CC BY
3780
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 621.313.322
Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Деведеркин И. В.
Nikitenko G. V., Konoplyov E. V., Devederkin I. V.
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ
ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
HIGH EFFICIENCY SYNCHRONOUS PERMANENT MAGNET GENERATOR FOR WIND POWER INSTALLATION
Предложен синхронный генератор для ветроэнергетической установки. Представлены компоновочная схема ветроэнергетической установки, результаты проведенных экспериментальных исследований.
Ключевые слова: ветроэнергетика, автономное электроснабжение, ветроэнергетическая установка.
We propose a synchronous generator for a wind power plant. Presented layout scheme wind power plant, the results of experimental studies.
Key words: wind power, autonomous power, wind power plant.
Никитенко Геннадий Владимирович -
доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой «Применение электрической энергии
в сельском хозяйстве»
Ставропольский государственный
аграрный университет
Коноплев Евгений Викторович -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Применение электрической энергии
в сельском хозяйстве»
Ставропольский государственный
аграрный университет
Тел.: 89034189746
Еmail: [email protected]
Деведеркин Игорь Викторович -
инженер
Ставропольский государственный аграрный университет
Nikitenko Gennadiy Vladimirovich -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head. Department
«Application of electrical energy in agriculture» «Stav-ropol State Agrarian University»
Konoplyev Evgeniy Viktorovich -
Ph.D., Associate Professor, «The use of electricity in agriculture» Stavropol State Agrarian University Tel.: 89034189746 Email: [email protected]
Devrderkin Igor viktorovich -
Engineer Stavropol State Agrarian University
Интенсивное развитие ветроэнергетики в нашей стране связано не только с совершенствованием конструкций ветроэнергетических установок (ВЭУ), горизонтального и вертикального типов, но и с разработкой электрических генераторов, обладающих улучшенными значениями удельно-мощностных характеристик. Проектирование и создание синхронных генераторов с повышенными энергетическими параметрами положительно отразится на эффективности эксплуатации как крупных ветропарков, так и небольших по мощности ветроэлектростанций, предназначенных для электроснабжения удаленных от централизованного энергообеспечения народнохозяйственных объектов [1-19].
Качество вырабатываемой электрической энергии на небольших по мощности ветроэлек-тростанциях зависит от конструкции механической части ВЭУ, от совершенства систем автоматизации и от вида генератора, входящего в их состав. Для электроснабжения потребителей применяются синхронные и асинхронные
генераторы. Синхронный генератор предназначен для выработки переменного тока фиксированной частоты и обеспечения электрической энергией объектов с реактивной нагрузкой до 65 %. Асинхронные генераторы используются для выработки и поддержания напряжения в сети с высокой точностью и в большинстве случаев хорошо работают на активную и активно-индуктивную нагрузку с реактивной мощностью до 30 % от номинала и ступенчатым регулированием.
Наиболее важной задачей при проектировании электрогенераторов является повышение мощности электропреобразователей без существенного увеличения их себестоимости и ухудшения массогабаритных показателей. Конструктивно мощность генераторов наращивают или снижают исходя из теории подобия за счет изменения сечения и габаритных размеров маг-нитопровода, варьированием диаметра обмоточного провода, количеством витков в обмотках и в результате численного преобразования постоянных магнитов с различным значением магнитной индукции.
в
:№ 4(12), 2013:
Агроинженерия
81
В синхронных генераторах (СГ), у которых постоянные магниты расположены на внутренней поверхности ротора, а силовые магнитные линии, пересекая воздушный зазор, индуктируют в обмотках статора электрический ток, наращивание мощности возможно в результате равномерного распределения магнитного потока по виткам намагничивающих катушек (рис. 1а). Концентрация магнитных линий в витках катушек приводит к росту тока и повышению мощности синхронного генератора.
Эффект достигается за счет разработки нового синхронного генератора на постоянных магнитах, отличительной особенностью от известных конструкций которого является наличие в составе магнитной системы ротора тонких магнитных вставок 1 и псевдо полюсов треугольного сечения 6, а также дополнительных магнитных полюсов в виде тонких магнитных пластинок 5, установленных позади намагничивающих катушек 3 (рис. 1б).
