Đặc điểm thiết kế của tuabin gió nam châm vĩnh cửu AC nhỏ

Đặc điểm thiết kế của tuabin gió nam châm vĩnh cửu AC nhỏ

Máy phát điện một chiều, máy phát điện từ, máy phát cực vuốt, máy phát điện miễn cưỡng và máy phát điện cảm ứng đã được sử dụng cho các nhà máy điện gió nhỏ. Với sự phát triển của công nghệ vật liệu nam châm vĩnh cửu, sản phẩm năng lượng từ tính của vật liệu nam châm vĩnh cửu đã được cải thiện rất nhiều, và máy phát nam châm vĩnh cửu chủ yếu được sử dụng hiện nay. Loại động cơ này vượt trội so với các loại máy phát điện trước đây về hiệu suất và an toàn điện. Do vị trí ứng dụng của loại máy phát này khác với máy phát điện nói chung, nên các yêu cầu kỹ thuật của nó có tính đặc biệt và nó phải phù hợp với tuabin gió về hiệu suất. Do đó, một số phân tích về một số vấn đề trong loại máy phát điện này được thực hiện. Và khám phá.

2 yêu cầu kỹ thuật

Hình 1 là sơ đồ của một thiết bị phát điện gió nhỏ. Gió điều khiển bánh xe gió quay, chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ học. Bánh xe gió điều khiển máy phát quay, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện, chỉnh lưu và đầu ra. Thiết kế của loại máy phát này trước tiên phải chọn loại máy phát và đường chỉnh lưu; xác định công suất chỉnh lưu tính toán, công suất định mức, điện áp, tốc độ, v.v. Các yêu cầu kỹ thuật chính cho nó là:

(1) công suất đầu ra định mức PN (W); (2) điện áp đầu ra định mức (DC) UN (V); (3) tốc độ định mức NN (r / phút); (4) hiệu suất máy phát η (); (5) Mô men kháng khởi động TN (Nm); (6) ở tốc độ định mức 65, điện áp không tải của máy phát không được thấp hơn điện áp định mức; (7) ở tốc độ định mức 150, máy phát có thể hoạt động quá tải dưới điện áp định mức 2 phút; (8) Máy phát điện có thể chịu được 2 lần tốc độ định mức trong điều kiện không tải, kéo dài 2 phút, cấu trúc cánh quạt không bị hư hại và biến dạng có hại; (9) Máy phát điện phải có khả năng chống mưa, tuyết, cát và sét.

Ngoài ra, nó cũng phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cách điện động cơ nói chung, khả năng chịu áp lực, độ bền cơ học, v.v.

Yêu cầu kỹ thuật (5), (6), (7), (8) là các yêu cầu đặc biệt đối với tuabin gió, sẽ được phân tích riêng dưới đây.

3 lựa chọn tải điện từ

Thực hành sản xuất động cơ hiện đại và hoạt động lâu dài của động cơ thường đưa ra phạm vi tải trọng dòng As và tải từ tính Bδ của động cơ được thiết kế. Khi tích của As và Bδ giống nhau, thì tỷ lệ giữa As và Bδ xác định các tham số khác nhau của máy phát, chỉ số năng lượng lực và khối lượng. Khi Bδ lớn và As thấp, máy phát điện giàu sắt và khi As lớn và Bδ nhỏ, máy phát điện giàu đồng.

Tải điện của động cơ được đo bằng mật độ dòng j (A / mm2) của cuộn dây động cơ và tải dòng As (A / cm). Tải điện càng lớn, tổn thất đồng càng lớn. Đối với các tuabin gió công suất thấp, nó thường là điện áp thấp và dòng điện cao. Cụ thể, các máy phát dưới 1 kW chủ yếu được sử dụng ở 24, 36 V hoặc 48 V (DC được chỉnh lưu) và dòng điện định mức của các động cơ như vậy là lớn. Đối với các máy phát công suất thấp từ 1 đến 10 kW, không thể lấy điện áp đầu ra định mức cao. Bởi vì loại máy phát điện này chủ yếu sử dụng bộ lưu trữ năng lượng pin, điện áp cao, phải sử dụng nhiều pin hơn, làm tăng chi phí của toàn bộ máy, điều này khiến khách hàng khó chấp nhận. Nói tóm lại, tải dòng tuabin gió công suất thấp tương đối cao, và nó là một máy phát giàu đồng. Tổn thất đồng của động cơ là lớn, chiếm khoảng 70% tổng tổn thất của động cơ. Đây là một tình huống khách quan. Ngoài ra, công suất đầu ra của máy phát tăng khi tốc độ gió tăng, như trong Hình 2. Công suất của máy phát được tăng lên và nhiệt tăng. Tuy nhiên, khi tốc độ gió tăng lên, điều kiện tản nhiệt được cải thiện rất nhiều. Do đó, đối với loại máy phát này, không nên tuân thủ tiêu chuẩn chọn As cho động cơ chung và giá trị As cao hơn, cả hai đều được yêu cầu và cho phép. Ví dụ, động cơ công suất nhỏ chung As là 60 đến 80 A / cm; và As của loại máy phát điện có thể được lấy từ 100 đến 150 A / cm; và máy tạo aerogen Khi sử dụng làm mát phun nhiên liệu hiệu quả cao có thể đạt khoảng 300 A / cm. Do đó, việc lựa chọn As nên tính đến tổn thất động cơ, hiệu quả, tản nhiệt và ứng dụng và thu được giá trị hợp lý.

