Статья поступила в редакцию 28.12.12. Ред. рег. № 1491 The article has entered in publishing office 28.12.12. Ed. reg. No. 1491
УДК 621.31
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
А.Н. Киндряшов, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: (950) 736-4051, e-mail: salamandra174@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.01.13 Заключение совета экспертов: 15.01.13 Принято к публикации: 22.01.13
В статье описаны специализированные электрические машины для ветроэнергетических установок, разработанные в Южно-Уральском государственном университете и ООО «ГРЦ-Вертикаль» с привлечением разработчиков из ряда научных школ России и США, а также дан ряд сравнительных характеристик таких электрических машин.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, электрическая машина, альтернативная энергетика.
ELECTRICAL MACHINES FOR VERTICAL AXIS WIND TURBINES
A.N. Kindryashov, A.S. Martyanov, E.V. Solomin
South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: (950) 736-4051, e-mail: salamandra174@mail.ru
Referred: 10.01.13 Expertise: 15.01.13 Accepted: 22.01.13
The article describes features of special electric machines developed at South Ural State University and SRC-Vertical, Ltd. in collaboration with several scientific schools of Russia and USA.
Keywords: wind power, renewable source of power, electric machine, alternative energy.
Мировые тенденции в развитии возобновляемых источников энергии, и ветроэнергетики в частности, направлены в сторону неуклонного повышения эффективности, безопасности и надежности аппаратов. Такие мероприятия требуют не только оптимизации электромашин, но также и повышения удельной производительности распространенных в ветроэнергетике электромеханических преобразователей, регулярного анализа состояния электромеханических систем и поиска путей их усовершенствования [1, 2].
Поскольку ветроагрегаты имеют широкий диапазон конструкций и характеристик (быстроходность, мощность, предельная электрическая нагрузка), возникает необходимость подбора такой электрической машины, которая бы наиболее полно соответствовала характеристикам ветротурбины и позволяла максимально эффективно использовать энергию ветра. Однако подбор электрических машин в стандартных сериях в большинстве случаев позволяет обнаружить лишь изделия, обладающие весьма приближенными к требуемым характеристиками.
Тем не менее, по мнению авторов, имеется ряд выходов из такой ситуации:
- создание или поиск механического преобразователя (редуктора, мультипликатора), компенсирующего разность характеристик;
- создание или поиск специальной электрической машины, наиболее полно соответствующей характеристикам ветротурбины.
Первый вариант приводит к снижению надежности и общего коэффициента полезного действия (КПД) ветроэнергетической установки (ВЭУ) из-за введения дополнительного элемента. К тому же подходящий редуктор приходится зачастую проектировать и создавать вновь, поскольку стандартное изделие подобрать так же сложно, как и электрическую машину. Тем не менее, такой подход может привести к общему снижению себестоимости, особенно крупных ВЭУ.
Второй вариант дороже первого, однако позволяет наиболее полно учесть характеристики ветроколе-са и машины. Учитывая разнообразие конструкций
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
ветротурбин, а также перспективы развития в России малой ветроэнергетики [1-3] разработчик ветроэнергетического оборудования может проектировать и создавать свою ветротурбину и электрическую машину к ней, что, в свою очередь, еще больше расширяет предлагаемый ряд ВЭУ.
Рис. 1. Вентильный генератор с аксиальным зазором с возбуждением от постоянных магнитов Fig. 1. Axial gap permanent magnet excitation synchronous alternator
Специалисты ЮУрГУ и ГРЦ-Вертикаль избрали второй вариант и создали семейство малых вертикально-осевых ВЭУ на основе специализированных бесконтактных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов с осевым (аксиальным) зазором - БМВПМ [1-4] (рис. 1).
Применение электрических машин с возбуждением на постоянных магнитах вполне оправдало себя для малых мощностей ВЭУ, но в этом случае регулирование выходных параметров должно обеспечиваться электронным преобразователем тока [5]. Для более крупных ВЭУ (30 кВт и выше) цена такого преобразователя оказывается слишком высокой, повышаются требования к электронным ключам как по напряжению, так и по току. В таких машинах более выгодным становится регулирование параметров на выводах с применением электромагнитного возбуждения. Однако при этом мощность, потребляемая ротором, составляет в среднем до 30% от полной мощности машины. Например, расчетная мощность ротора АСГ-30 в номинальной точке 6,2 кВт, при этом с выводов отдается мощность 30 кВт [1].
Для сравнения ряд технических характеристик электромашин сведен в табл. 1, где наряду с электрическими приведены и относительные параметры - удельная мощность на единицу массы и КПД. Для применения серийной электрической машины требуется мультипликатор, параметры которого также приведены в таблице и учтены в расчете КПД и удельного коэффициента мощности генератора.
