CC BY
24Статья поступила в редакцию 25.04.12. Ред. рег. № 1295
The article has entered in publishing office 25.04.12. Ed. reg. No. 1295
УДК 621.548
РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ ВЕТРОУСТАНОВОК НА БАЗЕ СЕРИЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В.М. Головко, В.П. Коханевич, Ю.Н. Перминов, Н.А. Шихайлов, Н.В. Марченко
Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 10.05.12 Заключение совета экспертов: 15.05.12 Принято к публикации: 20.05.12
Проведен сравнительный анализ технико-экономических показателей синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для ветроустановок малой мощности. Приведены этапы проектирования и результаты исследования синхронных генераторов на базе серийных асинхронных двигателей на специально разработанном стенде.
Ключевые слова: ветроэнергетика, синхронные генераторы, постоянные магниты.
DEVELOPMENT AND TESTING OF GENERATORS WITH PERMANENT MAGNETS FOR WIND TURBINES BASED ON SERIAL ASYNCHRONOUS ENGINES
V.M. Golovko, V.P. Kohanevich, Yu.N. Perminov, N.A. Shihaylov, N.V. Marchenko
Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20A Krasnogvardejskaya str., Kyev, 02094, Ukraine Tel./fax: +38-044-237-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 10.05.12 Expertise: 15.05.12 Accepted: 20.05.12
A comparative analysis of technical and economic parameters of synchronous generators with permanent magnet excitation for low-power wind turbines. The stages of design and results of a study synchronous generators on the basis of serial asynchronous engines in a specially designed stand.
Keywords: wind power, synchronous generators, permanent magnets.
В современных ветроустановках (ВЭУ) малой мощности широкое применение нашли синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. При этом используются либо тихоходные машины оригинальной конструкции, когда обороты генератора и ротора ВЭУ совпадают и отпадает необходимость в мультипликаторе, либо относительно быстроходные синхронные генераторы. В свою очередь, быстроходные синхронные генераторы могут быть выполнены как оригинальной конструкции, так и с использованием элементов конструкций серийных асинхронных электродвигателей с короткозамк-нутым ротором.
На первом этапе разработки генератора необходимо рассмотреть различные конструкции, сравнить их технические и, по возможности, экономические характеристики с целью выбора наиболее пригодных вариантов с точки зрения задач, поставленных перед разработчиком ВЭУ малой мощности.
На рис. 1, 2 изображены машины торцевого исполнения, в которых: I - статор; II - ротор. (На рис. 1, 2, 3: 6 - подшипниковые узлы; 7 - вал.)
Рис. 1. Генератор торцевого исполнения с обмоткой вокруг тороидального ярма статора Fig. 1. Generator mechanical performance with toroidal winding around yoke stator
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Рис. 2. Генератор торцевого исполнения с обмотками, уложенными на поверхности тороидальных сердечников статора
Fig. 2. Generator mechanical performance with windings, laid on surface of toroids core stator
В генераторе на рис. 1 статор представляет собой тороидальный сердечник 1 из электротехнической ленты, который закреплен на ярме статора 5. Вокруг сердечника намотана однофазная или многофазная обмотка 2. Ротор состоит из магнитов 3 в виде секторов, уложенных на ярмах статора 4. Магниты расположены с двух сторон статора.
Данный генератор отличается компактностью конструкции и уменьшенной длиной лобовых частей обмотки, которая позволяет снизить омические потери.
На рис. 2 показан генератор торцевого исполнения, в котором статор выполнен в виде тороидальных сердечников 1 из электротехнической ленты, закрепленных на ярме 4, на поверхности которых уложены однофазные или многофазные обмотки 2. Генератор может представлять собой две машины в одном корпусе при независимом включении обмоток. Вращение внутренней части машины облегчает ее агрегатирование в конструкцию установки. Ротор состоит из ярма 5, на торцевых поверхностях которого расположены магниты 3.
В этой конструкции генератора при независимом включении обмоток возможно включение одной или двух машин в зависимости от скорости ветра.
