Przy budowie silowni elektrycznych na¬ pedzanych wiatrem trzeba stosowac bar¬ dzo duze kola wietrzne, umieszczone wy¬ soko ponad powierzchnia ziemi, by otrzy¬ mac dostatecznie stala moc oraz zadowa¬ lajaca sprawnosc. Proponowano zatem na¬ danie tym silowniom wietrznym mniej wie¬ cej ksztaltu, przedstawionego schematycz¬ nie na fig. 1.Fig. 1 przedstawia polowe duzej wie¬ zy A o wysokosci okolo 300 m, dzwigaja¬ cej os D za pomoca wysiegnic B, C. Na osi D obracaja sie w odwrotnych kierun¬ kach oba wspólsrodkowo umieszczone ko¬ la wietrzne E i F, z których zewnetrzne ma srednice 60—180 m. Kazde z tych kól wietrznych jest zaopatrzone w wieniec ko¬ lowy G wzglednie H. Jeden z tych wien¬ ców G, H dzwiga wieniec biegunów, wy¬ twarzajacych pole magnetyczne, a drugi— wieniec uzwojen, w których wytwarza sie prad przez indukcje.Wynalazek niniejszy dotyczy zasadni¬ czego ulepszenia tego rodzaju duzych prad¬ nic wietrznych, polaczonego z szeregiem dalszych mozliwosci ulepszen calej silow¬ ni. Wedlug . wynalazku wieniec uzwojen, w których wytwarza sie prad, jest podzie¬ lony przynajmniej na osiem, a korzystnie na 20—50 elektrycznie oddzielonych od siebie grup uzwojen, wewnatrz których po¬ szczególne uzwojenia sa polaczone szere¬ gowo; obwody pradu tych grup sa pola¬ czone za pomoca oddzielnych pierscieni slizgowych z nieruchoma czescia silowni wietrznej. Rozdzial na grupy powoduje tectuia korzysc, ie otrzymuje sie uklad elek¬ tryczny, który dziala tak, jak gdyby jedna zbyt duza pradnice zastapiono wieksza liczba synchronicznie biegnacych pradnic o mniejszej mocy. Jesit rzecza oczywista, ze w ten sposób nie tylko ulatwia sie utrzy¬ manie pracy przy malych uszkodzeniach, lecz takze ulatwia sie znacznie elektro¬ techniczne opanowanie wytworzonych na¬ piec i pradów. Dalej podzial wedlug wy¬ nalazku duzej pradnicy wietrznej na elek¬ trycznie oddzielne grupy uzwojen, dziala¬ jace na podobienstwo oddzielnych, ale syn¬ chronicznie biegnacych pradnic, umozliwia wprowadzenie duzej ilosci ulepszen, opi¬ sanych blizej w dalszym ciagu opisu i usu¬ wajacych wszystkie wady elektrotechnicz¬ ne, które dotychczas utrudnialy stosowa¬ nie w praktyce duzych silowni wietrznych.Fig. 2 przedstawia schematycznie czesc turbiny wietrznej, opisanej na wstepie.Okolo osi 1 obracaja sie w kierunku prze¬ ciwnym oba kola wietrzne 2a i 2b. Kolo wietrzne 2a jest zaopatrzone w wieniec ko¬ lowy 3, kolo zas wietrzne 2b — w wieniec kolowy 4. Ten ostatni dzwiga skierowany ku wewnatrz wieniec biegunów elektroma¬ gnetycznych, wytwarzajacych pole magne¬ tyczne. Wieniec kolowy 3 dzwiga wieniec skierowanych na zewnatrz uzwojen, w któ¬ rych wytwarza sie prad i które wedlug wy¬ nalazku sa podzielone na osiem grup uzwo¬ jen, oznaczonych cyframi I—VIII; grupy te sa oddzielone elektrycznie od siebie, a ich konce sa polaczone z nieruchomymi cze¬ sciami silowni wietrznej poprzez oddzielne pierscienie slizgowe.W ten sposób zbyt duza pradnica jest podzielona elektrycznie na osiem pradnic I—VIII, osadzonych na wspólnej osi; prad¬ nice te moga byc traktowane elektrotech¬ nicznie jak osiem oddzielnych synchronicz¬ nie biegnacych pradnic.Calkowita synchronicznosc opisanych „czesciowych pradnic" umozliwia otrzyma¬ nie dokladnie okreslonego kata fazowego miedzy pradami zmiennymi, dostarczany¬ mi przez te pradnice. Ola osiagniecia tego rodzaj przesuniec fazowych, wystarczy przesunac wzgledem siebie poszczególne grupy fazowe /—VIII uzwojen na wiencu kolowym 3 kazdorazowo o odpowiednia czesc podzialki biegunowej. Jezeli np. od¬ step miedzy dwiema grupami uzwojen jest kazdorazowo o 12,5% wiekszy od podzialki biegunowej, to w poszczególnych grupach uzwojen powstaja prady zmienne o fazach kazdorazowo przesunietych wzgledem sie¬ bie o h/4. Liczbe grup uzwojen obiera sie przy tym celowo tak, by srednicowo prze¬ ciwlegle grupy uzwojen byly wzbudzane pod tym samym katem fazowym, a to w tym celu, by zrównowazyc sily, dziala¬ jace na os, a powstajace od oddzialywania magnetycznego. Jesli wspomniane grupy uzwojen polaczy sie w gwiazde z uziemio¬ nym punktem zerowym, a wierzcholki gwiazdy polaczy sie wedlug fig. 3 z ano¬ dami prostownika rteciowego 5, to w ob¬ wodzie obciazenia, polozonym miedzy uzie¬ mieniem i katoda, prady poszczególnych faz dodaja sie wedlug wykresu na fig. 4 i tworza dobrze wyrównany prad staly.Szczatkowa falistosc tego pradu stalego bedzie oczywiscie tym mniejsza, im wiek¬ sza jest obrana liczba przesunietych fazo¬ wo wzgledem siebie grup uzwojen (I— VIII). W przedstawionym na rysunku przykladzie wykonania liczba grup jest ograniczona do osmiu tylko ze wzgledu na przejrzystosc rysunku.Za pomoca transformatora 7, którego uzwojenie wtórne jest zwarte opornikiem 8, mozna czesciowo usunac z pradu stale¬ go szczatkowa skladowa pradu zmiennego i zamienic ja na cieplo, uzyte np. do ce¬ lów ogrzewania. Inny sposób usuniecia szczatkowej falistosci wytworzonego pradu stalego polega na tym, ze szeregowo z pro¬ stownikiem 5 (fig. 5) laczy sie maszyne — 2 —wyrównawcza 9, wytwarzajaca krzywa pra¬ du wedlug fig. 6 za posrednictwem silnika synchronicznego 11, zasilanego przez gru¬ pe 10 uzwojen, przewidziana dodatkowo na wiencu 3. Jest rzecza widoczna, ze nalo¬ zenie na siebie krzywych pradu, przedsta¬ wionych na fig. 4 i 6, daje prad staly, bez skladowej zmiennej.Podczas gdy prad zmienny, wytwarza¬ ny bezposrednio w silowni wietrznej, nie nadaje sie do zasilania sjeci odbiorczej dla¬ tego, ze jego czestotliwosc zalezy od sily wiatru, to prad staly, wyworzony w ukla¬ dach wedlug fig. 3—5, moze byc doprowa¬ dzany do sieci bezposrednio lub po zamia¬ nie na prad zmienny o stalej czestotliwo¬ sci. Przemiana pradu stalego na prad zmienny o stalej czestotliwosci wymaga je¬ dnak znacznego wydatku na maszyny i przyrzady, jesli chce sie do tego zasto¬ sowac dotychczasowe srodki.Okazalo sie, ze podzial wedlug wyna¬ lazku pradnicy wietrznej na caly