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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Impianto eolico basato su motore elettrico asincrono. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative I problemi dell’energia a basso costo eccitano le menti di molti. Nemmeno loro mi hanno ignorato. Ma, come si è scoperto, i guai erano appena iniziati. Le domande durante la progettazione e la costruzione della stazione sono sorte quasi immediatamente. Eccone solo alcuni: “Quale generatore utilizzare?”, “Come ottenere la stabilità della tensione di uscita durante forti variazioni del vento, la cui velocità varia da 2 a 25, o anche 30 m/s?”, “Cosa fare quando il vento scompare completamente?”, Come scaricare una turbina eolica durante forti tempeste e uragani?”, “Cosa fare nei casi in cui c'è vento, ma l'energia non viene utilizzata o, al contrario, quando serve energia, ma non c'è vento?”, “Come risparmiare e utilizzare l’energia in eccesso in modo più efficiente?” e, infine, “Quale modello di “mulino a vento” stesso è migliore?” Come generatori venivano utilizzati sia i generatori di automobili che i motori sincroni. Ma entrambe le opzioni presentano lo stesso inconveniente: la velocità del rotore della turbina eolica deve essere troppo elevata e questo, a sua volta, porta ad un aumento del rapporto di trasmissione e quindi ad un aumento delle dimensioni dell'ala eolica. Ciò aggiunge anche una maggiore instabilità di frequenza e la difficoltà di stabilizzare in modo affidabile la tensione di uscita e, nel caso di utilizzo di un motore sincrono, anche grandi dimensioni e peso. Durante una lunga ricerca, è stata data la preferenza a un generatore basato su un motore asincrono con rotore a gabbia di scoiattolo. I vantaggi di questo generatore sono davvero impressionanti: dimensioni e peso ridotti con potenza sufficientemente elevata; nessuna necessità di tensione di eccitazione; se si utilizza un motore a bassa velocità, la potenza del rotore può essere ridotta; la frequenza di uscita è praticamente indipendente dalla velocità di rotazione del rotore del generatore. Tuttavia, c'è uno svantaggio significativo: questo generatore non può essere sovraccaricato. Lo schema di collegamento per un motore asincrono con rotore a gabbia di scoiattolo è mostrato in Fig. 1.
Caratteristiche tecniche della turbina eolica:
Quando il rotore del motore ruota, un campo magnetico residuo agisce su uno degli avvolgimenti dello statore. In questo caso si verifica una piccola corrente elettrica che carica uno dei condensatori C1-C3. Poiché la fase della tensione sul condensatore è indietro di 90°, sul rotore appare un campo magnetico di maggiore intensità, che agisce sull'avvolgimento successivo. Di conseguenza, il condensatore successivo verrà caricato con una tensione più elevata. Questo processo continua finché il rotore del generatore non entra in saturazione (1...1,5 s). Successivamente, puoi accendere la macchina B2 e utilizzare l'energia generata dal generatore. Inoltre, per il normale funzionamento del motore in modalità generatore, la potenza del carico non deve essere superiore all'80% del motore utilizzato come generatore. Il restante 20% viene utilizzato per mantenere la tensione sui condensatori, ad es. mantenere il generatore in condizioni di funzionamento. Se questa condizione viene superata, la tensione sui condensatori scomparirà, il che significa che scomparirà anche il campo magnetico sull'armatura, il che porterà alla scomparsa della tensione ai terminali della macchina B2. Inoltre, ciò avviene quasi istantaneamente. Questo ha il suo svantaggio e il suo merito. Lo svantaggio è che è possibile riapplicare la tensione solo quando la causa del sovraccarico viene eliminata e l'interruttore B2 è spento. Il generatore entrerà nuovamente in modalità operativa (tra 1...1,5 s). Successivamente, puoi accendere B2 e utilizzare l'energia. Il vantaggio è che è quasi impossibile bruciare il generatore, poiché la tensione ai suoi terminali scompare istantaneamente, entro 0,1...0,5 s. La tensione di uscita ha una forma sinusoidale ed è completamente adatta per un ulteriore utilizzo. La frequenza di uscita del generatore è 46...60 Hz, che nella maggior parte dei casi è sufficiente per l'uso domestico. A causa