Постоянные магниты для вэу

Постоянные магниты для вэу

Аксиальный 20-ти полюсной ветрогенератор

Ветрогенератор аксиального типа на основе готовой ступицы и трехфазного генератора, который содержит 15 катушек, намотанных проводом 0.7 мм по 70 витков. Ротор данного генератора имеет 20 пар магнитов размером 20 на 5 мм, а толщина статора равна 8 мм. В этой модели используется двухлопастной винт и система защиты от сильного ветра.

Материалы и агрегаты использованные для постройки данного ветрогенератора:

1) автомобильная ступица
2) эпоксидная смола
3) металлические уголки
4) магниты размером 20 на 5 мм в количестве 40 штук
5) труба 20
6) суперклей
7) вазелин
8) ступица от прицепа «зубренок»
9) фанера
10) ламинат 8 мм
11) провод толщиной 0.7 мм

Рассмотрим более подробно основные этапы постройки и особенности конструкции данной модели ветрогенератора.

Для начала автор занялся намоткой катушек для статора. Чтобы облегчить данный процесс автор изготовил специальное приспособление:

Для его изготовления автор использовал трубу диаметром 20 мм, таким образом она как раз подходит под размеры магнитов. Автор решил изготовить катушки толщиной 7 мм.
Еще одно изображение самодельного станка для намотки катушек:

Автор отмечает, что благодаря данному станку, собранному из подручных материалов, намотка катушек прошла без особых трудностей. Главное мотать катушки виток к витку давая несильную натяжку для того, чтобы витки плотнее прижимались друг к другу.

Итак, автор приступил к изготовлению катушек для генератора. Для того, чтобы катушки не развалились после намотки автор промазывал их клеем для пластика, а так же дополнительно обернул оконным скотчем. Для намотки катушек автор использовал провод толщиной 0.7 мм по 70 витков на каждую катушку. Хотя после конечной сборки автор решил, что нужно было делать по 90 витков, это позволило бы выиграть по напряжению.

Далее была изготовлена форма для заливки статора. Автор решил сделать форму на подложке из фанеры. Для этого на фанеру была нанесена разметка, которая позволит более точно разместить катушки. Средняя часть формы сделана из ламината толщиной 8 мм. Для того, чтобы эпоксидная смола не приставала к форме, автор смазал ее вазелином, это позволит затем легко извлечь статор из заготовки после затвердевания эпоксидной смолы.

Для проводов были сделаны специальные канавки при помощи болгарки.

При заливке статора автор использовал стеклосетку, чтобы увеличить прочность статора. Уложив стеклосетку с каждой стороны статора, автор через заранее просверленные отверстия притянул крышку и оставил статор остывать.

Катушки статора были соединены пофазно, все шесть проводов от фаз были выведены по канавкам наружу, после чего провода были замазаны пластилином для того, чтобы смола не вытекала. В последствии автор соединил фазы звездой.

На следующий день статор был извлечен из формы, и автор слегка обработал края для ровности. Магниты на дисках автор так же решил залить эпоксидной смолой для большей надежности.

На фотографиях ниже можно рассмотреть, как была выполнена поворотная ось ветрогенератора:

Основой для изготовления поворотной оси послужила автомобильная ступица. Для того, чтобы защитить будущий ветрогенератор от слишком сильного ветра автор использовал стандартную конструкцию увода от ветра путем складывания хвоста. Важно заметить, что ветроголовку необходимо вынести минимум на 100 мм, иначе защита от ветра не будет работать так как ось генератора будет расположена слишком близко к поворотной оси.
Так же к конструкции был приварен штырь под углом в 20 градусов и на 45 градусов относительно винта, на этот штырь одевается хвост ветрогенератора.

Рассмотрим конструкцию ступицы генератора.

За основу самого генератора была взята ступица от прицепа «Зубренок». Автор использовал неодимовые магниты размером 20х5 мм. На каждый диск ушло по 20 магнитов. Ступица была закручена через пластину, на которую прикреплены уголки. Статор генератора будет держаться на шпильках.

Далее автор приступил к изготовлению дисков с магнитами.
Магниты были прикреплены на диски при помощи суперклея. Для того, чтобы сделать все максимально точно автор изготовил шаблон из картона. Так же важно заметить, что магниты должны клеиться с чередованием полюсов, таким образом, чтобы на генераторе диски с магнитами притягивались.

