CC BY
55
УДК 620.92+621.311+621.548 doi: 10.20998/2074-272X.2016.1.06
В.І. Панченко, Д.В. Ципленков, А.М. Гребенюк, М.С. Кириченко, О.В. Бобров
МАШИННО-ТРАНСФОРМАТОРНИЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК
В роботі запропонована нова конструкція індукторної електричної машини, яка в технічній літературі називається - машинно-трансформаторним агрегатом (МТА). Для такого агрегату отримано співвідношення для визначення розрахункової потужності. На конкретному прикладі показано, що при однакових габаритах розрахункова потужність МТА може перевищувати таку для звичайних синхронних машин. Конструкція МТА дозволяє розмістити котушки обмотки статора на деякій відстані від рухомих елементів машини, а саме, у закритій ємності, заповненій електроізоляційною рідиною. Це дасть змогу збільшити потужність за рахунок більш ефективного охолодження обмотки, а також підвищити вихідну напругу МТА як генератора до рівня 35 кВ і більше. Бібл. 3, рис. 2.
Ключові слова: вітроенергетика, вітроенергетичні установки, індукторна електрична машина, машинно-трансформаторний агрегат, полюс, обмотка статора, генератор.
В работе предложена новая конструкция индукторной электрической машины, которая в технической литературе называется - машинно-трансформаторный агрегат (МТА). Для такого агрегата получено соотношение для определения расчетной мощности. На конкретном примере показано, что при одинаковых габаритах расчетная мощность МТА может превышать таковую для обычных синхронных машин. Конструкция МТА позволяет разместить катушки обмотки статора на некотором расстоянии от подвижных элементов машины, а именно, в закрытой емкости, заполненной электроизоляционной жидкостью. Это позволит увеличить мощность за счет более эффективного охлаждения обмотки, а также повысить выходное напряжение МТА как генератора до уровня 35 кВ и более. Библ. 3, рис. 2.
Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроэнергетические установки, индукторная электрическая машина, машиннотрансформаторный агрегат, полюс, обмотка статора, генератор.
Вступ. До електричних генераторів вітроустано-вок пред'являються наступні вимоги: вони мають бути багатополюсними, мати мінімальні габарити та масу, бути безконтактними але керованими, при роботі на систему електропостачання забезпечувати максимально можливу вихідну напругу.
Постановка завдання. Багатополюсність та без-контактність порівняно просто реалізуються у синхронних генераторах зі збудженням від постійних магнітів та в синхронних індукторних генераторах з електромагнітним збудженням, причому в перших, як недолік - відсутня можливість керувати вихідною напругою, у других - малий (до 0,4) коефіцієнт використання магнітного потоку збудження.
Стан питання. В роботі [1] запропоновано нову конструкцію електричної машини - машинно-трансформаторний агрегат, який є безконтактним, має електромагнітне збудження по типу індукторного генератора і більший відносно до останнього коефіцієнт використання магнітного потоку. Але конструкція такого агрегату, особливо у трифазному виконанні, досить складна і, крім того, вимагає значних витрат міді для обмотки статора. В роботі [2] представлено удосконалену конструкцію машинно-трансформаторного агрегату з вертикальним валом у трифазному виконанні.
Матеріали дослідження. Машинно-трансформаторний агрегат, що розглядається, складається з двох частин - машинної (рис. 1,а зверху) та трансформаторної (рис. 1,а внизу), які мають загальний зовнішній магнітопровід (статор) у вигляді поздовжніх пакетів 1 з ізольованих пластин електротехнічної сталі. На валу 2 машинної частини закріплено втулку ротора 3, на зовнішній поверхні якої розміщено зубчасті радіальні пакети 4 і 5, зроблені також з ізольованих пластин електротехнічної сталі і взаємно зсунуті в осьовому напрямку. Зубці в цих пакетах орієнто-
вані в бік проміжку між ротором і поздовжніми пакетами статора та взаємно зміщені в тангенціальному напрямку на геометричний кут n/z2, де z2 - число зубців в одному пакеті ротора. У проміжку між зубчастими пакетами розміщено кільцеву обмотку збудження 6, прикріплену по її зовнішній поверхні до поздовжніх пакетів статора. Обмотку поділено на дві секції, розташовані поруч. Кожна з них навита з провідної стрічки у взаємно протилежних напрямках, а секції сполучені між собою в кінці навивки зі сторони ротора. Поздовжні пакети 1 по довжині машинної частини агрегату зафіксовано шляхом заливу проміжків між ними немагнітним сплавом, який також утворює корпус 7 цієї частини. У радіальному напряму пакети 1 опираються на циліндричні боковини 8 і 9, в яких зроблено отвори для їх проходу. У боковинах закріплено підшипники 10 і 11, які посаджені на вал 2. Зовні підшипники закрито кришками.
