Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Развитие городской ветроэнергетики в последние годы пошло заметными темпами. Муниципальные власти во многих странах, а также домовладельцы в городах переходят на небольшие ветрогенераторы индивидуального пользования, чтобы сократить расходы на электроэнергию. Новые ветроустановки городского типа должны быть бесшумными, не иметь вибрации, эстетично вписываться в архитектуру строений. Главное – они должны быть недорогими и технологичными в производстве, а также простыми и долговечными в эксплуатации.

Одним из наиболее эффективных направлений по созданию ветроустановок городского типа является создание многомодульных ветроэнергетических установок, состоящих из одного-двух десятков небольших ветроколес диаметром до 2 м [4]. Мультимодульная ветроэлектростанция (МВЭС) – это ветроэлектростанция, представляющая собой систему однотипных транспортабельных модулей небольшой мощности, конструктивно и функционально совместимых между собой, которыми управляет единая система управления [2]. Каждый из съемных модулей мультимодульной ветроэлектростанции включает в себя ветрогенератор, преобразователь частоты на основе инвертора тока и систему аккумуляторных батарей [1]. Ветрогенератор представляет собой совмещенную систему «ветроколесо – электрический генератор», причем установленное на валу ветроколесо расположено в роторе многополюсного синхронного генератора на постоянных магнитах (СГПМ). Применение мультимодульной ветроэлектростанции без преобразователя частоты возможно в качестве источника электроэнергии специальных кабельных систем антиобледенения и обогрева кровли и водостоков для защиты крыш административных и жилых зданий от снега, наледи и сосулек (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема модуля мультимодульной ветроэлектростанции для электроснабжения специальных кабельных систем антиобледенения: ДН – датчик напряжения, QF – автоматический выключатель, К – коэффициент усиления сигнала, ВК – ветроколесо.

Особенностью тихоходных синхронных генераторов магнитоэлектрического возбуждения, применяемых в ветроустановках, является малое отношение длины машины к ее диаметру , вызванное увеличенными размерами расточки статора из-за большого количества пар полюсов генератора. Для СГПМ мультимодульной ветроэлектростанции с магнитоэлектрическим возбуждением от постоянных магнитов важной задачей является определение площади или длины постоянного магнита ротора, находящегося под обмоткой статора.

Конфигурация магнитной системы магнитоэлектрических синхронных генераторов существенным образом влияет на их характеристики. При проектировании электрических машин с магнитоэлектрическим возбуждением нетрадиционного конструктивного исполнения появляется необходимость в расчете и анализе их магнитных полей. Однако использование для этих целей закона Ома для магнитной цепи неприемлемо, так как немагнитный зазор у таких машин сравнительно большой, а распределение магнитного поля в нем имеет крайне неоднородный характер. Поэтому единственно верный подход к электромагнитным расчетам в рассматриваемом случае это полевая постановка задач с учетом реальной геометрии магнитной системы машины, а также нелинейных свойств материалов магнитной системы [3].

Расчет магнитных полей в настоящее время эффективно вести с использованием современных программных комплексов, одним из которых является ELCUT, представляющий собой интегрированную диалоговую систему программ, позволяющую решать плоские и осесимметричные задачи методом конечных элементов [5].

Для расчета синхронного генератора на постоянных магнитах, входящего в состав электрогенерирующего комплекса МВЭС, с учетом реальной геометрии магнитной системы и нелинейности характеристик материалов магнитной цепи использовалась часть программного пакета, отвечающего за расчет магнитных полей, - магнитостатика.

Исследование магнитных полей ветрогенератора проводилось при различных сочетаниях немагнитных и ферромагнитных материалов статора и ротора. Сложность изготовления, высокая масса и стоимость сердечников роторов и статоров диаметром более 1 метра, содержащих распределенные по их поверхностям постоянные магниты и сосредоточенные обмотки, число которых колеблется от 30 до 80, вызывает необходимость включения в расчет магнитных полей генераторов, сердечники которых могут быть выполнены из немагнитных материалов. При немагнитном сердечнике статора момент сопротивления в режиме холостого хода будет близок к нулю при любом положении ротора.

Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре существенно зависит от конфигурации магнитной системы ротора и статора. Для статоров с беспазовой обмоткой наблюдается большая разница между максимальным и минимальным значениями магнитной индукции в воздушном зазоре независимо от формы постоянных магнитов (рис. 2).