Ниже можно рассмотреть, как именно был закреплен хвост ветрогенератора, который будет защищать его от сильного ветра:

На фотографии ветроголовка была размещена слишком близко к поворотной оси ветрогенератора, что в последующем было выявлено на испытаниях и устранено. Однако само крепление хвоста и углы наклона верные. После доведения конструкции до ума, она отлично себя проявила: при усилении ветра винт отворачивается, а хвост складывается и поднимается вверх.

Автор решил сделать для начала двухлопастной вариант винта для своего генератора. Лопасти были изготовлены из ПВХ трубы. Так же был сооружен кожух, который будет закрывать генератор от дождя.

Затем генератор был собран и покрашен. После покраски автор решил испытать работу генератора. От руки удалось раскрутить генератор до 30 вольт с силой тока кз 4.5 А.

Данный генератора работает на 3 светодиодные ленты по 25 ватт каждая, но в будущем автор планирует более серьезно подойти к расчету винта для генератора и подключить аккумулятор.

Источник

«ТВЭЛ» поставила заказчику первую партию магнитов для ВЭС

На предприятиях Топливной компании «ТВЭЛ» (входит в «Росатом») осуществляется поэтапная локализация производства магнитов из редкоземельных сплавов для генераторов ветроустановок. Первая партия комплектов изготовлена и отгружена заказчику.

Всего в рамках контракта между ООО «Элемаш Магнит» (предприятие Топливной компании «ТВЭЛ») и Red Wind B.V. (совместное предприятие дивизиона «Росатом» АО «НоваВинд» и голландской Lagerwey) будет изготовлено более 200 комплектов магнитов. Каждый комплект рассчитан на производство одного электрогенератора.

«В ходе реализации проекта планируется снижение зависимости от импорта продукции за счет локализации производства в России магнитов для ветроэнергетики. Производство магнитов – перспективное направление для развития металлургического бизнеса Топливной компании Росатома. «ТВЭЛ» обладает всеми необходимыми научно-технологическими компетенциями для создания первого в России масштабного производства постоянных редкоземельных магнитов полного цикла, – отметила президент АО «ТВЭЛ» Наталья Никипелова.

«НоваВинд как интегратор ветроэнергетических проектов не только сформировал эффективную цепочку поставщиков, но также способствовал развитию междивизионального сотрудничества и новых компетенций у предприятий в контуре Росатома. Компания «ТВЭЛ» освоила уникальную технологию производства магнитов для генераторов ветроустановок. Эти технологии, безусловно, будут востребованы и в других областях промышленности», – отметил генеральный директор АО «НоваВинд» Александр Корчагин.

Источник

Почему для ветрогенератора используют неодимовые магниты?

Количество просмотров: 4312

Количество комментариев: 0

Сегодня польза ветрогенераторов очевидна даже тем, кто ещё несколько лет назад скептически относился к подобным устройствам. Своей популярностью они обязаны тому, что в их конструкции стали использоваться неодимовые магниты. В результате удалось получить приспособление, которое позволяет если и не обеспечить семью электроэнергией в полной мере, но существенно снизить размер счетов за её использование. А если говорить о долгосрочной перспективе, то экономия в результате получается значительной. Поэтому и неудивительно, что всё большее количество людей ищут комплектующие и схемы для изготовления подобных генераторов.

Как используют в конструкции неодимовые магниты?

Большинство ветрогенераторов до недавних пор были горизонтальными. Связано это было с тем, что при вертикальной конструкции возрастала нагрузка на подшипники. Это увеличивало трение и значительно уменьшало выработку электроэнергии, делая установку таких устройств нецелесообразным.

Конструкция самого устройства достаточно проста. Главное, чем необходимо своевременно запастись, — неодим. Изделия из него обладают нужными характеристиками силы, массы и размера и являются очень долговечными. Иногда для ветрогенераторов берут неодимовые магниты 50х30 мм диски.

Большинство схем предусматривают использование до 20 магнитов на одном диске. Однако их размеры и количество зависят от планируемой мощности генератора и числа фаз. Однако следует запомнить правила чередования полюсов. Желательно предварительно создать шаблон и сделать отметки на элементах из неодима. Это позволит не перепутать полюса и разместить изделия таким образом, чтобы они были повернуты разными полюсами, то есть притягивались друг к другу.

Варианты повышения мощности

Используя неодимовые магниты, можно поднять мощность уже готовой конструкции. Для этого разработано два способа. Первый состоит в усилении силы притяжения. Для этого наклеивают на уже установленные элементы из неодима новые, более тонкие.