Ширину (по колу) кожного з пакетів 1 зроблено меншою ширини відповідного паза ротора у його зовнішній (по радіусу) частині. На пакетах трансформаторної частини, в крайніх по довжині областях закріплені котушки робочої обмотки, з’єднані між собою за відповідними схемами - «трикутником» або «зіркою». Нижні торці пакетів притиснені до кільцевого ярма 13, навитого із ізольованої феромагнітної стрічки. Пакети 1 трансформаторної частини, котушки 12 та ярмо 13 розміщені у закритій ємності 14, яку заповнено електроізоляційною рідиною. На зовнішній поверхні ємності закріплено охолоджуючі пристрої 15, сполученні з її внутрішнім об’ємом трубами 16.
При живленні обмотки збудження 6 постійним струмом у магнітній системі агрегату виникає магнітний потік, який виходить, наприклад, із зубців пакету 4 ротора і входить у ті поздовжні пакети статора, площа «перекриття» яких і зубців ротора макси-
© В.І. Панченко, Д.В. Ципленков, А.М. Гребенюк, М.С. Кириченко, О.В. Бобров
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1
33
мальна (на рис. 1 напрям магнітного потоку збудження показано стрілками). Далі магнітний потік із пакетів 1 входить у кільцеве ярмо 13 і звідти - в інші пакети статора 1, а саме в ті, площа «перекриття»
яких і зубців ротора пакету 5 максимальна. Далі, із відповідних пакетів статора 1 магнітний потік входить у зубці ротора пакету 5 і по втулці 3 знову в пакет 4 ротора.
в г
Рис. 1. Конструкція машинно-трансформаторного агрегату (а - поздовжній осьовий переріз; б, в, г - поперечні перерізи у різних місцях по висоті)
При обертанні ротора, наприклад, вітродвигуном зубці його пакетів безперервно змінюють своє положення відносно поздовжніх пакетів статора, що приводить до зміни розміру і напряму магнітних потоків в останніх. Вказані потоки пронизують котушки 12 робочої обмотки, що викликає появу в ній електрорушійної сили (ЕРС) з частотою f = z2n/60, де n - частота обертання ротора, об/хв.
Розрахункова потужність машино-
трансформаторного агрегату (МТА):
Р = mE1I1 , (1)
де m - число фаз обмотки статора; E1 - електрорушійна сила (ЕРС) фази; I1 - струм фази.
На кожному поздовжньому пакеті магнітопрово-ду статора розміщена котушка однієї з фаз. Кількість таких котушок на фазу складе 2ф=2і/т, відповідно, ЕРС фази
E1 = 2фЕкКр =
де 2\ - загальна кількість пакетів; Ек - ЕРС однієї котушки; Kp - коефіцієнт розподілення, що враховує взаємний фазовий зсув векторів ЕРС котушок фази.
На рис. 2 умовно показано взаємне положення пакетів статора і зубців ротора в деякий початковий момент часу та після зміщення ротора на полюсну поділку т = 0,5t2, де t2 - зубцева поділка ротора.
Магнітний потік, який пронизує витки котушки, Фк = Фз - Фп, де Фз - потік, що входить в пакет статора із зубця ротора; Фп - потік, який із пакета статора входить у паз сусіднього пакета ротора.
