Cechy konstrukcyjne małej turbiny wiatrowej z magnesem trwałym

Cechy konstrukcyjne małej turbiny wiatrowej z magnesem trwałym

Generatory prądu stałego, alternatory elektromagnetyczne, generatory biegunów, generatory reluktancyjne i generatory indukcyjne były stosowane w małych elektrowniach wiatrowych. Wraz z rozwojem technologii materiałów z magnesami trwałymi, produkt energii magnetycznej z materiałów z magnesów trwałych został znacznie ulepszony, a generatory z magnesami trwałymi są obecnie używane głównie. Ten typ silnika jest lepszy od poprzednich rodzajów generatorów pod względem wydajności elektrycznej i bezpieczeństwa. Ponieważ miejsce zastosowania tego typu generatora różni się od generatora ogólnego, jego wymagania techniczne mają swoją specyfikę i muszą być dobrze dopasowane do turbiny wiatrowej pod względem wydajności. Dlatego przeprowadzana jest analiza kilku problemów w tego typu generatorze. I odkrywaj.

2 wymagania techniczne

Rysunek 1 jest schematycznym diagramem małego urządzenia wytwarzającego energię wiatru. Wiatr napędza obrotowe koło wiatrowe, zamieniając energię wiatru na energię mechaniczną. Koło wiatrowe napędza generator, aby się obracał, zamienia energię mechaniczną w energię elektryczną, a następnie prostuje i wyprowadza. Projekt tego typu generatora musi najpierw wybrać typ generatora i linię prostowania; określić obliczoną moc prostowniczą, moc znamionową, napięcie, prędkość i tak dalej. Główne wymagania techniczne to:

(1) znamionowa moc wyjściowa PN (W); (2) znamionowe napięcie wyjściowe (DC) UN (V); (3) prędkość nominalna NN (r / min); (4) sprawność generatora η (); (5) Rozpoczęcie momentu oporowego TN (Nm); (6) przy 65 prędkości znamionowej, napięcie jałowe generatora nie powinno być niższe niż napięcie znamionowe; (7) przy 150 prędkości znamionowej, generator powinien być w stanie przeciążyć działanie pod napięciem znamionowym 2min; (8) Generator powinien być w stanie wytrzymać 2-krotność prędkości znamionowej w warunkach bez obciążenia, trwającej 2 minuty, struktura wirnika nie powinna być uszkodzona i szkodliwe odkształcenie; (9) Generator powinien być w stanie zapobiec deszczowi, śniegowi, piaskowi i błyskawicom.

Ponadto powinien również spełniać wymagania techniczne dotyczące ogólnej izolacji silnika, odporności na ciśnienie, wytrzymałości mechanicznej i tak dalej.

Wymagania techniczne (5), (6), (7), (8) są szczególnymi wymaganiami dla turbin wiatrowych, które zostaną osobno przeanalizowane poniżej.

3 wybór obciążenia elektromagnetycznego

Praktyka nowoczesnej produkcji silnika i długotrwałej pracy silnika generalnie daje zakres obciążenia liniowego As i obciążenia magnetycznego Bδ projektowanego silnika. Gdy iloczyn As i Bδ jest taki sam, wówczas stosunek między As i Bδ określa różne parametry generatora, indeks energii siły i masę. Kiedy Bδ jest duże, a jako niskie, generator jest bogaty w żelazo, a gdy jest duże i Bδ jest małe, generator jest bogaty w miedź.