Второй способ заключается в изменении катушек ветрогенератора. В них устанавливают металлические сердечники. Их наличие обеспечивает усиление магнитопотока и приводит к значительному увеличению мощности. На выработку электротока влияют и другие факторы, например форма лопасти. Малейшая неточность и поступление будет меньше расчётного.

Источник

ВЫБОР ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ВЭУ

Бубенчикова Т.В. 1 , Молодых В.О. 1 , Руденок А.И. 1 , Данилов Д.И. 1 , Шевченко Д.Ю. 1

1 Студент-магистрант, Омский государственный технический университет

Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8

ВЫБОР ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ВЭУ

Аннотация

С бурным развитием технологий ветроэнергетики и существенным ростом ее мощности, были разработаны различные концепции ветроустановок. Система преобразования ветровой энергии требовала быть более конкурентоспособной, поэтому сравнение различных генераторов, применимых для ветроустановок, необходимо. Выбор типа генератора является главным вопросом комплектации ветроустановок. В настоящий момент, независимо от мощности и типа крыльчатки, почти всегда в них устанавливают асинхронные генераторы. Расширение диапазона мощностей ветроэнергетических установок требует определения вида генератора с учетом этих параметров. Здесь представлен обзор различных ветрогенераторов и их сравнения. Затем представлены количественные сравнения различных ветряных генераторов и их проникновение на рынок.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, ветроэнергетические установки, электрогенераторы, асинхронные генераторы, синхронные генераторы.

Bubenchikova T.V. 1 , Molodikh V.O. 1 , Rudenok A.I. 1 , Danilov D.I. 1 , Shevchenko D.Y. 1

1 Undergraduate student, Omsk State Technical University

SELECTION OF ELECTRICAL GENERATORS FOR WIND TURBINES

Abstract

With the rapid development of wind energy and the significant growth of its power technology, varieties of wind turbine concepts were developed. Wind energy conversion system is required to be more competitive, so a comparison of different generators applicable for wind turbines is necessary. Choosing the type of generator is the main issue of wind power equipment. At the moment, regardless of the power and the impeller type, almost always they set asynchronous generators. The expansion of wind power plants power range requires the determination of the form of the generator with these parameters. Here is an overview of the various wind turbines and their comparison. In addition, it presents quantitative comparisons of different wind generators and their market impact.

Keywords: renewable energy, wind turbines, generators, asynchronous generators, synchronous generators.

Недостаточность и неравномерность размещения ископаемых энергетических носителей по Земле с каждым годом становится все более важной проблемой. Стоит задача о незамедлительном нахождении и практическом использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для решения энергетических проблем [1]. По данным Международного энергетического агентства (МЭА) первичные энергоносители, или классические источники производства энергии, составляют на данный момент основу электроэнергетики любой страны. По данным МЭА электростанции работают: на нефти – 38 %, на природном газе – 20 %, на угле – 27 %, что составляет 85 % от общего производства энергетических ресурсов. Остальные 15 % приходятся на АЭС и на электростанции, работающие от возобновляемых энергетических источников. Росту интереса к ВИЭ содействовало подорожание с 70-х годов 20 века энергоносителей (преимущественно нефти), которое, в свою очередь, создало сокращение использования минеральных топливных ресурсов для выработки электрической энергии. Объем добычи и стоимость энергоносителей в большей степени определяют направление развития мировой энергетики. К тому же, тепловая и атомная энергетика создают сильные нарушения в окружающей природной среде, а расширение масштабов производства электрической энергии на базе органического топлива может повергнуть к глобальным экологическим проблемам для всей планеты. Все это способствует повышению внимания к ВИЭ [2].

Западная Европа стремительной скоростью развивает энергетику на возобновляемых и неиссякаемых источниках – альтернативную энергетику, главная роль в которой относится к ветроэнергетике, как самому широкодоступному способу получения энергии среди возобновляемых источников.