Согласно табл. 1, наиболее эффективными по мас-соэнергетическим показателям являются БМВПМ. Это объясняется высокими показателями современных магнитов. Среди генераторов с электромагнитным возбуждением, ввиду высокой скорости вращения, имеет явное преимущество по массоэнергетиче-ским показателям серийный крановый асинхронный двигатель МТН511-8 совместно с мультипликатором. Мультипликатор имеет передаточное число 12, рассчитываемое по формуле I = п2/пь где I - передаточное число; п2 - число оборотов скоростного вала, соответствует синхронной частоте вращения асинхронного двигателя, для МТН511-8 715 об/мин; П1 - число оборотов тихоходного вала, для вертикально-осевых ВЭУ ГРЦ-Вертикаль приближенно 60 об/мин в номинальной точке.
Параметры электрических машин Parameters of electrical machines
Таблица 1 Table 1
Тип генератора (мультипликатора) Напряжение статора, В Ток статора, А Мощность, кВт Масса, кг Удельный коэффициент мощности, кВт/кг КПД, %
БМВПМ-0.1 24 4,2 0.1 15 0,004 до 80
БМВПМ-1.5 48 31,25 1.5 55 0,025 до 85
БМВПМ-3 48 62,5 3 65 0,046 до 93
БМВПМ-30 400 75 30 500 0,06 до 85
АСГ-30 380 56,9 30 750 0,04 89,2
МТН511-8 380 82 30 390 0,031 85,8
Ц2В-250М - - 32-40 68 96
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
А.Н. Киндряшов, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин. Электрические машины ВЭУ с вертикальной осью вращения
Рис. 2. Асинхронизированный синхронный генератор Fig. 2. Doubly fed induction alternator
Из таблицы сравнения следует, что по значению КПД наилучшими являются БМВПМ, а среди генераторов с электромагнитным возбуждением - АСГ-30 (асинхронизированный синхронный генератор, рис. 2) ввиду отсутствия мультипликатора. Двигатель МТН511-8 имеет КПД 89,4%, однако с учетом мультипликатора общий КПД снижается до указанного в табл. 1 - 85,8% [5, 6].
Срок службы электрических машин представлен в табл. 2.
Таблица 2
Срок службы электрических машин
Table 2
The service life of electric cars
Основной проблемой для машин с электромагнитным возбуждением является наличие скользящих контактов для питания ротора, которые необходимо регулярно обслуживать с периодом в 1-2 года. Наибольшим сроком эксплуатации обладают машины типа БМВПМ из-за отсутствия скользящих контактов и высокого качества подшипников. Срок службы БМВПМ расчетный, так как ни одна из машин в составе ВЭУ еще не выведена из эксплуатации.
С увеличением мощности синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов появляется необходимость использования более мощных либо массивных магнитов, что приводит не только к
удорожанию конструкции, но и к возникновению технологических сложностей, связанных с большими силами тяжения, возникающими вокруг таких магнитов. Поэтому для машин мощностью от 10 кВт и выше становится целесообразным использовать электромагнитное возбуждение, несмотря на недостатки, указанные выше. Применение электрических генераторов с электромагнитным возбуждением также позволяет избежать применения электронного преобразователя тока для формирования напряжения, пригодного для использования потребителем. Регулирование работы ВЭУ при этом должно осуществляться по цепи возбуждения, где токи и напряжения гораздо меньше, чем в якорной цепи. Это решение позволяет упростить и удешевить электронное оборудование в составе ВЭУ.
Использование электромагнитного возбуждения требует питания обмоток ротора, для чего могут применяться либо контактные кольца, либо другая электрическая машина. Первый вариант выгоден тем, что это простое решение, зарекомендовавшее себя годами. При этом электрическое сопротивление контактной группы невелико, что обеспечивает малые потери мощности в этом узле. В противовес этому дополнительная электрическая машина ведет к увеличению сложности и материалоемкости конструкции, КПД такого устройства передачи электрической энергии составляет 70-85%, что ведет к дополнительным потерям и снижению эффективности всей системы. Однако в качестве преимущества можно указать, что применение дополнительной электрической машины вместо использования контактных колец обеспечивает меньшее трение в механических узлах и увеличивает период между техническими обслуживаниями. Поэтому решение о применении того или иного способа питания возбудителя должно приниматься в каждом конкретном
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 с Л © Научно-технический центр «TATA», 2013 u '
Тип генератора/ мультипликатора Периодичность обслуживания, лет Срок службы, лет
БМВПМ >5 >20
АСГ-30 2 >20
МТН511-8/Ц2В-250М 2/5 20/15
случае в зависимости от соответствующих условий эксплуатации и/или имеющегося техническог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.