Предлагаемые конструктивные изменения в магнитной системе СГ позволяют более равномерно распределять магнитные потоки через поверхность, образованную витками цилиндрической катушки трапецеидального вида, увеличивать потокосцепление, силу тока и, как следствие, мощность синхронного генератора.
Для определения номинальной мощности разработанного синхронного генератора пользуются математическим моделированием. Составление математического алгоритма сводится к расчету магнитного потока, определению КПД электрической машины, номинальному току и т. д.
Коэффициент полезного действия рассчитывается по формуле
П =
Р
Р2 + АР
(1)
где Р2 - мощность, вырабатываемая генератором; ДР - потери мощности в магнитной системе.
Мощность, вырабатываемая синхронным генератором на постоянных магнитах, определяется
ии/и
р
2 в
(2)
где в - проводимость магнитной системы;
ин - номинальное напряжение на выходе генератора;
/„ - номинальный ток генератора.
Номинальный ток находится из математического уравнения
Ф-, (3)
N
/н = -
где Фп - полный магнитный поток, образованный постоянными магнитами в секциях генератора;
N - число витков обмотки полюса ротора.
Моделирование магнитоэлектрических процессов, протекающих в синхронном генераторе, выполнялось в электронной среде ELCUT. Рассматривались две конструкции генераторов: первая - с дополнительными элементами в магнитопроводе; вторая - традиционная без конструктивных изменений.
В результате проведенного компьютерного моделирования установлено, что в первой конструкции СГ магнитные силовые линии, благодаря изменённой конфигурации магнитной системы, наиболее эффективно сцепляются с
Рисунок 1 - Распределения магнитного поля в секции (а) синхронного генератора с постоянными магнитами; разрез синхронного генератора (б) с ферромагнитными вставками на роторе и статоре
82
Ежеквартальный научно-практический журнал ^^^^^^^
В
витками трапецеидальных катушек и концентрируются в обмотках полюсов ротора, что приводит к росту индукции и напряженности магнитного поля в исследуемом контуре генератора (рис. 2).
Рисунок 2 - График изменения магнитной индукции в функции длины контура: 1 - кривая, построенная для СГ с дополнительными магнитными элементами; 2 - кривая зависимость для конструкции генератора без введения в магнитопровод псевдополюсов и вставок
Рисунок 3 - График изменения напряженности
магнитного поля в функции длины контура: 1 - кривая, построенная для первой конструкции синхронного генератора;2 - кривая, построенная для второго варианта СГ
Таблица - Результаты компьютерного моделирования двух конструкций синхронных генераторов
Значения физических величин
Название
физических величин Вращающий момент М, Н-м
Магнитодвижущая сила Р А
Магнитный поток Ф, Вб
Поверхностная энергия Ws, Дж/м
Средний потенциал поверхности As, Вб/м
Интеграл от индуктивности по контуру 1в, Тл-м
Поверхностный интеграл от напряженности Н, Ам
С ферромагнитными вставками
0,11878
433,48
4,771е-6
8027,8
0,002436
5,4465е-4
3,794
Без фер-ромаг-нитных вставок
0,033749
35,756
3,3939е-6
4641,8
0,001679
4,499е-5
0,033749
Благодаря наличию дополнительных ферромагнитных элементов в конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах плотность магнитного потока в исследуемом объеме катушки намного выше, чем в СГ без конструктивных нововведений, как следствие большие значения индукции и напряженности магнитного поля. Используемые вставки перераспределяют основной магнитный поток в сторону обмотки, в результате плотность энергии увеличивается. Результаты компьютерного моделирования сведены в таблицу.
Разработанный синхронный генератор предназначен для использования в ветроэнергоу-становках роторного типа (рис. 3). Возможно модульное построение блока генераторов для увеличения выходной мощности. Предлагаемое техническое решение направлено на снижение потерь мощности в СГ, повышение КПД системы, увеличение производительности выработки качественной электрической энергии и возможности комплектования ВЭУ без муль-типликаторных устройств. Предлагаемый синхронный генератор может работать не только с ветродвигателем, но и ДВС.