Среднегодовой темп роста установки ветряной турбины составляет около 30% в течение последних 10 лет [3]. В конце 2006 года, мощность выработки ветряной энергии увеличилась до 74 223 МВт с 59 091 МВт в 2005 году (Рис. 1). К концу 2020 года, ожидается, что эта цифра возрастет более чем до 1 260 000 МВт, которой будет достаточно для 12% потребления электроэнергии в мире [4], [5]. Рис. 2 изображает общую установленную мощность энергии ветра в некоторых странах с 1985 по 2006 год. Странами с наибольшей общей установленной мощностью являются Германия (20 622 МВт), Испания (11 615 МВт), США (11 603 МВт), Индия (6270 МВт) и Дания (3136 МВт). По данным доклада глобального совета по ветровой энергии, Европа по-прежнему лидирует на рынке с 48 545 МВт установленной мощностью в конце 2006 года, что составляет 65% от мировой. Европейская ветроэнергетическая ассоциация поставила перед собой цель удовлетворить 23% европейских электрических потребностей в энергии ветра к 2030 году [6]. Понятно, что глобальный рынок для электроэнергии, выработанной генераторами ветровой турбины, неуклонно растет, что непосредственно толкает ветровую технологию в более конкурентную область.

Рис. 1 ­­­­­– Установленная мощность мировой ветряной энергии (1980 – 2006)

Рис. 2 – Общая установленная мощность ветряной энергии в различных странах (1980 – 2006)

Развитие технологии современного преобразования ветряной энергии начинается с 1970 годов, и быстрый рост наблюдается с 1990-х годов.

Выгодность ветроэнергетической установки (ВЭУ), значение КПД зависят не столько от конструкции лопастей и другого оборудования, но от правильности выбора электрогенератора.

Основная цель данной работы – дать общий анализ различных типов генераторов для ветроэнергетических установок, а также сравнения их в литературе и на рынке. Статья организована следующим образом. Во-первых, представлены количественные сравнения разных ветряных генераторных систем, основанные на имеющихся сведениях из технической литературы. Во-вторых, показаны тенденции и представленные разработки систем ветряного генератора и критерии сравнения их.

Определение типа ветрогенератора. Для работы на единую энергетическую сеть необходимы ветроэнергетические установки большой мощности, порядком в несколько МВт. Для поддержания уровня жизни в мелких населенных пунктах и в индивидуальных хозяйствах требуется сооружать системы малых энергоустановок [7]. Исходя из опыта вышеупомянутых стран известно, что суточная потребность семьи в деревне и селах составляет до 2 кВт*час, зажиточного крупного фермерского хозяйства – до 10 кВт, маленькой деревни (до 30-40 семей) – 50 кВт*час. Малая ветроэнергетика является малотребовательной к территории. Локальные ветроустановки могут быть применимы практически везде, где среднегодовая скорость ветра не менее 4-5 м/с, а для тихоходных многолопастных ветроэнергетических установок – не менее 3 м/с [8].

Главные проблемы создания и обслуживания ветроустановок – это их эффективность, безопасность и надежность, воздействие на окружающую среду, а к основным проблемам технического характера относятся – выбор расчетных параметров ветроэнергетических установок, аэродинамического профиля ветроколеса, конструктивных и компоновочных решений основных узлов, методов и способов монтажа. Выбор расчетных параметров для каждой определенной ветроэнергетической установки приходится на установление расчетной скорости ветра, единичной мощности и размеров ветроколеса, установленной мощности и типа генератора, определения системы регулирования, условий монтажа и обслуживания ветроустановок. Отсюда следует вывод, что определение типа генератора для ветроэнергетической установки следует отнести к основным вопросам ветроэнергетики.

Выбором типов генераторов для ветроустановок занимались такие известные ученые как: Вольдек А.И., Балагуров В.А., Завалишин Д.А., Данилевич Я.Б., Ледовской А.Н., Сидельников Б.В., H. Li, Z. Chen, D. Bang, H. Polinder, G. Shrestha, J.A. Ferreira и др.

Генератор – главный элемент электрооборудования автономной энергоустановки. Помимо прямого назначения генератор обязан выполнять определенные функции по стабилизации и регулированию параметров, которые отвечают за качество производимой электрической энергии.

Такие работы ведутся учеными всего мира. В Греции (г. Афины) изучают возможность эксплуатации асинхронизированного генератора двойного питания; в Великобритании (г. Ноттингем) – коммутируемый реактивный синхронный генератор; в Нидерландах и Шотландии тестируют управляемый реактивный синхронный генератор для безредукторной установки; в Японии (г. Хатинойе) – работу асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, оборудованного системой тиристорного управления реактивной мощностью в цепи статора и т.д [9]. Но почти все генераторы данных типов, при современном положении экономики, к промышленному выпуску возможно будут предложены только после тщательного анализа.

