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

22198093.097.png

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.

22198093.108.png

22198093.119.png

22198093.130.png

22198093.001.png

22198093.012.png

22198093.023.png

22198093.034.png

22198093.045.png

22198093.052.png

22198093.053.png

22198093.054.png

22198093.055.png

22198093.056.png

22198093.057.png

22198093.058.png

22198093.059.png

22198093.060.png

22198093.061.png

22198093.062.png

22198093.063.png

22198093.064.png

22198093.065.png

22198093.066.png

22198093.067.png

22198093.068.png

22198093.069.png

22198093.070.png

22198093.071.png

22198093.072.png

22198093.073.png

22198093.074.png

22198093.075.png

22198093.076.png

22198093.077.png

22198093.078.png

22198093.079.png

22198093.080.png

22198093.081.png

22198093.082.png

22198093.083.png

22198093.084.png

22198093.085.png

22198093.086.png

22198093.087.png

22198093.088.png

22198093.089.png

22198093.090.png

22198093.091.png

22198093.092.png

22198093.093.png

22198093.094.png

22198093.095.png

22198093.096.png

22198093.098.png

22198093.099.png

22198093.100.png

22198093.101.png

22198093.102.png

22198093.103.png

22198093.104.png

22198093.105.png

22198093.106.png

22198093.107.png

22198093.109.png

22198093.110.png

22198093.111.png

22198093.112.png

22198093.113.png

22198093.114.png

22198093.115.png

22198093.116.png

22198093.117.png

22198093.118.png

22198093.120.png

22198093.121.png

22198093.122.png

22198093.123.png

22198093.124.png

22198093.125.png

22198093.126.png

22198093.127.png

22198093.128.png

22198093.129.png

22198093.131.png

22198093.132.png

22198093.133.png

22198093.134.png

22198093.135.png

22198093.136.png

22198093.137.png

22198093.138.png

22198093.139.png

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.

22198093.140.png

22198093.002.png

22198093.003.png

22198093.004.png

22198093.005.png

22198093.006.png

22198093.007.png

22198093.008.png

22198093.009.png

22198093.010.png

22198093.011.png

22198093.013.png

22198093.014.png

22198093.015.png

22198093.016.png

22198093.017.png

22198093.018.png

22198093.019.png

22198093.020.png

22198093.021.png

22198093.022.png

22198093.024.png

22198093.025.png

22198093.026.png

22198093.027.png

22198093.028.png

22198093.029.png

22198093.030.png

22198093.031.png

22198093.032.png

22198093.033.png

22198093.035.png

22198093.036.png

22198093.037.png

22198093.038.png

22198093.039.png

22198093.040.png

22198093.041.png

22198093.042.png

22198093.043.png

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-

22198093.044.png

22198093.046.png

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

22198093.047.png

22198093.048.png

22198093.049.png

22198093.050.png

22198093.051.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Low Wind Speed Turbine.pdf (2572 KB)
A Low-Speed, High-Torque, Direct-Drive Permanent Magnet Generator For Wind Turbines.pdf (489 KB)
FOTOWOLTAIKA - czyli odnawialne źródło energii.pdf (3290 KB)
Baterie słoneczne - ogniwa fotowoltaiczne.rar (794 KB)
Ogniwa fotowoltaiczne.ppt (2171 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin