Особенности конструкции небольшой ветряной турбины с постоянным магнитом переменного тока
Генераторы постоянного тока, электромагнитные генераторы, генераторы с когтевым полюсом, генераторы реактивного сопротивления и индуктивные генераторы использовались для небольших ветряных электростанций. С развитием технологии материалов с постоянными магнитами продукт магнитной энергии из материалов с постоянными магнитами был значительно улучшен, и в настоящее время в основном используются генераторы с постоянными магнитами. Этот тип двигателя превосходит предыдущие типы генераторов с точки зрения электрических характеристик и безопасности. Поскольку место применения этого типа генератора отличается от места применения обычного генератора, его технические требования имеют свою специфику, и с точки зрения производительности он должен хорошо соответствовать ветровой турбине. Поэтому проведен некоторый анализ некоторых проблем в этом типе генератора. И исследовать.
2 технических требования
Фиг.1 представляет собой принципиальную схему небольшого устройства для выработки энергии ветра. Ветер заставляет вращаться колесо, превращая энергию ветра в механическую энергию. Ветровое колесо заставляет генератор вращаться, преобразует механическую энергию в электрическую, выпрямляет и выводит. Конструкция этого типа генератора должна сначала выбрать тип генератора и линию выпрямления; определить расчетную мощность выпрямления, номинальную мощность, напряжение, скорость и т. д. Основными техническими требованиями к нему являются:
(1) номинальная выходная мощность PN (Вт); (2) номинальное выходное напряжение (DC) UN (V); (3) номинальная скорость NN (об / мин); (4) КПД генератора η (); (5) Пусковой момент сопротивления TN (Нм); (6) при 65 номинальной скорости напряжение холостого хода генератора не должно быть ниже номинального напряжения; (7) при номинальной скорости 150 генератор должен иметь возможность перегрузки при номинальном напряжении 2 мин; (8) Генератор должен выдерживать 2-кратную номинальную скорость в условиях холостого хода, продолжительностью 2 минуты, конструкция ротора не должна быть повреждена и подвергаться вредной деформации; (9) Генератор должен быть в состоянии предотвратить дождь, снег, песок и молнии.
Кроме того, он также должен соответствовать техническим требованиям общей изоляции двигателя, сопротивления давлению, механической прочности и так далее.
Технические требования (5), (6), (7), (8) представляют собой особые требования к ветряным турбинам, которые будут проанализированы отдельно ниже.
3 Выбор электромагнитной нагрузки
Практика современного двигателестроения и длительная работа двигателя обычно дают диапазон линейной нагрузки As и магнитной нагрузки Bδ проектируемого двигателя. Когда произведение As и Bδ одинаково, то соотношение между As и Bδ определяет различные параметры генератора, индекс энергии силы и массу. Когда Bδ велико, а As низко, генератор обогащен железом, а когда As велико и Bδ мало, генератор обогащен медью.
Электрическая нагрузка двигателя измеряется плотностью тока j (А / мм2) обмотки двигателя и линейной нагрузкой As (А / см). Чем больше электрическая нагрузка, тем больше потери в меди. Для маломощных ветровых турбин это обычно низкое напряжение и большой ток. В частности, генераторы мощностью менее 1 кВт в основном используются при напряжении 24, 36 В или 48 В (выпрямленный постоянный ток), и номинальный ток таких двигателей большой. Для генераторов малой мощности от 1 до 10 кВт высокое номинальное выходное напряжение не может быть принято. Поскольку в этом типе генератора в основном используется аккумуляторная батарея, напряжение высокое, поэтому необходимо использовать больше батарей, что увеличивает стоимость всей машины, что трудно принять клиентам. Короче говоря, нагрузка на ветряные турбины малой мощности относительно высока, и это генератор с высоким содержанием меди. Потери меди в двигателе велики, составляя около 70% от общих потерь двигателя. Это объективная ситуация. Кроме того, выходная мощность генератора увеличивается с увеличением скорости ветра, как показано на рисунке 2. Мощность генератора увеличивается, а тепло увеличивается. Однако при увеличении скорости ветра условия рассеивания тепла значительно улучшаются. Следовательно, для этого типа генератора не следует придерживаться стандарта выбора As для общего двигателя, и можно выбрать более высокое значение As, которое является как обязательным, так и допустимым. Например, общая малая мощность двигателя А составляет от 60 до 80 А / см; А As типа генератора может быть принят за 100-150 А / см; и генератор аэрогена. При использовании высокоэффективного впрыска топлива охлаждение может достигать около 300 А / см. Следовательно, выбор As должен учитывать потери двигателя, КПД, теплоотдачу и применение, а также получать разумное значение.
Выбор магнитной нагрузки Bδ может полностью соответствовать общим принципам теории двигателя и не будет здесь описываться.
4 статора
4.1 слоты статора
Из-за высокой электрической нагрузки этого типа генератора потери в меди велики. При проектировании генератора ширина зуба и толщина ярма должны быть минимизированы, чтобы обеспечить площадь канавки за счет обеспечения достаточной механической прочности и плотности магнитного потока. Увеличьте площадь проволоки обмотки статора, уменьшите потребление меди и улучшите КПД генератора. Это не то, что каждый производитель рассмотрел. Часто из-за более тонких проводов обмотки статора проектные требования могут быть выполнены во время начальной работы генератора. После 2-3 часов работы температура резко возрастает, а выходная мощность быстро падает, поэтому номинальная выходная мощность не соответствует требованиям.
