Вы здесь
Введение В связи с быстрым ростом мировых потребностей в энергии ветряные турбины стали надежным решением проблемы климатических и экологических изменений. Синхронные машины с постоянными магнитами с прямым приводом (СДПМ), используемые в ветряных турбинах, получили значительное внимание благодаря устранению шума редуктора и их низкой стоимости обслуживания. СДПМ обеспечивают высокую энергоэффективность и лучший выход постоянного магнита. Кроме того, отсутствие контура возбудителя снижает стоимость обслуживания ротора генератора и минимизирует его потери, что позволяет достичь лучшего теплового КПД и более высокой производительности. Машины, используемые для преобразования энергии ветряных систем Наиболее популярными ветрогенераторами, используемыми в настоящее время в цепях преобразования ветра, являются асинхронные генераторы (такие как генераторы с короткозамкнутым ротором и асинхронные генераторы с двойным питанием) и синхронные генераторы с постоянными магнитами. Как правильно выбрать машину для вашей цепочки преобразования ветряных турбин? Индукционные генераторы с короткозамкнутым ротором (SCIG) SCIG работают с фиксированной скоростью. Они стандартизированы и имеют низкую стоимость обслуживания благодаря использованию простого электрического интерфейса и отказу от силовой электроники. Они используются для ветряных турбин большой мощности (выше 100 кВт). Высокоскоростные ветряные турбины используют редуктор, который влияет на их массу. Кроме того, захваченная энергия не оптимальна, поскольку скорость неуправляема, а диапазон ее изменения ограничен. Концепция фиксированной скорости вдохновила производителей ветряных турбин на использование альтернативных типов машин, подходящих для переменной скорости, таких как асинхронные генераторы с двойным питанием (DFIG) и генераторы с постоянными магнитами (PMSG). Индукционные генераторы с двойным питанием (DFIG) DFIG имеют тот же принцип работы, что и SCIG с фазным ротором вместо короткозамкнутого ротора. Они являются инновационными по сравнению с SCIG, работающими с переменной скоростью. Однако проектирование DFIG представляет собой сложную задачу из-за наличия щеточно-кольцевого узла и механического мультипликатора скорости. Требуют регулярного ухода. Кроме того, для их соединения с сетью требуются силовые электронные интерфейсы и преобразователи, которые являются дорогостоящими, чувствительными к перегрузкам по току и представляют собой сложные стратегии управления при сетевых помехах. Чтобы преодолеть недостатки DFIG, разработчики ветряных турбин использовали PMSG. Синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG) PMSG работают с переменной скоростью с меньшими затратами и объемом. Они могут использоваться напрямую или через механический редуктор. Отсутствие коробки передач устраняет проблемы с шумом и снижает затраты на техническое обслуживание. Использование постоянных магнитов (ПМ) обеспечивает сильное магнитное поле в воздушном зазоре. Фактически отсутствие цепи возбуждения на уровне ротора минимизирует потери на эффекте Джоуля, что повышает энергоэффективность генератора. Устраняется щеточно-кольцевой узел, а конструкция машины упрощается, особенно в отношении ротора, благодаря ПМ. Генераторы с большим числом полюсов создают значительные механические моменты. Они используют интерфейсы силовой электроники, что делает их экономически выгодными и реальными конкурентами DFIG. Основным недостатком этого типа машин является высокая стоимость ПМ. Популярные топологии PMSG Топологии PMSG определяются типами потока, ротора и постоянного магнита. Типы флюсов: Существует два типа генераторов PMSG: генераторы осевого потока и генераторы радиального потока. ГПМД с радиальным потоком предпочтительнее для широкого диапазона изменений скорости. Они немного более эффективны и требуют меньше активных материалов, чем генераторы осевого потока. Типы роторов: PMSG имеют 2 типа роторов: внутренние и внешние роторы. Генераторы с внешним ротором имеют меньший объем железа в статоре. Следовательно, они легче по сравнению с генераторами с внутренним ротором. Более того, при одинаковом количестве пазов и полюсов генератор с внешним ротором обеспечивает более высокий КПД, чем его аналог с внутренним ротором. Этот выигрыш объясняется уменьшением магнитных потерь в основном за счет минимизации объема стали статора. Наличие магнитов приводит к сложности конструкции и механическому и магнитному охрупчиванию на уровне ротора. Типы постоянных магнитов: Существует 4 типа ПМ, а именно: магнит для поверхностного монтажа, вставной постоянный магнит, магнит концентрации потока и магнит V-образной формы. Для генераторов радиального потока магниты могут быть установлены на поверхности, вставлены, заглублены или концентраторы потока. Эти топологии имеют как преимущества, так и ограничения. Поверхностные магниты, прикрепленные непосредственно к периферии ротора, представляют собой простейшую конструкцию. Хотя они предлагают лучшие характеристики с точки зрения эффективности, массовой мощности и коэффициента мощности, поверхностные постоянные магниты рискуют оторваться из-за центробежной силы, приложенной непосредственно к ним. Заглубленные магниты трудно вставить, что вызывает более сильные пульсации крутящего момента, чем те, которые присутствуют в генераторах с поверхностными магнитами. Эта топология более чувствительна к эксцентриситету ротора по сравнению с ее аналогом для поверхностного монтажа. Тем не менее такая топология позволяет добавить к моменту взаимодействия между обмотками статора и магнитами существенный момент. В этой конфигурации магниты не подвержены отсоединению или размагничиванию. Генераторы с магнитами-концентраторами представляют собой более сложную конструкцию, чем генераторы со вставными магнитами, но позволяют использовать менее дорогие и менее чувствительные к температуре ферритовые магниты. Аналитическое моделирование поверхностного ГМДГ с внутренним ротором Принцип определения геометрии основан на фиксации электромагнитного момента генератора на его номинальном значении. Как только крутящий момент зафиксирован, выводится радиус отверстия. Затем все размеры машины получаются по аналитической модели. Следует рассмотреть некоторые требования и гипотезы. В таблице ниже представлены требования к генератору. Характеристики генератора Ценить Номинальная мощность (Вт) 1100 Номинальная угловая скорость (об/мин) 382 Количество пар полюсов 6 Индуктивность ярма статора (T) 1,4 Количество слотов на полюс на фазу 1 Текущая поверхностная плотность (А.мм2) 2,7 Спецификация поверхности PMSG В соответствии со следующими уравнениями рассчитываются геометрия и электромагнитные параметры машиныПолезные советы 