Необходимо веское обоснование выбора типа генератора, т.к. выбор потребует огромных материальных капиталовложений в организацию их производства, такие как научные исследования, создание новых технологических процессов и оснащения, экспериментальных стендов, подготовка инженерно-технического персонала и рабочих. Таким образом, на наш взгляд, более оптимально использование классических типов генераторов или генераторов специального типа, но более традиционного, исполнения, что также в свою очередь является значительным фактором при определении типа генератора.

Для использования на ветроэнергетических установках возможны следующие типы генераторов:

1) асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором;

2) синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением;

3) асинхронизированный синхронный генератор;

4) асинхронные генераторы с фазным ротором;

5) синхронные генераторы (СГ) с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением от постоянных магнитов.

6) Специальные СГ: индукторные СГ, генераторы с когтеобразным ротором и некоторые другие.

Каждый из вышеуказанных типов генераторов имеет свои «плюсы» и «минусы». Ниже представлена краткая информация этих факторов для каждого типа, табл. 1.

Таблица 1 – Преимущества и недостатки разных типов генераторов для ветроустановок

№ пп	Тип генера­тора	Преимущества	Недостатки
1	Асинхрон­ный генера­тор с корот­козамкну­тым рото­ром	1) простота и надеж­ность в обслуживании; 2) невысокая стои­мость; 3) имеют сравнительно малые колебания гене­рируемой мощности, момента и тока при параллельной работе и при переменной скоро­сти ветра и его поры­вах. 4) возможно устанавли­вать безредукторные установки с хорошими массогабаритными КПД и возможностью регулировать напряже­ние и его частоту в ши­роких пределах.	1) необходимость установления редукторов, т.к. используют дешевые тихоходные турбины (с часто­той вращения 20-30 об/мин). Поэтому генератор присоеди­няют через редуктор с высоким коэффициентом преобразова­ния (Кред=50-70), что требует дополнительных расходов на установку, обслуживание, ре­монт, снижает надежность, яв­ляется источником механиче­ского шума. 2) невозможно управлять ре­жимными параметрами, что не­обходимо при порывистом ветре; 3) для работы в автономном режиме необходим автономный источник реактивной мощности; 4) ограничение в промышлен­ном применении из-за искаженной формы выходного напряжения и не­удовлетворительных динамиче­ских свойств.
2	Синхрон­ный генера­тор с маг­нитоэлек­трическим возбужде­нием	1) исключение сколь­зящего контакта, 2) высокая надежность 3) высокое значение КПД.	1) необходимость в приобрете­нии дорогих постоянных магнитов 2) постоянство магнитного по­тока, невозможность его регу­лировать. 3) высокая стоимость. 4) отсутствие отечественной базы производства.
3	Асинхрон­ный генера­тор с фаз­ным рото­ром	1) Возможно использо­вать в автономных сис­темах в сочетании с другими машинами. соединение двух АГ или соединение АГ и ДПТ с параллельным 2) простота в обслужи­вании; 4) имеют сравнительно малые колебания гене­рируемой мощности, электромагнитного мо­мента и тока при па­раллельной работе, при переменной скорости ветра и его порывах.	1) необходимость установления редукторов, т.к. используют дешевые тихоходные турбины (с частотой вращения 20-30 об/мин). Необходим ре­дуктор с высоким коэффициен­том преобразования (Кред=50-70), что требует дополнитель­ных расходов на установку, обслу­живание, ремонт, снижает на­дежность, является источником механического шума. 2) невозможно управлять ре­жимными параметрами, что бывает необходимо при 3) в автономном режиме необ­ходим автономный источник реактивной мощности; 4) ограничение в промышлен­ном применении из-за искаженной формы выходного напряжения и неудовлетворительных 5) наличие скользящего кон­такта, что снижает надежность.
4	Специаль­ные СГ с магнито­электриче- ским воз­буждением	1) исключение сколь­зящего контакта; 2) просты и удобны в эксплуатации, высокое КПД; 3) сохраняют устойчи­вые рабочие характери­стики на протяжении не менее десяти лет.	1) необходимость в приобрете­нии дорогих постоянных маг­нитов 2) постоянство магнитного по­тока, т.е. невозможность его ре­гулировать; 3) высокая стоимость генерато­ров; 4) отсутствие отечественной базы производства
5	СГ с элек­тромагнит­ным возбу­ждением	1) При применении преобразователя с яв­ным звеном постоян­ного тока и инвертором напряжения при ши­ротно-импульсном получить в токе низкий состав гармоник, улуч­шение динамических 2) возможность управ­ления реактивной мощ­ностью с генераторной стороны.	1) выше стоимость, сложнее конструкция, ниже надежность, чем у АМ; 2) наличие скользящего кон­такта и необходимость источ­ника постоянного тока для обмотки возбуждения; 3) при необходимости безре­дукторной установки усложняется конст­рукция, увеличивается вес и цена; 4) жесткая зависимость частоты ЭДС от скорости вращения. Это ограничивает, а в регионах с резкими порывами ветра де­лает невозможным, использо­вание СГ для прямого включения в сеть без ППЧ. 5) Для обеспечения параметров тока и напряжения с допусти­мыми техническими характери­стиками необходимо применять преобразователи с явным звеном постоянного тока и ин­вертором напряжения.
6	Асинхрони­зированный синхронный генератор	1) Возможно использо­вать в автономных сис­темах в сочетании с другими машинами. соединение с АГ или соединение с АГ и ДПТ с параллельным возбу­ждением. 2) Большая устойчи­вость.	1) наличие на роторе скользя­щего контакта для подвода на­пряжения к обмотке возбужде­ния ротора и необходимость в преобразователе частоты для регулирования напряжения возбуждения; 3) при отклонении скорости от синхронной требуется значи­тельное увеличение реактивной мощности и напряжения в об­мотке возбуждения. 4) при приближении скольже­ния к нулю и несинусоидальности в вы­прямителе, питающем обмотку возбуждения, в напряжении генератора возни­кают значительные субгармо­ники, а при параллельной ра­боте и регулировании напряже­ния по величине и фазе сколь­жения, в вырабатываемом на­пряжении возникают пульса­ции, практически повторяющие пульсации момента ветротур­бины.

