wolnoobrotowa pr…dnica do elektrowni wiatrowej lub wodnej
wolnoobrotowa pr…dnica do elektrowni wiatrowej lub wodnej
wolnoobrotowa pr…dnica do elektrowni wiatrowej lub wodnej
wolnoobrotowa pr…dnica do elektrowni wiatrowej lub wodnej

wolnoobrotowa pr…dnica do elektrowni wiatrowej lub wodnej

  • View
    219

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of wolnoobrotowa pr…dnica do elektrowni wiatrowej lub wodnej

  • Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 171

    Zbigniew Goryca, Mariusz Malinowski, Artur Pakosz Politechnika Radomska, Politechnika Warszawska, Zesp Szk Elektronicznych w Radomiu

    WOLNOOBROTOWA PRDNICA DO ELEKTROWNI WIATROWEJ

    LUB WODNEJ

    LOW SPEED GENERATOR FOR WIND OR WATER PLANT

    Abstract: The paper presents the construction and chosen test results of multi-pole low speed generator with permanent magnets destined to gearless wind plant with vertical axis. Thanks to unique patented construction of its magnetic circuit, the generator has very low cogging torque despite to many poles. The paper contains images of rotor and stator of generator, measuring results of cogging torque, idle running characteristic, and the measurements of the influence of the load on the voltage generated by the generator. The generator is destined to wind turbine H Darius, it can also be useful in water plants.

    1. Wstp

    Wzrost cen energii elektrycznej i unijne naciski na zwikszenie udziau zielonej energii w oglnej wielkoci energii wytwarzanej powo-duje wzrost zainteresowania wykorzystaniem siy wiatru do produkcji tej energii. Dua grupa odbiorcw indywidualnych zaiteresowana jest maymi konstrukcjami przeznaczonymi do zasi-lania domw jednorodzinnych lub przeznaczo-nymi do wspomagania systemw grzewczych w takich domach. W celu obnienia kosztw i podwyszenia sprawnoci przetwarzania energii wiatru w energi elektryczn buduje si bezprzekadniowe konstrukcje [1], [3], [7], [8], w ktrych turbina wiatrowa mocowana jest bezporednio na wale prdnicy. Szczeglnym zainteresowaniem ciesz si mae elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu. Turbiny tego typu charakteryzuj si maymi prdkociami obrotowymi i dziki temu haas wywoany przez nie jest niewielki i mao uciliwy dla otoczenia. Ponadto urzdzenia te mona montowa bezporednio na dachach domw (brak masztu), co dodatkowo zmniejsza nakady finansowe na elektrowni. Maa prdko obrotowa takich turbin powoduje konieczno budowy wolnoobrotowych, wielobiegunowych prdnic. W pracy przedstawiono konstrukcj takiej prdnicy zapewniajc may moment zaczepowy, co pozwala na start elektrowni przy maej prdkoci wiatru. Zalet tej prdnicy jest take maa masa wynikajca z zastosowania lekkiego wirnika. Unikalna, opatentowana kon-strukcja [10] obwodu magnetycznego pozwala uzyska wyjtkowo may moment zaczepowy przy prostch zbach blach stojana. Dziki temu mona efektywnie wykorzysta powierzchni

    obka i nie ma kopotw zwizanych z wyko-naniem uzwojenia, tak jak w przypadku stoja-nw o skonych obkach.

    2. Zaoenia konstrukcyjne

    Przy projektowaniu prdnicy przyjto nastpu-jce, podstawowe zaoenia: - moc prdnicy 1 kW - napicie wyjciowe 3X230 V - czstotliwo 50 Hz - prdko obrotowa 125 obr./min. Tak maa prdko obrotowa wynika z zastoso-wania do napdu prdnicy wolnobienej, trjo-patowej turbiny wiatrowej o pionowej osi obro-tu. Maa prdko obrotowa (125 obr/min) przy czstotliwoci napicia wyjciowego 50 Hz na-rzuca liczb biegunw wirnika rwn 48.