На рис. 3 изображен генератор цилиндрической конструкции с радиальной магнитной системой. Статор состоит из ярма 1, закрепленного в корпусе 4, в пазы которого уложена обмотка 2. На ярме ротора 5 расположены магниты 3 в виде сегментов.
В данной конструкции генератора при изготовлении статора могут использоваться листы стали со статоров, которые изготовляются серийно. Возможно использование полностью изготовленных статоров серийных асинхронных электродвигателей для синхронных генераторов ВЭУ. В этом случае необходимо изготовить только ярмо ротора с постоянными магнитами.
Рис. 3. Генератор цилиндрической конструкции с радиальной магнитной системой Fig. 3. Cylindrical structure generator with radial magnetic system
Для сравнения были проведены расчеты машин разных конструкций (рис. 1, 2, 3) при использовании магнитов системы М^еВ, ферритов бария (стронция) в безмультипликаторном исполнении (табл. 1) и с мультипликаторами (табл. 2), в табл. 2 приведены также данные расчета генератора, выполненного на базе асинхронного двигателя 4АМУ132М8 с использованием магнитов М^еВ.
Результаты расчетов (табл. 1, 2) позволяют сделать следующие выводы:
- удельные параметры растут с ростом диаметра ротора и увеличением оборотов;
- конструкции (рис. 1, 2) имеют сравнимые параметры;
- применение магнитов системы М^еВ позволяет поднять в несколько раз удельную мощность, однако увеличивает удельную стоимость машин в сравнении с машинами с магнитами феррит бария;
- машина, выполненная на базе серийного асинхронного двигателя, имеет самую низкую удельную стоимость.
Итак, использование в качестве генератора асинхронного электродвигателя позволяет снизить массо-габаритные показатели (даже с учетом использования мультипликатора) изделия и, соответственно, его стоимость. Стоимость полученного генератора будет отличаться от стоимости серийного электродвигателя лишь дополнительными затратами на магниты и изготовление нового ротора. Кроме того, при серийном производстве электродвигателей используются отработанные технологии, конструкции просчитаны до мелочей, включая тепловые режимы, перегрузочные возможности и т. д. Использование уже уложенных обмоток, готовых подшипниковых щитов, литых корпусов и прочих серийных узлов и деталей значительно снижает стоимость изделия в целом. При этом возникает возможность использовать такое готовое изделие как серийный мотор-редуктор, что также позволяет снизить затраты на трансмиссию.
Таблица 1
Электрогенераторы для ветроустановок без мультипликатора
Tablel
Electricity generators for wind turbines without multiplier
№ Конструкция Скорость вращения, об/мин Число фаз, шт. Внешний диаметр ротора, мм Число полюсов, шт. Масса магнитов, кг Цена магнитов, грн. Электромагнит. Мощность, Вт Масса машины, кг Цена исследовательского образца, грн. Удельная стоимость, грн/Вт Удельная мощность, Вт/кг
1 Плоский, феррит бария, бескаркасные катушки по обеим сторонам ротора (рис. 3) 200 2 500 16 32 450 1085 78 5100 4,7 13,9
2 Плоский, феррит бария, обмотка вокруг тора (рис. 1) 150 3 550 16 38 540 1900 96 5200 3 20
3 Плоский, феррит бария, бескаркасные катушки по обеим сторонам тора (рис. 2) 200 2 300 16 10,8 150 308 31 3950 13 10
4 Плоский, ШЕеВ, обмотка вокруг тора (рис. 1) 300 3 300 16 5,4 2700 1200 23 7800 6,5 52
5 Плоский, ШЕеВ, бескаркасные катушки по обеим сторонам ротора (рис. 3) 300 2 300 16 5,3 2650 1200 25 7700 6,4 48
6 Плоский, ШЕеВ, бескаркасные катушки по обеим сторонам тора (рис. 2) 200 2 300 16 5,4 2700 800 25 6500 8 32
Таблица 2
Электрогенераторы для ветроустановок с мультипликатором
Table2
Power generators for wind turbines with multiplier