Эффективность работы ВЭУ не сильно зависит от направления ветра. Однако, на различной местности, ветры разных румбов имеют неодинаковую порывистость и скорость. Их цикличность определяют по розе ветров. Угловые градиенты скорости оказывают сильное влияние на работу механизмов автоматической ориентации и на величину гироскопических нагрузок [10]. Мощность ВЭУ [11]:

(1)

где – плотность воздуха, изменяющаяся сезонно, и зависящая от давления и температуры, кг/м 3 ;

ν – скорость ветра, м/c;

– коэффициент мощности ветроустановки;

D – диаметр ветроколеса, м;

– КПД генератора;

– КПД ветроустановки.

Согласно мнению многих исследователей, (EWEA, 1991; Андерсон, 1992, Beurskens and Jensen, 2001), для ориентировочного расчета количества вырабатываемой электроэнергии в год (Э, кВт·час), при известной средней скорости ветра на участке установки ветротурбины, можно использовать формулу [11]:

(2)

где K = 3,2 – численный коэффициент, полученный для типичных характеристик работы ветрогенератора, зная приблизительное значение средней скорости и частоту изменения скорости ветра;

– среднегодовая скорость ветра через сечение поверхности, образуемой лопастями ветротурбины, м/с;

– сечение поверхности, образуемой лопастями ветротурбины, м 2 ;

N – число ВЭУ, шт.

Рассматривая энергетические соотношения, условимся пренебрегать потерями в системах и примем коэффициент мощности cosφ=const. Уравнения баланса мощностей для автономной системы электроснабжения имеющей асинхронный генератор с самовозбуждением при включении конденсаторов в цепь статорной обмотки представим в виде:

, (3)

Далее запишем уравнения баланса реактивных мощностей при активно-индуктивной или активной нагрузке, и при использовании в генераторной установке только шунтирующих конденсаторов или шунтирующих и компаундирующих конденсаторов.

(4)

;

где , , – токи фазы генератора, нагрузки и шунтирующих конденсаторов, А;

– напряжение на статорной обмотке, В;

– угловая частота напряжения генератора;

L – индуктивность фазы нагрузки;

– емкость шунтирующих и компаундирующих конденсаторов;

, – фазовые углы сдвига генератора и нагрузки;

– количество фаз генератора;

– электромагнитная мощность генератора, Вт;

– реактивная мощность генератора, определяемая из соотношения:

Уравнения баланса реактивной мощности могут быть использованы для автономной системы лишь тогда, когда для выравнивания частоты у потребителей автономной системы не применяется вставка выпрямитель-инвертор. Если данная вставка имеется, то балансы реактивной мощности составляются отдельно для АГ (асинхронного генератора) с целью его возбуждения и для автономной электрической сети с целью обеспечения надлежащего качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности.