1-ВетраЗИигшгель г-Мойульное расположение эл екгаро ее н в ратороА 3-Электрамагнитная муфта
1,А-Выра5атыбаемый так
электрогенераторов К, В. - напряжение на ЙыхоЗе "члр^тпл ирпптпппА
Двигатель
внутреннего
сгорания
Редуктор
Рисунок 4 - Компоновочная схема ветроэнергетической установки
Применение разработанного синхронного генератора в комплекте с ВЭУ имеет ряд преимуществ, которые направлены на повышение
в
:№ 4(12), 2013:
Агроинженерия
83
экономического эффекта и энергоэффективности потребителей небольшой мощности:
- во-первых, КПД преобразователя магнитоэлектрической энергии увеличивается из-за повышения плотности магнитных силовых линий через обмотки полюсов, что приводит к росту мощности и повышению КПД генератора;
- во-вторых, работа СГ на аккумуляторные батареи приводит к форсированному вводу в эксплуатацию накопителя электрической энергии;
Литература
1. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В. Ветроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения : монография. Ставрополь : АГРУС, 2008. С. 152.
2. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В. Оценка вариантов автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей // Техника в сельском хозяйстве. 2012. №1. С. 16-17.
3. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коно-плев П. В. Ветроэнергетическая установка автономного электроснабжения // Сельский механизатор. 2012. № 2. С. 25.
4. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноп-лев П. В. Стабилизация частоты вращения генератора ветроустановки // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2012. № 5. С. 24-25.
5. Пат. 113308 Российская Федерация, МПК Р03й 9/00. Ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения потребителей [Текст] / Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ. № 2011131341/07 ; заявл. 26.07.2011 ; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4.
6. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В. Электроснабжение потребителей с использованием автономной ветроэнергетической установки // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции. Ставрополь : СтГАУ, 2010. С. 165-167.
7. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноп-лев П. В. Режимы работы системы автономного электроснабжения потребителей // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции. Ставрополь : СтГАУ, 2010. С.167-171.
8. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноп-лев П. В. Ветроэнергетическая установка автономного типа // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции. Ставрополь : СтГАУ, 2010. С. 171-176.
9. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В. Обоснование структуры системы автономного электроснабжения // Сборник научных трудов по материалам
- в-третьих, нет необходимости постоянной стабилизации оборотов вращения ветроэнергетической установки, так как при вращении генератора на больших скоростях избыток электрической энергии выделяется на сопротивлении в виде тепловой энергии, а при низких оборотах ротора возможно подключение ДВС, или машины постоянного тока, установленной между валом отбора мощности ВЭУ и синхронным генератором.
References
1. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V. Wind power in autonomous power supply : monograph. Stavropol : AGRUS, 2008. Р. 152.
2. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konoplyev P. V. Evaluation of options autonomous power supply to agricultural consumers // Photo in agriculture. 2012. № 1. Р. 16-17.
3. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konoplyev P. V. Wind Turbine autonomous power // Rural mechanic. 2012. № 2. Р. 25.
4. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konoplyev P. V. Stabilization speed wind turbine generator // Mechanization and electrification of agriculture. 2012. № 5. P. 24-25.
5. Pat. 113308 Russian Federation,the IPC F03D 9/00. Wind Turbine for autonomous power supply to consumers [Text] / Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konoplyev P. V. ; applicant and patentee VPO Stavropol State Agrarian University. № 2011131341/07 ; appl. 26.07.2011 ; publ. 10.02.2012, Bull. № 4.
6. Electricity to consumers using autonomous wind turbine / G. V. Nikitenko, E. V. Konoply-ev, P. V. Konoplyev / / Collection of scientific papers based on the 74th Scientific Conference : StGAU, 2010. - P. 165-167.
7. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konop-lyev P. V. Modes of operation of the system of autonomous power users // Collection of scientific papers based on the 74th Scientific Conference. Stavropol : StGAU, 2010. P. 167-171.
8. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konop-lyev P. V. Wind Turbine stand-alone type // Collection of scientific papers based on the 74th Scientific Conference. Stavropol : StGAU, 2010. P. 171-176.
9. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konop-lyev P. V. Rationale for the structure of the system of autonomous power supply // Collection of scientific papers on the materials of the 75th Scientific Conference of the electricity department. Stavropol : StGAU, 2011. P. 137-143.
10. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konop-lyev P. V. Wind Turbine // Collection of scientific papers on the materials of the 75th Scientific Conference of the electricity department. Stavropol : StGAU, 2011. P. 143145.
84
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета. Ставрополь : СтГАУ, 2011. С. 137-143.
10. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноп-лев П. В. Ветроэнергетическая установка // Сборник научных трудов по материалам 75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета. Ставрополь : СтГАУ, 2011. С. 143-145.
11. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В., Лысаков А. А. Электроснабжение автономных потребителей посредством использования ветроэнергетических установок // Наука и техника : монография. Красноярск : Научно-инновационный центр, 2011. С.124-146.
12. Коноплев П. В. Модель ветроэнергетической установки // Сборник научных трудов по материалам 76-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ, Ставрополь, 2012. С. 56-64.
13. Григораш О. В., Степура Ю. П., Сулейма-нов Р. А. и др. Возобновляемые источники электроэнергии : монография / под общ. ред. О. В. Григораш. Краснодар : КубГАУ, 2012. С. 272.
14. Григораш О. В., Стрелков Ю. И. Нетрадиционные автономные источники электроэнергии // Промышленная энергетика. 2001. № 4. С. 37-40.
15. Григораш О. В., Пугачев Ю. Г, Военцов Д. В. Возобновляемые источники электроэнергии: состояние и перспективы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 8. С. 24-25.
16. Григораш О. В., Сулейманов Р. А., Власен-ко Е. А. К вопросу терминологий и развития возобновляемой энергетики // Труды КубГАУ Краснодар, 2011. № 5. С.102-105.
17. Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Квитко А. В. Возобновляемые источники энергии: термины, определения, достоинства и недостатки // Труды КубГАУ. Краснодар, 2011. № 5. С.189-192.
18. Григораш О. В., Сулейманов Р. А., Квитко А. В. К расчёту экономической эффективности ветроэлектрических установок // Труды КубГАУ. Краснодар, 2011. № 6. С.192-196.
19. Пат. 2263815 Российская Федерация, МПК Р03Р3/00. Роторный двигатель с вертикальным валом вращения [Текст] / Ха-люткин В. А., Мерзликин Р. Ю. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ставропольский ГАУ. № 2004110308/06, заявл. 05.04.2004 ; опубл. 10.11.2005.
11. Nikitenko G. V., Konoplyev E. V., Konoplyev P. V., Lyssakov A. A. Power supply independent consumers through the use of wind power plants // Science and technology : the monograph. Krasnoyarsk Research and Innovation Centre, 2011. P. 124-146.
12. Konoplyev P. V. Model wind turbine // Collection of scientific papers on the materials of the 76th Scientific Conference of the electricity department StGAU. Stavropol, 2012. P. 56-64.
13. Grigorash O. V., Stepura Y. P., Sulej-manov R. A. et. al. Renewable energy sources : monograph. Krasnodar : KubGAU, 2012. P 272.
14. Grigorash O. V. Strelkov Y. I. Non-conventional sources of energy self // Industrial Energy. 2001. № 4. P. 37-40.
15. Grigorash O. V., Pugachev J. G., Voen-tsov D. V. Renewable energy sources: state and prospects // Mechanization and Electrification SH. 2007. № 8. P. 24-25.
16. Grigorash O. V., Sulejmanov R. A., Vlasenko E. A. On the question of terminology and the development of renewable energy // Proceedings of the KubGAU. Krasnodar, 2011. № 5. P. 102-105.
17. Grigorash O. V., Stepura Y. P., Uskov A. E., A. V. Kvitko. Renewable energy: the terms, definitions, advantages and disadvantages // Proceedings of the KubGAU. Krasnodar, 2011. № 5. P. 189-192.
18. Grigorash O. V., Sulejmanov R. A., Kvitko A. V. Calculation of economic efficiency of wind power plants // Proceedings of the KubGAU. Krasnodar, 2011. № 6. P. 192-196.
19. Pat. 2263815 Russian Federation, the IPC F03D3/00. The rotary engine with vertical shaft speed [Text] / Halyutkin V. A., Merz-likin R. Y. applicant and patentee FSEIHPE Stavropol State Agrarian University. № 2004110308/06, appl. 05.04.2004 ; publ. 10.11.2005.