№ Конструкция Скорость вращения, об/мин Число фаз, шт. Внешний диаметр ротора, мм Число полюсов, шт. Масса магнитов, кг Цена магнитов, грн. Электромагнит. Мощность, Вт Масса машины, кг Цена исследовательского образца, грн. Удельная стоимость, грн/Вт Удельная мощность, Вт/кг
1 Плоский, феррит бария, обмотка вокруг тора (рис. 1) 500 3 300 16 10,8 153 850 29 4743 5,5 30
2 Плоский, феррит бария, обмотка вокруг тора (рис. 1) 1000 3 300 16 11 154 1800 29 3950 2,2 62
3 Плоский, феррит бария, бескаркасные катушки по обеим сторонам тора (рис. 2) 1000 2 300 16 11 154 1750 30 4740 2,7 58
4 Плоский, феррит бария, бескаркасные катушки по обеим сторонам тора (рис. 2) 1000 2 360 16 16 225 3500 40 5500 1,57 87
5 Плоский, ШЕеВ, обмотка вокруг тора (рис. 1) 1000 3 300 16 5,4 2700 3600 30 7800 2,1 120
6 На базе асинхронного двигателя 4АМУ132М8, ШЕеВ (рис. 5) 750 3 300 8 8,9 4492 5500 100 6492 1,2 55
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Недостатком конструкции является увеличение эксплуатационных расходов, включающих в себя сезонную замену масла, периодическую замену подшипников и уплотнений. Однако при определенных условиях (использование всесезонных смазок нового поколения, новых конструкций уплотнений и т. д.) этими недостатками можно пренебречь в пользу снижения стоимости.
В Украине имеется несколько электротехнических предприятий, выпускающих серийно асинхронные двигатели различной мощности и параметров, поэтому очевидна целесообразность проектирования и изготовления синхронного генератора на базе серийных машин. Это позволяет в сжатые сроки, с минимальными переделками изготовить генератор с требуемыми параметрами по приемлемой цене и высокого качества.
При проектировании генератора исходными данными, как правило, являются:
- номинальная мощность;
- фазное или линейное напряжение;
- частота вращения;
- габариты.
Номинальная мощность определяется мощностью ВЭУ с учетом КПД входящих промежуточных узлов между ротором и генератором, а с учетом того, что используется статор серийной машины - определяется фазное или линейное напряжение. Более сложен вопрос в определении частоты вращения генератора. Несогласование характеристик ротора-мультипликатора-генератора может привести как к резкому снижению коэффициента использования энергии ветра ветроустановкой, так и к полному отсутствию генерации электроэнергии в определенном диапазоне скорости ветра. Это относится как к установкам с мультипликатором, так и без него.
Рассмотрим в общем случае, как совмещаются характеристики ротора и генератора в системе координат мощности - Р и оборотов - п, которые являются общими как для ротора, так и для генератора (рис. 4).
Рис. 4. Совмещение характеристик ротора ветроустановки
и генератора с постоянными магнитами Fig. 4. Combination of characteristics of wind turbine rotor and generator with permanent magnets
В общем случае в рабочем диапазоне оборотов характеристика мощности генератора имеет линейную зависимость, угол наклона которой определяется конструктивными параметрами генератора, а в случае использования мультипликатора - с учетом его передаточного отношения (прямые 1 и 2 на рис. 4).
Мощность на валу ротора ветроустановки согласно [1] составляет P = ^D2V3/2080 кВт, где 4 - коэффициент использования энергии ветра ротором; D -диаметр ротора; V - скорость ветра.
Если предположить, что ротор ветроустановки должен работать в оптимальном режиме, т.е. с номинальной быстроходностью ZH = const при всех скоростях ветра в рабочем диапазоне и учитывая зависимость ZH = aR/V = const, где R - радиус ротора; ю = nn/30 - угловая скорость вращения ротора, можно рассчитать обороты ротора в зависимости от скорости ветра по формуле n = (30/n)(ZHV/R) и получить функциональную зависимость мощности ротора от оборотов, которая представляет собой кубическую параболу (кривая 3 на рис. 4).