При совместной параллельной работе генераторов на активно-индуктивную нагрузку их активные мощности складываются, а реактивная мощность системы становится равной суммарной реактивной мощности шунтирующих и компаундирующих конденсаторов [14].

Работа любой асинхронной машины в генераторном режиме требует наличие источника реактивной мощности. Значение емкости, необходимой для возбуждения генератора при данной частоте [13]:

где и – индуктивность обмотки статора и намагничивающего контура генератора, Гн.

В общем случае, емкость, требующаяся для получения напряжения на генераторе при значении нагрузки, определяется:

Примем и выразим

и получим финальное значение емкости, необходимой для работы асинхронного генератора с переменной частой вращения приводного двигателя:

где – мощность, отдаваемая генератором, Вт;

– напряжение на конденсаторах, В;

– частота вырабатываемого тока, Гц;

и – углы сдвига фаз между напряжением = и токами генератора и нагрузки.

Автономные АГ разумно использовать при значениях

При меньших требуемая емкость быстро возрастает и генератор почти полностью загружается реактивным током.

Из уравнения (4) – баланса реактивной мощности для активно-индуктивной нагрузки, – можно найти зависимость угловой частоты вращения вектора напряжения: = с частотой в сети.

АГ в отличие от синхронных генераторов (CГ), которым необходима строгая синхронизация частоты вращения при параллельном включении, в свою очередь могут быть настроены на довольно простую параллельную работу. У параллельно работающих АГ частоты вращения могут различаться, при этом в общей цепи статорных обмоток создается ток такой частоты, которая соответствует резонансу в полной эквивалентной схеме, включающей, помимо цепи нагрузки и конденсаторной батареи, цепи объединенных статорных и роторных обмоток генераторов с соответствующими активными и реактивными сопротивлениями.

АГ находят малое применение в относительно слабых источниках тока в автономных энергоустановках. Соблюдая определенные условия допускается работа в режиме АГ мощных турбогенераторов. Перспективы совершенствования АГ и их более широкого внедрения связаны с проводимой в настоящее время разработкой высокоэффективных легких конденсаторов.

Выводы:

1. Большое количество стран в последние 20-25 лет уделяют особое внимание развитию нетрадиционных способов получения энергии, и немалая часть приходится на использование энергии ветра. Увеличение области использования ВЭУ может идти в направлениях:

– обеспечение электроэнергией малых объектов. Такие ВЭУ должны иметь мощность в пределах 30-100 кВт;

– обеспечение совместной работы с уже имеющимися энергосистемами традиционной энергетики. Мощность таких ВЭС может определяться в интервале 3-15 МВт;

– предоставление электроэнергии промыслам нефтегазовой отрасли, которые находятся вдали от центральных систем энергоснабжения.

