Generator do elektrowni wiatrowej ma‚ej .[1, 3, 7, 8, 9], w kt³rych turbina wiatrowa mocowana jest
Generator do elektrowni wiatrowej ma‚ej .[1, 3, 7, 8, 9], w kt³rych turbina wiatrowa mocowana jest
Generator do elektrowni wiatrowej ma‚ej .[1, 3, 7, 8, 9], w kt³rych turbina wiatrowa mocowana jest

Generator do elektrowni wiatrowej ma‚ej .[1, 3, 7, 8, 9], w kt³rych turbina wiatrowa mocowana jest

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Generator do elektrowni wiatrowej ma‚ej .[1, 3, 7, 8, 9], w kt³rych turbina wiatrowa...

58 l Nr 2 l Luty 2011 r.

Au

to

mA

ty

zA

cjA

w o

ch

ro

nie

r

od

ow

isk

A

Stay wzrost cen energii elektrycznej powoduje wzrost zainte-resowania wykorzystaniem siy wiatru do produkcji tej ener-gii. Istnieje dua grupa odbiorcw indywidualnych zaintereso-wanych maymi konstrukcjami przeznaczonymi do zasilania domw jednorodzinnych lub przeznaczonymi do wspomagania systemw grzewczych w takich domach. W celu obnienia kosz-tw i podwyszenia sprawnoci przetwarzania energii wiatru w energi elektryczn buduje si bezprzekadniowe konstrukcje [1, 3, 7, 8, 9], w ktrych turbina wiatrowa mocowana jest bezpo-rednio na wale generatora. Powoduje to konieczno budowy wolnoobrotowych, wielobiegunowych generatorw. W publika-cji przedstawiono konstrukcj takiego generatora zapewniajc may moment zaczepowy, co pozwala na start elektrowni przy maej prdkoci wiatru. Zalet tej konstrukcji jest take maa masa wynikajca z zastosowania lekkiego wirnika.

Zaoenia konstrukcyjnePrzy projektowaniu generatora przyjto nastpujce podsta-

wowe zaoenia:yy moc 5 kW;yy napicie wyjciowe 3 400 V;yy czstotliwo 50 Hz;yy prdko obrotowa 150 obr./min.Tak maa prdko obrotowa wynika z zastosowania do na-

pdu generatora wolnobienej, trjopatowej turbiny wiatrowej o rednicy 7 m. Maa prdko obrotowa (150 obr./min) przy czstotliwoci napicia wyjciowego 50 Hz narzuca liczb bie-gunw wirnika rwn 40.

Konstrukcja generatoraPodstawowym problemem w wielobiegunowych maszy-

nach z magnesami trwaymi jest duy moment zaczepowy [2, 4, 5, 6] wynikajcy z duej liczby biegunw. Przykado-wo moment ten w generatorze PMzg180L-16B produkcji BOBRME KOMEL wynosi 11,8 Nm. Tak duy moment zacze-powy wywouje drgania maszyny podczas pracy i zwizany z nimi haas. Poza tym elektrownia wiatrowa startuje dopie-ro przy znacznej prdkoci wiatru, co ma gwnie znaczenie psychologiczne dla odbiorcy. Najprostszym i najczciej stoso-wanym sposobem minimalizacji tego momentu jest stosowa-nie skosu obkw stojana [4, 6]. Mona go jednak stosowa w przypadkach, gdzie dugo pakietu blach stojana jest znacz-na. Przy maej dugoci pakietu nastpuje wyrane ogranicze-nie powierzchni uytkowej obka i trudnoci z umieszczeniem w nim uzwojenia. Innym popularnym sposobem minimalizacji momentu zaczepowego jest stosowanie skosu lub pseudoskosu (kilka magnesw na dugoci wirnika przesunitych wzgldem siebie o okrelony kt) magnesw [5]. Rozwizanie to wyma-ga stosowania drogich przyrzdw do klejenia magnesw i nie daje tak dobrych efektw, jak skos zbw stojana. W przed-

stawionej konstrukcji minimalizacj momentu zaczepowego uzyskano przez zastosowanie nietypowej, nieparzystej liczby zbw stojana rnej o jeden od liczby biegunw magnetycz-nych wirnika. Obliczenia projektowe modelu paskiego wyko-nano przy uyciu programu COMSOL Multiphysics w wersji 3.3 [10]. Do obliczenia zadanego obwodu magnetycznego pro-gram ten korzysta z metody elementw skoczonych. Poniszy rysunek prezentuje zaleno momentu zaczepowego prdnicy w funkcji kta obrotu.

Jak wida moment zaczepowy jest pomijalnie may w sto-sunku do momentu znamionowego generatora (ok. 400 Nm). Na rys. 2 przedstawiono dwa rzuty obrazujce konstrukcj ge-neratora.

Pakiet blach stojana 1 umieszczony zosta w dwuczciowej, aluminiowej obudowie 2. Obudowa jest odlewem aluminiowym, na ktrym znajduj si ebra zwikszajce sztywno obudo-wy i poprawiajce oddawanie ciepa do otoczenia. Wirnik 3 z naklejonymi magnesami 4 wykonano w postaci koa ze sta-lowym wiecem. W celu zmniejszenia masy wirnika wyko-

Generator do elektrowni wiatrowej maej mocyZbigniew Goryca, Mariusz Malinowski

GENERATOR FOR SMALL WIND POWER PLANT

Abstract: The paper presents design of generator for small gearless wind power plant. It is multi-pole machine, whose cogging torque has been minimized through the application of odd number of stator teeth. Designing calculations of flat model of generator were carried out with the use of packa-ge COMSOL Multiphysics v3.3 using finite element method. The simulation result shows negligible value of cogging tor-que for such solution. The generator has low mass at the power of 6 kW and the speed of 150 rev/min.