Obciążenie elektryczne silnika jest mierzone przez gęstość prądu j (A / mm2) uzwojenia silnika i obciążenie liniowe As (A / cm). Im większe obciążenie elektryczne, tym większa utrata miedzi. W przypadku turbin wiatrowych o małej mocy generalnie jest to prąd niskiego napięcia i wysokoprądowy. W szczególności generatory poniżej 1 kW są najczęściej używane przy 24, 36 V lub 48 V (rektyfikowane DC), a prąd znamionowy takich silników jest duży. W przypadku generatorów o małej mocy od 1 do 10 kW nie można pobierać wysokiego napięcia wyjściowego. Ponieważ ten typ generatora wykorzystuje głównie magazynowanie energii akumulatora, napięcie jest wysokie, należy użyć więcej baterii, co zwiększa koszt całej maszyny, co jest trudne do zaakceptowania przez klientów. Krótko mówiąc, obciążenie linii turbin wiatrowych małej mocy jest stosunkowo wysokie i jest to generator o dużej zawartości miedzi. Strata miedzi w silniku jest duża, co stanowi około 70% całkowitej utraty silnika. To jest obiektywna sytuacja. Ponadto, moc wyjściowa generatora wzrasta wraz ze wzrostem prędkości wiatru, jak pokazano na rysunku 2. Moc generatora jest zwiększana, a ciepło jest zwiększane. Jednak wraz ze wzrostem prędkości wiatru warunki rozpraszania ciepła ulegają znacznej poprawie. Dlatego dla tego typu generatora nie należy stosować standardu wyboru As dla silnika ogólnego, a wyższą Jako wartość można wybrać, co jest wymagane i dozwolone. Na przykład ogólny silnik małej mocy As wynosi 60 do 80 A / cm; a Jako typ generatora można przyjąć od 100 do 150 A / cm; i generator aerogenów Ponieważ stosowanie wysokowydajnego chłodzenia wtryskiem paliwa może osiągnąć około 300 A / cm. Dlatego wybór As powinien uwzględniać utratę silnika, sprawność, rozpraszanie ciepła i zastosowanie oraz uzyskać rozsądną wartość.

Wybór obciążenia magnetycznego B8 może być całkowicie zgodny z ogólnymi zasadami teorii silnika i nie będzie tutaj opisany.

4 stojan

4.1 Miejsca na stojana

W oparciu o wysokie obciążenie elektryczne tego typu generatora, strata miedzi jest duża. Podczas projektowania generatora szerokość zębów i grubość jarzma należy zminimalizować, aby zapewnić obszar rowka, zapewniając wystarczającą wytrzymałość mechaniczną i gęstość strumienia magnetycznego. Zwiększ obszar drutu uzwojenia stojana, zmniejsz zużycie miedzi i popraw wydajność generatora. Nie jest to coś, co rozważał każdy producent. Często ze względu na cieńsze przewody uzwojenia stojana, wymagania projektowe mogą być spełnione podczas początkowej pracy generatora. Po 2 do 3 godzinach pracy temperatura gwałtownie rośnie, a moc wyjściowa gwałtownie spada, tak że znamionowa moc wyjściowa nie spełnia wymagań.

4.2 Uzwojenie stojana

Wymagania techniczne turbin wiatrowych małej mocy (5) wprowadzają pojęcie momentu oporowego rozruchowego generatora, ponieważ małe urządzenia wytwarzające energię wiatru generalnie obracają się od dziesiątek do setek obrotów, w celu zmniejszenia połączeń, zmniejszenia kosztów i poprawy niezawodności. Wiatrowe koło urządzenia jest bezpośrednio sprzężone z wałkiem generatora. Wymaga to zminimalizowania momentu oporu generowanego przez efekt korzenia generatora, tak, że gdy prędkość wiatru jest niska (2 do 3 m / s), turbina wiatrowa może zostać szybko uruchomiona i wytwarzać energię elektryczną tak szybko, jak to możliwe. W tym celu krajowa norma GB10760.1-89 przedstawia wymagania, patrz poniższa tabela.

Moc (W) 501002003005001000 maksymalny moment rozruchowy (Nm) 0.200.300.350.501.201,50

Z teorii silnika, zsuwni stojana, słupa skośnego wirnika i uzwojenia szczelinowego stojana można zmniejszyć moment oporu spowodowany efektem zazębiania i spełniać wymagania techniczne. Udowodniono jednak, że ułamek szczeliny szczelinowej jest najskuteczniejszym sposobem zmniejszenia momentu oporowego.

Użycie rynny stojana jest stosunkowo łatwe do wdrożenia w procesie, ale efekt nie jest oczywisty, a jeśli odległość rynny jest zbyt duża, wpłynie to na wydajność elektryczną generatora; używając wirnika, skośnego słupa, magnes wirnika i biegun magnetyczny są skręcone do rozsądnych rozmiarów. Proces jest trudny, a efekt nie jest oczywisty; w związku z tym najczęściej stosowane są ułamkowe zwoje szczelinowe.

Frakcjonalne uzwojenie szczelinowe:

Liczba slotów na fazę na biegun q = Zs / 2mp = ac / d

Liczba gniazd na biegun Q = Zs / 2p = AC / D

Gdzie: Zs to liczba miejsc stojana; m nie jest liczbą faz nawijania; p to liczba par biegunów generatora; A, a jest liczbą całkowitą; c / d, C / D jest frakcją nieredukowalną.