Середнє значення ЕРС котушки
ЕкСр = -к ^ = и-к Ц = 4>к (Фз - Фп ), (2)
де ик - кількість витків котушки; ДФ = 2Фк - зміна магнітного потоку через котушку за час Дt = 0,57і, відповідного зміщенню ротора на відстань т відносно початкового положення. T = 1f- період ЕРС; f- її частота.
34
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1
а б
Рис. 2. Схеми взаємного розташування пакетів статора і зубців ротора у різні моменти часу
Значення магнітних потоків:
Фз =
н0 F5 S
Фп =
H0 Е5Еп
52b
(3)
zi
1 -
51 bL
52 bz1
1 —
1,25
52
= Кп
I1 _ Ак
w„
(5)
51 52
де ц0 - магнітна стала; Fg - магніторушійна сила (МРС) обмотки збудження на один повітряний проміжок; 51, 52 - повітряні проміжки між пакетом статора і зубцем ротора та, відповідно, між пакетом статора і пазом ротора; S3, - площі магнітних потоків між
пакетом і зубцем та між пакетом і пазом, причому, S-i=bz1lIl; Sn=bn/n, де bz1 - ширина пакета; Іп - осьова довжина (товщина) зубця ротора; Ь'п - розрахункова ширина паза ротора.
Після підстановок наведених формул у вираз (2) маємо:
( 5 b,\
Ек — 4wK fB&lnbZi 1 - 1 п
Підставимо співвідношення (3), (4), (5) у формулу (1) з урахуванням того що: f = pn/60 і т = nD/(2p), де p - число пар полюсів машини, яке дорівнює кількості зубців ротора z2 в одному пакеті; D - діаметр розточки, на якому розміщенні пакети статора; n -частота обертання ротора, об/хв. Одержимо:
P _ — арКфКрКпВ5AD2l5lкz1n . (6)
Розглянемо більш детально вираз для лінійного навантаження
А _ І1м’к _ І дРщ>м>к _ ІдЬ^кКзм _ j h к
Ік
Ік
Ік
де Bg - магнітна індукція у повітряному проміжку між пакетом статора і зубцем ротора (максимальне значення).
Запишемо: bz1=apT, де ар - коефіцієнт полюсної дуги. В результаті відповідних розрахунків одержано відношення (b'H/bz1)=1,2. Машина, що аналізується, з боку ротора є двопакетною; зона дії магнітного потоку збудження в осьовому напряму - це активна довжина магнітопроводу, тобто lg = 2Іп. Запишемо вираз у дужках формули (3) таким чином:
( ’ ’ і ( 1 1S і
к к к
де Нк - товщина котушки; Кзм - коефіцієнт заповнення поздовжнього перерізу котушки міддю; ja - густина струму в котушці.
Проміжок по колу між пакетами статора на діаметрі D позначимо через Ьп1, причому Ьп1 = t1- bz1, де t1 - зубцева поділка статора. Бажано забезпечити Ьп1 = 0,5t1. Тоді, товщина котушки Ик ~ 0,45Ьп1 ~ 0,23t1. Значення наступного добутку у формулі (6) буде таким:
АІк z1
D
■ _ 0,72ІдІкКзм .
де Кп - коефіцієнт, що враховує магнітний потік розсіювання.
З урахуванням наведеного запишемо вираз для діючого значення ЕРС котушки
Ек _ КфЕкср _ 2Кфа рКЛ fB5l5^ , (4)
де Кф - коефіцієнт форми магнітного потоку збудження.
Котушки обмотки статора за конструкцією подібні таким же на стрижнях силових трансформаторів. Як і для трансформаторів запишемо співвідношення для лінійного навантаження: А = І1^к/Ік, де Ік - осьова довжина котушки. Звідки фазний струм
Після підстановки останнього співвідношення у (6) одержимо:
P _ 3,8 • 10-2 арКфКпКрКзМB5 jaD2^ . (7)
Стосовно коефіцієнта ар = Ьл/т:
• ширина пакета статора bz1 = t1 - Ьп1 = 0,5t1;
• полюсна поділка т = nD/(2z2).
