ГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ МАЛЫХ ВЕТРОВЫХ ТУРБИН

Дж. Р. Бамби, Н. Станнард и Р. Мартин

Перевод с английского: эзергайлис А.Г.

Краткое описание—Эта статья описывает развитие генератор с постоянными магнитами для небольших ветровых турбин. Генератор был разработан для облегчения производства так что это может быть сделано путем малых предприятия машиностроения с ограниченной электрической инженерии знаний. Кроме того, генератор предназначен для не обжимной крутящего момента, чтобы он мог быть использован для всех горизонтальных и вертикальных конструкций оси турбины. Эффективность генератора очень высока, особенно при частичной нагрузке. Типичные значения эффективности 93-94%.

Основные термины—ветровая мощность, генераторы постоянного магнита.

ВВЕДЕНИЕ

Мелкие ветровые турбины (менее 20 кВт), как правило, разработаны и изготовлены в сравнительно небольших механических инженерных компаний. Одним из компонентов, который создает особые проблемы,является электрический генератор,т. к. качественные и подходящие генераторы не всегда легко доступны. В случае сети подключенных турбин изготовители иногда меняют ориентировку использования стандартной коробкой передач и 4-полюсных индукционных машин. Для небольших турбин производитель неизбежно рассматривает специальную конструкцию генераторов таких, о которых описано в работе [1] и [2]. Во многих из этих турбин разработчики хотели бы использовать прямой привод генератора (без коробки передач) такие конструкции генераторов, которые механически просты. Генератор должен быть механически надежным, дешевым, чтобы и легко интегрировался в систему турбины. Он также должен быть немного модифицирован для основных операций переключения, операций заряда аккумулятора или сопротивления отопления. Кроме того, следует производить генераторы с компенсированным крутящим моментом во избежание проблем самозапуска, имеющихся у некоторых типов ветряных турбин.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ

Генератор состоит из 2-х дисков ротора установленых по обе стороны немагнитнго, не проводящего электрический ток статора, рис. 3. Магниты установлены в направлении полюсов окружности - вокруг каждого диска ротора магнит N, с другой стороны S . Магнитный поток проходит непосредственно через воздушный зазор между дисками ротора, перед включением в цепь диска ротора он проходит один полюс, прежде чем вернуться обратно через воздушный зазор. Немагнитный, не проводящий электрический ток статор содержит ряд круговых обмоток, расположенных по окружности, вокруг статора. Хотя генератор и может быть легко предназначен для любого количества фаз,описанные в данном документе, имеют все три фазы с 16-ю магнитами на диске и 12 катушками намагничивания. Такое сочетание дает 240 ° фазовый сдвиг между соседними катушки намагничивания и обеспечивает по 4 катушки на фазу. С помощью простых катушек несложно подключить четыре якоря на фазу в соответствующей последовательный/параллельный механизм, чтобы генератор подходил для любого магистрального подключения или зарядки аккумулятора. Кроме того, могут быть использованы катушки намагничивания с различным числом витков ,что бы пользователь мог выбирать соответствующую катушку для применения в каждой конкретной ситуации.

Рисунок 1 - Топология генератора

Распределение магнитного поля из 16 магнитов генератора на 1 кВт показано на рис. 2. Распределение плотности потока представляет собой приблизительно синусоиду, как в радиальном, так и в окружном направлениях.Профиль плотности потока над магнитом можно рассматривать как "синусоидальную горку" [3]

(1)

Где (2) - эквивалентная электромагнитная плотность тока.[6]

Предположение о плотности магнитного потока, в виде "синусоидальной горки" подразумевает аксиально-симметричное распределение плотности потока вокруг каждого магнита с радиальное расстояние от центра магнита х. Этот профиль плотности потока может быть использован для получения потока между центром катушки обмотки якоря и радиусом r_a.

(3)

Если предположить, что катушка обмотки якоря сосредоточена в его средней осевой части, а это катушка разделена на три части а, в и с-радиальных направлениях, с поворотами в каждом из этих сегментов,ориентарованых на средний радиус, то общая связь потока выражается следующим образом

(4)

и катушки ЭМВ

(5)

В уравнении (4) фактор повышения потока к₁ вводится (k₁>1), чтобы компенсировать тот факт, что поток,рассчитываемый во внешнем сегменте катушки,будет несколько меньше, чем фактический. Это объясняется тем, что анализ предполагает, синусоидальное распространение плотность потока во всех направлениях вокруг магнита. Однако, это только частично верно в генераторе для окружного направления, но не радиального, где плотность потока просто сводится к нулю. Таким образом, поток, рассчитанный для внешнего сегмента катушки будет иметь небольшую погрешность. Обычно используется k₁=1,05 для компенсации этого упущения.

Рисунок 2 - Распределение плотности потока на осевой центр 12/16 части генератора

Аналогичный подход может быть использован в расчете катушки индуктивности, но теперь поток профиля предполагается конической формы, с трапециевидным сечением. Индуктивность катушки якоря при этом имеет вид [3]

(6)

в свою очередь взаимоиндуктивность определяется

(7)

Подробности этого анализа можно найти в [3].

Помехи трёхфазного генератора могут быть устранены с помощию трех резисторных батарей. Как правило,напряжение на выходе будет исправлено, и может использоваться как для зарядки батарей, так и непосредственно в качестве источника постоянного напряжения для питания инвертора,а так же как SMA Windy Boy[7], как показано на рис. 3.