4.2 статорная обмотка
Технические требования к маломощным ветротурбинам (5) вводят концепцию пускового сопротивления генератора, поскольку малое ветроэнергетическое оборудование обычно вращается с десятками до сотен оборотов, чтобы уменьшить звенья, снизить затраты и повысить надежность. Ветровое колесо устройства напрямую связано с валом генератора. Это требует минимизации крутящего момента сопротивления, генерируемого эффектом зацепления генератора, чтобы при низкой скорости ветра (от 2 до 3 м / с) ветряная турбина могла быстро запускаться и вырабатывать электроэнергию как можно скорее. С этой целью национальный стандарт GB10760.1-89 выдвинул требования, см. Таблицу ниже.
Мощность (Вт) 501002003005001000 Максимальный пусковой момент сопротивления (Нм) 0.200.300.350.501.201.50
Исходя из теории двигателя, желоб статора, наклонная опора ротора и обмотка дробного паза статора могут снизить момент сопротивления, вызванный эффектом зубчатого зацепления, и удовлетворить технические требования. Тем не менее, было доказано, что дробная щелевая обмотка является наиболее эффективным способом уменьшения сопротивления крутящему моменту.
Использование желоба статора относительно легко реализовать в процессе, но эффект не очевиден, и, если расстояние желоба слишком велико, это повлияет на электрические характеристики генератора; при использовании наклонного полюса ротора магнит ротора и магнитный полюс скручиваются до разумного размера. Процесс сложный и эффект не очевиден; поэтому в основном используются дробные щелевые обмотки.
Дробная щель обмотки:
Количество слотов на фазу на полюс q = Zs / 2mp = ac / d
Количество слотов на полюс Q = Zs / 2p = AC / D
Где: Zs - количество пазов статора; m не число фаз обмотки; р - число пар полюсов генератора; А - целое число; c / d, C / D - неприводимая дробь.
Теория и практика доказывают, что чем больше D, тем меньше начальный момент сопротивления генератора [5]. Кроме того, по мере увеличения значения q импеданс обратной последовательности уменьшается и реактивное сопротивление рассеяния уменьшается, что мы и надеемся. В то же время, однако, чрезмерно увеличивая значение q, способность генератора подавлять высшие гармоники уменьшается, и этого следует избегать. Следовательно, до тех пор, пока выполняется требование к моменту сопротивления, установленному национальным стандартом, чем больше значение q, тем лучше.
Мы рассчитали и фактически проверили крутящий момент нескольких генераторов, из которого мы можем определить координацию зубьев, см. Рисунок 3.
5 ротор
Скорость вращения ветротурбины небольшого устройства для выработки энергии ветра составляет от десятков до сотен оборотов в минуту, и ротор генератора напрямую связан с ветровым колесом. Скорость вращения ротора определяет, что генератор является многополюсным низкоскоростным генератором; ротор, как правило, выполнен из феррита и неодим-железо-борного магнита, тангенциальной структуры; конструкция ротора должна быть прочной и выдерживать воздействие внезапных изменений скорости ветра без каких-либо повреждений или повреждений. И деформация. Это четко указано в технических требованиях (7) и (8). Проблема с ротором будет обсуждаться в специальной статье.
6 характеристик
6.1 Выходное напряжение постоянного тока
Генератор выдает напряжение переменного тока для выпрямления и зарядки аккумулятора. Согласно национальному стандарту выпрямленное напряжение должно быть на 2 В выше, чем стандартная батарея на 12 В, то есть выходное напряжение генератора составляет 14 В, 28 В, 42 В, 56 В ... Однако было доказано, что это регулирование выполнимо для областей с очень обильными ветровыми ресурсами, но для ветровых ресурсов области, которые могут быть использованы, являются низкими. Некоторые люди производили 42 В (DC) во внутренней области культуры озера Цзянсу Нейху. Генератор был подключен к двум сериям батарей (24 В) и работал без проблем. Следовательно, при проектировании генератора следует знать, что источник ветра в районе, где используется ветряная турбина, как правило, должен быть выше 4 В, чтобы в полной мере использовать ценные ветровые ресурсы.
6.2 Выходные характеристики
Взаимосвязь между выходной мощностью P и скоростью n не требуется для генераторов общего назначения и важна для таких генераторов. На рисунке 2 показаны измеренные характеристики генератора DYF-600. В связи с особыми требованиями, ветряные турбины требуют генераторов для выработки электроэнергии при низких скоростях ветра, в то время как выходные характеристики максимально мягкие, чем номинальные скорости ветра. Поэтому при проектировании генератора магнитная цепь должна быть максимально насыщенной, чтобы не вызывать частое превышение скорости ветродвигателя, а выходная мощность генератора резко возрастает, вызывая чрезмерное воздействие на зарядное устройство и инвертор и перегрев генератора, тем самым повреждая. ,
6.3 Сопоставление характеристик ветряных турбин с выходными характеристиками генератора
(1) После запуска ветряной турбины генератор должен вырабатывать электроэнергию как можно скорее, то есть энергия ветра может быть захвачена в диапазоне низких скоростей ветра. В соответствии с техническими требованиями (6), пусковой крутящий момент генератора настолько мал, насколько это возможно, чтобы ветряная турбина могла быть запущена как можно скорее.
(2) Есть надежда, что генератор P = f (n) имеет квадратичное параболическое соотношение до расчетной точки, чтобы получить лучшую энергию ветра путем согласования генератора с ветротурбиной.