Việc lựa chọn tải từ tính Bδ có thể hoàn toàn phù hợp với các nguyên tắc chung của lý thuyết động cơ, và sẽ không được mô tả ở đây.

4 stator

4,1 khe stator

Dựa trên tải điện cao của loại máy phát này, tổn thất đồng lớn. Khi thiết kế máy phát điện, chiều rộng răng và độ dày ách cần được giảm thiểu để đảm bảo diện tích rãnh bằng cách đảm bảo đủ độ bền cơ học và mật độ từ thông. Tăng diện tích dây của cuộn dây stato, giảm tiêu thụ đồng và nâng cao hiệu quả của máy phát. Đây không phải là điều mà mọi nhà sản xuất đã xem xét. Thông thường do các dây quấn stato mỏng hơn, các yêu cầu thiết kế có thể được đáp ứng trong quá trình vận hành ban đầu của máy phát. Sau 2 đến 3 giờ hoạt động, nhiệt độ tăng mạnh và công suất đầu ra giảm nhanh, do đó công suất đầu ra định mức không đáp ứng yêu cầu.

Cuộn dây stato 4.2

Các yêu cầu kỹ thuật của tuabin gió công suất thấp (5) đưa ra khái niệm mô-men xoắn khởi động máy phát, bởi vì thiết bị phát điện gió nhỏ thường quay ở hàng chục đến hàng trăm vòng quay, để giảm liên kết, giảm chi phí và cải thiện độ tin cậy. Bánh xe gió của thiết bị được ghép trực tiếp với trục máy phát. Điều này đòi hỏi giảm thiểu mô-men xoắn điện trở được tạo ra bởi hiệu ứng kết nối máy phát, để khi tốc độ gió thấp (2 đến 3 m / s), tuabin gió có thể được khởi động nhanh và tạo ra điện càng sớm càng tốt. Để kết thúc này, tiêu chuẩn quốc gia GB10760.1-89 đưa ra các yêu cầu, xem bảng dưới đây.

Công suất (W) 501002003005001000 mô-men xoắn khởi động tối đa (Nm) 0.200.300.350.501.201.50

Từ lý thuyết của động cơ, máng stator, cực xiên rôto và cuộn dây phân đoạn của stator có thể làm giảm mô-men xoắn điện trở do hiệu ứng cogging và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên, người ta đã chứng minh rằng cuộn dây phân đoạn là cách hiệu quả nhất để giảm mô-men xoắn điện trở.

Việc sử dụng máng stator tương đối dễ thực hiện trong quy trình, nhưng hiệu quả không rõ ràng và nếu khoảng cách máng quá lớn, hiệu suất điện của máy phát sẽ bị ảnh hưởng; sử dụng cực xiên rôto, nam châm rôto và cực từ được xoắn với kích thước hợp lý. Quá trình này là khó khăn và hiệu quả là không rõ ràng; do đó, cuộn dây phân đoạn chủ yếu được sử dụng.

Cuộn dây phân đoạn:

Số lượng vị trí trên mỗi pha trên mỗi cực q = Zs / 2mp = ac / d

Số lượng khe trên mỗi cực Q = Zs / 2p = AC / D

Trong đó: Zs là số lượng khe stato; m không phải là số pha quanh co; p là số cặp cực của máy phát; A, a là số nguyên; c / d, C / D là một phần không thể giảm được.