1. Установлено, что в автономных электрических сетях, при использовании ВЭУ мощностью до 200 кВт, рекомендуется применение синхронных генераторов (СГ) с постоянными магнитами (СГПМ), которые имеют преимущества по мощности, экономическим показателям, малому количеству потерь и КПД [8]. Этому способствует появление нового поколения ПМ с высокими технико-экономическими показателями, имеющих высокую коэрцитивную силу и возможность долго ее сохранять. В рабочей зоне (воздушном зазоре), с помощью таких магнитов, мы можем получить значение магнитной индукции до 0,8-0,9 Тл, что в некоторых случаях даже превышает значение индукции, получаемое при электромагнитном возбуждении. Учитывая заинтересованность в постоянных магнитах, их производство улучшается, а стоимость снижается, как и стоимость силовой электроники, судя по последним годам.
2. СГ классической конструкции с электромагнитным возбуждением монтируются на установках либо малой, либо очень большой мощности. Технология изготовления и опыт расчета таких машин позволяет устанавливать мощные безредукторные установки (мощностью до 2 МВт) с хорошими структурными показателями, высоким КПД и возможностью регулировать напряжение в широких пределах за счет изменения тока возбуждения.
3. У СГ существует жесткая зависимость частоты генерируемой ЭДС от скорости вала. Если ветер порывистый, то в генераторе образуются высокие значения переменных составляющих в режимных параметрах и вместе с сетью работа таких генераторов ухудшается. Это ограничивает, а в регионах с резкими переменными ветрами делает невозможным, использование СГ для прямого включения в сеть. При такой работе между генератором и сетью устанавливают полупроводниковый преобразователь частоты.
4. Асинхронизированные синхронные генераторы (АСГ) находятся скорее в стадии разработки, чем в стадии промышленного применения. У АСГ к симметричному в магнитном отношении ротору, через три кольца, к трехфазной (иногда, двухфазной) обмотке возбуждения подводят напряжение, величина и фаза которого изменяется пропорционально скольжению. Регулирование напряжения возбуждения осуществляется за счет преобразователя частоты.
5. С быстрым развитием технологий ветротурбин, будущие тенденции в промышленности ветротурбин вероятно будут сконцентрированы на постепенном усовершенствовании уже известных технологий.
   – Мощность одной ветротурбины будет продолжать возрастать, так как это сокращает стоимость установки ветротурбины, особенно это важно для оффшорных (морских) ветропарков.
   – Оффшорная ветряная энергия является более привлекательной, чем эта же энергия на суше в связи с увеличением скорости ветра у моря и свободного пространства.
   – Увеличение проникновения энергии ветра в энергетическую систему.
6. Будущий успех разных понятий ветроустановок будет сильно зависеть от их способности соответствовать ожиданиям рынка и требованиям электросетевой компании.

Список литературы / References

1. Кривцов В. С. Неисчерпаемая энергия. Кн. 1. Ветроэнергетика / В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. – Харьков : Нац. аэрокосм. ун-т (ХАИ); Севастополь: Севастоп. нац. техн. ун-т, 2004. – 519 с.
2. Григораш О.В. Возобновляемые источники электроэнергии / О.В. Григораш, Ю. П. Степура, Р. А. Сулейманов и др. Краснодар, 2012, с. 272.
3. Chen Z. Wind energy-the world’s fastest growing energy source / Z. Chen, F. Blaabjerg // IEEE Power Electronics Society Newsletter. – 2006. – Т. 18. – № 3. – С. 17-19.
4. Hansen A. D. Wind turbine concept market penetration over 10 years (1995–2004) / A. D. Hansen, L. H. Hansen //Wind energy. – 2007. – Т. 10. – № 1. – С. 81-97.
5. Erlich I., Winter W., Dittrich A. Advanced grid requirements for the integration of wind turbines into the German transmission system //2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting. – IEEE, 2006. – С. 7.
6. Global wind energy council (GWEC) global wind 2015 report, available at: http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-Global-Wind-2015-Report _April-2016_22_04.pdf, accessed September 2016.
7. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки – М.: Сельхозиздат, 1957. –536 с.
8. Сидельников Б.В. Современное состояние и сравнительный анализ конструктивных схем ветрогенераторов /Б. В. Сидельников // Вестник Щецинского технического университета, Польша, 2001.
9. Hall D. Renewable Energy. Power for a Sustainable Future. / D. Hall // Oxford Unit. Press, 1996. – 478 p.
10. Шевченко В.В. Проблемы, перспективы и основные направления развития экологически чистых источников электроэнергии в Украине / В.В. Шевченко, И.Я. Лизан // Качество технологий и образования. Сборник научных трудов. – Вып. 1. – Х.: УИПА, 2011. – С. 77–87.
11. Лукутин Б.В. Энергоэффективные управляемые генераторы для ветроэлектростанций / Б.В. Лукутин, Е. Б. Шандарова, А. И. Муравлев // Известия вузов. Сер. Электромеханика. – 2008. – № 6. – С. 63–66.
12. Шевченко В. В. Анализ возможности использования разных типов генераторов для ветроэнергетических установок с учетом диапазона мощности / В. В. Шевченко, Я. Р. Кулиш // ISSN 2079-3944. Вестник НТУ “ХПИ”. 2013. № 65 (1038) – Харьков : Нац. Тех. Ун-т (ХПИ), – 2013. – С. 107–117.
13. Miller N. W. Frequency responsive wind plant controls: Impacts on grid performance / N. W. Miller, K. Clark, M. Shao // 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting. – IEEE, 2011. – С. 1-8.
14. Boyle G. . Renewable Energy. — Oxford University Press, 2004. — 464 с.

Список литературы латинскими символами / References in Roman script

Источник