Как видно из рис. 4, генератор не является оптимальной нагрузкой на ротор ветроустановки. Генератор с характеристикой 1 разрешает начинать генерирование электроэнергии на меньших скоростях ветра n1(V1), чем генератор с характеристикой 2, что отвечает n2(V2). С другой стороны, при номинальной скорости ветра nH(VH) номинальная мощность генератора с характеристикой 2 составляет P2 , что выше,
чем у генератора с характеристикой 1 - Pj . Т.е.
можно констатировать: генератор с характеристикой 1 более эффективен при малых скоростях ветра, а генератор с характеристикой 2 - при повышенных скоростях ветра.
Совместить положительные качества двух характеристик генераторов можно ступенчатым подсоединением нагрузки, если это разрешает конструктивное выполнение нагрузки. В противном случае выбор характеристики генератора должен производиться с учетом среднегодовой скорости ветра [2].
Следующий этап разработки генератора - конструктивное решение. Как отмечалось ранее, статор асинхронного двигателя 1 с обмоткой 5 (рис. 5) полностью сохраняется, переделывается только ротор. При переделке ротора рассматривались два варианта.
Первый вариант (рис. 5) - замена шихтованного пакета, закрепленного на валу ротора 6, ярмом 2 из магнитомягкой стали (например, Ст. 2 или 3) с фрезерованными гранями, на которые клеятся магниты 3. Для ужесточения прочности и последующей проточки ротора с целью получения цилиндра определенного диаметра, а также зазора между ротором и статором на поверхности магнитов клеятся башмаки 4 из магнитомягкой стали, которые винтами притягиваются к ярму ротора. Промежутки между магнитами и башмаками заполняются компаундом. Общий вид переделанного ротора показан на рис. 6.
Рис. 5. Синхронный генератор на базе серийного асинхронного двигателя Fig. 5. Synchronous generator based on serial asynchronous engine
Рис. 6. Общий вид переделанного ротора Fig. 6. General view of converted rotor
Второй вариант - изготовление ротора необходимого диаметра, без башмаков, когда магниты выполняются в виде сектора трубы или кругового сегмента. Такой вариант требует использования алмазного инструмента, не исключает сколов на поверхностях магнитов и нарушения клеевого слоя с последующим отрывом магнитов при работе генератора.
Необходимо отметить, что для обеспечения мощности синхронного генератора, выполненного на базе асинхронного двигателя, соответствующей мощности двигателя, требуется, чтобы индукция в рабочем зазоре генератора соответствовала индукции двигателя - Б8 = (0,7-0,8) Тл. Опыт проектирования синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов показывает, что такая индукция может быть только при применении анизотропных, прессованных магнитов типа М^еВ, 8шСо и литых магнитов типа А1№Со (ЮНДК 35Т5БА).
Следующий этап разработки генератора - определение вебер-амперной характеристики магнита. Сечения магнитов Дм = Ьм 1м определяются конструктивно, исходя из размеров ротора переделываемого двигателя (Ьм - ширина магнита; 1м - длина магнита), рассчитывается поток по остаточной индукции Бг: Ф = БД*.
Высота магнита км находится из условия получения необходимой намагничивающей силы по коэрцитивной силе магнита Нс из выражения Е = Искм.
В дальнейшем производится полный расчет магнитной цепи по методике [3] с определением Ф8 -
действительного значения полезного потока в рабочем зазоре; Б8 - действительного значения индукции
в рабочем зазоре. Соответственно, уточняется э.д.с. фазы генератора: Е = 4,44 Ф8 КоЮф, где Юф - число
витков в фазе; Ко - коэффициент обмотки статора.
В дальнейшем уточняются фазное напряжение, электромагнитная мощность, потери (омические потери в фазе, омические потери в машине, потери в зубцах ротора, потери в стали ротора).