Проектирование и оптимизация для ветряной турбины

Врач

Введение

В связи с быстрым ростом мировых потребностей в энергии ветряные турбины стали надежным решением проблемы климатических и экологических изменений. Синхронные машины с постоянными магнитами с прямым приводом (СДПМ), используемые в ветряных турбинах, получили значительное внимание благодаря устранению шума редуктора и их низкой стоимости обслуживания. СДПМ обеспечивают высокую энергоэффективность и лучший выход постоянного магнита. Кроме того, отсутствие контура возбудителя снижает стоимость обслуживания ротора генератора и минимизирует его потери, что позволяет достичь лучшего теплового КТП СЭЩ и более высокой производительности.

Машины, используемые для преобразования энергии ветряных систем

Наиболее популярными ветрогенераторами, используемыми в настоящее время в цепях преобразования ветра, являются асинхронные генераторы (такие как генераторы с короткозамкнутым ротором и асинхронные генераторы с двойным питанием) и синхронные генераторы с постоянными магнитами. Как правильно выбрать машину для вашей цепочки преобразования ветряных турбин?

Индукционные генераторы с короткозамкнутым ротором (SCIG)

SCIG работают с фиксированной скоростью. Они стандартизированы и имеют низкую стоимость обслуживания благодаря использованию простого электрического интерфейса и отказу от силовой электроники. Они используются для ветряных турбин большой мощности (выше 100 кВт). Высокоскоростные ветряные турбины используют редуктор, который влияет на их массу. Кроме того, захваченная энергия не оптимальна, поскольку скорость неуправляема, а диапазон ее изменения ограничен. Концепция фиксированной скорости вдохновила производителей ветряных турбин на использование альтернативных типов машин, подходящих для переменной скорости, таких как асинхронные генераторы с двойным питанием (DFIG) и генераторы с постоянными магнитами (PMSG).

Индукционные генераторы с двойным питанием (DFIG)

DFIG имеют тот же принцип работы, что и SCIG с фазным ротором вместо короткозамкнутого ротора. Они являются инновационными по сравнению с SCIG, работающими с переменной скоростью. Однако проектирование DFIG представляет собой сложную задачу из-за наличия щеточно-кольцевого узла и механического мультипликатора скорости. Требуют регулярного ухода. Кроме того, для их соединения с сетью требуются силовые электронные интерфейсы и преобразователи, которые являются дорогостоящими, чувствительными к перегрузкам по току и представляют собой сложные стратегии управления при сетевых помехах. Чтобы преодолеть недостатки DFIG, разработчики ветряных турбин использовали PMSG.

Синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG)

PMSG работают с переменной скоростью с меньшими затратами и объемом. Они могут использоваться напрямую или через механический редуктор. Отсутствие коробки передач устраняет проблемы с шумом и снижает затраты на техническое обслуживание. Использование постоянных магнитов (ПМ) обеспечивает сильное магнитное поле в воздушном зазоре. Фактически отсутствие цепи возбуждения на уровне ротора минимизирует потери на эффекте Джоуля, что повышает энергоэффективность генератора. Устраняется щеточно-кольцевой узел, а конструкция машины упрощается, особенно в отношении ротора, благодаря ПМ. Генераторы с большим числом полюсов создают значительные механические моменты. Они используют интерфейсы силовой электроники, что делает их экономически выгодными и реальными конкурентами DFIG. Основным недостатком этого типа машин является высокая стоимость ПМ.

Популярные топологии PMSG

Топологии PMSG определяются типами потока, ротора и постоянного магнита.

Типы флюсов:

Существует два типа генераторов PMSG: генераторы осевого потока и генераторы радиального потока.

ГПМД с радиальным потоком предпочтительнее для широкого диапазона изменений скорости. Они немного более эффективны и требуют меньше активных материалов, чем генераторы осевого потока.
Проектирование и оптимизация для ветряной турбины
Проектирование и оптимизация для ветряной турбины

Типы роторов:

PMSG имеют 2 типа роторов: внутренние и внешние роторы.
Генераторы с внешним ротором имеют меньший объем железа в статоре. Следовательно, они легче по сравнению с генераторами с внутренним ротором. Более того, при одинаковом количестве пазов и полюсов генератор с внешним ротором обеспечивает более высокий КПД, чем его аналог с внутренним ротором. Этот выигрыш объясняется уменьшением магнитных потерь в основном за счет минимизации объема стали статора. Наличие магнитов приводит к сложности конструкции и механическому и магнитному охрупчиванию на уровне ротора.
Типы постоянных магнитов:
Существует 4 типа ПМ, а именно: магнит для поверхностного монтажа, вставной постоянный магнит, магнит концентрации потока и магнит V-образной формы.
Для генераторов радиального потока магниты могут быть установлены на поверхности, вставлены, заглублены или концентраторы потока. Эти топологии имеют как преимущества, так и ограничения. Поверхностные магниты, прикрепленные непосредственно к периферии ротора, представляют собой простейшую конструкцию. Хотя они предлагают лучшие характеристики с точки зрения эффективности, массовой мощности и коэффициента мощности, поверхностные постоянные магниты рискуют оторваться из-за центробежной силы, приложенной непосредственно к ним.
Заглубленные магниты трудно вставить, что вызывает более сильные пульсации крутящего момента, чем те, которые присутствуют в генераторах с поверхностными магнитами. Эта топология более чувствительна к эксцентриситету ротора по сравнению с ее аналогом для поверхностного монтажа. Тем не менее такая топология позволяет добавить к моменту взаимодействия между обмотками статора и магнитами существенный момент. В этой конфигурации магниты не подвержены отсоединению или размагничиванию. Генераторы с магнитами-концентраторами представляют собой более сложную конструкцию, чем генераторы со вставными магнитами, но позволяют использовать менее дорогие и менее чувствительные к температуре ферритовые магниты.

Аналитическое моделирование поверхностного ГМДГ с внутренним ротором

Принцип определения геометрии основан на фиксации электромагнитного момента генератора на его номинальном значении. Как только крутящий момент зафиксирован, выводится радиус отверстия. Затем все размеры машины получаются по аналитической модели. Следует рассмотреть некоторые требования и гипотезы. В таблице ниже представлены требования к генератору.

 

Характеристики генератора  Ценить
  Номинальная мощность (Вт) 1100
  Номинальная угловая скорость (об/мин) 382
  Количество пар полюсов 6
  Индуктивность ярма статора (T) 1,4
  Количество слотов на полюс на фазу 1
  Текущая поверхностная плотность (А.мм2) 2,7
Спецификация поверхности PMSG
В соответствии со следующими уравнениями рассчитываются геометрия и электромагнитные параметры машины

Похожие записи