Teoria i praktyka dowodzą, że im większy jest D, tym mniejszy wyjściowy moment oporu generatora wynosi [5]. Ponadto, wraz ze wzrostem wartości q, impedancja sekwencji ujemnej maleje, a reaktancja przeciekania maleje, co jest naszą nadzieją. Jednocześnie jednak, nadmiernie zwiększając wartość q, zmniejsza się zdolność generatora do tłumienia wyższych harmonicznych i należy tego unikać. Dlatego tak długo, jak wymagania dotyczące momentu oporu określone przez normę krajową są spełnione, im większa wartość q, tym lepiej.

Wyliczyliśmy i przetestowaliśmy moment obrotowy kilku generatorów, od których możemy ustalić koordynację zębów, patrz rysunek 3.

5 wirników

Prędkość turbiny wiatrowej małego urządzenia wytwarzającego energię wiatru wynosi dziesiątki do setek obrotów na minutę, a wirnik generatora jest bezpośrednio sprzężony z kołem wiatrowym. Prędkość wirnika określa, że generator jest wielobiegunowym, wolnoobrotowym generatorem; wirnik jest generalnie wykonany z magnesu ferrytowego i neodymowo-żelazowo-borowego, styczna struktura; konstrukcja wirnika musi być mocna i wytrzymać uderzenie nagłych zmian prędkości wiatru bez uszkodzeń i uszkodzeń. I deformacji. Jest to jasno określone w wymaganiach technicznych (7) i (8). Problem rotora zostanie omówiony w specjalnym artykule.

6 cech

6.1 Napięcie wyjściowe DC

Generator generuje napięcie prądu przemiennego w celu prostowania i ładowania akumulatora. Zgodnie z normą krajową, wyprostowane napięcie powinno być o 2V wyższe niż standardowa bateria 12V, tj. Napięcie wyjściowe generatora wynosi 14V, 28V, 42V, 56V ... Jednakże zostało udowodnione, że ta regulacja jest wykonalna dla obszarów przy bardzo obfitych zasobach wiatrowych, ale w przypadku zasobów wiatrowych, obszary, które można wykorzystać, są niskie. Niektórzy ludzie produkowali 42V (DC) w obszarze kultury wewnętrznej jeziora Jiangsu Neihu. Generator połączono z dwiema seriami akumulatorów (24 V) i działał bez większych problemów. Dlatego przy projektowaniu generatora należy wiedzieć, że źródło wiatru w obszarze, w którym jest używana turbina wiatrowa, powinno być generalnie wyższe niż 4V, aby w pełni wykorzystać cenne zasoby wiatrowe.

6.2 Charakterystyki wyjściowe

Związek pomiędzy mocą wyjściową P a prędkością n nie jest wymagany w przypadku generatorów ogólnych i jest ważny dla takich generatorów. Rysunek 2 pokazuje zmierzone charakterystyki generatora DYF-600. Ze względu na specyficzne wymagania turbiny wiatrowe wymagają generatorów do generowania energii elektrycznej przy niskich prędkościach wiatru, podczas gdy charakterystyka wyjściowa jest tak miękka, jak to możliwe powyżej znamionowych prędkości wiatru. Dlatego przy projektowaniu generatora obwód magnetyczny powinien być nasycony tak bardzo, jak to tylko możliwe, aby nie powodować częstych przekroczeń prędkości turbiny wiatrowej, a moc wyjściowa generatora gwałtownie rośnie, powodując nadmierny wpływ na ładowarkę i falownik. przegrzanie generatora, a tym samym uszkodzenie. .

6.3. Dopasowanie charakterystyki turbin wiatrowych z charakterystyką wyjściową generatora

(1) Po uruchomieniu turbiny wiatrowej generator jest zmuszony do generowania elektryczności tak szybko, jak to możliwe, tj. Energia wiatru może być wychwytywana w zakresie niskich prędkości wiatru. Jest to zgodne z wymaganiami technicznymi (6), moment rozruchowy generatora jest tak mały, jak to tylko możliwe, aby turbina wiatrowa mogła zostać uruchomiona tak szybko, jak to możliwe.

(2) Oczekuje się, że generator P = f (n) ma kwadratową zależność paraboliczną przed punktem znamionowym, aby uzyskać najlepszą energię wiatru, dopasowując generator do turbiny wiatrowej.