dell'instabilità della tensione all'uscita del generatore, è stato necessario produrlo stabilizzatore. Qualche parola sui condensatori aggiuntivi. La tabella mostra la capacità del condensatore per kilowatt di potenza del motore installata e, per il funzionamento con un carico, la capacità aggiuntiva per ogni kilowatt di carico. Ad esempio, c'è un motore da 3 kW. Si prevede di collegare un carico reattivo (motore elettrico, saldatrice...) con una potenza totale di circa 2 kW. In questo caso vogliamo che tra le fasi ci siano 380 V. Ciò significa che la capacità del condensatore C1 sarà (3x5) + (2x6) microfarad. Poiché C1=C2=C3, avremo bisogno di tre condensatori con una capacità di 30 μF. Se non è presente alcun condensatore della capacità richiesta, è possibile collegare in parallelo condensatori di capacità inferiore. I condensatori devono essere di carta o carta-metallo per una tensione di almeno 450 V e migliore - 630 V. Dalla mia esperienza posso dire che è meglio accendere il generatore a una tensione tra le fasi di 220 V e tra zero e fase 127 V. Ciò è dovuto al fatto che per il normale funzionamento del generatore lo squilibrio di fase non deve superare i 45°. In questo caso il cablaggio elettrico può essere effettuato secondo lo schema riportato in Fig. 2. Con questo schema è possibile scaricare il più possibile il generatore.
Inoltre, è meglio alimentare le lampade ad incandescenza e alcuni dispositivi di riscaldamento con corrente continua. Per il generatore è necessario utilizzare un motore a bassa velocità con rotore a gabbia di scoiattolo. È preferibile utilizzare un motore da 360...720 giri/min, ma è adatto anche un motore da 910 giri/min. Ciò è causato dalla necessità di ruotare il rotore a circa il doppio della velocità indicata nella scheda tecnica del motore, e da una riduzione del rapporto di trasmissione del cambio. L'installazione stessa del generatore eolico può essere realizzata secondo qualsiasi schema conveniente per te. Propongo il seguente disegno. La turbina eolica è una combinazione di rotori Dare e Savonius, leggermente semplificata e modificata. Il principio di funzionamento è mostrato in Fig. 3 e non necessita di spiegazione.
La turbina eolica (Fig. 4) è costituita da un'ala eolica 1, un supporto 2 e il generatore stesso 3. Il supporto è rigidamente cementato e rinforzato con tre cavi di tensione 4. Il supporto può essere in legno, cemento o metallo.
Puoi usare un supporto che viene utilizzato per trasmettere elettricità o una pila. Per i tiranti è preferibile utilizzare un cavo d'acciaio con un diametro di 6...9 mm o un filo d'acciaio con un diametro di 10...12 mm. Anche le stampelle a cui sono fissati i tiranti devono essere ben cementate. Il telaio delle ali della turbina eolica può essere realizzato con tubi del diametro di 1 pollice, il suo disegno è mostrato in Fig. 5.
Gli alettoni possono essere realizzati in tondino di acciaio con un diametro di 6 mm. Come albero motore è stato utilizzato un tubo a pareti spesse con un diametro di 2...2,5 pollici, nella cui estremità inferiore è stato premuto un albero lungo 300...400 mm. All'estremità inferiore dell'albero è presente una scanalatura per la puleggia. I cuscinetti sono sferici con morsetti conici della marca 2000810 con relativi alloggiamenti. Dopo il montaggio l'ala deve essere bilanciata. L'ala assemblata è fissata al supporto in qualsiasi modo conveniente, ma la cosa principale è che il fissaggio sia sufficientemente rigido e affidabile. È stato sperimentalmente stabilito che il materiale migliore per rivestire l'ala è un film di polietilene con uno spessore di 80...120 micron. È abbastanza resistente, leggero ed economico, consentendoti di eliminare il meccanismo di frenatura, il che, tra l'altro, è inaccettabile in questo dispositivo, poiché con un forte vento l'ala verrà distrutta. È necessario coprirlo con pellicola di polietilene in più strati, saldando le cuciture con un saldatore attraverso un pezzo di pellicola di polipropilene. Ti consiglio di esercitarti prima con la saldatura. La giuntura saldata deve essere liscia e resistente. L'ala, ovviamente, può essere ricoperta con altri materiali, come tela, compensato o anche metallo, ma bisogna pensare a un dispositivo che ne permetta lo scarico in caso di vento forte. Si sconsiglia la copertura con metallo o compensato a causa della maggiore massa dell'ala. Il telaio stesso può essere realizzato in duralluminio, il che ne ridurrà il peso, ma questo materiale è più costoso. È stata testata anche un'ala realizzata con doghe di pino con una sezione di 50x50 mm, ma il risultato non è stato dei migliori, poiché al primo forte vento è stata ridotta a brandelli. Un cambio viene utilizzato per azionare l'albero del generatore. È possibile utilizzare un cambio di qualsiasi sistema tranne un ingranaggio a vite senza fine. Come già accennato, l'albero del generatore deve essere ruotato a circa il doppio della velocità, mentre l'albero della turbina eolica ruota ad una velocità di 500 giri al minuto con una velocità del vento di 5 m/s. Da qui la limitazione sui motori utilizzati come generatore. Un motore da 360 giri/min può essere l’opzione migliore, ma è possibile utilizzare anche un motore da 720 giri/min. Utilizzando un motore a 910 giri l'altezza dell'ala deve essere aumentata di 500 mm. Non è consigliabile aumentare la larghezza dell'ala, poiché ciò ridurrà la velocità di rotazione; non dovrebbe nemmeno essere diminuita, poiché con un aumento della velocità di rotazione, la potenza diminuirà notevolmente e la legge di riduzione non è lineare. Quando si sceglie un cambio è necessario seguire la seguente regola: per la velocità nominale dell'ala della turbina eolica è necessario prendere il valore di 500 giri al minuto, che corrisponde ad una velocità del vento di 5 m/s, la rotazione dell'albero del motore la velocità aumenta di 2,3, quindi utilizzando semplici calcoli otteniamo il coefficiente di trasmissione Un'opzione per fissare il generatore ad un supporto utilizzando un riduttore a cinghia è mostrata in Fig. 6. La staffa stessa è facile da fissare al supporto utilizzando sei borchie. Con un riduttore il montaggio è molto più semplice.
Non consiglio di rendere l'albero della turbina troppo lungo perché potrebbe semplicemente attorcigliarsi. L'installazione della turbina eolica deve essere effettuata con tempo calmo utilizzando cinture di sicurezza e artigli di montaggio. L'intera struttura deve essere messa a terra. La resistenza di terra non deve essere superiore a 2 ohm. Ai piedi è necessario installare un armadio in cui è necessario posizionare i condensatori C1-C3, gli interruttori automatici B1-B2, i diodi V1-V6, uno stabilizzatore di tensione, una macchina di controllo, quattro batterie e un potente convertitore di tensione per fornire elettricità in momenti di calma. Il controllo automatico garantisce la commutazione dei circuiti di alimentazione in base al carico e alla velocità del vento. Un potente convertitore di tensione carica le batterie quando il generatore è inattivo, così come alimenta la rete dalle batterie quando non c'è vento o la tensione sul generatore è molto bassa. Quando non c'è vento e le batterie sono scariche, il sistema di controllo automatico fornisce energia dalla rete standard. Sfortunatamente, l'unità di controllo automatica e un potente convertitore di tensione vanno oltre lo scopo di questo articolo. Il cavo utilizzato per collegare il generatore e il quadro di potenza deve essere trifase con sezione dei conduttori non superiore a 4 mm2. I cavi che collegano l'armadio ai consumatori possono essere gli stessi. La sbarra di terra deve avere una sezione di almeno 12 mm2. Attenzione! Tutti gli interventi di installazione di impianti elettrici devono essere eseguiti con l'interruttore B1 spento e i condensatori C1-C3 scarichi. Molti problemi non potevano ancora essere risolti. Ad esempio, come si può immagazzinare l’energia inutilizzata in modo da poterla utilizzare durante i periodi di calma? Le normali batterie al piombo e alcaline non hanno mostrato i migliori risultati. Spero che anche i lettori si interessino a questo problema e che si trovi comunque una soluzione. Questo generatore può essere collegato ad un motore a combustione interna e utilizzato come zavorra. Tuttavia, è ancora necessario acquistare carburante per tali motori e questo non è molto redditizio. Le capacità dei condensatori inclusi nelle fasi, in microfarad per 1 kW di potenza, sono riportate nella tabella:
Autore: V.V. Chirka
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