Тому
tz
z2
ap tz2 z1
Для виконання машини трифазною треба забезпечити:
z1 — 2z2 + К ,
де К = 1, 2, 3 ..., тоді
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1
35
1
a p =
z2
2 Z2 + К 2 +
К/
■< 0.5.
Формула для розрахункової потужності класичних синхронних машин з електромагнітним збудженням має вид [3].
Р'с = 0,164а,КфКобБЬс ACD\n . (8)
Відношення розрахункових потужностей при однакових габаритних розмірах
Р_ = 0,23а рК р Кп Кзм Б5 jalk
PC
(9)
lc аіКоб Б5сА
Виконаємо за останньою формулою розрахунки (генератори в діапазоні потужностей до 1000 кВА).
Приймемо: ср=0,45; Кр=0,95; Кзм=0,58; Б8=1,5 Тл; ja = 4106 А/м2; а,=0,85; Коб=0,92; Б8=0,9 Тл; A =4-104 А/м.
В результаті розрахунків одержимо:
Р_
Р_
0,23 • 0,45 • 0,95 • 0,58 -1,5 • 4 -10
6
0,85 • 0,92 • 0,9 • 4 -10
4
-lk = 11,2lk
2
При lk = 0,1 м маємо Р’ = 1,12Р’с, тобто розрахункова потужність МТА може перевищувати таку для звичайного синхронного генератора. Вибором значення lk можна змінювати розмір потужності в межах допустимого теплового навантаження обмотки статора. Слід зазначити, що індукція В8 у повітряному проміжку МТА обмежується тільки магнітним насиченням електротехнічної сталі пакетів статора, тобто Б8 <1,8 Тл, що значно вище у порівнянні з класичними генераторами.
Просторове розподілення машинної і трансформаторної частин в МТА дозволить розмістити котушки обмотки статора на деякому віддаленні від рухомих елементів, наприклад, у закритій ємності, заповненій електроізоляційною рідиною. При цьому забезпечується більш ефективне охолодження обмотки статора в робочому режимі, що дає змогу збільшити густину струму в обмотці і, відповідно, потужність МТА у порівнянні з випадком повітряного охолодження. З іншого боку, розміщення обмотки в електроізоляційній рідині дозволить збільшити вихідну напругу МТА в режимі генератора до рівня 35 кВ і вище і відмовитись при цьому від використання силового трансформатора, що підвищує напругу перед подачею електроенергії у високовольтну мережу.
Обмотка статора МТА складається з окремих котушок, закріплених на поздовжніх пакетах. Котушки є зосередженими, що забезпечить мінімальну довжину лобових частин. У звичайних синхронних генераторах кількість зубців статора вибирають згідно формули: z1=2pmq, де q>2. Для малообертових генераторів, наприклад, коли n = 150 об/хв, f = 50 Гц, q = 2, треба забезпечити р = 20 і zi = 2-20-3-2=240. При цьому ускладнюється виконання статора і вимушено збільшуються габарити генератора. Розглянемо можливість реалізувати трифазну машину (МТА), коли z^2z2+K. Магнітне поле збудження забезпечує у повітряному проміжку кожного з пакетів ротора кількість пар полюсів р = z2. Взаємний кут зсуву у (в електричних градусах) двох котушок, розташованих на сусідніх пакетах статора у цьому магнітному полі, складе:
2яр 2я^ - К) Кя
z1 2 z1 z1
Сусідні пакети відносяться до однієї з фаз, а котушки цих пакетів з’єднуються між собою послідовно зустрічно, то електричний кут між векторами ЕРС котушок буде таким
Кя
Ус = я - у = —. z1
Кількість пакетів статора у трифазній електричній машині z1 = am, де a = 2, 3, 4 ... - кількість пакетів на фазу. У формулі z1 = 2z2 + К число К позначає кількість віток обмотки однієї фази, з’єднаних між собою послідовно або паралельно. Кількість котушок в одній вітці обмотки буде такою:
z a
аг = Кт ~ К '
Електричний кут, який займають по розточці котушки однієї вітки,
у г arус
z1 К • я К • т z1
я
— = 60 град.ел. т
Остання формула підтверджує можливість створення симетричної трифазної обмотки з 60-ти градусною фазною зоною. Із попередніх міркувань слідує, що числа aг і К повинні бути цілими. Зв’язок між ними описує співвідношення:
(10)
^ = _z^ = 2г2/(К +1) .