После переделки ротора и сборки генератора проводились испытания на стенде. Стенд был разработан и создан для исследования режимов работы электрогенераторов ветроэлектрических установок при проведении предварительных, приемочных и сертификационных испытаний. Стенд предусматривает моделирование различных значений угловой скорости и нагрузки, что имеет место в реальных условиях эксплуатации.
В состав стенда входят:
- вводной автоматический выключатель;
- автотрансформатор;
- блок управления привода электродвигателя постоянного тока;
- приводной двигатель постоянного тока;
- исследуемый генератор;
- измерительный комплекс.
Блок-схема стенда приведена на рис. 7.
Рис. 7. Блок-схема стенда Fig. 7. Block diagram of stand
Конструктивно стенд выполнен следующим образом. Общая сварная рама, на которой расположены приводной двигатель постоянного тока и исследуемый электрогенератор, установлена на виброизоляционной основе. Приводной двигатель и генератор соединены с помощью упругой муфты. На задней крышке приводного двигателя установлен тахогене-ратор, который имеет соединение с выходным концом вала двигателя. Режим работы приводного двигателя формируется блоком управления. Функциональная схема блока управления приведена на рис. 8.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Рис. 8. Функциональная схема управления пребразователями цепи якоря и обмотки возбуждения двигателя постоянного тока Fig. 8. Functional diagram of control converters circuit armature and excitation winding direct current motor
Рис. 9. Принципиальная схема пульта управления стенда для испытаний электрогенераторов ветроустановок Fig. 9. Schematic diagram of control panel of stand for testing electrogenerators of wind turbines.
Блок управления состоит из двух силовых каналов питания - цепи якоря и обмотки возбуждения, которые гальванически развязаны. Канал цепи якоря имеет трехфазный выпрямитель, Ь-С фильтр и транзисторный преобразователь с широтно-импульсным
управлением. Канал цепи обмотки возбуждения состоит из однофазного выпрямителя, емкостного фильтра, транзисторного широтно-импульсного преобразователя и выходного Ь-С фильтра. Принципиальная схема блока управления приведена на рис. 9.
Формирование управляющего сигнала происходит в модуле (ЮВТ) СЫ300Би-12Р. Этот элемент управляется напряжением, но при его коммутации необходимы токи для зарядки и разрядки входной емкости (имеет емкость между парой своих выводов). Модуль имеет изолированный затвор, поэтому нужно принять меры против статического электричества. Степень перегрузки модуля инвертора находится в пределах 150-200% от номинального, но величина установившегося тока выбрана в пределах 50-60% от номинальной. Управление осуществляется сигналом, который превышает порог срабатывания. Защита от перегрузки по току построена на контроле прямого тока коллектора с помощью датчика тока, который встроен в модуль. Если ток превышает уровень предела срабатывания защиты от перегрузки по току, то это воспринимается как перегрузка по току и модуль выключается.
Защита от короткого замыкания контролирует прямой ток коллектора с помощью датчика тока и в случае защиты от перегрузок. Защита от превышения температуры контролирует температуру основы платы. При превышении заданного порога происходит выключение модуля. Защита от работы на сниженном напряжении - если напряжение источника, который управляет, падает к пороговому значению и за данное время не возвращается к необходимому значению, то происходит управляемое выключение на время, когда напряжение остается сниженным.
Для пуска стенда в работу необходимо подать переменное напряжение 220 В на трех- и однофазные
клеммы. Выводы обмотки якоря подсоединены к клеммам регулируемого постоянного тока 220 В. Тумблером 83 включить систему управления и канал обмотки возбуждения. Потенциометром Я7 регулировать напряжение якорного круга в пределах 0-220 В. Регулировку необходимо начинать с нулевого положения потенциометра. Выключение стенда производят в обратной последовательности.
На указанном стенде проводились, в частности, испытания генераторов мощностью от 4 до 15 кВт. Генератор мощностью 4 кВт проходил испытание в двух модификациях: с расположением постоянных магнитов в плоскости оси ротора и со скосом относительно этой плоскости на некоторый угол. В результате исследований установлено, что наличие скоса уменьшает страгивающий момент генератора в 3,5 раза.