Lý thuyết và thực tiễn chứng minh rằng D càng lớn thì mômen cản khởi động của máy phát càng nhỏ [5]. Ngoài ra, khi giá trị của q tăng, trở kháng chuỗi âm giảm và phản ứng rò rỉ giảm, đó là điều chúng ta hy vọng. Tuy nhiên, đồng thời, việc tăng quá mức giá trị của q, khả năng của bộ tạo tín hiệu triệt tiêu sóng hài cao hơn sẽ bị giảm và điều này nên tránh. Do đó, miễn là yêu cầu mô-men xoắn kháng theo tiêu chuẩn quốc gia được đáp ứng, giá trị q càng lớn thì càng tốt.

Chúng tôi đã tính toán và thực sự kiểm tra mô-men xoắn của một số máy phát điện, từ đó chúng tôi có thể xác định sự phối hợp của răng, xem Hình 3.

5 cánh quạt

Tốc độ tuabin gió của một thiết bị phát điện gió nhỏ là hàng chục đến hàng trăm vòng quay mỗi phút và rôto máy phát được ghép trực tiếp với bánh xe gió. Tốc độ cánh quạt xác định rằng máy phát là máy phát tốc độ thấp đa cực; rôto thường được làm bằng nam châm ferrite và neodymium-iron-boron, cấu trúc tiếp tuyến; cấu trúc cánh quạt phải chắc chắn và có thể chịu được tác động của những thay đổi đột ngột về tốc độ gió mà không bị hư hại hoặc hư hỏng. Và biến dạng. Điều này được nêu rõ trong các yêu cầu kỹ thuật (7) và (8). Vấn đề cánh quạt sẽ được thảo luận trong một bài viết đặc biệt.

6 đặc điểm

6.1 Điện áp đầu ra DC

Máy phát tạo ra một điện áp xoay chiều để chỉnh lưu và sạc pin. Theo tiêu chuẩn quốc gia, điện áp được chỉnh lưu phải cao hơn 2V so với pin tiêu chuẩn 12V, nghĩa là điện áp đầu ra của máy phát là 14V, 28V, 42V, 56V ... Tuy nhiên, đã chứng minh rằng quy định này là khả thi đối với các khu vực với tài nguyên gió rất phong phú, nhưng đối với tài nguyên gió, các khu vực có thể được sử dụng là thấp. Một số người từng sản xuất 42V (DC) trong khu vực nuôi bên trong hồ của Giang Tô Neihu. Máy phát điện được kết nối với hai loạt pin (24V) và nó hoạt động tốt mà không gặp vấn đề nghiêm trọng nào. Do đó, khi thiết kế máy phát điện, cần biết rằng nguồn gió trong khu vực sử dụng tuabin gió thường phải cao hơn 4V để tận dụng tối đa các nguồn gió có giá trị.

6.2 Đặc điểm đầu ra

Mối quan hệ giữa công suất đầu ra P và tốc độ n là không cần thiết đối với các máy phát chung và rất quan trọng đối với các máy phát như vậy. Hình 2 cho thấy các đặc tính đo được của máy phát điện DYF-600. Do các yêu cầu cụ thể, tuabin gió yêu cầu máy phát điện tạo ra điện ở tốc độ gió thấp, trong khi các đặc tính đầu ra càng mềm càng tốt trên tốc độ gió định mức. Do đó, khi thiết kế máy phát điện, mạch từ phải được bão hòa càng nhiều càng tốt, để không gây ra tình trạng quá tải thường xuyên của tuabin gió, và công suất đầu ra của máy phát tăng mạnh, gây ảnh hưởng quá mức đến bộ sạc và biến tần và quá nóng của máy phát điện, do đó làm hỏng. .

6.3 Đặc điểm phù hợp của tuabin gió với đặc tính đầu ra của máy phát

(1) Sau khi khởi động tuabin gió, máy phát điện được yêu cầu tạo ra điện càng sớm càng tốt, nghĩa là, năng lượng gió có thể được thu trong phạm vi tốc độ gió thấp. Điều này là theo yêu cầu kỹ thuật (6), mô-men xoắn khởi động của máy phát càng nhỏ càng tốt, để tuabin gió có thể được cắt vào hoạt động càng sớm càng tốt.

(2) Hy vọng rằng máy phát P = f (n) có mối quan hệ parabol bậc hai trước điểm định mức để có được năng lượng gió tốt nhất bằng cách kết hợp máy phát với tua bin gió.