szereg sztywno sprzezonych i przesunietych w fa¬ zie pradnic czesciowych umozliwia szcze¬ gólnie proste rozwiazanie takze i tego za¬ gadnienia, jesli zastosuje sie odpowiednio uksztaltowany i w nowy sposób rozrzadza¬ ny przyrzad wyladowczy.Tego rodzaju uklad jest przedstawiony na fig. 7. Przeksztaltnik 12, wyposazony w siatki rozrzadcze przy anodach, jest po¬ laczony podobonie jak na fig. 3 i 5 z wierz¬ cholkami grup /—VIII uzwojen, polaczo¬ nych gwiazdowo.Poszczególne siatki rozrzadcze posiada¬ ja w stanie spoczynku wstepne napiecie ujemne wzgledem katody rteciowej, dopro¬ wadzone przez oporniki 13 i baterie 14. Po¬ nadto przez uklad pierscieni slizgowych 15 siatki te sa polaczone z wycinkami komu¬ tatora 16, napedzanego silnikiem synchro¬ nicznym 17, przylaczonym do pomocnicze¬ go uzwojenia 10 i biegnacym w takt czesto¬ tliwosci bezposrednio wytwarzanej przez pradnice wietrzna. Komutator 16 wspól¬ pracuje z drugim komutatorem 18, nape¬ dzanym innym silnikiem synchronicznym 19 i biegnacym w takt z czestotliwoscia roz- rzadcza, doprowadzana do zacisków 20. Ze¬ spoly szczotek obu komutatorów 16, 18 sa polaczone ze soba.Przez opisane urzadzenie kontaktowe poszczególne siatki rozrzadcze przyrzadu wyladowczego 12 sa laczone w róznych momentach z katoda tego przyrzadu lub z odpowiednio obranym potencjalem do¬ datnim, dostarczanym przez baterie 21 na¬ piecia wstepnego. Odpowiednio do poloze¬ nia obu komutatorów wzgledem swych szczotek, w pewnych momentach nastepuje przerwanie wyladowania ku poszczególnym anodom i w ten sposób przez nalozenie przesunietych wzgledem siebie w fazie krzywych pradu poszczególnych grup uzwojen pradnicy wietrznej zbudowana zo¬ staje krzywa pradu tetniacego o stalej cze¬ stotliwosci, która w uzwojeniu wtórnym transformatora wytwarza prad zmienny o stalej czestotliwosci, jesli ten prad tet¬ niacy doprowadza sie do uzwojenia pier¬ wotnego transformatora.Fig. 8 przedstawia odpowiedni wykres krzywych pradu, przy czym krzywe pradu poszczególnych grup uzwojen / — VIII pradnicy sa przedstawione liniami prze¬ rywanymi, krzywa pradu czestotliwosci rozrzadczej (w powiekszeniu — linia kre- skowano-kropkowana, a otrzymana krzywa obwiednia — linia pelna. Z rysunku widac, ze nawet podzial na osiem tylko grup uzwojen, obrany ze wzgledu na uproszcze¬ nie rysunku, daje juz prad tetniacy o krzy¬ wej prawie sinusoidalnej, który w uzwoje¬ niu wtórnym transformatora 22 wytwarza prad zmianny, który moze byc przenoszo¬ ny, najlepiej po usunieciu niepozadanych harmonicznych, bezposrednio na siec od¬ biorcza.Ta okolicznosc, ze czestotliwosc wyj- — 3 -sciawa, doprowadzona do transformatora 22, przy ukladzie tego rodzaju jest rzeczy¬ wiscie niezalezna od wahan czestotliwosci, która dostarcza napedzana wiatrem prad¬ nica, wynika z nastepujacego rozwazania.Jesli'czestotliwosc napedzanej wiatrem pradnicy wzrasta, to zaznaczone liniami prezrywanymi krzywe na fig. 8 zgeszczaja sie w kierunku osi czasu t Równoczesnie jednak wzrasta w odpowiedniej mierze szybkosc obrotowa kolektora 16 tak, ze na nieruchomych szczotkach kolektora istnieja tak jak i poprzednio te same fazy siatko¬ we, które kolektor rozrzadczy 18, obraca¬ jacy sie ze stala czestotliwoscia zuzytko- wuje do wytworzenia krzywej obwiednej.Otrzymuje sie zatem jeszcze lepiej wyrów¬ nana krzywa obwiednia; metoda rysunko¬ wa mozna latwo dowiesc, ze takze i silne zmiany cezstotliwosci wejsciowej, dopro¬ wadzanej dó przyrzadu wyladowczego 12, nie moga nigdy wplywac na czestotliwosc krzywej obwiedniej, a jedynie wplywaja na zawartosc w niej wyzszych harmonicznych, i ze ta zawartosc wyzszych harmonicznych jest tym mniejsza, im wieksza jest obra¬ na ilosc grup uzwojen, na które wedlug wynalazku dzieli sie uklad uzwojen prad¬ nicy wietrznej.W celu ulatwienia równoleglego lacze¬ nia silowni wietrznej z innymi sieciami, ko¬ rzystne jest wyposazenie przynajmniej jed¬ nego z obu obracajacych sie narzadów roz- rzadczych 16, 18 w znane srodki do na¬ stawnego przesuwania fazy obrotu danego narzadu wzglednie fazy czestotliwosci na¬ pedowej. W tym celu mozna np. zastoso¬ wac kólko reczne 23, które za pomoca przekladni slimakowej umozliwia obraca¬ nie calego silnika synchronicznego 19 kolo jego osi. Widac od razu, ze takie obraca¬ nie musi spowodowac przejsciowe niewiel¬ kie wyprzedzanie wzgjednie opóznianie czestotliwosci krzywej obwiedniej, dzieki czemu faze tej krzywej mozna latwo uzgo¬ dnic z fala równolegle wlaczanej sieci. Ten sam wynik mozna osiagnac przez jedno¬ czesne obracanie obu zespolów szczotek wzgledem osi kolektorów 16, 18.Wyrównanie pradu, dostarczanego od¬ dzielnymi pod wzgledem elektrycznym gru¬ pami uzwojen, odbywa sie najlepiej przez regulowanie szerokosci wolnej szczeliny powietrznej, polozonej miedzy wiencami obu kól (fig. 2). W tym celu poszczególne grupy uzwojen, celowo powtórnie rozdzie¬ lone na grupy, zostaja umieszczone na po¬ przeczkach, dajacych sie przestawiac wzgledem dzwigajacego wienca kolowe¬ go 3 w kierunku wspomnianej szczeliny po¬ wietrznej (strzalka P na fig. 2). Przesta¬ wianie odbywa sie przy tym korzystnie za pomoca elektrycznie napedzanej prowad¬ nicy slimakowej dla kazdej poprzeczki i jest rozrzadzane za pomoca przewodów elektrycznych, które przez odpowiednie pierscienie slizgowe sa polaczone z nieru¬ chomymi czesciami silnika wietrznego.W ten sposób uzyskuje sie równoczesnie te korzysc, ze wyrównuje sie powstajace pod¬ czas pracy zmiany szerokosci szczeliny po¬ wietrznej, która w momentach szczególnie duzego mechanicznego obciazenia turbin wietrznych, np. w czasie burzy, moze byc zwiekszona, co zmniejsza niebezpieczen¬ stwo mechanicznego zniszczenia wienców kól wskutek ich zetkniecia ze soba: Szczególna korzysc podzialu elektrycz¬ nego duzych pradnic napedzanych wiatrem polega na tym, ze dla reperacji mozna w szczególnie prosty sposób przeprowadzic szybkie i pewne zahamowanie turbiny