Ниже приводится пример испытания электрогенератора для ВЭУ мощностью 5 кВт, число оборотов (синхронное) 750 об/мин, фазное напряжение 220 В.
На рис. 10 показано размещения генератора на стенде.
Условия проведения испытаний:
- температура окружающей среды - +22 °С;
- относительная влажность окружающего воздуха - 80%;
- испытания проводились на активной симметричной нагрузке. Активная нагрузка создавалась с помощью трубчатых электронагревателей и ламп накаливания.
Рис. 10. Размещение генератора на стенде Fig. 10. Placing generator on stand
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
1. Характеристика холостого хода (зависимость напряжения на клеммах генератора от частоты обращения ротора при нулевой нагрузке).
Результаты испытаний приведены на графике рис. 11.
Уже при скорости 675 об/мин напряжение достигало своего номинального значения (220 В). Данные опыта совпадают с расчетными.
и, в
300
200
100
¿ИГ
-Г"
300
600
__ опыт N3 1 опыт N5 2 опыт М» 3
Э00 ri, об/мин
Рис. 11. Характеристика холостого хода генератора Fig. 11. Characteristics of no-load generator
2. Внешняя характеристика (зависимость напряжения генератора от тока нагрузки). Для ветроэнергетики необходимо знать такую характеристику не только при номинальных оборотах генератора.
Результаты приведены на графиках рис. 12.
Рис. 12. Внешняя характеристика генератора Fig. 12. External characteristics of generator
3. Проверка соответствия номинальным данным генератора. Номинальные показатели генератора проверялись в следующей последовательности: устанавливались номинальные показатели холостого хода и постепенно увеличивалась нагрузка до номинального значения. Фазное напряжение составляло 220 В, что свидетельствовало об отсутствии провала напряжения.
4. Зависимость нагревания корпуса генератора во времени при коэффициенте загрузки 0,8 приведены на графике рис. 13. Измерение температуры проводилось согласно описанию и требованиям [4]. Термометр был установлен в средней части корпуса статора.
Рис. 13. Изменение температуры корпуса генератора Fig. 13. Changing temperature of frame generator
Температура корпуса за время наблюдений достигла постоянного значения 42 °С и не превысила допустимого уровня для изоляции обмотки данного генератора (класс изоляции F).
Выводы
1. Проведено сравнение синхронных генераторов ВЭУ малой мощности торцевого и цилиндрического исполнения с возбуждением от постоянных магнитов и установлено, что удельные параметры растут с ростом диаметра ротора, и увеличение его оборотов, применение магнитов системы NdFeB позволяет поднять в несколько раз удельную мощность, однако увеличивает удельную стоимость машин в сравнение с машинами с магнитами феррит бария, машина, выполненная на базе серийного асинхронного двигателя, имеет самую низкую удельную стоимость.
2. Разработаны основные этапы проектирования и изготовления синхронного генератора для ветроус-тановок малой мощности.
3. Разработана методика исследования на стенде характеристик генераторов ветроустановок согласно действующим нормативным документам. Стенд предусматривает моделирование разных значений угловой скорости и нагрузки, которые имеют место в реальных условиях эксплуатации.
Список литературы
1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: ГИСЛ, 1957.
2. Коханевич В.П., Душина Г.П., Романченко Д.С., Терентьев О.М. Вплив номшально1 швидкосп виру впрових електричних установок на гх еконо-мiчнi та техшчш характеристики при експлуатаци в впрових умовах Украши // Ввдновлювана енергети-ка. 2010. №4(23). С. 48-53.
3. Мхитарян Н.М., Кудря С. А., Перминов Ю.Н., Буденный В.Ф. Проектирование синхронных генераторов для ветроустановок малой мощности // Вщновлювана енергетика. 2006. №2. С. 40-43.
4. ГОСТ 11828-86 «Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний».
ГХ-1 - TATA — LXJ
ss