Рисунок 3 - Подключение Windy Boy к электросети

В любом случае генератор и выпрямитель удобно представлять в виде эквивалентной схемы, рассмотренной со стороны постоянного тока выпрямителя. Такая эквивалентная схема приведена на рис. 4 для приложений, заряда аккумулятора. Аккумулятор представлен в виде простого внутреннего сопротивления и открывается в то время, когда моделируется ЭДС цепи генератора, при открытой цепи ЭДС. В это время можно определить эквивалентное сопротивление и сопротивление эквивалентного перекрытия [8]. Если требуется дополнительное напряжение, легко включить диод для падения напряжения в выпрямителе.

Рисунок 4 - Эквивалентные цепи постоянного тока для зарядки аккумуляторных батарей

Для 3-фазного, 6-импульсного выпрямителя эффективно применять сопротивления в статоре, примерно в два раза большим сопротивления фазы и т. п.

(8)

Сопротивление перекрытия определяется

(9)

ЭДС открытой цепи связана с фазным напряжением

(10)

Простое преобразование дает возможность выразить ток цепи

(11)

И напряжение на терминале аккумуляторов

(12)

Электрическую энергию, птребляемую батареей теперь легко вычислить как

(13)

Для подключения сети приложений через инвертор, аккумулятор просто заменить на вставку постоянной емкости сети. Подключенный инвертор будет моделировать его характеристики, рис. 5. В случае SMA Windy Boy характеристика передаваемой мощности является линейной функцией, которая зависит от постоянного напряжения вставки [7]. В качестве генератора используется PM генератор , а затем, в первом приближении, передаваемая мощность находится в прямой зависимости от турбины (без учета падения напряжения в стали и сопротивление перекрытия).

Рисунок 5 - Эквивалентная схема Windy Boy

Для работы схемы Windy Boy необходимо постоянное напряжение не менее 260V. Вставка постоянного напряжения будет обеспечивать передачу максимальной мощности. Она может быть установлена на любое напряжение до 600В. Если установлено, скажем, 450V, то инвертор будет передавать энергию в виде линейной функции напряжения между 260 и 450V и выше 450V и условие передачи энергии будет обеспечено. Напряжение должно быть ниже 600V. Проанализировав передаваемую энергию через инвертор получим выражение тока I_w

(14)

Остальные уравнения,зависящие от время

(15)

(16)

(17)

Если питание резистивной нагрузки генератора представить в виде простой эквивалентной схемые на фазу,то она будет иметь вид,представленный на рис. 6. Анализ этой схемы прост и дает набор значений мощности по каждой фазе

(15)

где k постоянный коэффициент машины и w скоростью вращения в рад/с. Если сопротивление нагрузки значительно больше, чем сопротивление генератора и реактивное (нормальное), то окончательное приближение мощности генератора,скорости и нагрузки сопротивление имеет смысл.

Рисунок 6 - A.C. эквивалентная схема для резистивной нагрузки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье было описано проектирование, производство и производительность генератора с постоянными магнитами для использования в малых ветряных турбинах. Генератор также идеально подходит для использования в небольших гидротурбинах. Кроме того, он прост в изготовлении и его составляющие легко утилизируются в конце его эксплуатации. Генератор изготавливается со скомпенсированным крутящим моментом и его кпд обычно 93-94%. Особенно хороша частичность и эффективность нагрузки. Модульная конструкция позволяет использовать катушки с обмотками различных видов и напряжение конструкции будет легко удовлетворить. Прогноз и результаты деятельности, как на переменном токе,так и при работе через выпрямитель, находятся в отличном согласии, с максимальной разницей в 5%.

ССЫЛКИ

Polinder, H.; “Design of a PM generator for the Turby, a wind turbine generator for the built environment”, 16th International Conference on Electrical Machines, Cracow, Poland, 5-8th September 2004, paper OS13-6.
Chalmers, B.J., Wu, W. and Spooner, E., “An axial flux permanent magnet generator for a gearless wind energy system”, IEEE Trans. On Energy Conversion, Vol. 14, No. 3, June 1999, pp 749-753
Bumby, J.R. and Martin, R. ”Axial-flux permanent-magnet air-cored generator for small-scale wind turbines”, Proc. IEE – Electrical Power Applications, Vol. 152, No. 5, September 2005, pp 1065-1075
Bumby, J.R. British Patent Application No 0412085.3 “Axial-flux, Permanent Magnet Electrical Machine”, 29 May, 2004
Carbon Concepts, Vertical axis-wind turbine and generator, http://www.carbonconcepts.co.uk/, 29 June, 2006
Bumby, J.R., Martin, R., Spooner, E., Brown, N.L. and Chalmers, B.J. ”Electromagnetic design of axial flux permanent magnet machines”, Proc. IEE – Electrical Power Applications, Vol. 151, No. 2, March 2004, pp 151-160
Windy Boy Grid Connect Inverter, http://www.sma-america.com/windyboy.html#2500, November 30th, 2004
Mohan, N., Underland, T.M. and Robbins W.P “Power Electronics – Converters, Applications and Design”, John Wiley and Sons, Third Edition, 2003, ISBN 0-471-429078-2.