном для условий эксплуатации ветрогенератора при условии организации быстрого доступа для ремонта ВЭУ.

Профилактические испытания ВЭУ должны быть организованны в соответствии с инструкциями эксплуатации электрооборудования.

Текущий ремонт оборудования ВЭУ а также проверка его действий производить по мере необходимости в зависимости от их назначения и технического состояния.

Ветроэнергетическая установка - сложное техническое устройство, сочетающее в себе аэродинамическую и электротехническую части. Малейшее несоблюдение сборки ВЭУ или ее эксплуатации может привести к ее поломке и причинению как материального ущерба так и вред здоровью, а также находящихся рядом людей.

Необходимо полностью изолировать подключаемые провода и кабели.

При первых запусках ВЭУ необходимо наблюдение за работой ВЭУ в течение 2-3 часов и внимательно отнестись к возможным вибрациям, стукам, хлопкам, свидетельствующим о неправильной работе ВЭУ и немедленно остановить ее работу.

Запрещается производить первый пуск ВЭУ при скорости ветра более 5 м/c (соответствует среднему ветру).

Запрещается вносить конструктивные и регулировочные изменения в конструкцию ВЭУ.

Запрещается подавать любое напряжение на электрогенератор для его запуска.

Запрещается подключать любые выходы электрогенератора и блока ОЭЗА к сети электричества или любому другому источнику электроэнергии.

Необходимо принять комплекс мер по защите ВЭУ от попадания молнии.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Исходя из приведенной выше информации и расчетов, можно сделать вывод что, гипотеза нашла свое подтверждение. В результате проделанных расчетов выяснилось что, установка ветрогенератора имеет большие первоначальные затраты на внедрение в эксплуатацию, имеет период окупаемости равный 4 года 4 месяца.

Задачи дипломного проекта успешно выполнены. В ходе выполнения задач по расчету было выбрано оптимальное оборудования для ветроустановки, а именно:

генератор с номинальной мощность в 750 Вт

аккумуляторные батареи типа HP в количестве 12 штук 12В 100А*ч

- инвертор типа Map Sin Pro 12 3000

- кабель для открытой проводки , закрытой проводки .

устройство Автоматического ввода резерва типа: РКН-1-1-15 АС220В УХЛ2

устройство защитного отключения типа: 5П19.01-ТС-1-4.


БИБЛИОГРАФИЯ


.http://alternativenergy.ru/knigi/001/153-shema-vetrogeneratora.html

.Воронин С.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2007.

.Юндин М.А., Королёв А.М. Курсовое и дипломное проектирование по электроснабжению сельского хозяйства. - Зерноград: АЧГАА, 1999.

.Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. Учебник для вузов. М., «Энергия», 1976 г.

.Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика: Учеб. пособие для сред. проф. образования: - М.: Издательский центр «Академия», 2005.

.Абук Магомедов. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Издательско-полиграфическое объединение «Юпитер», г. Махачкала 1996.

.Ветроэнергетика/ Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ.; В 39 под ред. Я.И. Шефтера.- М.: Энергоатам издат, 1982.

.Чунихин А.А. Электроаппараты: Общий курс-3е издание., перераб. и доп.-М.: Энергоатамиздат, 1988.

.Юндин М.А., Королёв А.М. Курсовое и дипломное проектирование по электроснабжению сельского хозяйства. - Зерноград: АЧГАА, 1999.

.http://www.windenergy.kz

.http://www.tsure.ru/opb/veter.htm

.http://ecotown.khv.ru/index.htm

.http://www.transteh.ru

14.http://www.l-techno-k.ru/inverters.htm

15.http://www.invertor.ru

.http://www.elektropribor.spb.ru


ВВЕДЕНИЕ Интерес к проблемам использования возобновляемых источников энергии связан с увеличением масштабов потребления ископаемого топлива. В настоящ

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