Рис. 2. Кривая индукции магнитного поля в воздушном зазоре для магнитной системы СГПМ с беспазовым статором и ротором с постоянными магнитами прямоугольного сечения

Синхронный генератор, статор которого выполнен с п-образными выступами и сосредоточенными обмотками на них, имеет трапецеидальное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Значения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора на постоянных магнитах для магнитных систем различной конфигурации представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета магнитного поля синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов с помощью программного комплекса ELCUT

Для достижения максимальной эффективности синхронного генератора на постоянных магнитах, выбора его геометрии в целом, включая высоту сердечника ротора и постоянных магнитов, угол скоса боковых граней у магнитов трапециевидной формы, необходимо провести расчет генератора с различным соотношением высоты активных материалов.

На первом этапе был произведен анализ изменения распределения магнитной индукции в воздушном зазоре В0 синхронного генератора в зависимости от высоты стального сердечника ротора. Исследования проводились для варианта конфигурации магнитной системы с постоянными магнитами прямоугольной формы. Высота сердечника ротора изменялась от 1 до 8 мм. На рис. 3 представлена зависимость индукции в воздушном зазоре от высоты ротора. Можно заметить, что при изменении высоты сердечника ротора hp от 1 до 3 мм индукция В0 увеличивается на 37%. При дальнейшем увеличении hp до 6 мм максимальное значение В0 увеличивается на 5%, а при увеличении высоты до значений 7 мм и 8 мм значение индукции в воздушном зазоре на изменяется и составляет 0,577 Тл.

Рис. 3. Зависимость индукции в воздушном зазоре от высоты сердечника ротора

Далее был произведен расчет магнитных полей при изменяющейся толщине постоянных магнитов; сердечники ротора и статора генератора выполнены из конструкционной и электротехнической стали соответственно. На внутренней п-образной поверхности статора располагаются сосредоточенные обмотки якоря. На роторе расположены магниты прямоугольной формы. Изменение высоты магнита производилось при его неизменной ширине и длине. В результате анализа расчета магнитных полей можно заметить, что значение индукции в воздушном зазоре в значительной степени зависит от толщины постоянного магнита рис. 4. Увеличение магнитной индукции при увеличении высоты постоянных магнитов от 1,5 до 5,5 мм составляет 62%. При дальнейшем увеличении значения hм индукция практически не изменяется.

Рис. 4. Зависимость индукции в воздушном зазоре от высоты постоянного магнита

На третьем этапе был произведен анализ изменения распределения магнитной индукции в воздушном зазоре В0 в зависимости от величины угла наклона боковых граней постоянных магнитов трапециевидной формы. Рассмотрены 3 вида магнитов трапециевидной формы, одинаковой высоты, ширины и длины основания, отличающиеся тем, что углы наклона боковых граней составляют 15, 30 и 45°.

Рис. 5. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре при изменении угла наклона боковых граней постоянных магнитов генератора с беспазовым статором из немагнитного материала

Как видно на рис. 5, увеличение угла наклона боковых граней постоянных магнитов трапецеидального сечения приводит к увеличению максимального значения магнитной индукции, при этом с увеличением угла форма кривой Bmax в воздушном зазоре становится близкой к синусоидальной. Так как сердечник статора выполнен из немагнитного материала, индукция в воздушном зазоре значительно уменьшается и составляет 50% от индукции, создаваемой такими же постоянными магнитами, но в магнитной системе со стальными сердечниками статора и ротора. Однако из кривых распределения магнитной индукции можно сделать вывод о применении магнитов с углами наклона боковых граней, равными 45° в случае немагнитного сердечника статора. Для усиления магнитного потока в воздушном зазоре в случае немагнитного статора необходимо увеличить геометрические размеры постоянных магнитов на роторе.

При изготовлении синхронного генератора на постоянных магнитах необходимо учитывать, что при числе обмоток, равном числу магнитов при нахождении сердечника обмотки напротив магнита за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления, для преодоления которого требуется значительное усилие. Поэтому в генераторе, обмотка ферромагнитного статора которого уложена в п-образные пазы, необходимо принять число витков на 1 больше или меньше количества постоянных магнитов. При немагнитном сердечнике статора момент сопротивления в режиме холостого хода будет близок к нулю при любом положении ротора.

Рецензенты:

Архангельский Ю.С., д.т.н., профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., г. Саратов.

Томашевский Ю.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., г.Саратов.