wietrznej. W tym celu poszczególne uzwo¬ jenia czesciowe zostaja oddzielnie zwarte poprzez odpowiednie oporniki. W celu utrzymywania pradów zwarcia zdaleka od ukladu pierscieni slizgowych, zwieranie to odbywa sie celowo poprzez przelacznik, umieszczony przy samym kole wietrznym i obracajacy sie wraz z nim. W tym przy- — 4 —pkdku priez uklad pierscieni slizgowych Wystarczy przeprowadzic tylko przewocly dla rozrzadu tego przelacznika. W celu utrzymywania stalego momentu hamujace¬ go przy zmniejszajacej sie szybkosci obro¬ towej opornosci zwarciowe zostaja stale lub stopniowo zmniejszane, celowo za po¬ moca regulatora, zgodnie ze zmniejszaja¬ cym sie napieciem wzglednie liczba obro¬ tów.Fig. 9 przedstawia schematycznie wy¬ cinek kola wietrznego 3, dzwigajacego wie¬ niec, zaopatrzony w uzwojenia. W wydra¬ zone skrzydlo wietrzne 24 wbudowany jest wylacznik zwarciowy 25, który moze byc uruchomiany w centrali silowni wietrznej za pomoca przewodu rozrzadczego 26. Wy¬ lacznik zwarciowy 25 jest polaczony sze¬ regowo z przelacznikiem odsrodkowym, którego ramie wlaczajace 27 jest poddane naciskowi sprezyny 28 w kierunku strzal¬ ki 29. Przy obracajacym sie kole wietrznym ramie wlaczajace 27 przyjmuje polozenie przedstawione na rysunku, tak ze schema¬ tycznie zaznaczone uzwojenia 30 zostaja zwarte przez caly opornik 31, gdy tylko uruchomi sie wylacznik zwarciowy 25 za pomoca przewodu rozrzadczego 26. Przy zmniejszajacej sie szybkosci obrotowej pradnicy ramie wlaczajace 27 porusza sie w kierunku strzalki 29 pod wplywem naci¬ sku sprezyny 28 i w ten sposób odlacza stopniowo opornik 31, az dochodzi dó kon¬ taktu 33, który calkowicie zwiera opornik 31, doprowadzajac prad do przewodu 34.Oporniki 31 moga byc chlodzone pradem powietrza, prowadzonym w kierunku strzal¬ ki 32 przez puste skrzydlo wietrzne 24.Opisany podzial uzwojen elektrycz¬ nych czyni koniecznym dostosowanie do przenoszenia pradu na nieruchoma czesc si¬ lowni wietrznej ukladu pierscieni slizgo¬ wych, zawierajacego dosyc znaczna liczbe tych pierscieni!; przy tym trzeba zapewnic bardzo dokladny obrót pierscieni dokola ich osi, by pierscienie te mogly pracowac w sposób pewny i bez iskrzenia. Jednak umieszczenie takiego ukaldu pierscieni sliz¬ gowych ^na kolach wietrtznych o srednicy 60—180 m jest polaczone z bardzo znacz¬ nymi trudnosciaim. Jesliby nawet udalo sie prawidlowo ulozyskowac masy takiej tur¬ biny wietrznej, wazace wiele tysiecy tonn, to przy bardzo duzych rozmiarach takich lozysk, trzeba sie liczyc z pewnym luzem w lozysku, co nie jest dopuszczalne dla ukladu pierscieni slizgowych.Trudnosc te mozna usunac w ten. spo¬ sób, ze uklad pierscieni slizgowych ulozy- skowu/je sie oddzielnie od turbiny wietrz¬ nej na tej samej osi, i laczy z kolem wietrz¬ nym za pomoca podatnych narzadów.Uklad pierscieni slizgowych posiada przy tym postac nie walców, lecz tarcz. Jesli turbina wietrzna oklada sie z dwóch wspól¬ osiowo polozonych jedno za drugim prze¬ ciwbieznych kól wietrznych (fig. 1), to obie przynalezne tarcze z pierscieniami umiesz¬ cza sie celowo miedzy obu kolami wietrz¬ nymi. Mozna wtedy zastosowac mostek do odbierania pradu wspólny dla obu tarcz, zaopatrzonych w pierscienie slizgowe.Fig. 10 przedstawia przekrój przez os D silowni wietrzne] wedlug fig. 1. Os ta jest wykonana ze starannie okratowanej rury stalowej 35, dzwiganej przez czesci Bi i B2 widelkowatej wysiegnicy B (fig. 1).Naokolo rury stalowej 35 umieszczone sa cztery pierscieniowe podwójne szyny 36, na których spoczywa caly szereg podwozi, rozdzielonych równomiernie na obwodzie piasty i dzwigajacych kola wietrzne 37, 38. W przedstawionym na fig. 10 przekroju przedstawione jest tylko szesc podwozi 39, 39a, 40, 40a, 41, 41a. Miedzy obu podwój¬ nymi pierscieniami szynowymi 36, przyna¬ leznymi do kazdego kola wietrznego, znaj¬ duja sie podwójne pierscienie szynowe 42; po pierscieniach tych tocza sie pomocnicze kola 44 i 45, których promieniowa os jest — 5 —przymocowana do rury ftalowe} 35. Kola te przejmuja sily scinajace, pochodzace od cisnienia wiatru, a dzialajace na kola wietrzne w kierunku osiowym.Kola wietrzne 37, 38 jezdza zatem w pewnej mierze na okolo rury stalowej 35 na wieloosiowych pojazdach szynowych; widoczne jest, ze w ten sposób mozna pew¬ nie ulozyskowac bardzo duze masy kola wietrznego o srednicy np. 150 im. Widac jednak takze, ze przy takiej konstrukcji osi nie mozna uniknac pewnego luzu miedzy osia i piasta.Wedlug wynalazku luz ten nie wyste¬ puje w urzadzeniach do odbierania pradu dzieki temu, ze biegna one na oddzielnych lozyskach 46 i 47. Na lozyskach tych osa¬ dzone sa tarcze 48 i 49, dzwigajace pier¬ scienie slizgowe i umieszczone po obu stro¬ nach mostku 50 miedzy kolami wietrzny¬ mi 37, 38. Mostek ten dzwiga zespoly szczotók 51 i 52. Tarcze 48, 49 sa polaczo¬ ne mechanicznie z przynaleznymi kolami wietrznymi za pomoca elastycznych narza¬ dów 53. Do polaczenia elektrycznego sluza gietkie kable 54, zaznaczone na fig. 11.Fig. 11 przedstawia przekrój poprzecz¬ ny osi 35 i tarczy 48 z pierscieniami slizgo¬ wymi wedlug linii a—b na fig. 10. Przed tym przekrojem poprzecznym uwidocznio¬ ny jest odpowiedni przekrój poprzeczny mostku 50 do odbierania pradu. Ze wzgle¬ du na przejrzystosc rysunku przedstawio¬ no na nim jedynie trzy pierscienie slizgo¬ we 55, 56, 57 z przynaleznymi odbieracza¬ mi pradu 58, 59, 60, lecz w praktyce trze¬ ba sie liczyc w przyblizeniu z 50—100 wspólsrodkowymi pierscieniami slizgowymi na kazdej tarczy.Celowe polaczenie powyzszych narza¬ dów umozliwia wytwarzanie w silowniach wietrznych pradu zmiennego o stalej cze¬ stotliwosci i o tak znacznej pewnosci .pra¬ cy, oraz tak malych przerwach, ze si¬ lownie wietrzne moga byc zastosowane wprost do zasilania normalnych sieci od- bibrczych i jako szczególnie tanie zródlo pradu moga stanowic konkurencje dla do¬ tychczasowych silowni wodnych i paro¬ wych. PL PL