DWUSTOPNIOWY, WOLNOOBROTOWY GENERATOR.pdf
(
174 KB
)
Pobierz
Microsoft Word - 30_Gawron_pop.doc
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Nap
ħ
dów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 62
Politechniki Wrocławskiej
Nr 62
Studia i Materiały
Nr 28
2008
pr
Ģ
dnica synchroniczna z magnesami trwałymi,
generator synchroniczny wolnoobrotowy,
elektrownie wodne, wiatrowe
Stanisław GAWRON*
DWUSTOPNIOWY, WOLNOOBROTOWY GENERATOR
SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI
W niniejszej pracy zaprezentowano konstrukcj
ħ
modelowego 2-u stopniowego wolnoobrotowego
generatora synchronicznego do produkcji energii elektrycznej z przeznaczeniem do odnawialnych
Ņ
ródeł energii. Przedstawiono metodyk
ħ
oblicze
ı
elektromagnetycznych generatora dwustopniowego
wzbudzanego magnesami trwałymi. Na podstawie przeprowadzonych oblicze
ı
wykonano model fi-
zyczny maszyny, na którym przeprowadzono wst
ħ
pne badania laboratoryjne. W pracy zamieszczono
schemat zast
ħ
pczy i zestawienie porównawcze jego parametrów obliczonych i zmierzonych.
1. WPROWADZENIE
Od kilku lat BOBRME KOMEL projektuje i wykonuje pr
Ģ
dnice z magnesami
trwałymi ró
Ň
nych konstrukcji i do ró
Ň
nego zastosowania. Pr
Ģ
dnice z magnesami trwa-
łymi ze wzgl
ħ
du na swoje podstawowe własno
Ļ
ci (generuj
Ģ
energi
ħ
w całym zakresie
pr
ħ
dko
Ļ
ci obrotowej) znalazły szerokie zastosowanie głównie w elektrowniach wia-
trowych [1], [2], gdzie si
ħ
sprawdziły i s
Ģ
coraz powszechniej stosowane.
Ze wzgl
ħ
du na obni
Ň
enie kosztów produkcyjnych pr
Ģ
dnic, maszyny te maj
Ģ
kon-
strukcje zunifikowan
Ģ
z silnikami indukcyjnymi, co powoduje pewne ograniczenia co
do mo
Ň
liwo
Ļ
ci optymalizacyjnych obwodu elektromagnetycznego.
Pr
ħ
dko
Ļę
obrotowa
Ļ
migieł turbin wiatrowych jest stosunkowo niska i wynosi od
kilkunastu (elektrownie wielkich mocy) do kilkudziesi
ħ
ciu (w elektrowniach małych)
obrotów na minut
ħ
[3]. Klasyczna bezprzekładniowa pr
Ģ
dnica synchroniczna lub in-
dukcyjna musi mie
ę
du
ŇĢ
liczb
ħ
biegunów (zwykle kilkadziesi
Ģ
t), co powoduje,
Ň
e jej
Ļ
rednica jest du
Ň
a, przy czym tylko pier
Ļ
cie
ı
jest aktywny. Celem artykułu jest wska-
zanie mo
Ň
liwo
Ļ
ci zmniejszenia gabarytu maszyny przy niezmienionej liczbie biegu-
__________
* Bran
Ň
owy O
Ļ
rodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL, 40-203 Katowice,
Al. Ro
Ņ
dzie
ı
skiego 188, e-mail: konstruktorzy@komel.katowice.pl
198
nów. Warunek ten spełnia maszyna dwutwornikowa w układzie kaskady szeregowej
wzbudzana magnesami trwałymi.
Niniejsza koncepcja wolnoobrotowego dwustopniowego generatora z magnesami
trwałymi była ju
Ň
wcze
Ļ
niej podejmowana [4], jednak
Ň
e w swoich pracach autorzy
skupili si
ħ
na generatorach dwustopniowych z magne
Ļ
nic
Ģ
swobodn
Ģ
.
2. BUDOWA PR
ġ
DNICY
Model pr
Ģ
dnicy wykonano na bazie rury stalowej (chłodzenie konwekcyjne) oraz
z prostymi tarczami ło
Ň
yskowymi zamykaj
Ģ
cymi maszyn
ħ
. Dodatkowo na wale pr
Ģ
d-
nicy od strony przeciw nap
ħ
dowej wprowadzono pier
Ļ
cienie
Ļ
lizgowe, do których
przył
Ģ
czono ko
ı
cówki uzwoje
ı
wirników. Taka konstrukcja modelu pr
Ģ
dnicy umo
Ň
-
liwia badania modelu jako 2 niezale
Ň
nych maszyn.
Rys. 1. Przekrój poprzeczny pr
Ģ
dnicy dwustopniowej
Fig. 1. Cross section of the proposed two-stage synchronous generator
Pr
Ģ
dnica 1-szego stopnia jest wzbudzana magnesami trwałymi naklejonymi na stoja-
nie. Uzwojenie twornika maszyny 1-szej jest ł
Ģ
czone w szereg z uzwojeniem wzbudze-
nia maszyny 2-giej, przy czym w modelu zaciski obydwóch uzwoje
ı
s
Ģ
wyprowadzone
na pier
Ļ
cienie. Energia jest odbierana z uzwojenia twornika maszyny 2-giej.