К • т т
Значення К бажано мати мінімальним. Послідовно збільшуючи значення К, починаючи з одиниці, знаходимо із формули (10) відповідну величину aг у вигляді першого цілого числа. Наприклад, коли n = 150 об/хв, f = 50 Гц, z2 = 20, т = 3, то тільки при К = 2 отримаємо aг =7. Тоді: z1 = 2-20 + 2 = 42, a = z1rn =
= 42/3 = 14.
Як було зазначено раніше, збудження у МТА забезпечує одна нерухома кільцева обмотка. Визначимо витрати міді для створення такої обмотки. Для магнітного кола, по якому проходить потік збудження, справедливе рівняння:
25Я5KF = 13wз = F3 ,
де Н8 - напруженість магнітного поля у повітряному проміжку розміром 81 між пакетом статора і зубцем ротора; KF > 1 - коефіцієнт, що враховує феромагнітні ділянки кола; І3 і w3 - струм і кількість витків обмотки збудження; Fз - магніторушійна сила (МРС) обмотки.
Врахуємо наступне: H8 = B8/p0; I3w3 = j^S^w., = = S^w.,, де j3 - густина струму в обмотці; S^ - площа попереднього перерізу провідника; S^ = £^3 - площа поперечного перерізу міді обмотки, причому S = Fl = 25B5 Kf
^мз . . .
j3 H-0 j3
Враховуючи, що середня довжина витка
іср = n(D-h0), де h0 - радіальна товщина обмотки, об’єм міді обмотки збудження буде таким:
V = S l =■
у м ^мз^ср
2nD5B5 Кр f1 - hLї = 2VS B5 Kf Г1 -
Ца/з V D) Н-0 j3 V D,
де V8 = nD8 - об’єм повітряного проміжку між пакетами статора та зубцями ротора.
36
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1
Для порівняння визначимо витрати міді на обмотку збудження синхронного явнополюсного генератора. Запишемо рівняння магнітної рівноваги для магнітного кола, який проходить через два сусідні полюси,
25Я 5cKFK5= 2/к w = 2Як,
де Ks - коефіцієнт, що враховує зубчастість статора; Ік і ик - струм та кількість витків котушки полюса; Fк = Ікнк - МРС котушки.
Площа поперечного перерізу міді котушки
о _ о ... _ FK _SBSCKFKS Вмк °пр Ик . .
]к М-0]к
де]к - густина струму в котушці.
Об’єм міді котушки
V _ S l
г мк имк‘срк >
де 1срк - середня довжина витка. Вона складає приблизно 1срк = 2,5(4+йп); ls - довжина магнітопроводу статора; Ьп - ширина осердя полюса.
Звичайно Ьп ~0,35х. Запишемо:
Ісрк _ 2,5( + 0,35т) = 2,5,of% + 0,5/p) _ 2,5в{х + 0,55/p) ,
де 1 = lg/D. Тоді
V _ 08VSSEsK£l{x+ 0,55/
Р0]к ^ / р>
Загальний об’ єм міді обмотки збудження, яка складається із 2р котушок, враховуючи рекомендацію до вибору 1= 0,8/р2, буде таким
0,9VsBs KsKf
V _ 2 vV _------- c F
P0@
Відношення об’ ємів міді обмоток збудження при однакових об’ємах повітряного проміжку, густині струму в обмотках і насиченню магнітопроводів:
0,45Bsc Ks(l ,4^/P +1)
-(/P +1=.
V ' мс
V„
Bs(1 - VD)
Так, для p = z2 = 20; Bg = 1,5 Тл; Bgc = 0.9 Тл; Kg = 1,2; hk/D = 0,05, отримаємо: VJV^r-2,5.
Висновки.
1. Синхронна електрична машина у виді машинотрансформаторного агрегату завдяки явнополюсній конструкції і значній магнітній індукції у повітряному проміжку дозволить збільшити розрахункову потужність та зменшити витрати міді на обмотку збудження порівняно з класичною синхронною машиною з електромагнітним збудженням.
2. Розміщення трансформаторної частини агрегату у закритій ємності, заповненій електроізоляційною рідиною, дозволить збільшити вихідну напругу в режимі роботи генератором, а також потужність агрегату.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Патент РФ № 2096893. Машинно-трансформаторный агрегат / Свечарник Д.В. - Открытия. Изобретения, 1997, №32.
2. Патент України № 103685. Машинно-трансформаторний агрегат / Панченко В.І. - Промислова власність, 2013. -Бюл. №21.
3. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. - М.: Высш.шк., 1984. - 431 с.
REFERENCES
1. Svechamyk D.V. Mashinno-transformatornyi agregat [Machine-transformer unit]. Patent Russian Federation, no.2096893, 1997. (Rus).
2. Panchenko V.I. Mashynno-transformatornyi ahrehat [Machine-transformer unit]. Patent UA, no.103685, 2013. (Ukr).
3. Goldberg A.D., Gurin Y.S., Sviridenko Y.S. Proektirovanie elektricheskikh mashin [Designing of electric machines]. Moscow, Vyssh. shk. Publ., 1984. 431 p. (Rus).
Надійшла (received) 27.11.2015
Панченко Віктор Іванович1,
Ципленков Дмитро Володимирович1, к.т.н., доц.,
Гребенюк Андрій Миколайович1, к.т.н., доц.,
Кириченко Марина Сергіївна1, асистент,
Бобров Олексій Володимирович1, к.т.н.,
1 Державний вищий навчальний заклад «Національний гірничий університет»,
49005, Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, тел/phone +38 056 3730743, +38 066 7746309, e-mail: [email protected]
V.I. Panchenko1, D. V. Tsyplenkov1, A.M. Grebeniuk1,
M.S. Kyrychenko1, O. V. Bobrov1
1 State Higher Education Institution «National Mining University», 19, K. Marksa Avenue, Dnepropetrovsk, 49005, Ukraine. Machine-transformer units for wind turbines.
Background. Electric generators of wind turbines must meet the following requirements: they must be multi-pole; to have a minimum size and .eight; to be non-contact, but controlled; to ensure the maximum possible output voltage when working on the power supply system. Multipole and contactless are relatively simply realized in the synchronous generator with permanent magnet excitation and synchronous inductor generator with electromagnetic excitation; moreover the first one has a disadvantage that there is no possibility to control the output voltage, and the second one has a low magnetic leakage coefficient with the appropriate consequences. Purpose. To compare machine dimensions and weight of the transformer unit with induction generators and is an opportunity to prove their application for systems with low RMS-growth rotation. Methodology. A new design of the electric inductor machine called in technical literature as machine-transformer unit (MTU) is presented. A ratio for estimated capacity determination of such units is obtained. Results. In a specific example it is shown that estimated power of MTU may exceed the same one for traditional synchronous machines at the same dimensions. The MTU design allows placement of stator coil at some distance from the rotating parts of the machine, namely, in a closed container filled with insulating liquid. This will increase capacity by means of more efficient cooling of coil, as well as to increase the output voltage of the MTU as a generator to a level of 35 kV or more. The recommendations on the certain parameters selection of the MTU stator winding are presented. The formulas for copper cost calculating on the MTU field winding and synchronous salient-pole generator are developed. In a specific example it is shown that such costs in synchronous generator exceed 2.5 times the similar ones in the MTU. References 3, figures 2.
Key words: wind power, wind turbines, electric machine inductor, transformer-machine unit, pole stator winding, generator.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1
37