    3. Konstrukcja prdnicy

    Podstawowym problemem w wielobieguno-wych maszynach z magnesami trwaymi jest duy moment zaczepowy [2], [4], [5], [6] wyni-kajcy z duej liczby biegunw i proporcjo-nalny do tej liczby. Przykadowo moment ten w prototypie 40-biegunowej prdnicy wyprodu-kowanej w BOBRME KOMEL wynosi 8 Nm, co stanowi 3,7% momentu znamionowego [9]. Tak duy moment zaczepowy wywouje drga-nia maszyny podczas pracy i zwizany z nimi haas. Poza tym elektrownia wiatrowa startuje dopiero przy znacznej prdkoci wiatru, co ma gwnie znaczenie psychologiczne dla odbior-cy. Najprostszym i najczciej stosowanym sposobem minimalizacji tego momentu jest stosowanie skosu obkw stojana [4], [6]. Mona go jednak stosowa w przypadkach,

  • Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 172

    gdzie dugo pakietu blach stojana jest zna-czna. Przy maej dugoci pakietu nastpuje wyrane ograniczenie powierzchni uytkowej obka i trudnoci z umieszczeniem w nim uzwojenia. Innym popularnym sposobem mini-malizacji momentu zaczepowego jest stoso-wanie skosu lub pseudoskosu (kilka magnesw na dugoci wirnika przesunitych wzgldem siebie o okrelony kt) magnesw [5]. Rozwizanie to wymaga stosowania drogich przyrzdw do klejenia magnesw i nie daje tak dobrych efektw jak skos zbw stojana. W przedstawionej konstrukcji minimalizacj momentu zaczepowego uzyskano przez zasto-sowanie nietypowej, nieparzystej liczby zbw stojana rnej o trzy od liczby biegunw magnetycznych wirnika. Obliczenia projektowe modelu paskiego wykonano przy uyciu pro-gramu COMSOL Multiphysics w wersji 3.3. Ponisze zdjcia pokazuj konstrukcje stojana, wirnika i widok wykonanego prototypu prd-nicy.

    Zdjcie nr 1. Uzwojony stojan prdnicy wi-

    doczne proste obki

    Zdjcie nr 2. Wirnik prdnicy z naklejonymi

    magnesami

    Zdjcie nr 3. Widok prototypu prdnicy

    4. Wstpne badania laboratoryjne

    Wstpne badania prdnicy obejmoway po-miary: momentu zaczepowego, pomiar napicia biegu jaowego w funkcji prdkoci obrotowej oraz obserwacj ksztatu napicia fazowego i przewodowego. Badana prdnica napdzana bya przez przekadni asynchronicznym silni-kiem klatkowym zasilanym z falownika. War-to maksymaln momentu zaczepowego zmie-rzono przy pomocy zrwnowaonej dwigni i precyzyjnych odwanikw. Dokonano 10ciu pomiarw w rnych pooeniach wirnika i wycignito redni arytmetyczn. Jak wspo-mniano wczeniej rednia warto momentu zaczepowego jest jak na maszyn wielobie-gunow niewielka i wynosi 1,61 Nm, co stano-wi 2,1% momentu znamionowego.

    Zdjcie nr 4. Widok stanowiska badawczego

    Zasilanie silnika napdowego prdnicy przez falownik umoliwio regulacj prdkoci obro-towej i wyznaczenie charakterystyki biegu ja-owego prdnicy. Prdnica ma ma prdko obrotow, jej uzwojenie ma du liczb zwojw i zwizan z tym znaczn indukcyjno, a za-tem spadek napicia na xL bdzie znaczny.

  • Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 173

    Mona to przedstawi na wykresie wskazowym pokazanym poniej.

    E

    L Rw

    Ro

    I

    Uo

    URW

    UL

    E

    Rys.1. Schemat zastpczy i wykres wskazowy

    prdnicy obcionej rezystancyjnie

    W celu kompensacji spadku napicia na induk-cyjnoci uzwojenia, do wyjcia prdnicy w-czono trzy kondensatory o pojemnoci 10 F. Uzyskano wyrane zwikszenie napicia wyj-ciowego prdnicy co pokazano na rys.2 i 3.

    E

    L Rw

    Ro

    IRo

    Uo

    URWUL

    E

    Ic

    I

    Rys.2. Schemat zastpczy i wykres wskazowy

    prdnicy z kompensacj

    Z wykresu przedstawionego na rys. 2 wynika, e przy odpowiedniej wartoci pojemnoci moliwe jest uzyskanie napicia wyjciowego wikszego od SEM. Tak pen kompensacj mona uzyska tylko w okrelonym punkcie pracy prdnicy, gdy przy innych od znamio-nowej prdkociach, inna jest czstotliwo in-dukowanego napicia i inne jest xL .

    Rys.3. Zaleno napicia wyjciowego od pr-

    dkoci obrotowej prdnicy

    Rys.4. Ksztat napicia fazowego

    5. Wnioski

    Wolnoobrotowe, bezprzekadniowe prdnice z magnesami trwaymi znajduj coraz czstsze zastosowanie w maych elektrowniach wiatro-wych przeznaczonych do wspomagania ukadu grzewczego domw jednorodzinnych. Latem uzyskiwana z nich energia moe by maga-zynowana w akumulatorach lub zwracana do sieci energetycznej przez ukady energoele-ktroniczne. Prezentowana w pracy konstrukcja ma may moment zaczepowy przy prostych obkach stojana i prostych magnesach. Dziki temu elektrownia wiatrowa startowa bdzie ju przy sabych wiatrach. Zalet jest take maa prdko obrotowa 125 obr./min., co pozwala umieszcza turbin wiatrow bezpo-

  • Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96) 174

    rednio na wale prdnicy. Przedstawiona pr-dnica ma rednic 310 mm i dugo 170 mm zatem niewielkie wymiary, a take ma mas wynoszc 33 kg. Praca zostaa wykonana w ramach projektu rozwojowego nr N R01 0015 06/2009 finansowanego przez Czuczman J., Czerepanjak M., Sczur I., Narodowe Centrum Bada i Rozwoju.

    6. Literatura

    [1]. Golubowski P.: Generatory synchroniczne do autonomicznych, bezprzekadniowych elektrowni

    wiatrowych, Zeszyty Problemowe - Maszyny Ele-ktryczne, BOBRME KOMEL, nr 71/2005, Ustro 18-20 maj, 2005. [2]. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane ma-gnesami trwaymi, Wydawnictwo Politechniki l-skiej, Gliwice 2002. [3]. Goryca Z.: Wolnoobrotowy generator tarczowy do maej elektrowni wiatrowej, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, BOBRME KOMEL, nr 80/2008, Rytro 28-30 maj, 2008. [4]. Kowol M.: Analiza pracy przeczalnego silnika reluktancyjnego z wirnikiem zewntrznym do napdu

    lekkich pojazdw, rozprawa doktorska, Politechnika Opolska, 2008. [5]. ukaniszyn M., Mot A.: Analiza momentu elektromagnetycznego i skadowych pulsacji w bez-

    szczotkowym silniku prdu staego wzbudzanym

    magnesami trwaymi, Przegld Elektrotechniczny nr 10/2005. [6]. Gajewski M.: Analiza pulsacji momentu w sil-nikach bezszczotkowych z magnesami trwaymi, rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Wy-dzia Elektryczny, 2007. [7]. Goryca Z., Modzikowski P.: Analiza kon-strukcji bezprzekadniowych prdnic do maych ele-

    ktrowni wiatrowych, Konferencja Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki PPEEm, Wisa 14-17.12.2009. [8]. Polak A., Beaski A.: Mae elektrownie wia-trowe-przykady praktycznego zastosowania, Zeszy-ty Problemowe - Maszyny Elektryczne, BOBRME KOMEL, nr 71/2005, Ustro 18-20 maj, 2005. [9]. 9. Rossa R., Biaas A.: Prdnica synchroniczna z magnesami trwaymi do przydomowych elektrowni

    wiatrowych, Zeszyty Problemowe - Maszyny Ele-ktryczne, BOBRME KOMEL, nr 89/2011., Rytro 25-27 maj, 2011. [10]. Goryca Z., Malinowski M., Pakosz A.: Wielo-biegunowa maszyna z magnesami trwaymi o zredu-

    kowanym momencie zaczepowym, Zgoszenie paten-towe nr P-395663 z dnia 15.07.2011.

    Autorzy

    dr hab. in. Zbigniew Goryca prof. P.R. Politechnika