W modelu maszyny istnieje mo
Ň
liwo
Ļę
zarówno zmian konfiguracyjnych ł
Ģ
czo-
nych uzwoje
ı
, pomiarów elektrycznych, jak równie
Ň
mo
Ň
liwo
Ļę
bada
ı
kompensowa-
nia zmienno
Ļ
ci napi
ħ
cia generowanego przez maszyn
ħ
.
Do skrzynki zaciskowej stojana wyprowadzono 6 ko
ı
cówek uzwojenia, daj
Ģ
c
w ten sposób mo
Ň
liwo
Ļę
konfiguracji uzwojenia twornika jako Y lub D.
199
3. MODEL MATEMATYCZNY PR
ġ
DNICY
Model matematyczny pr
Ģ
dnicy zbudowano bazuj
Ģ
c na schemacie zast
ħ
pczym
pr
Ģ
dnicy jak na rys. 2. Schemat zast
ħ
pczy uwzgl
ħ
dnia poł
Ģ
czenie kaskadowe maszyn
i został zbudowany przy zało
Ň
eniu strat mocy w
Ň
elazie równym zero.
Rys. 2. Schemat zast
ħ
pczy pr
Ģ
dnicy dwustopniowej
Fig. 2. Equivalent circuit diagram two-stage synchronous generator
Opis schematu zast
ħ
pczego:
E
1
– siła elektromotoryczna rotacji pochodz
Ģ
ca od magnesów trwałych,
f
1
, f
2
– cz
ħ
stotliwo
Ļ
ci generowanego napi
ħ
cia,
Rw
1
, Rw
2
– rezystancje fazowe uzwoje
ı
wirników,
Xt
w1
, Xr
w1
, Xr
w2
– reaktancja twornika i reaktancje rozprosze
ı
uzwoje
ı
wirników,
U
10
– napi
ħ
cie wyst
ħ
puj
Ģ
ce na wirniku pod stojanem uzwojonym,
X
µ
w2
– reaktancja magnesuj
Ģ
ca uzwojenia wirnika,
E
2
– siła elektromotoryczna rotacji powstała na wskutek zmiennej SMM,
Rs
– rezystancja fazowa uzwojenia stojana (twornika głównego),
Xr
s
, Xt
s
– reaktancja rozproszenia i twornika uzwojenia stojana (twornik główny),
U
20
– napi
ħ
cie biegu jałowego pr
Ģ
dnicy
Z
obc
– impedancja obci
ĢŇ
enia pr
Ģ
dnicy
Parametry schematu zast
ħ
pczego maszyny obliczono metod
Ģ
obwodow
Ģ
wykorzy-
stuj
Ģ
c zale
Ň
no
Ļ
ci analityczne podawane w literaturze [5], [6] oraz dane konstrukcyjne
maszyn. Napi
ħ
cia rotacji
E
1
i
E
2
obliczono metod
Ģ
polow
Ģ
wykorzystuj
Ģ
c metod
ħ
elementów sko
ı
czonych 2D [7] w programie FEMM i Mathcad.
Pr
Ģ
dnic
ħ
z magnesami trwałymi umieszczonymi w stojanie (1-szy stopie
ı
kaskady)
zamodelowano i wykonano szereg symulacji, z których (na podstawie posiadanych
ju
Ň
do
Ļ
wiadcze
ı
z pr
Ģ
dnicami z magnesami trwałymi) wybrano jedno z najbardziej
optymalnych rozwi
Ģ
za
ı
obwodu elektromagnetycznego. Wybór polegał głównie na
doborze grubo
Ļ
ci i k
Ģ
ta magnesów trwałych.
200
Wykorzystuj
Ģ
c program Mathcad, wyznaczono rozkład 1-szej harmonicznej in-
dukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej pod jedn
Ģ
par
Ģ
biegunów, a nast
ħ
pnie
obliczono z równania (1) warto
Ļę
skuteczn
Ģ
1-szej harmonicznej napi
ħ
cia rotacji przy
biegu jałowym i cz
ħ
stotliwo
Ļ
ci 50 Hz.
Rys. 3. Rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej
Fig. 3. Space distribution of the flux density in the air gap
E
=
2
×
A
×
l
×
w
×
D
−
d
×
N
×
q
×
k
u
1
×
k
(1)
1
RMS
mp
1
PM
el
1000
×
2
S
a
s
g
gdzie:
A
mp1
– 1-sza harmoniczna indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej,
l
PM
– długo
Ļę
magnesów trwałych,
D
–
Ļ
rednica zewn
ħ
trzna twornika,
d – grubo
Ļę
szczeliny powietrznej,
N
S
– liczba szeregowych przewodów w
Ň
łobku,
q
– liczba
Ň
łobków na biegun i faz
ħ
,
k
u1
– współczynnik uzwojenia,
a
g
– liczba gał
ħ
zi równoległych,
k
s
– współczynnik skosu.