Rys. 1. Moment zaczepowy w funkcji kta obrotu wirnika dla 5 warstw w szczelinie

Nr 2 l Luty 2011 r. l 59

rekl

ama

nano w nim sze okrgych otworw. Wirnik osadzony jest w obudowie na dwch barykowych oyskach zapewniajcych przenoszenie duych obcie mechanicznych, w tym duych si poosiowych. Szczelno obudowy zapewniaj dwa piercie-nie uszczelniajce umieszczone w pobliu oysk. W pobliu oysk znajduj si take nieuwidocznione na rysunku otwory do mocowania prdnicy.

WnioskiWolnoobrotowe, bezprzekadniowe generatory z magnesami

trwaymi znajduj coraz czstsze zastosowanie w maych elek-trowniach wiatrowych przeznaczonych do wspomagania uka-du grzewczego domw jednorodzinnych. Latem uzyskiwana z nich energia moe by magazynowana w akumulatorach lub zwracana do sieci energetycznej przez ukady energoelektro-niczne. Prezentowana w pracy konstrukcja ma pomijalnie ma-y moment zaczepowy mniejszy od tar w oyskach i pier-cieniach uszczelniajcych. Dziki temu elektrownia wiatrowa bdzie startowa ju przy sabych wiatrach. Zalet jest take maa prdko obrotowa 150 obr./min, co pozwala umiesz-cza turbin wiatrow bezporednio na wale prdnicy. Przedsta-wiona konstrukcja charakteryzuje si, przy rednicy zewntrz-nej 470 mm i dugoci 315 mm, ma mas wynoszc 84 kg. Mas t mona jeszcze zmniejszy o ok. 15 kg przez zastoso-wanie lejszej obudowy wymaga to jednak odleww kokilo-wych lub cinieniowych, co jest zwizane z duymi nakada-mi finansowymi i moe by rozwaane przy produkcji seryjnej.

Rys. 2. Konstrukcja wolnoobrotowego generatora

Rys. 3. Przebieg napicia fazowego nieobcionego generatora

60 l Nr 2 l Luty 2011 r.

Au

to

mA

ty

zA

cjA

w o

ch

ro

nie

r

od

ow

isk

A

Przeprowadzone wstpne badania potwierdziy zaoenia pro-jektowe z generatora mona uzyska moc 5 kW przy prd-koci obrotowej 150 obr./min. Przykadowy przebieg napicia fazowego pokazuje rys. 3.

W 2011 r. przeprowadzone zostan kompleksowe badania ge-neratora, w tym okrelenie jego sprawnoci. Na fot. 4 pokaza-ny jest wykonany prototyp. Generator ten bdzie prezentowany na I Forum Maych Elektrowni Wiatrowych 23 marca 2011 r. w Warszawie.

Praca zostaa wykonana w ramach projektu rozwojowego nr N R01 0015 06/2009 finansowanego przez Narodowe Cen-trum Bada i Rozwoju.

Literatura[1] CzuCzman J., CzerepanJak m., SCzur I., GolubowSkI p.: Gene-

ratory synchroniczne do autonomicznych, bezprzekadniowych elektrowni wiatrowych, XII Konferencja Problemy Eksploatacji Maszyn i Napdw Elektrycznych, Ustro 1820 maja, 2005.

[2] GlInka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trway-mi. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2002.

[3] GoryCa z.: Wolnoobrotowy generator tarczowy do maej elektro-wni wiatrowej. XVI Konferencja Problemy Eksploatacji Maszyn i Napdw Elektrycznych, Rytro 2830 maja, 2008.

[4] kowol m.: Analiza pracy przeczalnego silnika reluktancyjnego z wirnikiem zewntrznym do napdu lekkich pojazdw. Rozprawa doktorska, Politechnika Opolska, 2008.

[5] ukaniszynM.,Mota.: Analiza momentu elektromagnetyczne-go i skadowych pulsacji w bezszczotkowym silniku prdu staego wzbudzanym magnesami trwaymi. Przegld Elektrotechnicz-ny nr 10, 2005.

[6] GaJewSkI m.: Analiza pulsacji momentu w silnikach bezszczotko-wych z magnesami trwaymi. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Wydzia Elektryczny, 2007.

[7] Gorycaz.,ModzikowskiP.: Analiza konstrukcji bezprzekadnio-wych prdnic do maych elektrowni wiatrowych. Konferencja Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki PPEEm, Wisa 1417.12.2009.

[8] Polaka.,Beaskia.: Mae elektrownie wiatrowe przykady praktycznego zastosowania. XII Konferencja Problemy Eksplo-atacji Maszyn i Napdw Elektrycznych, Ustro 1820 maja, 2005.

[9] http://www.elektrownie-wiatrowe.org.pl/t_typy_ ewi.htm-2008.01.15.

[10] COMSOL Multiphysics wersja 3.3 licencja nr 1027828.

Fot. 4. Widok prototypu generatora

dr hab. in. Zbigniew Goryca prof. P.R. Instytut Automatyki i Telematyki, Wydzia Transportu i Elektrotechniki, Politechnika Radomska, e-mail: tgoryca@kki.net.pl; z.goryca@pr.radom.pl;

dr in. Mariusz Malinowski Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysowej, Wydzia Elektryczny, Politechnika Warszawska, e-mail: malin@isep.pw.edu.pl

artyku recenzowany