Obwód elektromagnetyczny pr
Ģ
dnicy 2-go stopnia kaskady zbudowano wykorzy-
stuj
Ģ
c ten sam wykrój blach wirnika i identyczne uzwojenie, co w przypadku wirnika
1-szej maszyny.
Symulacje wykonano dla stanu ustalonego. Sił
ħ
magnetomotoryczn
Ģ
(SMM)
wzbudzenia drog
Ģ
kolejnych przybli
Ň
e
ı
, dobrano tak, aby w maksymalny sposób wy-
korzysta
ę
cz
ħĻ
ci czynne maszyny.
4. BADANIA LABORATORYJNE
Na podstawie przeprowadzonych symulacji opracowano karty nawojowe maszyny
wraz z niezb
ħ
dnymi rysunkami wykonawczymi do modelu. Nast
ħ
pnie wykonano mo-
201
del fizyczny pr
Ģ
dnicy o liczbie biegunów jednego stopnia 2
p
= 8, na którym s
Ģ
prze-
prowadzone badania laboratoryjne.
W tabeli 1 zestawiono wyniki oblicze
ı
i pomiarów parametrów schematu zast
ħ
p-
czego (rys. 2) odpowiadaj
Ģ
ce pr
ħ
dko
Ļ
ci obrotowej
n
= 750 obr/min.
Tabela 1. Zestawienie parametrów schematu zast
ħ
pczego pr
Ģ
dnicy
Table 1. Calculating and measured lumped parameter of equivalent circuit diagram
Opis parametru schematu zast
ħ
pczego wg rys. 2
(fazowe)
Oznaczenie
Obliczenia
Pomiar
Rezystancja uzwojenia wirnika
Rw
1
1.1 W
1.14 W
Rw
2
1.1 W
1.14 W
Rezystancja uzwojenia stojana
Rs
2.4 W
2.13 W
Reaktancja rozproszenia uzwojenia wirnika
Xr
w
1
2.99 W
-
Xr
w
2
2.84 W
-
Reaktancja twornika uzwojenia wiruj
Ģ
cego
Xt
w
1
4.42 W
-
Reaktancja magnesuj
Ģ
ca uzwojenia wirnika
X
µ
w
2
43.83 W
-
Reaktancja rozproszenia uzwojenia stojana
(twornika głównego)
Xr
s
1.27 W
-
Reaktancja twornika uzwojenia stojana (twornika głównego)
Xt
s
23.42 W
-
Całkowita reaktancja uzwojenia wirnika pod magnesami
Xr
w
1
+
Xt
w
1
7.41 W
5.65 W*
Całkowita reaktancja uzwojenia wirnika pod stojanem
Xr
w
2
+
X
µ
w
2
46.67 W
52.78 W*
Całkowita reaktancja uzwojenia stojana
(obliczenia i pomiar dla 50 Hz)
Xr
s
+
Xt
s
24.69 W
26.07 W*
SEM rotacji pochodz
Ģ
ca od magnesów trwałych [50 Hz]
(1-szy stopie
ı
kaskady)
E
1
251 V
252 V
Napi
ħ
cie mierzone na pier
Ļ
cieniach
Ļ
lizgowych wirnika
[50 Hz] (1-szy stopie
ı
kaskady)
U
10
216 V
217 V
SEM rotacji powstaj
Ģ
ca na wskutek zmiennej SMM [100 Hz]
(2-gi stopie
ı
kaskady)
E
2
,
U
20
277 V
273 V
*– pomiar metod
Ģ
po
Ļ
redni
Ģ
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Zaprojektowany i wykonany model dwustopniowej maszyny synchronicznej z
magnesami trwałymi umo
Ň
liwiaj
Ģ
cej zwi
ħ
kszenie cz
ħ
stotliwo
Ļ
ci generowanego na-
pi
ħ
cia ma by
ę
alternatyw
Ģ
głównie dla zespołów pr
Ģ
dotwórczych składaj
Ģ
cych si
ħ
z
wysokoobrotowych generatorów współpracuj
Ģ
cych z awaryjnymi i niskosprawnymi
przekładniami mechanicznymi oraz wolnoobrotowych generatorów o bardzo du
Ň
ej
Ļ
rednicy zewn
ħ
trznej stojana.
W ka
Ň
dym z tych przypadków nowy generator musiałby uzyska
ę
nie gorszy
współczynnik sprawno
Ļ
ci, odpowiednio wysok
Ģ
trwało
Ļę
eksploatacyjn
Ģ
, ni
Ň
sz
Ģ
mas
ħ
Plik z chomika:
kazimierz_12
Inne pliki z tego folderu:
Wilno - Sw. Katarzyna, ul. sw. Ignacego.avi
(835753 KB)
Wilno - Kosc. Sw.Anny.avi
(611527 KB)
Wilno - Kosc.Bernardynow.avi
(597776 KB)
Wilno - Ulica Ostrobramska.avi
(765806 KB)
Wilenska Katedra.avi
(1294048 KB)
Inne foldery tego chomika:
Pliki dostępne do 08.07.2024
Pliki dostępne do 21.01.2024
!!!!!!Telewizja za darmo
!Horoskop Majow
## KOLOROWANKI
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin